Tìm hiểu buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ

MỤC LỤC
Mục lục……………………………………………………………………………1
Lời nói đầu……………………………………………………………………… 3
I.Các đặc trưng cơ bản của detector………………………………………………4
1. Hàm đặc trưng……………………………………………………………….4
2. Đặc trưng thời gian của detector…………………………………………….4
3. Độ phân giải năng lượng…………………………………………………….4
4. Hiệu suất ghi…………………………………………………………………4
5. Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí…………………………………5
II. Buồng ion hóa………………………………………………………………….6
1. Cấu tạo………………………………………………………………………6
2. Nguyên tắc hoạt động……………………………………………………….7
2.1. Nguyên tắc……………………………………………………………7
2.2. Hoạt động…………………………………………………………….11
2.2.1. Các phương pháp đo dòng ion hóa……………………………….11
a. Phương pháp lệch không đổi …………………………………11
b. Phương pháp nạp điện dung………………………………… 12
c. Phương pháp bù trừ………………………………………… 13
2.2.2. Buồng ion hóa xung………………………………………………14
3. Ứng dụng buồng ion hóa……………………………………………………15
a. Đo năng lượng các tia gamma………………………………………… 15
b. Xác định chu kì bán rã của nguồn phóng xạ…………………………….16
c. Đo liều bằng buồng ion hóa kiểu tụ điện………………….………… 18
d. Xác định liều nơtrôn…………………………………….…………… 19
III. Ống đếm tỉ lệ……………………………………………………….……… 20
1. Cấu tạo chung ống đếm tỉ lệ……………………………………….………20
1
2. Nguyên tắc hoạt động của ống đếm tỉ lệ…………………………….…….21
3. Các đặc trưng cơ bản của ống đếm tỉ lệ…………………………….…… 25
a. Phân giải thời gian của ống đếm tỉ lệ…………………………….…….25
b. Vùng tỉ lệ giới hạn……………………………………………….…… 26

4. Các ứng dụng của ống đếm tỉ lệ……………………………………….… 27
Kết luận………………………………………………………………….…….….28
Tài liệu tham khảo…………………………………………………….……….…29
Nhận xét của giảng viên hướng dẫn……………………………………….…… 30


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, các nguồn bức xạ ion hóa được sử
dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp,
sinh học, xây dựng, y tế, thăm dò và khai thác khoáng sản … Việc sử dụng các
nguồn bức xạ ion hóa ngày càng trở lên phổ biến và thường xuyên hơn. Bên cạnh
2
những lợi ích to lớn mà chúng đem lại thì vẫn còn những rủi do tiềm ẩn mà những
bức xạ ion hóa này gây ra .
Khi sử dụng những nguồn bức xạ ion hóa không đảm bảo an toàn hay gặp phải
những sự cố gây rò rỉ phóng xạ thì những bức xạ này sẽ gây ảnh hưởng đến cơ thể
sống và làm ô nhiễm môi trường. Cơ thể con người không thể nhận biết tức thời
tác động của bức xạ ion hóa, do đó đòi hỏi cần phải có thiết bị nhạy với những bức
xạ ion hóa này để ghi đo và nhận biết chúng.
Nhận biết được tầm quan trọng của thiết bị ghi đo bức xạ, và dưới sự hướng
dẫn của cô Hoàng Ngọc Liên trong học phần đồ án thiết kế em đã tìm hiểu đề tài
các loại detector trong thiết bị ghi đo bức xạ. Detector là một bộ phận chính để ghi
bức xạ trong thiết bị ghi đo bức xạ. Có rất nhiều loại detector trong thực tế dưới
đây em tìm hiểu về hai loại cơ bản đó là buồng ion hóa và ống đếm tỉ lệ.

