Luan van cao hoc

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng những nội dung đợc trình bày trong luận văn này hoàn
toàn là kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của tôi trong quá trình thực hiện đề tài
luận văn cao học mà tôi đợc giao.
Tôi xin chịu trách nhiệm trớc pháp luật về những nội dung đợc trình bày trong
luân văn này.

Vũ Đình Phớc.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
1
MC LC
Lời cam đoan.....................................................................................................1
Tóm tắt nội dung luận văn......................................................................4
SUMMARY CONTENTS OF THESIS..................................................................5
Lời nói đầu..........................................................................................................6
Chơng I. Ghi nhận bức xạ ion hóa..........................................................9
1.1. Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất...........................................................9
1.1.1. Tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có điện
tích...........................................................................................................................................9
1.1.2. Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích.............14
1.1.3. Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất.........................15
1.1.4. Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa...................................................18
1.2. Tơng tác của nơtron với vật chất...................................................................................20
1.3. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí....................................................................................21
1.3.1. Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung..........................21
1.3.2. Quá trình chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của đầu dò
khí.........................................................................................................................................22
1.3.3. Các vùng điện áp đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.......................28
1.3.4. ảnh hởng của áp suất................................................................................................30
1.3.5. Phân loại v nguyên tắc hoạt động của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí...............31
Chơng II. Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí

có dạng hình trụ..........................................................................................39
2.1. Thiết kế chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ........................39
2.1.1. Vỏ trụ katốt...............................................................................................................39
2.1.2. Dây Anốt..................................................................................................................41
2.1.3. Lựa chọn vật liệu cách điện cho đầu dò...............................................................45
2.1.4. Tính toán các kích thớc và thiết kế đầu dò khí.................................................46
2.2. Lắp ráp và bố trí hệ đo...............................................................................................50
2.2.1. Quy trình hút, nạp khí cho đầu dò........................................................................50
2.2.2. Bố trí hệ đo để ghi nhận phổ năng lợng của hạt alpha........................................53
2.2.3. Bố trí hệ đo để ghi nhận nơtron bằng phản ứng (n,)......................................57
Chơng III. Đo đạc và khảo sát các đặc trng của đầu dò.....62
3.1. Khảo sát các đặc trng của đầu dò khí bằng nguồn alpha ........................................62
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
2
3.1.1. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 96:4.......................63
3.1.2. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 94,4:5,6.................73
3.1.3. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar:CO2 = 92:8..............................83
3.1.4. So sánh 3 tỷ lệ khí tại cùng áp suất P=1,4 atm........................................................88
3.1.5. Một số nhận xét khi khảo sát với nguồn alpha ......................................................89
3.2. Sử dụng đầu dò khí ghi nhận nơtrôn bằng phản ứng ................................................90
3.2.1. Ghi nhận phản ứng (n,) tại áp suất P = 2,2 atm.....................................................91
3.2.2. Ghi nhận phản ứng (n,) tại áp suất P = 2,5 atm.....................................................96
3.2.3. Một số nhận xét khi ghi nhận phản ứng (n,) tại hai áp suất 2,2 atm và 2,5 atm.
..............................................................................................................................................101
3.3. So sánh với phiên bản đầu dò khí hình trụ (ĐDK-VN3) [2]......................................101
Kết luận và kiến nghị..............................................................................103
Tài liệu tham khảo....................................................................................104
Phụ lục I...........................................................................................................106
Phụ lục II..........................................................................................................107
Phụ lục III.........................................................................................................109

