Có thé sử dụng sự phóng điện tự duy trì qua chất khí dé ghi nhận các hạt ion hoa và bức xạ gamma với một điều kiện bắt buộc là sự phóng điện trong ống đêm phải được đập tắt càng nhanh càng tốt. Chỉ khi thực hiện được điều kiện này thì thiết bị
phóng điện qua khí mới có khả năng, sau một thời gian đủ nhỏ, ghi nhận được sự
xuất hiện trong nó một hạt tiếp theo bằng một sự phóng điện mới.
Như ta đã biết, các tính chất cơ bản của sự phóng điện qua khí được xác định chủ yếu bằng cau hình của điện trường mà cau hình này lại phụ thuộc vào hình dang của các điện cực. Theo quan điểm ghi nhận hat thì sự phóng điện quảng sáng qua khí là rất đáng quan tâm vì nó có các đặc trưng cho phép ngắt sự phóng điện băng những phương pháp tương đối đơn giản. Sự phóng điện quang sáng xuất hiện trong các trường hợp khi có điện trường rất không đồng nhất. Loại điện trường này xuất hiện khi bán kính mặt cong của một trong các điện cực (hoặc của cả hai) rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Điều này quy định hình dạng của các ống đếm Geiger.
Chúng thường có dạng hình tru, trong đó catot là hình trụ bán kính lớn, còn anot là
một sợi chỉ kim loại mảnh năm đọc theo trục của hình trụ.
a. Hình dang và biên độ xung. Cơ chế dap tắt phóng điện
Khi sử dụng ông đếm Geiger, khoảng phóng điện qua khí thường được mắc theo
sơ dé thông thường qua một điện trở R (hình dưới). Nếu thế nuôi Vo>Vm thì khi hạt
ion hoá bay vào ống đếm, trong đó sẽ xuất hiện một chớp phóng điện
điêu kiện cần và đủ là hạt được ghi nhận tạo thành trong thé tích làm việc của ống đếm dù chỉ một cặp ion). Các electron do hạt được ghi nhận tạo thành, sau thời gian L, địch chuyền về anot và tạo ra trong vùng ion hoá tạo thành những thác lớn electron.
Cùng với sự ion hoá, xung quanh anot sẽ xuất hiện sự kích thích rất mạnh của các
18
phân tử hay nguyên tử khí. Khi trở về trạng thái cơ ban, những phân tir, nguyên tử này phát ra về phía catot bức xạ tử ngoại. Do hiệu ứng quang điện xảy ra từ các vi trí khác nhau của catot, các electron bay ra và khi tới vùng ion hoá va chạm, đến lượt
mình lại tạo ra những thác electron ion mới. Kết quả là sau khoảng thời gian rất ngắn cỡ I07s, toàn bộ ống đếm trở được bao bọc bằng sự phóng điện qua lớp khí.
Trong thời gian cua giai đoạn phóng điện, trong vùng ion hoá va chạm có một
lượng lớn ion được tạo thành. Chúng tích tụ gần sợi chỉ anot, tạo ra ở đây điện tích
dương. Các thác electron sé lần lượt kế tiếp nhau đến chừng nào mật độ điện tích
chưa hạ thấp được cường độ điện trường ở gần sợi chi anot đến giá trị mà tại đó sự tạo thành tiếp theo của các thác này trở thành không thể xảy ra được nữa. Đến đây giai đoạn phóng điện thứ nhất kết thúc.
Trong diễn biến của giai đoạn phóng điện tích cực, do quá trình thu electron về anot tạo ra một dòng điện lớn chạy qua ống dém, tạo ra sự tăng nhanh của điện.
Nhung vì thời gian thu electron nhỏ vô cùng nên xung thé trên sợi chỉ của Ong đếm
trong thời gian giai đoạn phóng điện tích cực không kip dat giá trị lon; nói cách khác,
vì trong quá trình thu electron, các electron chi đi qua một phần không đáng kê của hiệu điện thé toàn phan đặt vào ông đếm nên thành phan điện tử của xung nhỏ. Như vậy, sự khởi đầu của xung ở lỗi ra ống đếm Geiger được đặc trưng bằng một mat tăng rất dốc, hơn nữa ban thân xung sẽ bị dich về phía trước so với thời điểm hạt đi qua ông đếm một thời gian tr nào đó. Có thé đánh giá được thời gian trễ lớn nhất của
xung nếu coi rằng electron gây ra phóng điện được tạo thành ở gần catot. Đối với các ống đếm kích thước trung bình, thời gian này có giá trị gần 107s. Còn nếu electron được tạo thành một cách ngẫu nhiên ở gần anot thì thực tế sẽ không có sự
chậm tré của xung.