3
I. Các đặc trưng cơ bản của detector bức xạ hạt nhân
1. Hàm đặc trưng G(E,V)
Hàm đặc trưng được định nghĩa là xác suất hạt với những tính chất đã cho,
kích thích trong detector một tín hiệu nhất định. Dạng tường minh của hàm G được

xác định bằng những tính chất của bức xạ và những quá trình xảy ra trong detector.
2. Đặc trưng thời gian của detector.
Trong các phép đo năng lượng của hạt cũng như cần tính đến các đặc trưng
thời gian của detector. Nếu có nhiều hạt rơi vào detector trong khoảng thời gian Δt
nhỏ hơn so với độ dài tín hiệu ra của detector thì kết quả phép đo không còn chính
xác. Khi đó khoảng thời gian nhỏ nhất mà 2 hạt liên tiếp đi vào detector mà nó vẫn
ghi nhận được 2 tín hiệu ra được gọi là độ phân giải thời gian của detector.
Sau khi detector ghi nhận một hạt bức xạ, trong một khoảng thời gian nó mất
khả năng ghi nhận những hạt tiếp theo người ta gọi khoảng thời gian đó là thời
gian chết.
3. Độ phân giải năng lượng.
Độ phân giải năng lượng η của detector là tỉ số bề rộng ΔE ở nửa độ cao của
phân bố G(E,V) thu được với các hạt đơn năng, trên giá trị trung bình E của năng
lượng trong phân bố này, độ lớn : η = ΔE/E .
4. Hiệu suất ghi.
Hiệu suất ghi của detector là tỉ số của xung ghi nhận được trên số hạt rơi vào
detector.
Độ nhạy của detector là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trong một đơn vị
thời gian trên dòng hạt ở nơi đặt detector.
Độ sáng L là tỉ số của số tín hiệu ghi nhận được trên số hạt do nguồn phát ra.
4
5. Đặc trưng vôn-ampe của ống đếm chứa khí.
Hình 1 : Đường đặc trưng vôn-ampe.
Đoạn I hiệu điện thế giữa hai bản cực thấp nên tỉ lệ tái hợp giữa các electron
và ion dương chiếm ưu thế do đó vùng này không được ứng dụng. Đoạn II tương
ứng chế độ làm việc của buồng ion hóa, trên đoạn này hiệu điện thế giữa hai cực
đủ lớn để mọi ion sinh ra đều được thu về hai bản cực. Đoạn III là vùng hoạt động
của ống đếm tỉ lệ, điện thế ở gần anốt đủ lớn để gây ion hóa thứ cấp. Đoạn IV tính
tỉ lệ bị vi phạm nên không được ứng dụng, được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn. Đoạn V
vùng hoạt động của ống đếm Geiger-Muller . Đoạn VI vùng phóng điện không có

ứng dụng.
5
II. Buồng ion hóa.
1.Cấu tạo
Buồng ion hóa có nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào nhiệm vụ thực
tế, do đó hình dạng của hai bản cực cũng có nhiều dạng khác nhau.

Hình 2 : các loại bản cực của buồng ion hóa
Buồng ion hóa phẳng có hai bản cực như hai bản cực của một tụ điện nó
tạo ra một điện trường đều giữa hai bản cực. Buồng ion hóa trụ có cấu tạo
katốt làm vỏ hình trụ còn anốt là một sợi mảnh hoặc là một hình trụ nhỏ rỗng
được đặt tại tâm của vỏ katốt. vì tín hiệu đo được là rất nhỏ do đó để giảm tác
hại của dòng dò giữa anốt và katốt người ta bố trí thêm một điện cực bảo vệ
làm triệt tiêu ảnh hưởng của dòng dò đến tín hiệu ra.

6
Thể tích làm việc của buồng ion hóa từ vài chục đến vài chục lít. bên
trong thể tích làm việc của buồng được bơm các loại khí như : không khí He,
Ne, Ar, … .Áp suất trong buồng phải được giữ ổn định.
2.Nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa.
2.1. Nguyên tắc hoạt động .
Buồng ion hóa là thiết bị đo độ ion hóa gây ra bởi các hạt mang điện
hoặc bức xạ trung hòa về điện.