Phụ luc IV........................................................................................................112
Phụ luc V..........................................................................................................121
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
3
Tóm tắt nội dung luận văn
Sau khi kết thúc thời gian làm luận văn cao học với đề tài là Nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ.
Luận văn đã đạt đợc những nội dung sau đây:
1. Đã nghiên cứu lý thuyết, các đặc trng cơ bản về các loại đầu dò khí và cơ sở lý
thuyết về chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.
2. Đã thiết kế, chế tạo thành công một đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí. Đây là
phiên bản thứ hai về loại đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ đợc
chế tạo bằng các vật liệu có sẵn ở Việt Nam.
3. Đã khảo sát đợc một số đặc trng của đầu dò này bằng nguồn alpha
239
Pu
trong
dải áp suất từ 1,2 atm đến 2,5 atm (áp suất tuyệt đối), ở ba tỷ lệ khí Ar : CO
2
là
96:4 ; 94,4:5,6 và 92:8.
Khảo sát sự phụ thuộc của tổng số xung ghi nhận đợc vào điện áp và áp suất.
Khảo sát sự phụ thuộc vị trí kênh đỉnh của phổ thu đợc vào điện áp và áp suất.
Tìm ra đợc vùng điện áp làm việc của đầu dò từ 20v đến 250v.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
4
4. Đã ghi nhận đợc nơtrôn thông qua phản ứng (n,). Trong đề tài này nơtrôn đợc
ghi nhận thông qua phản ứng sau:

6 3

3 1
4,785n Li H MeV

+ + +
Với những kết quả đã đạt đợc trong đề tài nh ở trên sẽ là những nội dung và
kinh nghiệm rất quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện loại đầu dò
bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ nói riêng cũng nh loại đầu dò bức xạ ion
hóa nói chung ở Việt Nam.
SUMMARY CONTENTS OF THESIS
After finishing schedule for making Master degree in Researching,
designing and manufacturing the ionizing radiation probe by cylinder shaped
gas.
The thesis achieved contents as follows:
1. Researching theory, basic characters on types of gas probe and theory
basis on manufacturing the ionizing radiation probe by gas.
2. Designed and manufactured successfully an ionizing radiation probe by
gas. This is the second version of ionizing radiation probe that manufactured by
the cylinder shaped gas which designed by existing materials in Vietnam.
3. Investigated some characters of this probe through
239
Pu Alpha Source in
pressure band from 1,2atm to 2,5 atm (absolute pressure) in gas ratio of Ar:CO
2
is: 96:4 ; 94,4:5,6 and 92:8.
3.1. Investigating dependence of total impulse that recorded in electric
tension and pressure.
3.2. Investigating dependence of top canal of spectrum that recorded in
electric tension and pressure.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
5

3.3. Finding working electric tension area of probe from 20v to 250v.
4. Recorded neutron through reaction (n, ). In this topic, neutron is recorded
through the reaction as follows:
n +
6
3
Li
3
1
H + + 4,785 MeV
These achieved results in the topic will be very important experience and
contents for the next researches to improve the ionizing radiation probe through
type of cylinder shaped gas in particular as well as the ionizing radiation probe in
Vietnam in general.
Lời nói đầu
Hiện nay ở nớc ta đã có hàng nghìn nguồn phóng xạ và khoảng 2000 đến 3000
nguồn phát tia X (bức xạ Roentgen) đợc đăng ký hoạt động, trong đó có nhiều
nguồn phát bức xạ nơtrôn. Đồng thời trong môi trờng luôn tồn tại nhiều loại nguồn
bức xạ iôn hóa khác nhau, kể cả các nguồn phát những hạt nặng có điện tích nh hạt
alpha. Do vậy càng ngày việc ghi nhận bức xạ càng trở nên cấp thiết hơn. Đầu dò
bức xạ bức xạ ion hóa bằng khí (ĐDK) là loại công cụ kinh điển trong kỹ thuật đo
đạc bức xạ iôn hoá từ một thế kỷ nay. Cụ thể là nó đợc sử dụng nhiều để nghiên
cứu các phản ứng hạt nhân, đặc biệt là những phản ứng xảy ra kèm theo sự giải
phóng hạt nặng có điện tích, thí dụ nh các phản ứng loại (n,p), (n,xp), (n,),
(n,x), (,p), (,xp), (,) (,x), (n,f), (n,xf).... và đợc ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực kể cả trong nghiên cứu cơ bản cũng nh vật lý năng lợng cao. Trong
rất nhiều trờng hợp ứng dụng thực tế, đầu dò khí thuộc loại đầu dò bức xạ ion hóa
có thể hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt mà các loại đầu dò khác không
thể chịu đựng đợc[7]. Cho tới nay, ĐDK vẫn luôn đợc các nhà vậy lý và kỹ thuật
quan tâm nghiên cứu và liên tục cải tiến. Tuy nhiên, ở nớc ta mới chỉ có một cơ sở

