1.3.5.1. Phân loại đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.
Trong thực tế ta có thể phân loại theo ba cách nh sau:
Dựa vào vùng điện áp làm việc của đầu dò ta có thể chia thành các loại đầu dò nh: Buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller.
Dựa vào chế độ hoạt động của đầu dò ta có: Đầu dò hoạt động ở chế độ dòng và đầu dò hoạt động ở chế độ xung.
Dựa vào cấu tạo ta chia làm hai loại đầu dò chính là: Đầu dò khí có các bản cực phẳng song song và đầu dò khí có dạng hình trụ. 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.
1.3.5.2. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động theo chế độ dòng. a. Nguyên tắc hoạt động.
a
k + a
-
Hình 1-6: Sơ đồ nguyên tắc của đầu dò ion hóa dòng. U0
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]. Và xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài, ta đo và sử lý tín hiệu điện đó từ đó xác định đợc các đặc trng của bức xạ ion hóa. b. Dòng điện ion hóa trong đầu dò.
Hình 1-5, cho thấy khi điện áp giữa các cực của đầu dò còn thấp, nên điện trờng giữa hai cực của đầu dò nhỏ. Trong trờng hợp này tốc độ trôi của các phần tử mang điện còn nhỏ và mật độ các hạt mang điện lớn dẫn đến sự tái hợp xẩy ra mạnh mẽ và số hạt có điện tích về các điện cực rất nhỏ. Khi tăng dần điện áp thì điện trờng trong vùng nhậy cũng tăng lên làm cho tốc độ trôi của các phần tử mang điện tăng lên và quá trình tái hợp giảm. Do đó khi điện áp tăng thì cờng độ dòng điện ion hóa cũng tăng. Tiếp tục tăng điện áp đến một mức nào đó toàn bộ các phần tử mang điện do ion hóa đều bị điện trờng kéo về các điện cực tơng ứng, lúc này hiện tợng tái hợp còn rất nhỏ ta có thể bỏ qua, đây là chế độ hoạt động ổn định và dòng điện đạt giá trị bão hòa.
Giả sử ta có số ion đợc sinh ra trong một đơn vị thời gian bởi bức xạ là N0, khi đó ta có dòng điện bão hòa bởi bức xạ ion hóa là:
Ibh = N0.e (1-38) c. ảnh h ởng của áp suất trong vùng nhạy lên c ờng độ dòng bão hòa.
Nếu
khoảng cách
giữa hai điện
cực và điện
áp đặt vào các điện cực không thay đổi, và ta tăng dần áp suất P trong vùng nhạy thì sự phụ thuộc I0 vào P nh sau:
Với một chùm bức xạ có cờng độ không đổi thì nồng độ các phần tử mang điện đ- ợc sinh ra do hiện tợng ion hóa tỷ lệ với áp suất khí. Khi áp suất tăng lên thì I0
cũng tăng tỷ lệ với P, do số cặp ion đợc tạo thành trong mỗi đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích khí tăng lên nhanh hơn so với sự mất điện tích do quá trình tái hợp. Nhng nếu áp suất tăng lên rất lớn thì I0 giảm rất nhanh và tỷ lệ nghịch với áp suất P , do lúc này hiện tợng tái hợp chiếm u thế.
1.3.5.3. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động theo chế độ xung [11].
p
Hình 1-7: Sự phụ thuộc của dòng điện bão hòa vào áp suất trong vùng nhậy.
I0
0
K A
U C R
C0
+ _
Hình 1-8: Sơ đồ nguyên tắc của đầu dò bức xạ ion hóa xung.
Xét trờng hợp đầu bức xạ ion hóa có hai điện cực phẳng và song song là Anốt (A) và Katốt (K). Mạch ngoài gồm điện trở R, điện dung C0 để thu nhận tín hiệu ra từ đầu dò và C là điện dung ký sinh.
Khi các điện tử và ion chuyển động theo điện trờng ở trong vùng nhạy của đầu dò thì chúng làm xuất hiện dòng điện cảm ứng ở mạch ngoài của đầu dò. Dòng điện này chạy qua điện trở R làm giảm điện thế tại Anốt và điện cực của tụ điện C0. Vì vậy làm xuất hiện một tín hiệu điện ở mạch ra của đầu dò.
1.3.5.4. Đầu dò bức xạ ion hóa xung có lới.
Các hạt cùng năng lợng rơi vào vùng nhạy ở vị trí khác nhau sẽ tạo ra các xung có biên độ khác nhau do thời gian góp điện tử khác nhau. Nh vậy việc nghiên cứu phổ năng lợng của hạt gặp khó khăn. Để khắc phục nhợc điểm đó ngời ta dùng đầu dò xung có lới.
Hình 1-9: Đầu dò bức xạ ion hóa có lới.