Để đơn giản ta xét nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa phẳng.
Hình 3 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của buồng ion hóa
7
Khi các hạt bức xạ ion hóa rơi vào thể tích làm việc của buồng ion hóa chứa
khí nó sẽ ion hóa môi trường trên đoạn đường nó di chuyển trong buồng và tạo ra
các electron và ion dương. Lúc này hai bản cực đóng vai trò như một tụ điện , dưới

tác dụng của lực điện trường giữa hai bản tụ, electron sẽ di chuyển về phía bản cực
dương còn các ion dương sẽ di chuyển về phía bản cực âm. Do đó trong mạch sẽ
suất hiện dòng điện và ampe kế sẽ đo được dòng ion hóa.
Sự phụ thuộc của độ lớn dòng ion hóa vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện
với cường độ dòng bức xạ không đổi gọi là đặc trưng vôn-ampe của buồng
Hình 4 : Đặc trưng vôn-ampe của buồng ion hóa

Trên đoạn OA dòng ion hóa tăng theo điện thế ở hai đầu tụ. Đoạn AB dòng
ion hóa đạt trạng thái bão hòa tức là mọi ion sinh ra đều được thu về hai điện cực.
= e.N
8
e: điện tích nguyên tố
N: số cặp ion hóa

Nguyên nhân gây ra sự thay đổi dòng theo sự thay đổi điện thế trên đoạn OA :
sự khuếch tán của các ion từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp dưới tác
dụng của chuyển động nhiệt. số ion đi qua diên tích trong đơn vị thời gian đặt
vuông góc với trục x, tỉ lệ với tốc độ giảm nồng độ ion dọc theo trục x:

: là gradien mật độ ion
hệ số khuếch tán
Khi tăng hiệu điện thế đến một giá trị đủ lớn thì ảnh hưởng chuyển động nhiệt của
các electron và ion dương sẽ kết thúc.
Quá trình tái hợp trung hòa của các phần tử mang điện trại dấu
Tốc độ tái hợp:

: mật độ ion dương
mật độ ion âm
hệ số tái hợp
9

Sự tái hợp có thể xảy ra giữa các ion âm ,ion dương cũng như giữa các
electron và ion dương. Trên thực tế người ta nạp thêm vào chất khí mà các nguyên
tử của nó không có khả năng bắt electron nghĩa là không tạo ra ion âm. Do đó chỉ
còn sự tái hợp của electron và ion dương .
Khi tăng hiệu điện thế giữa 2 bản cực đến giá trị đủ lớn nào đó thì sự tái hợp
giữa các electron và ion dương sẽ không xảy ra và mọi điện tích sẽ được thu về 2
cực.
Tốc độ chuyển động của các ion dưới tác dụng của điện trường tỉ lệ với độ linh
động của các ion : v = µ.E
µ: độ linh động
E: cường độ điện trường
Độ linh động của ion phụ thuộc vào loại khí và áp suất khí, độ linh động của
electron lớn hơn ion dương gần 3 bậc .
Để thu được dòng ion hóa bão hòa ta cần đặt vào hai đầu bản cực một hiệu
điện thế sao cho sự ảnh hưởng của khuếch tán và tái hợp là không còn.
2.2. Hoạt động của buồng ion hóa
2.2.1. Các phương pháp đo dòng ion hóa
a. Phương pháp lệch không đổi
Điện cực thu được nối đất qua một điện trở rất lớn ( Ω )
10

Dòng ion hóa được xác định: I = V/R
b. Phương pháp nạp điện dung
11

Mắc vào mạch một tụ C có điện dung không đổi theo thời gian và không có dòng
dò. Khi khóa K đóng điện tích trên tụ bằng 0, khi mở khóa K tụ bắt đầu được nạp,
sau thời gian t điện tích trên tụ là: Q =V.C
Khi đó dòng ion hóa tính bằng: I =
c. Phương pháp bù trừ