(là Viện khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Tự nhiên và công nghệ Quốc gia) chế
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
6
tạo đợc một số đầu dò bằng chất bán dẫn để ghi nhận bức xạ tia X và Gamma. Còn
các loại đầu dò khác đều phải nhập từ nớc ngoài. Chính vì vậy việc nghiên cứu để
có thể tự thiết kế chế tạo đợc ở nớc ta các loại đầu dò ghi nhận bức xạ ion hóa có ý
nghĩa thực tiễn cao về khoa học kỹ thuật và càng ngày càng cần thiết hơn. Khả
năng tự thiết kế chế tạo đợc các loại đầu dò bức xạ ion hóa sẽ góp phần giúp chúng
ta tăng cờng đợc năng lực nội sinh của ngành hạt nhân trong lĩnh vực này. Hơn
nữa, theo đề án số 17 trong kế hoạch tổng thể thực hiện chiến lợc ứng dụng năng l-
ợng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020 ở nớc ta đã đợc chính phủ phê
duyệt ngày 23 tháng 7 năm 2007 thì việc chế tạo một số thiết bị đo đạc bức xạ ion
hóa là một trong những nội dung chủ yếu và quan trọng của đề án.
Hiện nay Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trờng, Đại Học Bách Khoa
Hà Nội là cơ sở đầu tiên của Việt Nam đã chế tạo thành công đầu dò bức xạ ion
hóa bằng khí với các phiên bản ĐDKVN-1; ĐDKVN-2 và ĐDKVN-3. Các đầu
dò trên đã đợc thử nghiệm thành công trong việc ghi phổ năng lợng của bức xạ
alpha do nguồn đồng vị phát ra, đặc biệt với ĐDKVN-2 đã ghi nhận đợc nơtrôn
thông qua phản ứng (n,). Với những kết quả khích lệ đã đạt đợc nh trên đã giúp
Viện tích lũy đợc những kinh nghiệm để tiếp tục phát triển những nghiên cứu tiếp
theo. ĐDKVN-3 là phiên bản đầu tiên về đầu dò khí có kích thớc trung bình và đã
thành công trong việc ghi nhận phổ alpha do nguồn đồng vị
239
Pu
phát ra. Nhng với
đầu dò này vẫn còn một số hạn chế nh hiệu xuất ghi thấp và đặc biệt là rất khó
khăn trong việc ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,).
Để khắc phục những nhợc điểm trên của đầu ĐDKVN-3, trong thời gian làm
luận văn cao học em đã đợc giao nhiệm vụ thực hiện đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí

có dạng hình trụ
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
7
Đây là phiên bản thứ 4 về đầu dò khí (ĐDKVN-4). Nhiệm vụ cụ thể của đề tài là
tìm hiểu và nghiên cứu về đầu dò khí, đa ra phơng án thiết kế đầu dò tối u nhất.
Khảo sát những đặc trng quan trọng của đầu dò bằng nguồn alpha
239
Pu
và ghi
nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,). Với những nhiệm vụ khá lớn nh trên lại
thực hiện trong thời gian làm luận văn khá hạn hẹp và điều kiện thực nghiệm khó
khăn. Hơn nữa với những hạn chế về kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực
nghiệm nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu sót không thể tránh
khỏi. Tuy nhiên với sự chỉ bảo, hớng dẫn và giúp đỡ của các thầy, cô và các anh,
chị trong Viện mà em đã hoàn thành đợc các nhiệm vụ trong đề tài.
Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Phùng Văn Duân, thầy đã h-
ớng dẫn tận tình về mặt nội dung khoa học cũng nh những kiến thức thực nghiệm
rất sâu sắc và đã khích lệ tinh thần giúp em hoàn thành bản luận văn này. Xin
chân thành cảm ơn Th.S. Lơng Hữu Phớc, KS. Trần Hoài Nam đã giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tại Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý
Môi Trờng, Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, những ngời thân đã động viên giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập.
Học viên
Vũ Đình Phớc
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
8
Chơng I. Ghi nhận bức xạ ion hóa
1.1. Tơng tác của hạt nặng có điện tích với vật chất.
Khi truyền qua vật chất, phần lớn các hạt nặng có điện tích với năng lợng nhỏ hơn