Trong đầu dò xung có lới thì tất cả các ion và điện tử đợc tạo ra bởi bức xạ ion hóa đều nằm trong khoảng từ Katốt đến lới. Khi các ion và điện tử chuyển động trong khoảng Katốt và lới thì tín hiệu ra vẫn bằng không. Chỉ khi đã đi qua khỏi lới thì các điện tử này mới tạo ra dòng điện cảm ứng trong mạch ra và tạo nên tín hiệu điện. Nh vậy thời gian thu điện tử đối với tất cả các điện tử đợc tạo thành trong khoảng từ Katốt đến lới là bằng nhau. Do đó tín hiệu ra ở mạch ngoài không phụ thuộc vào vị trí ion hóa của bức xạ.
Các đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa làm việc ở chế độ xung.
Khi thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa, chúng ta cần phải khảo sát một số đặc trng của đầu dò nh: Độ phân giải theo thời gian, hiệu xuất ghi bức xạ, đặc trng đếm, … Để đánh giá chất lợng của đầu dò.
- Độ phân giải theo thời gian.
−∅ +∅ U0 K A L Bức xạ C R1 R2 R0
Với đầu dò bức xạ ion hóa xung, độ phân giải theo thời gian là thời gian tối thiểu giữa hai lần xuất hiện hạt liên tiếp để cho hai hại đó không bị ghi nh một xung, đây là một trong những đặc trng quan trọng của đầu dò bức xạ ion hóa xung.
-Hiệu xuất ghi nhận bức xạ của đầu dò ion hóa xung.
Tỉ số giữa số hạt đếm đợc với số hạt rơi vào vùng nhạy của đầu dò đợc gọi là hiệu xuất ghi nhận bức xạ của đầu dò.
- Đặc trng đếm và Plato.
Một trong những đặc trng chính của đầu dò bức xạ ion hóa xung là đặc trng đếm, là sự phụ thuộc của tốc độ đếm xung vào điện áp nuôi. Khi cờng độ bức xạ trong vùng nhạy và các điều kiện đo không thay đổi. Giữa điện áp U0 và Up đờng đặc tr- ng đếm hầu nh nằm ngang (Hình 1-10) đoạn này gọi là Plato, tức là tốc độ đếm không đổi. Đầu dò có chất lợng tốt khi đoạn Plato dài và có độ dốc nhỏ.
T ốc đ ộ đế m (s ố đế m /s ) U(v) Up U0
Hình 1-10: Đặc trưng đếm của đầu dò bức xạ ion hóa. 0
1.3.5.5. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ.
Đầu dò khí phẳng có điện trờng ở giữa các điện cực coi nh là đều, khi tăng điện thế giữa các điện cực thì đến một giới hạn nhất định nào đó sẽ xẩy ra sự ion hóa thứ cấp. Nguyên nhân cơ bản khởi tạo các thác lũ điện tử trong đầu dò dọc theo vết của hạt bức xạ. Nh vậy, dù các hạt tới có cùng năng lợng thì biên độ xung tín hiệu tạo ra sẽ khác nhau và phụ thuộc vào vị trí ion hóa ban đầu. Để khắc phục hạn chế trên ngời ta sử dụng mô hình đầu dò khí hình trụ [9] & [15].
r0 r1 r2
Hình 1-11: Mặt cắt ngang của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hình trụ. Giả sử đầu dò khí hình trụ: dây anốt có bán kính là r1, vỏ trụ có bán kính trong là r2, khoảng cách từ tâm dây nốt đến vị trí khảo sát là r0 và U hiệu điện thế giữa dây anốt và vỏ trụ katốt. Ta có công thức tính cờng độ điện trờng E tại điểm cách tâm dây anốt một khoảng là r0 nh sau:
0 1 2 1 . ln U E r r r = (1-39)
Từ công thức (1-39) ta có E ~ 1/r0. Nghĩa là càng gần dây anốt thì cờng độ điện trờng càng mạnh, đặc biệt tại vị trí cách tâm dây anốt khoảng bằng vài lần bán kính của nó thì cờng độ điện trờng rất mạnh, ngợc lại càng gần vỏ katốt thì cờng độ điện trờng càng yếu. Nh vậy các tại các vị trí cách xa dây anốt thì các ion và
điện tử chỉ chuyển động với vận tốc nhỏ về các cực tơng ứng, nhng khi các điện tử cách dây anốt khoảng vài lần đờng kính của dây thì chúng đợc gia tốc rất mạnh và các điện tử này tạo ra hiện tợng ion hóa thứ cấp, tạo nên thác lũ điện tử và ta thu đ- ợc tín hiệu ra lớn. Nh vậy ảnh hởng của vị trí ion hóa ban đầu rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Chơng II. Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ.