Tìm hiểu buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ

Độ nhạy của detector là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trong một đơn vị thời gian trên dòng hạt ở nơi đặt detector.. Đoạn II tương ứng chế độ làm việc của buồng ion hóa, trên đoạn n

MỤC LỤC

Mục lục………1

Lời nói đầu……… 3

I.Các đặc trưng cơ bản của detector………4

1 Hàm đặc trưng……….4

2 Đặc trưng thời gian của detector……….4

3 Độ phân giải năng lượng……….4

4 Hiệu suất ghi………4

5 Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí………5

II Buồng ion hóa……….6

1. Cấu tạo………6

2. Nguyên tắc hoạt động……….7

2.1. Nguyên tắc………7

2.2. Hoạt động……….11

2.2.1. Các phương pháp đo dòng ion hóa……….11

a. Phương pháp lệch không đổi ………11

b. Phương pháp nạp điện dung……… 12

c. Phương pháp bù trừ……… 13

2.2.2. Buồng ion hóa xung………14

3. Ứng dụng buồng ion hóa………15

a. Đo năng lượng các tia gamma……… 15

b. Xác định chu kì bán rã của nguồn phóng xạ……….16

c. Đo liều bằng buồng ion hóa kiểu tụ điện……….………… 18

d. Xác định liều nơtrôn……….……… 19

III Ống đếm tỉ lệ……….……… 20

1. Cấu tạo chung ống đếm tỉ lệ……….………20

2. Nguyên tắc hoạt động của ống đếm tỉ lệ……….…….21

3. Các đặc trưng cơ bản của ống đếm tỉ lệ……….…… 25

a. Phân giải thời gian của ống đếm tỉ lệ……….…….25

b. Vùng tỉ lệ giới hạn……….…… 26

4. Các ứng dụng của ống đếm tỉ lệ……….… 27

Kết luận……….…….….28

Tài liệu tham khảo……….……….…29

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn……….…… 30

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, các nguồn bức xạ ion hóa được sử dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, xây dựng, y tế, thăm dò và khai thác khoáng sản … Việc sử dụng các nguồn bức xạ ion hóa ngày càng trở lên phổ biến và thường xuyên hơn Bên cạnh

những lợi ích to lớn mà chúng đem lại thì vẫn còn những rủi do tiềm ẩn mà những bức xạ ion hóa này gây ra

Khi sử dụng những nguồn bức xạ ion hóa không đảm bảo an toàn hay gặp phảinhững sự cố gây rò rỉ phóng xạ thì những bức xạ này sẽ gây ảnh hưởng đến cơ thể sống và làm ô nhiễm môi trường Cơ thể con người không thể nhận biết tức thời tác động của bức xạ ion hóa, do đó đòi hỏi cần phải có thiết bị nhạy với những bức

xạ ion hóa này để ghi đo và nhận biết chúng

Nhận biết được tầm quan trọng của thiết bị ghi đo bức xạ, và dưới sự hướng dẫn của cô Hoàng Ngọc Liên trong học phần đồ án thiết kế em đã tìm hiểu đề tài các loại detector trong thiết bị ghi đo bức xạ Detector là một bộ phận chính để ghi bức xạ trong thiết bị ghi đo bức xạ Có rất nhiều loại detector trong thực tế dưới đây em tìm hiểu về hai loại cơ bản đó là buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ

I Các đặc trưng cơ bản của detector bức xạ hạt nhân

1 Hàm đặc trưng G(E,V)

Hàm đặc trưng được định nghĩa là xác suất hạt với những tính chất đã cho, kích thích trong detector một tín hiệu nhất định Dạng tường minh của hàm G đượcxác định bằng những tính chất của bức xạ và những quá trình xảy ra trong detector

2 Đặc trưng thời gian của detector.

Trong các phép đo năng lượng của hạt cũng như cần tính đến các đặc trưng thời gian của detector Nếu có nhiều hạt rơi vào detector trong khoảng thời gian Δt nhỏ hơn so với độ dài tín hiệu ra của detector thì kết quả phép đo không còn chính xác Khi đó khoảng thời gian nhỏ nhất mà 2 hạt liên tiếp đi vào detector mà nó vẫn ghi nhận được 2 tín hiệu ra được gọi là độ phân giải thời gian của detector

Sau khi detector ghi nhận một hạt bức xạ, trong một khoảng thời gian nó mất khả năng ghi nhận những hạt tiếp theo người ta gọi khoảng thời gian đó là thời gian chết

3 Độ phân giải năng lượng.

Độ phân giải năng lượng η của detector là tỉ số bề rộng ΔE ở nửa độ cao của phân bố G(E,V) thu được với các hạt đơn năng, trên giá trị trung bình E của năng lượng trong phân bố này, độ lớn : η = ΔE/E

4 Hiệu suất ghi

Hiệu suất ghi của detector là tỉ số của xung ghi nhận được trên số hạt rơi vào detector

Độ nhạy của detector là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trong một đơn vị thời gian trên dòng hạt ở nơi đặt detector

Độ sáng L là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trên số hạt do nguồn phát ra

5 Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí.