10 MeV sẽ tham gia tơng tác Coulomb với nguyên tử là chủ yếu. Tơng tác trên gây ra
hai hiệu ứng sau:
- Tán xạ Coulomb đàn hồi trên các hạt nhân nguyên tử của chất. Các hạt mang điện
với năng lợng thấp có thể bị tán xạ do lực Coulomb hạt nhân còn các hạt mang điện
nặng có năng lợng cao và nơtron bị tán xạ do lực hạt nhân. Nh vậy quá trình trên làm
cho chùm hạt tới bị lệch đi so với hớng chuyển động ban đầu, do có khối lợng lớn hơn
rất nhiều điện tử nên hớng chuyển động của các hạt mang điện nặng sau khi va chạm
thay đổi không đáng kể. Tiêu hao năng lợng của hạt do hiệu ứng này là nhỏ hơn nhiều
so với tiêu hao năng lợng ion hóa.
- Ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trờng. Đây là kết quả của quá trình va
chạm Coulomb không đàn hồi của hạt mang điện với các điện tử trên lớp vỏ nguyên tử
của vật chất. Năng lợng của hạt nặng có điện tích đã bị tiêu tốn để ion hóa và kích
thích các nguyên tử của chất đợc gọi là tiêu hao năng lợng ion hóa. Đối với các hạt
mang điện nặng, ion hóa là nguyên nhân cơ bản làm tiêu hao năng lợng của hạt.
1.1.1. Tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có
điện tích.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
9
Tơng tác chủ yếu của các hạt nặng có điện tích (nh alpha, prôtôn, ) với môi trờng
là va chạm không đàn hồi với nguyên tử và phân tử của môi trờng. Một trong các đại
lợng vật lý đặc trng cho sự truyền qua môi trờng của hạt mang điện là độ tiêu hao
năng lợng riêng. Theo định nghĩa độ tiêu hao năng lợng riêng là năng lợng bị mất trên
một đơn vị độ dài quãng đờng đi qua của hạt.
Nếu hạt nặng mang điện chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độ
chuyển động của ánh sáng, ta có thể tính đến hiệu ứng lợng tử và hiệu ứng tơng đối.
Cho phép chúng ta nhận đợc công thức tính độ tiêu hao năng lợng riêng do ion hóa S
chính xác nh sau[10]:

( )
2

2 4
2
2
2
2 .
4 . .
ln
.
1
e
e
ion
e
m v
dE z e
S N
dx m v
I





ữ
= =
ữ
ữ

(1-1)
Trong đó:
Với
v
c

=
; c - là vận tốc ánh sáng.
z - Điện tích của hạt năng.
E - Điện tích của electrôn.
m
e
- Khối lợng của electrôn.
N
e
- Mật độ electrôn.

v
- Vận tốc của hạt nặng mang điện.

I
- Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trờng.

12 6
13,5. .1,6.10 13,5. .10I Z erg Z MeV

= =
Trong đó: Z Số thứ tự của chất hấp thụ.
Công thức (1-1) gọi là công thức Bethe.
Trong trờng hợp ô 1 (v ô c nghĩa là động năng của hạt không quá lớn). Thì ta có

công thức Bohr tính độ tiêu hao năng lợng riêng của hạt do ion hóa sau đây:
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
10

2
2 4
2
2 .
4 . .
ln
.
e
e
ion
e
m v
dE z e
S N
dx m v I


= =
ữ

(1-2)
Ta có mật độ electrôn của chất tỷ lệ thuận với mật độ chất

:

. .