12
Khi khóa k đóng ,vôn kế sẽ chỉ một giá trị Vo nào đó, tụ C sẽ có điện tích .C
Tại thời điểm t=0 nào đó, ta ngắt khóa K và bật đồng hồ bấm giây thì điện tích
từ cực thu của buồng ion hóa sẽ bắt đầu đi tới bản cực trái của tụ và kim điện kế sẽ
bị lệch. Bằng cách dịch chuyển con trỏ của biến trở ta đưa điện kế về vị trí ban đầu
tiếp tục làm như vậy đến thời điểm t khi con trỏ nằm cuối cùng của biến trở. Điện
tích truyền cho tụ được bù trừ bởi lượng điện tích Q = I.t đi tới từ điện cực thu của
buồng ion hóa trong thời gian t
I =
2.2.2. Buồng ion hóa xung.
13
Buồng ion hóa hoạt động ở chế độ xung cho phép ghi nhận các hạt tích điện
riêng biệt khi những hạt này tạo ra một hiệu ứng ion hóa. Đại lượng RC có độ lớn
so sánh được với thời gian thu các điện tích.
Xét hoạt động của buồng ion hóa phẳng: giả sử tại thời điểm t = 0 hạt được
ghi nhận tạo ra N cặp ion, các electron với độ linh động gần 1000 lần ion dương sẽ
thu nhanh về điện cực dương và xuất hiện trên đó điện tích . Khi mọi ion đều
được thu hết về các điện cực thì trên điện cực thu được điện tích : Q=
Nếu RC lớn hơn thời gian thu ion dương thì tụ C sẽ được tích đến điện tích Q
sau đó sẽ phóng theo quy luật hàm mũ, xác định bằng đại lượng RC.
Điện thế trên tụ được xác định bằng đại lượng: Q=
=Q/C
Theo độ lớn của xung ghi nhận được, có thể xác định được năng lượng mà hạt
đã mất do sự ion hóa, nếu toàn bộ quãng chạy của hạt nằm trong thể tích làm việc
của buồng thì xác định được năng lượng của hạt này
Biến thiên theo thời gian : (t) = ( 1 )
:là vị trí ion dương
:là vị trí ion âm
Nếu hiệu ứng ion hóa xảy ra trong buồng trên khoảng cách đến cực thu thì :
( 2 )

, :là tốc độ của ion dương và electron
Thế (2) vào (1) được :
Buồng ion hóa làm việc ở chế độ thu hết ion dương gọi là buồng ion hóa xung ion.
14
Buồng ion hóa xung electron: .Khi đó

Hiệu ứng ion hóa xảy ra các điện cực thu một khoảng thì sau thời gian chuyển
động của các electron đến điện cực này sẽ xuất hiện ở lối ra:
=Q.
Điện thế trên tụ :
Trong trường hợp này biên độ xung sẽ nhỏ và phụ thuộc vào vị trí xảy ra ion hóa.
Để tránh sự phụ thuộc biên độ xung vào vị trí ion hóa, người ta đặt một lưới
vào giữa 2 điện cực. chỉ có các electron đi qua lưới mới gây ra điện tích trên điện
cực thu.
3. Ứng dụng buồng ion hóa.
a. Đo năng lượng các tia gamma.
Giả sử một chùm tia gamma tới đập vào vật rắn ,ta cần phải đo năng lượng của
chùm tia này . Chùm tia bị giảm theo quy luật:
N=
: là số lượng tử gamma tới
N: là số lượng tử đi qua lớp dày d
: hệ số suy giảm
Sự suy giảm chùm tia gamma xảy ra chủ yếu do 3 quá trình: hấp thụ quang
điện, tán xạ compton và hấp thụ tạo cặp.
Tán xạ compton kèm theo sự tạo thành các electron lùi nên nó dẫn đến sự hấp
thụ một phần năng lượng các tia gamma. Do đó ta có thể viết:
15
E=
E: dòng năng lượng đi qua lớp dày d
: dòng năng lượng tới

