CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
2.3 Lý thuyết về ống đếm Geiger – Muller
Ống đếm Geiger-Muller (GM) là một thiết bị giúp phát hiện các bức xạ hạt nhân dựa trên hiện tượng ion hóa chất khí có trong ống.
nh 2.5 Ống đếm Geiger-Muller
20 Bộ đếm Geiger (ống Geiger-Muller) là một thiết bị được sử dụng để phát hiện và đo lường tất cả các loại bức xạ: bức xạ alpha, beta và gamma. Về cơ bản nó bao gồm một cặp điện cực được bao quanh bởi một chất hí. Các điện cực có điện áp cao trên chúng. Khí được sử dụng thường là Helium hoặc Argon. Khi bức xạ đi vào ống nó có thể làm ion hóa khí. Các ion (và electron) bị hút vào các điện cực và một dòng điện được tạo ra. Một máy đo tỷ lệ đếm các xung hiện tại, và người ta có được một số đếm điểm bất cứ khi nào bức xạ làm ion hóa khí. Bộ máy bao gồm hai phần, ống và (bộ đếm + nguồn cung cấp). Các ống Geiger- ueller thường có hình trụ, với một dây xuống trung tâm. (Bộ đếm + nguồn cung cấp) có các điều khiển điện áp và tùy chọn hẹn giờ. Một điện áp cao được thiết lập trên toàn bộ hình trụ và dây dẫn như được hiển thị trên trang của hình.
Khi bức xạ ion hóa như hạt alpha, beta hoặc gamma đi vào ống, nó có thể ion hóa một số phân tử khí trong ống. Từ các nguyên tử bị ion hóa này, một electron bị loại ra khỏi nguyên tử và nguyên tử còn lại được tích điện dương. Điện áp cao trong ống tạo ra một điện trường bên trong ống. Các electron bị loại ra khỏi nguyên tử bị hút vào điện cực dương và các ion tích điện dương bị hút vào điện cực âm. Điều này tạo ra một xung dòng trong các dây kết nối các điện cực, và xung này được tính. Sau hi đếm xung, các ion tích điện trở nên trung hòa và bộ đếm Geiger sẵn sàng ghi lại một xung hác. Để ống đếm Geiger tự phục hồi nhanh chóng về trạng thái ban đầu sau khi bức xạ đi vào, một chất hí được thêm vào ống. Để sử dụng đúng bộ đếm Geiger, người ta phải có điện áp phù hợp trên các điện cực. Nếu điện áp quá thấp, điện trường trong ống quá yếu sẽ gây ra xung hiện tại. Nếu điện áp quá cao, ống sẽ trải qua quá trình phóng điện liên tục, và ống có thể bị hỏng. Thông thường nhà sản xuất khuyến nghị điện áp chính xác để sử dụng cho ống. Các ống lớn hơn đòi hỏi điện áp lớn hơn để tạo ra các điện trường cần thiết bên trong ống. Trong lớp, một thí nghiệm được thực hiện để xác định điện áp hoạt động thích hợp. Đầu tiên, một đồng vị phóng xạ được đặt vào từ ống Geiger- uller, sau đó, từ từ thay đổi điện áp trên ống và đo tốc độ đếm.
Trên trang số liệu là một biểu đồ thể hiện tốc độ đếm hi điện áp được tăng trên ống.
2.3.2 Phân loại
Dựa trên cấu tạo của ống GM có thể chia ống thành hai loại như sau:
Ống đếm chứa khí hữu cơ: Ống có vỏ làm bằng thuỷ tinh, hình chuông, đường kính khoảng 20mm. Chính giữa là cực dương làm bằng sợi Vonfram rất mảnh với đường kính khoảng 0.1mm. Cực âm là một lá đồng cuộn trong lòng ống thuỷ tinh, nối với một sợi vonfram ra ngoài. Đáy ống là một lớp mica mỏng để các hạt beta yếu có thể bay vào. Trong ống được hút hết không khí, nạp vào khí hữu cơ (hơi rượu etylic, benzen, isopentane, vv) với áp suất khoảng 1mmHg và hí trơ (thường là argon) với áp suất khoảng 9mmHg.