Đề ý rằng thời gian trễ của xung rất nhỏ còn thành phan điện tử của nó thì chỉ
chiếm một phần không đáng kê so với thành phan ion, ta có thê một cách gần đúng
thu được hình dạng biên độ của xung 6 lỗi ra ông đếm Geiger, bằng việc chỉ khảo sat tính chất của các ion đương. Khi các ion đương dịch chuyên từ vùng ion hoá va
chạm về catot, qua ng đếm có dong phóng điện quang sáng I qua khí mà độ lớn của
nó được xác định bằng độ lớn điện ấp trong ống dém và điện trở trong Rin của nó.
Vì ở mạch ngoài ống đếm có mắc điện trở R nên dòng qua nó kèm theo sự tích điện.
Do đó ở thời điểm t nào đó. hình thành một xung thé AV(0, có dau ngược với dau
điện thé đặt vào ông đếm. Hiệu điện the V, tác
dụng giữa các điện cực của ông đếm, trong trường hợp này sẽ không phải là đại lượng không đôi mà giảm theo sự tăng của xung AV( :
19
V(t) = V-AV(t).
Một cách tương tự. độ quá điện áp (V-Vm) và cường độ dong I(t) sẽ giảm theo thời gian vì:
I(t) = V, — 4V(t) — Vin
Rin
Dong I(t) qua éng dém, & mach ngoai bi phan thanh hai nhanh: mot phan di qua tự điện C, phan còn lại qua điện trở tai R:
d(AV) AV
I@)=CTu +R+ —
Phương trình vi phân cho phép tim sự phụ thuộc biên độ xung vào thời gian t
được viết dưới dang:
d(AV) 1 é 1
a TC +R)” = V, — VinRạy€
Nghiệm phương trình này có dạng:
AV (t) =
_R+Rin,
= = RRin
Hoàn toàn hiền nhiên rang có thé ngắt sự phóng điện qua khí vào một thời điểm tuỳ ý bằng cách hạ đột ngột hiệu điện thé V tác dụng giữa các điện cực của khoảng phóng điện qua khí. Dé dập tắt phóng điện quâng sáng trong ông đếm Geiger. Chi
cần hạ thế giữa các điện cực của nó xuống đại lượng Vụ, nghĩa là loại bỏ điện áp (Vo-Vm) của Ong đếm. Đề đưa ông đếm ve trạng thái làm việc. cần lại nâng điện áp giữa các điện cực của nó lên giá trị ban đầu. Trong trường hợp ngược lại, khi nâng điện thé V lên, ống đếm lại sẽ phóng điện.
Dé dang thấy rằng trong các điều kiện nhất định, biên độ xung AV tạo thành trên tụ điện C khi có dong phóng điện quảng sáng đi qua mach ống đếm, có thẻ đạt giá trị gan bang đại lượng (Vo-Vm), như vậy, tác dụng giữa các điện cực ông đếm, trên thực tế sẽ băng không. Dé tự điện có thé tích điện đến một giá trị hiệu điện thể AV
so sánh được với độ quá điện áp đặt vào ống đếm thì trước hết cần phải thoả mãn
điều kiện tốc độ tích điện của nó bằng đòng qua ông đêm (qua điện trở trong Rin của ống đếm) phải lớn hơn nhiều lần so với tốc độ tích điện qua điện trở ngoài R. Yêu
cau này sẽ được thoả mãn khi R>>Rin. Đôi với các ống đếm kích thước trung bình, Rin thường có giá trị cỡ 107Q. Điều nảy có nghĩa là R phái không nhỏ hơn 10-100.