Hình 1 : Đường đặc trưng vôn-ampe

Đoạn I hiệu điện thế giữa hai bản cực thấp nên tỉ lệ tái hợp giữa các electron

và ion dương chiếm ưu thế do đó vùng này không được ứng dụng Đoạn II tương ứng chế độ làm việc của buồng ion hóa, trên đoạn này hiệu điện thế giữa hai cực

đủ lớn để mọi ion sinh ra đều được thu về hai bản cực Đoạn III là vùng hoạt động của ống đếm tỉ lệ, điện thế ở gần anốt đủ lớn để gây ion hóa thứ cấp Đoạn IV tính

tỉ lệ bị vi phạm nên không được ứng dụng, được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn Đoạn V vùng hoạt động của ống đếm Geiger-Muller Đoạn VI vùng phóng điện không có ứng dụng

II Buồng ion hóa.

1.Cấu tạo

Buồng ion hóa có nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào nhiệm vụ thực

tế, do đó hình dạng của hai bản cực cũng có nhiều dạng khác nhau

Hình 2 : các loại bản cực của buồng ion hóa

Buồng ion hóa phẳng có hai bản cực như hai bản cực của một tụ điện nótạo ra một điện trường đều giữa hai bản cực Buồng ion hóa trụ có cấu tạo katốt làm vỏ hình trụ còn anốt là một sợi mảnh hoặc là một hình trụ nhỏ rỗng được đặt tại tâm của vỏ katốt vì tín hiệu đo được là rất nhỏ do đó để giảm táchại của dòng dò giữa anốt và katốt người ta bố trí thêm một điện cực bảo vệ làm triệt tiêu ảnh hưởng của dòng dò đến tín hiệu ra

Thể tích làm việc của buồng ion hóa từ vài chục đến vài chục lít bên trong thể tích làm việc của buồng được bơm các loại khí như : không khí He,

Ne, Ar, … Áp suất trong buồng phải được giữ ổn định

2.Nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa.

2.1 Nguyên tắc hoạt động

Buồng ion hóa là thiết bị đo độ ion hóa gây ra bởi các hạt mang điện hoặc bức xạ trung hòa về điện

Để đơn giản ta xét nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa phẳng

Hình 3 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa

Khi các hạt bức xạ ion hóa rơi vào thể tích làm việc của buồng ion hóa chứa khí nó sẽ ion hóa môi trường trên đoạn đường nó di chuyển trong buồng và tạo ra các electron và ion dương Lúc này hai bản cực đóng vai trò như một tụ điện , dướitác dụng của lực điện trường giữa hai bản tụ, electron sẽ di chuyển về phía bản cựcdương còn các ion dương sẽ di chuyển về phía bản cực âm Do đó trong mạch sẽ suất hiện dòng điện và ampe kế sẽ đo được dòng ion hóa.

Sự phụ thuộc của độ lớn dòng ion hóa vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện với cường độ dòng bức xạ không đổi gọi là đặc trưng vôn-ampe của buồng

Hình 4 : Đặc trưng vôn-ampe của buồng ion hóa

Trên đoạn OA dòng ion hóa tăng theo điện thế ở hai đầu tụ Đoạn AB dòng ion hóa đạt trạng thái bão hòa tức là mọi ion sinh ra đều được thu về hai điện cực

= e.N

e: điện tích nguyên tố N: số cặp ion hóa

Nguyên nhân gây ra sự thay đổi dòng theo sự thay đổi điện thế trên đoạn OA :

sự khuếch tán của các ion từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp dưới tác dụng của chuyển động nhiệt số ion đi qua diên tích trong đơn vị thời gian đặt vuông góc với trục x, tỉ lệ với tốc độ giảm nồng độ ion dọc theo trục x:

: là gradien mật độ ion

hệ số khuếch tánKhi tăng hiệu điện thế đến một giá trị đủ lớn thì ảnh hưởng chuyển động nhiệt của các electron và ion dương sẽ kết thúc

Quá trình tái hợp trung hòa của các phần tử mang điện trại dấu

Tốc độ tái hợp:

: mật độ ion dương

mật độ ion âm

hệ số tái hợp

Sự tái hợp có thể xảy ra giữa các ion âm ,ion dương cũng như giữa các

electron và ion dương Trên thực tế người ta nạp thêm vào chất khí mà các nguyên

tử của nó không có khả năng bắt electron nghĩa là không tạo ra ion âm Do đó chỉ còn sự tái hợp của electron và ion dương