Hệ số hấp thụ µ được biểu diễn qua 3 quá trình:
µ= τ + σ + π
đối với gama nhỏ hơn 1 MeV : µ= τ + σ
Dòng năng lượng của cá tia gamma bi hấp thụ trong một đơn vị thể tích chất
hấp thụ:
△E = = (1-)
Đối với chất hấp thụ nhẹ thì µ << 1 nên : △ E ≈µ
Khi xác định được △E , µ đã biết ta có thể xác định được .
b. Xác định chu kì bán rã của nguồn phóng xạ.
Quy luật phân rã phóng xạ: N=
N: số hạt nhân sau khoảng thời gian t
: số hạt nhân lúc đầu
λ = nên : T =
Sau những khoảng thời gian nhất định …người ta đo được các dòng ion hóa
…giảm theo quy luật hàm mũ phù hợp định luật phân rã phóng xạ:
T=
Các giá trị thực nghiệm cường độ dòng ion hóa thu được ở những thời điểm
khác nhau cho phép xây dựng đồ thị I-t trong bán thang logarit.
16
Đường
1: mẫu
chỉ có 1
đồng vị
phóng
xạ
Đường
2: mẫu chứa nhiều đồng vị
Từ đồ thị ta tính được chu kì bán hủy : T =
c. Đo liều bằng buồng ion hóa kiểu tụ điện.
Buồng ion hóa kiểu tụ điện thường được chế tạo nhỏ như một chiếc bút hình

trụ, có hai phần để đo liều thấp và liều cao.
17
Ban đầu khóa K1 đóng, K2 mở để nạp hiệu điện thế cho tụ. sau đó buồng ion
hóa được tháo ra và đeo cho nhân viên làm việc trong môi trường có bức xạ, sau
một khoảng thời gian định kì, buồng ion hóa được lắp lại vào mạch. Lúc này khóa
K1 mở, K2 đóng để đo hiệu điện thế trên tụ, với độ lệch điện thế △U bộ chỉ thị sẽ
hiện giá trị liều mà người đó đã bị chiếu xạ trong khoảng thời gian làm việc trên.
d. Xác định liều nơtrôn.
Trong buồng ion hóa đồng nhất tương đương tổ chức cơ thể, hỗ hợp khí sử dụng
gồm: 64,4% C; 32,5% C ; 3,1% . Vỏ được làm bằng nhôm sẽ gây ra những phản
ứng: - (n,γ) lượng tử phát ra có năng lượng 1,779 MeV
- (n,p) khi ≥ 4,4 MeV lượng tử phát ra năng lượng 0,844 MeV
và 1,014 MeV
- (n,α) khi ≥ 7,2 MeV lượng tử phát ra có năng lượng 1,369
MeV và 2,754 M
Dùng dụng cụ đo liều này giúp ta có thể đánh giá được liều lượng bức xạ
nơtrôn.
18
III. Ống đếm tỉ lệ
1. Cấu tạo.
Ống đếm tỉ lệ có cấu hình phổ biến là hình trụ.
19
Hình 5 : Cấu tạo ống đếm tỉ lệ

Vỏ của ống đếm thường được làm bằng kim loại và được sử dụng làm katốt,
anốt thường là một thanh kim loại mảnh được đặt tại tâm của ống , người ta thiết
kế một cửa sổ trên thân ống để cho bức xạ dễ dàng đi vào ống đếm . Giữa anốt và
katốt được cách điện với nhau rất tốt bằng vật liệu sứ hoặc cao su.
Bên trong ống được bơm khí như: không khí, He, Ar… Áp suất khí trong ống
được giữ ổn định.

2. Nguyên tắc hoạt động.
20
Để đo những bức xạ có độ ion hóa riêng nhỏ người ta phải sử dụng sự khuếch
đại khí của dòng ion hóa để làm tăng biên độ xung ra.

Hình 6 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động
21
Hình 7 : Sơ đồ hình thành thác electron
Các electron xuất hiện trong quá trình ion hóa, nhận năng lượng điện trường
lớn sẽ va chạm với các phân tử trung hòa khác và ion hóa chúng tạo ra các cặp
electron và ion dương tiếp theo, càng về gần anốt sự phát triển thác electron-ion
dương càng mạnh.