20
Khi R>>Ri, thì biéu thức đối với biên độ xung sẽ được rút gọn thành:
AV(Q) = (Vo-Vim)
Nhung vi sự tăng của xung bị giới hạn bằng thời gian thu ion đương nên đến thời điểm các ion này tới catot (t=T,) xung AV chi đạt được độ lớn:
AV(T,) = (Vo-Vm)
Số phận tiếp theo của sự phóng điện được xác định bằng độ lớn của xung AV(T;), phụ thuộc vào tỷ số giữa thời gian thu ion đương T, và hang số thời gian R„C .Vì thời gian thu ion dương trong ống dém có kích thước trung bình cỡ gần 10s, còn tụ
điện C thường không nhỏ hơn 10 pF nên T: và RioC thường có cùng bậc giá trị. Do
đó độ lớn của xung sau giai đoạn phóng điện đầu tiên sẽ nhỏ hơn điện áp (Vo-V„) đặt vào ống đếm. Trong trường hợp này, do sự trung hoà của các ion dương trên catot tạo ra, các electron thứ cấp khi đi vào vùng ion hoá va chạm sẽ tạo ra những thác electron đủ mạnh và trong ống đếm xuất hiện giai đoạn phóng điện tích cực thứ hai. Giai đoạn này diễn ra cũng như giai đoạn thứ nhất, nhưng trong khoảng phóng điện qua khí với độ quá điện áp nhỏ hơn (độ quá điện áp ở thời điểm T. sẽ bang V.- AV(T,) - Vn. Trong giải đoạn phóng điện thứ hai, ở thời điềm ion đương tới catot, độ lớn của xung AV (2T. ) sẽ nhỏ hơn một chút so với AV(T-). Sau đó, néu xung AV (2T+ ) nhỏ hơn hiệu số (Vo-Vm) thì trong ống đếm sẽ xuất hiện giai đoạn phóng điện tích cực thứ ba và cứ như vậy đến chừng nào xung tông cộng của tắt cả các giai đoạn phóng điện chưa dat giá trị lớn hơn (Va-V„¿;). Đến thời điểm này thì độ quá điện áp trên ông đếm sẽ giảm tới giá trị nhỏ hơn so với (Vinin-Vm), nghĩa là hầu như bằng không. Trong những điều kiện như vậy dòng phóng điện quảng sáng sẽ nhỏ hơn một giá trị tới hạn và sự phóng điện sẽ nhanh chóng bị dập tắt.
Sự tăng lên theo nhiều bậc của xung được chỉ ra trên đường a hình bên dưới. Phù hợp với quá trình lặp lại nhiều lần, tng thời gian tăng của xung sé lớn hơn một vài lần thời gian thu ion dương T,. Trong thực tế thì thường không thé quan sát được những bậc nhây của thé trên tụ điện ứng với những giai đoạn phóng điện riêng biệt vì các quá trình xảy ra trong thời gian phóng điện qua ông dém bị chồng lên nhau.
Ví dụ, các electron thứ cap có thê xuất hiện ở catot do những photon phát ra từ các
phân tử và nguyên tử bị kích thích
21
Biên độ xung
Ú bạ, đ. ly, Hh,
Hình 14: Sự phụ thuộc của biên độ xung vào thời gian t
(không kịp trở về trạng thái cơ bản trong thời gian giai đoạn phóng điện tích cực
t
thứ nhất) trước khi các ion đương tới được catot. Do đó độ lớn của xung AV tăng lên một cách tương đối trơn tru.
Không loại trừ khả năng xung AV ở thời điểm T- đạt giá trị lớn hơn hiệu số Vo —
V min một chút và do đó đủ dé dập tắt phóng điện trong ống đếm bằng bậc thứ nhất
của xung. Vì trong trường hợp này tích số R„C phải nhỏ hơn nhiều với thời gian thu
ion đương T:, ty số AV(T,) bằng Vạ — Vinin được thoả mãn một cách cực kỳ hiếm và
chỉ trong những điều kiện đặc biệt, khi tụ điện C rất nhỏ. Vì để thu được những xung một bậc, người ta thuờng phải đặt vào ống đếm những độ quá điện áp lớn hơn chế độ làm việc như vậy của ông dém đôi khi được gọi là chế độ quá điện áp. Xung bậc
một được biêu diễn bằng đường b trên hình.