Khi tăng hiệu điện thế giữa 2 bản cực đến giá trị đủ lớn nào đó thì sự tái hợp giữa các electron và ion dương sẽ không xảy ra và mọi điện tích sẽ được thu về 2 cực

Tốc độ chuyển động của các ion dưới tác dụng của điện trường tỉ lệ với độ linhđộng của các ion : v = µ.E

µ: độ linh động

E: cường độ điện trường

Độ linh động của ion phụ thuộc vào loại khí và áp suất khí, độ linh động của electron lớn hơn ion dương gần 3 bậc

Để thu được dòng ion hóa bão hòa ta cần đặt vào hai đầu bản cực một hiệu điện thế sao cho sự ảnh hưởng của khuếch tán và tái hợp là không còn

2.2. Hoạt động của buồng ion hóa

a Phương pháp lệch không đổi

Điện cực thu được nối đất qua một điện trở rất lớn ( Ω )

b Phương pháp nạp điện dung

Mắc vào mạch một tụ C có điện dung không đổi theo thời gian và không có dòng

dò Khi khóa K đóng điện tích trên tụ bằng 0, khi mở khóa K tụ bắt đầu được nạp, sau thời gian t điện tích trên tụ là: Q =V.C

Khi đó dòng ion hóa tính bằng: I =

c Phương pháp bù trừ

Khi khóa k đóng ,vôn kế sẽ chỉ một giá trị Vo nào đó, tụ C sẽ có điện tích C Tại thời điểm t=0 nào đó, ta ngắt khóa K và bật đồng hồ bấm giây thì điện tích

từ cực thu của buồng ion hóa sẽ bắt đầu đi tới bản cực trái của tụ và kim điện kế sẽ

bị lệch Bằng cách dịch chuyển con trỏ của biến trở ta đưa điện kế về vị trí ban đầu tiếp tục làm như vậy đến thời điểm t khi con trỏ nằm cuối cùng của biến trở Điện tích truyền cho tụ được bù trừ bởi lượng điện tích Q = I.t đi tới từ điện cực thu của buồng ion hóa trong thời gian t

I =

Buồng ion hóa hoạt động ở chế độ xung cho phép ghi nhận các hạt tích điện riêng biệt khi những hạt này tạo ra một hiệu ứng ion hóa Đại lượng RC có độ lớn

so sánh được với thời gian thu các điện tích

Xét hoạt động của buồng ion hóa phẳng: giả sử tại thời điểm t = 0 hạt được ghi nhận tạo ra N cặp ion, các electron với độ linh động gần 1000 lần ion dương sẽ thu nhanh về điện cực dương và xuất hiện trên đó điện tích Khi mọi ion đều được thu hết về các điện cực thì trên điện cực thu được điện tích : Q=

Nếu RC lớn hơn thời gian thu ion dương thì tụ C sẽ được tích đến điện tích Qsau đó sẽ phóng theo quy luật hàm mũ, xác định bằng đại lượng RC

Điện thế trên tụ được xác định bằng đại lượng: Q=

=Q/C Theo độ lớn của xung ghi nhận được, có thể xác định được năng lượng mà hạt

đã mất do sự ion hóa, nếu toàn bộ quãng chạy của hạt nằm trong thể tích làm việc của buồng thì xác định được năng lượng của hạt này

Biến thiên theo thời gian : (t) = ( 1 )

:là vị trí ion dương :là vị trí ion âm Nếu hiệu ứng ion hóa xảy ra trong buồng trên khoảng cách đến cực thu thì : ( 2 )

, :là tốc độ của ion dương và electron Thế (2) vào (1) được :

Buồng ion hóa làm việc ở chế độ thu hết ion dương gọi là buồng ion hóa xung ion

Buồng ion hóa xung electron: Khi đó

Hiệu ứng ion hóa xảy ra các điện cực thu một khoảng thì sau thời gian chuyểnđộng của các electron đến điện cực này sẽ xuất hiện ở lối ra:

=Q

Điện thế trên tụ :

Trong trường hợp này biên độ xung sẽ nhỏ và phụ thuộc vào vị trí xảy ra ion hóa

Để tránh sự phụ thuộc biên độ xung vào vị trí ion hóa, người ta đặt một lưới vào giữa 2 điện cực chỉ có các electron đi qua lưới mới gây ra điện tích trên điện cực thu

3. Ứng dụng buồng ion hóa

a. Đo năng lượng các tia gamma

Giả sử một chùm tia gamma tới đập vào vật rắn ,ta cần phải đo năng lượng củachùm tia này Chùm tia bị giảm theo quy luật:

N=

: là số lượng tử gamma tới

N: là số lượng tử đi qua lớp dày d

Dòng năng lượng của cá tia gamma bi hấp thụ trong một đơn vị thể tích chất hấp thụ:

