Tương tác của nơtron với vật chất - Cơ chế tán xạ không đàn hồi

Tơng tác của nơtron với vật chất

- Cơ chế của tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tơng tác với vật chất nó truyền cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lợng làm cho hạt nhân nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích rồi phát ra các lợng tử gamma hoặc các bức xạ khác để trở về trạng thái cơ bản. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động dựa vào hiệu ứng vật lý trên, khi các phần tử của bức xạ lọt vào vùng nhạy của đầu dò chúng tơng tác với môi tr- ờng vật chất trong vùng nhạy (chất khí) sinh ra các ion và điện tử, nên các phần tử bức xạ đó mất dần năng lợng. Trong trờng hợp khuếch tán ba chiều nếu mật độ môi trờng không đổi và không có ảnh hởng của các lực bên ngoài lên các phần tử khuếch tán thì sự thay đổi theo thời gian của mật độ các phần tử này sẽ đợc mô tả bằng phơng trình sau đây.

Trong điện trờng E các hạt có điện tích sẽ chuyển động định hớng, nếu các hạt có điện tích là q chuyển động trên quãng đờng dx, thì hạt mang điện đó thu đợc năng lợng là q.E.dx, nhng trong quá trình chuyển động trên quãng đờng đó do va chạm với các phân tử trung hòa nên hạt mất một phần năng lợng là ε. Tốc độ chuyển động của điện tử hoặc ion đợc tính bằng tốc độ chuyển động trung bình giữa hai lần va chạm liên tiếp với phân tử khí, nếu vùng nhậy đợc đặt trong điện trờng là E [V/m], áp suất khí trong vùng đó là p [atm] và gọi à. Do điện tử có khối lợng nhỏ nên chúng nhận đợc năng lợng lớn và chuyển động tơng đối mạnh trong vùng nhậy trong quá trình chuyển động về anốt chúng va chạm với các phân tử khí và ion hóa các phân tử này và làm tăng thêm số điện tử về anốt, nghĩa là số điện tử đợc sinh ra nhỏ hơn số điện tử về anốt.

Từ công thức (1-37) tốc độ trôi của điện tử và ion tỷ lệ với E/p, nghĩa là nếu muốn giữ cho tốc độ chuyển động của ion hay điện tử không thay đổi khi tăng áp suất khí trong vùng nhạy của đầu dò thì phải đồng thời tăng điện áp hoạt động của đầu dò. Hai loại đầu dò này có đặc điểm khác nhau ở chỗ, với đầu dò loại các bản cực phẳng song song thì điện trờng trong vùng nhạy của đầu dò là đều còn với đầu dò có dạng hình trụ thì cờng độ điện tr- ờng càng gần dây anốt thì càng lớn. Nguyên tắc hoạt động của loại đầu dò này là, khi có bức xạ ion hóa rơi vào vùng nhạy của đầu dò, bức xạ đó sẽ làm ion hóa các phân tử khí trong vùng nhạy và xuất hiện các phần tử có điện tích (ion và điện tử), dới tác dụng của điện trờng chúng chuyển động về các điện cực trái dấu [6].

Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ

Thiết kế chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ

- Mặt khác, vỏ đầu dò phải mỏng nhất có thể để các bức xạ ion hóa dễ dàng xuyên qua lớp vỏ vào vùng nhạy của đầu dò. - Vỏ đầu dò phải có khả năng chịu va đập, chống mài mòn cơ học và hóa học, dễ gia công, giá thành rẻ. Căn cứ vào những điều kiện trên em đã chọn vật liệu làm vỏ đầu dò là thép không gỉ, đây là loại vật liệu cứng, chịu đợc nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chẩy trên 10000C), không bị ôxy hóa trong không khí.

Với đầu dò có dạng hình trụ hoạt động ở chế độ xung điện tử thì dây anốt có nhiện vụ là điện cực thu tín hiệu, vì vậy yêu cầu vật liệu làm dây anốt phải có tính dẫn điện tốt. Bảng (2-1), cho thấy điện trở suất của một số vật liệu, trong đó đồng là loại vật liệu có khả năng dẫn điện tốt. Nếu bán kính anốt nhỏ thì vùng cờng độ điện trờng mạnh ngay sát anốt có bề rộng hẹp, nh vậy với đầu dò khí hình trụ thích hợp với sự hoạt động ở chế độ có xẩy ra hiện tợng khuếch đại khí.

Vì sự ion hóa khí thứ cấp xảy ra trong miền khuếch đại khí sẽ rất lớn so với sự ion hóa sơ cấp gây ra do bức xạ ion hóa và có thể coi là không phụ thuộc vào vị trí ion hóa ban đầu. - Đờng kính dây anốt càng nhỏ thì càng khó tạo ra sự đồng đều dọc theo sợi dây, dẫn đến điện trờng dễ bị méo. Nh vậy miền khuếch đại khí rất hẹp nên ta hạn chế đợc sự phụ thuộc của tín hiệu ra vào vị trí ion hóa ban đầu của bức xạ.