22
Sự khuếch đại dòng khí được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại khí K
K =
i: dòng đi qua ống đếm
: dòng tạo ra khi không có khuếch đại khí
Có thể xác định hệ số khuếch đại khí qua số cặp ion đi qua thể tích ống :
K =
n : số cặp ion hóa sau khi có khuếch đại
: số cặp ion hóa sơ cấp
Hệ số khuếch đại khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố : kích thước hình học của
ống , loại khí và áp suất khí trong ống, điện thế đặt vào ống.
Xét quá trình xảy ra trong ống dựa vào lý thuyết của Townsend. Theo lý
thuyết này các electron và ion được tạo ra trong khoảng không gian phóng điện,
dưới tác dụng của điện trường ngoài chúng nhận năng lượng và gây ra ion hóa thứ
cấp.
Hệ số đặc trưng cho quá trình phóng điện qua khí: α xác định số cặp ion do
một electron tạo ra trên đơn vị đường đi, β xác định số cặp ion được tạo ra bởi ion

dương trên đơn vị đường đi cũng trong điện trường trên, γ xác định số electron tạo
ra thêm trong quá trình thứ cấp khác.
Với điện trường không đổi thì α, β có giá trị không đổi, hay nó phụ thuộc vào
tỉ số E/p với p là áp suất khí.

Ta xét vùng phóng điện giới hạn bởi hai bản cực của một tụ điện phẳng song
song, khi đó ta thu được hệ số khuếch đại khí
23

K=
d : khoảng cách giữa anốt và katốt
Nếu bỏ qua quá trình do electron thứ cấp tạo ra và ion dương tức là: β=0, γ=0.
Thì ta có:

K=
Các electron xuất hiện trong quá trình ion hóa sơ cấp nhận năng lượng điện
trường gây ion hóa va chạm với những phân tử trung hòa, khi về càng gần anot thì
số electron tăng lên càng nhanh. Quá trình phát triển thác electron được xác định
bằng hệ số α.
Bằng thực nghiệm Townsend đã xác định được :

α = ap
với a, b là hệ số không đổi của một chất khí
Chia α cho p thì ta coi : = f
Trong điện trường không đổi giả sử có electron cách anốt một khoảng l ,trên
đường về anot số electron tăng lên là N(l). với N(l) =
Tỉ số N(l)/ = m . gọi là hệ số khuếch đại khí
- Trong trường hợp các điện cực là hình cầu hoặc trụ thì:

m =

r : khoảng cách từ điểm ion hóa đến tâm hệ
: bán kính anot
24
Điện trường trong buồng trụ: E = đảm bảo cho việc hệ số khuếch đại không
phụ thuộc vào vị trí xảy ra ion hóa trong thể tích làm việc của buồng.
Khi đó hệ số khuếch đại tính bằng:
m = exp( ≈ exp(
hằng số với mỗi khí nhất định
Nếu xác xuất các quá trình thứ cấp đặc trưng bằng hệ số γ thì hệ số khuếch
đại toàn phần tính bằng:
M =
3. Đặc trưng của ống đếm tỉ lệ
a. Phân giải thời gian của ống đếm tỉ lệ
Thời gian thu ion dương khi R=∞ xác định bằng :
Với các ống đếm trung bình s. khi RC ~ thì độ dài của xung bằng tổng thời
gian tăng và giảm.
Để giảm thời gian phân giải của ống đếm thì ta giảm giá trị của R tuy nhiên
vẫn không vi phạm tính tỉ lệ, nhưng nếu RC nhỏ cỡ thì tính tỉ lệ bị vi phạm.
b. Vùng tỉ lệ giới hạn
Khuếch đại khí xảy ra chủ yếu ở gần anot cùng với việc tạo ra thác electron
thì cũng tạo ra ion dương, nếu điện tích dương này lớn thì sẽ gây méo điện trường
và làm giảm hệ số khuếch đại khí.

25