21
Ống đếm chứa khí halogen: Ống đếm GM loại này cũng có vỏ ngoài tương tự như ống đếm chứa khí hữu cơ. Trong ống có cực dương là sợi Vonfram mảnh, cực âm là một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kỹ thuật phun muối SnCl2 vào mặt trong của ống.
2.3.3 Nguyên lý hoạt động
Giữa hai bản cực của ống G được đặt một hiệu điện thế cao tạo nên một điện trường rất lớn giữa chúng. Khi các bức xạ hạt nhân (alpha, beta, các hạt nặng) đi qua thì chất khí trong ống sẽ bị ion hoá dọc theo quỹ đạo của hạt, tạo thành các ion dương và electron. Do có điện trường trong ống, các electron sẽ chuyển động về hướng anode và các ion dương chuyển động theo hướng ngược lại tạo nên dòng điện giữa hai bản cực. Cường độ điện trường ảnh hưởng đến sự hoạt động của ống GM. Cụ thể, hi tăng dần điện áp đặt vào hai cực của ống, ở các vùng điện áp khác nhau hiện tượng xảy ra khác nhau:
Vùng I: Do điện trường yếu, các electron và ion dương tạo ra trong quá trình ion hóa va chạm với các phân tử khí trong ống GM, chúng sẽ tái hợp lại với nhau gây suy giảm tín hiệu ra (dòng điện). Dòng điện thu được rất nhỏ, vì vậy, vùng này hông được sử dụng.
Vùng II: Ống đếm làm việc ở vùng này gọi là buồng ion hoá. Tại vùng này, dòng điện ổn định, ít phụ thuộc vào điện áp, tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay năng lượng của bức xạ bị hấp thụ). Tuy nhiên dòng thu được khá bé dẫn đến việc xác định dòng không chính xác.
nh 2.6 Nguyên lý hoạt động của ống GM
Vùng III: Ống đếm làm việc ở vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Cường độ điện trường tăng lên hiến các điện tử có động năng đủ lớn để làm ion hoá các nguyên tử, phân tử khí khác (quá trình ion hoá thứ cấp). Hiện tượng này gọi là khuếch đại hí. Dòng điện tạo ra gần như tuyến tính với
22 sự thay đổi của điện áp. Càng tăng điện áp đặt vào ống GM thì quá trình ion hóa thứ cấp càng diễn ra mạnh. Tới một vùng điện áp nhất định gọi là vùng tỉ lệ giới hạn, mức tăng dòng điện diễn ra chậm lại hi tăng điện áp do diện tích ống GM hữu hạn, quá trình khuếch đại khí bị cản trở.
Vùng IV (vùng Geiger): Ống đếm làm việc ở vùng này gọi là ống đếm Geiger - uller. Dòng điện thu được lúc này không phụ thuộc vào quá trình ion hoá mà phụ thuộc vào điện thế đặt vào ống đếm.
Ưu điểm của ống G là có độ nhạy cao (phản hồi với nhiều loại bức xạ), tín hiệu đầu ra lớn và chi phí chế tạo mạch điện thấp hơn các công nghệ khác. Tuy nhiên, ống G là có “thời gian chết” (khoảng thời gian ống đếm không thể phát hiện bức xạ) tương đối lớn. Nguyên nhân của nhược điểm này là do điện trường cao làm quá trình ion hoá thứ cấp diễn ra mạnh, các ion dương có nguyên tử khối lớn ém linh động, rất nhanh tạo thành “đám mây” ion dương bao quanh cathode, làm giảm điện trường giữa hai cực của ống G và làm cơ chế khuếch đại khí dừng lại. Khi đó ống đếm sẽ không phát hiện được bức xạ mới do không diễn ra ion hoá sơ cấp. Sử dụng ống GM chỉ có thể xác định được sự có mặt của các bức xạ mà hông xác định được cường độ bức xạ do tín hiệu ra không tỉ lệ với số bức xạ nhận được (phụ thuộc điện áp đặt vào ống đếm).
nh 2.7 Ảnh hưởng của điện áp hoạt động tới ống GM