Vật liệu cách điện đợc chọn để làm giá đỡ dây anốt và làm đế lắp đặt mạch điện của đầu dò (xem hình 2-5) là teflon. Yêu cầu khi khi thiết kế đầu dò khí là làm sao để có cấu tạo đơn giản nhất có thể, tiết kiệm vật liệu, đẹp về thẩm mỹ, nhng phải đảm bảo đợc các yêu cầu về ghi nhận các bức xạ. - Kích thớc đờng kính vỏ trụ của đầu dò phải có kích thớc sao cho phù hợp với quãng chạy của các hạt sản phẩm của phản ứng, để các sản phẩm này nằm trong vùng nhậy của đầu dò.

Khi lắp dây anốt cho đầu dò ta phải đặt sao cho dây anốt nằm ở tâm của vỏ trụ katốt để đảm bảo điện trờng trong đầu dò không bị méo và dây anốt phải có đờng kính đồng đều không có điểm nhọn để tránh hiện tợng phóng điện trong vùng điện. Với thông số trên đảm bảo tụ điện vừa có thể cách điện tốt, vừa đảm bảo các xung tín hiệu có thể đi qua dễ dàng mà kích thớc của tụ điện đủ nhỏ để lắp đặt vào mạch.

Lắp ráp và bố trí hệ đo

R là điện trở tải trên anốt, Cgh là tụ điện ghép lối ra của đầu dò với tiền khuếch. Giá trị điện dung tơng đơng tại lối ra của đầu dò đợc đo bằng đồng hồ vạn năng là C=50pF. Để khắc phục nhợc điểm trên em đã lắp ghép hai đầu dò (ĐDKVN2 và ĐDKVN4) tạo thành hệ hai bình thông nhau, do ĐDKVN2 có thể tích lớn khoảng 10.000 cm3.

Nh vậy khi nạp khí cho cả hệ, thì lợng khí tồn lại ở đờng ống dẫn khí so với thể tích của hệ là không đáng kể, do đó ta nạp đợc tỷ lệ khí tơng đối chính xác. 11.Bộ đồng hồ chỉ thị lu lợng khí nạp và áp suất khí trong các bình chứa khí. Lúc này áp suất trong hệ đầu dò đã lớn hơn áp suất khí quyển nên tránh đợc hiện tợng bị rò khí âm bên ngoài vào.

- Tín hiệu đợc lấy ra từ đầu dò qua tiền khuếch đại PRE-AMP CANBERRA Model 2006 để khuếch đại sơ bộ và phối hợp trở kháng, tiếp theo tín hiệu sẽ đợc khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn ở bộ khuếch đại chính (khối AMPLIFIER CANBERRA Model 2026 + khuếch đại trong máy tính MCA) sau đó tín hiệu sẽ đ- ợc đa vào khối phân tích phổ theo biên độ xung (máy tính + phần mềm Genie 2000). Chú ý: Đối với các dây truyền tín hiệu 1; 2; 3 phải đảm bảo đợc sự phối hợp trở kháng tốt để giảm nhiễu khi thực hiện đo. Trong đề tài này nguồn alpha 239Pu đợc dùng để khảo sát các đặc trng của đầu dò, do nguồn alpha trên có dạng hình đĩa, không thể uốn cong để đặt vào trong vùng nhậy của đầu dò vì vậy em đã lắp đặt nguồn alpha trên vào đầu dò nh hình (2- 10) díi ®©y.

Nguồn phóng xạ alpha Pu (AB) đợc đặt trong đầu dò nh hình (2-10), xét theo phơng pháp tuyến với mặt phẳng (AB) của nguồn thì quãng chạy R của hạt Alpha bằng đoạn OD, với cấu hình và cách lắp đặt nguồn Alpha nh trên thì tất cả các hạt Alpha thoát ra từ nguồn theo phơng pháp tuyến đều có một phần quãng chạy không nằm trong vùng nhạy của đầu dò và bằng đoạn OC. Để ghi đợc phổ năng lợng của hạt thì quãng chạy của hạt phải nằm trong vùng nhạy của đầu dò. Chiều dầy parafin tính từ mặt nguồn đến đầu dò là 3 cm vì với vật liệu làm chậm bằng parafin thì thông lợng nơtron nhiệt cực đại đạt đợc ở khoảng cách từ 2,5 cm.

Nh vậy nơtron phát ra sẽ đợc làm chậm trong parafin thành nơtron nhiệt tr- ớc khi tơng tác với bia đặt trong vùng nhậy của đầu dò. Quãng chạy của hạt Alpha và Tritôn đợc tính thông qua quãng chạy của proton trong khí Ar ở áp suất 1 atm tuyệt đối (Xem phụ lục I) [9].