b. Thời gian phân giải chất khi trong ống đếm
Vì sự phóng điện quang sáng qua khí do hạt ion hoá gây ra trong ông đếm Geiger
sẽ kéo dài đến chừng nào xung thé trên tự điện C không bù trừ được độ quá điện áp trên khoảng phóng điện qua khí, nên trong toàn bộ thời gian tăng của xung, ống đếm không thê phản ứng được với sự rơi của một hạt tích điện tiếp theo vào nó. Nếu điện trở R lớn vô cùng thì điện dung C giữ được điện tích, còn ống đếm giữ được trang
thái không nhạy lâu tùy ý. Trên thực tế, điện trở R mặc dù lớn nhưng chỉ có giá trị
hữu hạn. Do đó theo thời gian, điện dung C phóng điện và độ quá điện áp trong
khoảng phóng điện qua khí được khôi phục dan. Tuy vậy do độ lớn của điện trở tải R bị hạn chế bởi điều kiện R>>Rin,, nên sự phóng điện của điện dung € xảy ra vô
nm t2
cùng chậm. Do vậy xung với mặt tăng tương đối nhỏ (10°1s) có mặt giảm dài theo hàm mũ, xác định bằng hang số thời gian RC (102).
Vo-Vin
Biên độ xung
| TH TẾ ae Ly RỂ ¿
Thời gian, ms
Hình 15: Sự phụ thuộc biên độ xung vào sự tăng thời gian
Dạng điền hình của xung ra của ống đếm Geiger được biêu diễn trên hình. Hạt ion hoá có thê phóng điện qua khí dẫn tới tạo thành xung với biên độ bằng (Vạ— Vin ) chỉ khi nó tới sau hạt tới trước nó một khoảng thời gian rất lớn dé tụ điện C phóng hết điện. Tuy nhiên, có thê dé dàng thay rằng ống đêm sẽ nhạy đối với cả những hạt tới nó sớm hơn nhiều so với thời điểm tụ điện C mat hoàn toàn điện tích của mình.
Khi đó sự phóng điện trong ống đếm sẽ diễn đường bình thường, nhưng biên độ
xung nhỏ hon, phù hợp với độ quá áp trong khoảng phóng điện qua khí ở thời điểm này. Dạng xung tương ứng đựợc biêu diễn bằng đường nét đứt trên hình. Khoảng cách giữa hai thời điểm hạt tới ống đếm liên tiếp nhau càng nhỏ thì biên độ xung thứ
hai càng nhỏ. Hạt thứ hai chi được ghi nhận trong trường hợp néu biên độ xung do nó tạo thành lớn hơn ngưỡng làm việc của thiết bị điện tử sử dụng dé đếm xung.
Điều này có nghĩa là trên thực tế khả năng đếm của ông đếm Geiger phụ thuộc vào độ nhạy của thiết bị điện tử. Vì ống đếm Geiger có biên độ xung đủ lớn (hàng chục vôn) nên các thiết bị điện tử được sử đụng có ngưỡng hiệu điện thế phải tương đối
cao. Do đó thời gian dém 2 xung liên tiếp của các ông đếm Geiger thường có giá trị một vai ms. Có thẻ tăng khả năng đếm của các ông đếm Geiger lên một bậc nếu sử dung nguyên lý dap tất cưỡng bức sự phóng điện. Một sơ đô điện tử bat kỳ dé dap tat cưỡng bức sự phóng điện trong ống đếm Geiger dựa trên nguyên tắc sau:
- Khi ở đầu vào của sơ đồ có một xung thế nhỏ ứng với sự khởi đầu của sự phóng
điện trong ông đếm, thì trong sơ đồ sẽ xuất hiện rất nhanh một xung lớn. Xung này có dau và biên độ sao cho nó có thê hoàn toàn ngắt được điện áp ( V0 - Vm ); còn
độ dai t của xung dập tat phóng điện thì phải lớn hơn một chút so với thời gian khử ion hoá chat khí trong ông đêm: t > Ts.
Độ lớn của điện trở tải R không quá lớn (thường 10°-10°Q). Như vậy, khi sử dụng
sơ đồ dé dập tắt sự phóng điện cưỡng bức thi thời gian phân giải của ông đếm Geiger
sẽ bằng thời gian thu ion đương trên catot.
c. Các đặc trưng của ống đếm
Dặc trưng đếm của ong dém Geiger là sự phụ thuộc tốc độ đếm hạt n vào
điện thé V¿ đặt vào ông đếm (khi cường độ bức xạ không thay đôi). Hình dưới giới thiệu một đường đặc trưng đếm điền hình của ống đếm Geiger.