△E = = (1-) Đối với chất hấp thụ nhẹ thì µ << 1 nên : △E ≈µ Khi xác định được △E , µ đã biết ta có thể xác định được

b. Xác định chu kì bán rã của nguồn phóng xạ

Quy luật phân rã phóng xạ: N=

N: số hạt nhân sau khoảng thời gian t : số hạt nhân lúc đầu

λ = nên : T = Sau những khoảng thời gian nhất định …người ta đo được các dòng ion hóa

…giảm theo quy luật hàm mũ phù hợp định luật phân rã phóng xạ:

T=

Các giá trị thực nghiệm cường độ dòng ion hóa thu được ở những thời điểm khác nhau cho phép xây dựng đồ thị I-t trong bán thang logarit

Đường 1: mẫu chỉ có 1 đồng vị phóng xạĐường 2: mẫu chứa nhiều đồng vị

Từ đồ thị ta tính được chu kì bán hủy : T =

c. Đo liều bằng buồng ion hóa kiểu tụ điện

Buồng ion hóa kiểu tụ điện thường được chế tạo nhỏ như một chiếc bút hình trụ, có hai phần để đo liều thấp và liều cao

Ban đầu khóa K1 đóng, K2 mở để nạp hiệu điện thế cho tụ sau đó buồng ion hóa được tháo ra và đeo cho nhân viên làm việc trong môi trường có bức xạ, sau một khoảng thời gian định kì, buồng ion hóa được lắp lại vào mạch Lúc này khóa K1 mở, K2 đóng để đo hiệu điện thế trên tụ, với độ lệch điện thế △U bộ chỉ thị sẽ hiện giá trị liều mà người đó đã bị chiếu xạ trong khoảng thời gian làm việc trên

d. Xác định liều nơtrôn

Trong buồng ion hóa đồng nhất tương đương tổ chức cơ thể, hỗ hợp khí sử dụng gồm: 64,4% C; 32,5% C ; 3,1% Vỏ được làm bằng nhôm sẽ gây ra những phản ứng: - (n,γ) lượng tử phát ra có năng lượng 1,779 MeV

- (n,p) khi ≥ 4,4 MeV lượng tử phát ra năng lượng 0,844 MeV

III Ống đếm tỉ lệ

1. Cấu tạo.

Ống đếm tỉ lệ có cấu hình phổ biến là hình trụ

Hình 5 : Cấu tạo ống đếm tỉ lệ

Vỏ của ống đếm thường được làm bằng kim loại và được sử dụng làm katốt,anốt thường là một thanh kim loại mảnh được đặt tại tâm của ống , người ta thiết

kế một cửa sổ trên thân ống để cho bức xạ dễ dàng đi vào ống đếm Giữa anốt và katốt được cách điện với nhau rất tốt bằng vật liệu sứ hoặc cao su

Bên trong ống được bơm khí như: không khí, He, Ar… Áp suất khí trong ống được giữ ổn định

2. Nguyên tắc hoạt động

Để đo những bức xạ có độ ion hóa riêng nhỏ người ta phải sử dụng sự khuếch đại khí của dòng ion hóa để làm tăng biên độ xung ra

Hình 6 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động

Hình 7 : Sơ đồ hình thành thác electron

Các electron xuất hiện trong quá trình ion hóa, nhận năng lượng điện trường lớn sẽ va chạm với các phân tử trung hòa khác và ion hóa chúng tạo ra các cặp electron và ion dương tiếp theo, càng về gần anốt sự phát triển thác electron-ion dương càng mạnh

Sự khuếch đại dòng khí được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại khí K

K =i: dòng đi qua ống đếm : dòng tạo ra khi không có khuếch đại khí

Có thể xác định hệ số khuếch đại khí qua số cặp ion đi qua thể tích ống :

Hệ số đặc trưng cho quá trình phóng điện qua khí: α xác định số cặp ion do một electron tạo ra trên đơn vị đường đi, β xác định số cặp ion được tạo ra bởi ion dương trên đơn vị đường đi cũng trong điện trường trên, γ xác định số electron tạo

ra thêm trong quá trình thứ cấp khác

Với điện trường không đổi thì α, β có giá trị không đổi, hay nó phụ thuộc vào

tỉ số E/p với p là áp suất khí

Ta xét vùng phóng điện giới hạn bởi hai bản cực của một tụ điện phẳng song song, khi đó ta thu được hệ số khuếch đại khí

K=

d : khoảng cách giữa anốt và katốt Nếu bỏ qua quá trình do electron thứ cấp tạo ra và ion dương tức là: β=0, γ=0 Thì ta có:

Tỉ số N(l)/ = m gọi là hệ số khuếch đại khí

- Trong trường hợp các điện cực là hình cầu hoặc trụ thì:

m =

r : khoảng cách từ điểm ion hóa đến tâm hệ : bán kính anot