2.1.1. Đặc tính cơ - lý của một số vật liệu cơ khí.
Thực tế, các đầu dị khí thường làm việc trong điều kiện áp suất trong đầu dò khác với áp suất khí quyển. Tức là áp suất trong đầu dị có thể là áp suất dư hoặc áp suất âm. Như vậy, dù trong trường hợp nào thì vỏ của đầu dị đều chịu sự tác dụng của ngoại lực, nếu là áp suất dư thì khối khí sẽ nén lên vỏ từ phía trong ra và ngược lại, khí quyển sẽ nén lên vỏ từ phía ngồi vào. Nếu lực này lớn q giới hạn bền thì vỏ đầu dị sẽ bị phá huỷ. Do đó, khi thiết kế và chế tạo các đầu dị khí phải lựa chọn vật liệu và bề dày của nó để đầu dị có thể vận hành an tồn và hiệu quả trong q trình hoạt động.
Vỏ các đầu dị khí thường được làm bằng nhơm hoặc thép không gỉ (thép hợp kim cao) tuỳ theo mục đích sử dụng. Hiện tại, 2 đầu dò đầu tiên được chế tạo tại Bộ môn Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đều có vỏ được làm bằng inox dày cỡ 3mm [5].
Nhơm là một kim loại nhẹ tương đối bền hố học. Tuy nhiên, khả năng chịu áp lực của nó lại thấp và việc hàn các chi tiết bằng nhôm không đơn giản và đắt
tiền. Không những thế, việc tháo, lắp nhiều lần các chi tiết bằng nhôm sẽ dễ gây biến dạng và có thể dẫn tới làm méo điện trường trong đầu dị.
Thép khơng gỉ có độ bền cơ học và hố học tốt hơn nhôm nên sẽ dễ dàng khắc phục các nhược điểm mà nhôm mắc phải. Tuy nhiên, khi thiết kế, chế tạo người ta thường phải tạo các cửa sổ mỏng để cho bức xạ đi vào vùng nhạy. Nhưng một điều đáng lưu ý là các lượng tử gamma và các nơtron có thể dễ dàng xuyên qua nó. Do đó người ta có thể nghiên cứu phản ứng nα trong đầu dị khí có vỏ bọc làm bằng thép khơng gỉ.
Để thiết kế vỏ của thiết bị chịu áp lực người ta thường phải quan tâm tới một số thông số cơ bản của vật liệu như [7]:
- Nhiệt độ làm việc;
- áp suất làm việc;
- ứng suất cho phép;
- Hệ số bền mối hàn; và
- Hệ số bổ sung bề dày tính tốn.
Về nhiệt độ làm việc: Đầu dị khí thử nghiệm hoạt động ở điều kiện trong phịng làm việc (bình thường cỡ 270C đến 300C) nên nếu dùng thép khơng gỉ có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 10000C [7] thì coi như khơng có ảnh hưởng gì đáng kể.
Vềáp suất khí trong thiết bị: Đối với đầu dị khí, áp suất làm việc là áp suất khí trong đầu dị, nó có giá trị từ vài chục phần trăm atm đến vài atm. Khi chế chế tạo thiết bị cần lưu ý áp suất làm việc chỉ được phép nén đến cỡ tối đa là bằng áp suất thử và ápsuất thử phải nhỏ hơn áp suất tính tốn để đảm bảo an tồn cho người làm việc ở xung quanh và thiết bị.
Vềứng suất cho phép: Đây là đại lường dùng để tính độ bền của thiết bị. Với đầu dị khí thì đại lượng cần quan tâm là độ bền nén, do đó ứng suất trong trường hợp này là ứng suất nén, [σ], đơn vị đo là N/mm2hoặc N/cm2.
Về hệ số bền mối hàn (ϕh): Đây là đại lượng đặc trưng cho độ bền của mối hàn so với độ bền của vật liệu cơ bản khi thực hiện hàn ghép nối các chi tiết của thiết bị với nhau bằng phương pháp hàn. Với vật liệu là thép khơng gỉ thì nếu hàn giáp mối hai phía ta có ϕh =1, nếu hàn một phía ta có ϕh = 0,9 [7].
Về hệ số bổ sung bề dày tính tốn (C): Đây là đại lượng cần chú ý khi thiết bị làm việc trong điều kiện có ăn mịn hố học và mài mịn cơ học. Tuy nhiên với điều kiện làm việc của đầu dị khí trong q trình thử nghiệm thì có thể coi như khơng có ăn mịn hố học và mài mịn cơ học nên có thể bỏ qua hệ số bổ sung bề
dày tính tốn (C = 0). Trong các trường hợp thực tế khác, điều này cần phải xem xét kỹ lưỡng.