cần thiết dé xuất hiện sự phóng điện tự lặp còn chưa được thoả mãn và biên độ xung rất nhỏ, thì toc độ dém hạt n băng không. Khi điện thé Vo lớn hơn thé Vm một chút thì biên độ xung tương đôi nhỏ. Trong vùng này của điện thế, có sự thăng giáng đáng kẻ của các xung theo biên độ xuất hiện do những thăng giáng trong sự phát triển và
dap tat phóng điện, và một phan đáng ké của các xung không được đếm. Theo sự
tăng điện thé Vo, biên độ xung sẽ tăng lên rất mạnh, do đó độ thăng giáng của xung
theo biên độ sẽ giảm đi, dẫn tới sự tăng nhanh tốc độ đếm n. Cuối cùng, khi Vo đạt một giá trị điện thé V'¿ nào đó: Vo << V'¿ thì biên độ các xung bằng nhau và tốc độ đêm n bằng số hạt rơi vào thé tích làm việc của ống đếm trong Is.
Tăng tiếp theo điện thé V, thì tốc độ đếm hạt không thay đôi, điều này dan tới
sự tôn tại một đoạn bằng phang của đặc trưng đếm (đó là đường đứt đoạn trên hình)
gọi là vùng Plateau. Tuy nhiên, thực tế chi ra rằng, khi tăng điện thé đặt vào ống đêm thì tốc độ đêm không giữ được sự không đôi mà tăng lên một cách chậm chap.
Một sự tăng nào đó của tốc độ đêm có thé được giải thích bằng hiệu ứng biên. Thực vậy, ống đếm nào cũng có một độ dai nhất định, do đó có một thé tích làm việc nhất định nào đó. Khi tăng điện thé thì độ dai làm việc của ống đếm có thé tăng lên một chút do sự võng xuống của điện trường ở hai đầu sợi chỉ anot. Tuy nhiên một phan lớn hơn các xung dư thừa tao ra độ đốc thay được của vùng Plateau là những xung
giả. Chúng xuất hiện trong ống dém do sự phóng điện tự phát với xác suất tăng lên
theo điện thế Vụ, Nguyên nhân của sự xuất hiện những xung giả có thé là các trạng thái siêu bền của những nguyên tử bị kích thích có thời gian sống lớn hơn thời gian khử ion hoá chất khí trong ống đếm: làm xuất hiện trong ông đếm những photon sau khi phóng điện đã kết thúc, làm cho độ điện áp giữa các điện cực được khôi phục chỉ một phân, có thê dẫn tới xuất hiện xung giả.
Do đó khi nạp khí vào ống đêm can tránh những chất có xác suất tạo thành trạng thái siêu bền. Hoặc xung giả đôi khi có thê là những electron tách ra khói mặt catot do sự biến thiên của công thoát khi nó bị các ion dương bắn phá. Đề khắc phục điều này, khi chế tạo ông đếm, người ta thường xử lý mặt trong của chúng sao cho loại trừ được khả năng xuất hiện những bọt ở bẻ mặt không bên trên catot (khi chế
tạo ống đếm bằng nhôm, người ta mạ đồng hoặc mạ crém lên mặt trong của nó).
Nếu tiếp tục tăng điện thế trên ông dém thì với một giá trị thế Vo nào đó gan
bằng Vo2 (xem hình trên), số xung giả sẽ bat dau tăng lên rất nhanh, trong ông đếm
sẽ xuất hiện sự phóng điện liên tục, không dập tắt được nữa.
Có thé đánh giá độ dài vùng đếm của ống đếm Geiger từ những suy luận
sau:
Giả sử ta đặt vào ống đếm một điện thé Vo nào đó: V.>Voi, nhưng Vo<Vor.
Dòng phóng điện xuất hiện trong ống đếm khi có hạt ion hoá bay vào nó, sẽ tích điện
cho tụ điện C đến một giá trị hiệu điện thế ngày càng lớn AV . Nhưng AV càng lớn
thì thế V tác dụng giữa các điện cực ống đếm càng nhỏ. Khi thế V tiến gần đến đại
lượng Vinin, thì dòng phóng điện sẽ giảm xuống giá tri gần bằng Imin, ở giai đoạn này của quá trình phóng điện, độ lớn xung AV tiến gần rất chậm đến giá trị biên độ của
đ(AV) dt
đếm, ở mạch ngoài sé chạy qua điện trở tải R. Vay ở thời diém dập tắt sự phóng điện, điều kiện sau phải được thoả mãn:
Tmnin(R + Rin) > (Vo — Vinin) hay TinioR > (Vo = Vmin)
mình. Do đó có thê coi trong thời gian này = 0 và toàn bộ dòng Imin qua ống