A
e
Z N
N
A

=
(1-3)
Trong đó: N
A
- Số Avôgađrô.
A - Số khối của chất hấp thụ.
Thay công thức (1-3) vào (1-1) ta có:

( )
2
2 4
2
2
2
2 .
. .
4 . .
. .ln
.
1
e
A
ion
e

m v
Z N
dE z e
S
dx m v A
I






ữ
= =
ữ
ữ



(1-4)
Từ công thức (1-4) ta thấy độ tiêu hao năng lợng còn tỷ lệ thuận với mật độ chất, tức
là nếu chiều dầy chất hấp thụ đợc biểu diễn theo chiều dầy khối
.x

(có thứ nguyên
[g/cm
2
]) thì tiêu hao năng lợng trên một đơn vị độ dài khối
( )
.

dE
d x



ữ
ữ

chỉ phụ thuộc
vào đặc trng vật lý của chất thông qua tỷ số
Z
A
. Nhng vì
1
2
Z
A

, nên giá trị
( )
.
dE
d x



ữ
ữ

của các chất khác nhau không nhiều.

Công thức (1-1) cho ta thấy độ tiêu hao năng lợng riêng tỷ lệ với mật độ electrôn của
chất hấp thụ, tỷ lệ với bình phơng điện tích của hạt z
2
và tỷ lệ với
2
1
v
(hay là tỷ lệ
nghịch với động năng hạt nặng) và độ tiêu hao năng lợng riêng (dE/dx) phụ thuộc
rất mạnh vào điện tích và tốc độ của hạt tới. Độ ion hóa riêng (số cặp ion sinh ra trên
một đơn vị quãng đờng) tăng lên khi tốc độ hạt giảm xuống. Đờng cong mô tả sự phụ
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
11
thuộc của độ ion hóa riêng vào đờng đi của hạt trong chất hấp thụ đợc gọi là đờng
cong Bragg (xem hình 1-1).

Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
12
x
Hình 1-1: Sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đường đi
của hạt . Trong đó:
x - Quãng đường đi của hạt nặng có điện tích ở trong môi
trường; y-Độ ion hóa riêng.
y - Độ tiêu hao năng lượng riêng.
y
0
Hình 1-1, mô tả đờng cong Bragg đối với hạt alpha có năng lợng ban đầu
7,68E MeV

=

.
Khi tốc độ hạt tăng lên ban đầu tiêu hao năng lợng riêng giảm rất nhanh do
(-dE/dx) thay đổi theo
2
1
v
mạnh hơn theo hàm vận tốc dới dấu lôga, tiếp theo lại
giảm chậm dần do thừa số lôga bắt đầu tăng lên, đến một động năng cao nào đó trở
đi
( )
v c
, biểu thức lôga có xu hớng tiến tới hằng số và hàm lôga tăng chậm. Do
vậy hàm S = -dE/dx theo động năng có một cực tiểu (Hình 1-2).

Trong trờng hợp v<<c và E=Mv
2
/2, thì công thức (1-2) có dạng:

4 2
4
2 . .
. . .ln
. .
e
e
e
m E
dE e z
S N M
dx E m I M

= =
(1-5)
Trong đó: M Khối lợng của hạt tới.
Công thức (1-5) cho thấy các hạt có khối lợng M càng lớn thì sự tiêu hao năng lợng
riêng càng lớn.
Khi hạt tới có động năng nhỏ, điện tích của nó có thể bị thay đổi do có thể nó bắt
thêm điện tử của nguyên tử môi trờng hoặc bị nguyên tử lấy mất điện tử. Nói chung
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
13
( )
dE
dx

E
Hình 1-2: Sự phụ thuộc (-dE/dx)
vào động năng của hạt.
thì điện tích của hạt bị giảm đi vì vậy khả năng ion hóa của hạt bị giảm theo, dẫn đến
độ tiêu hao năng lợng riêng S giảm xuống rất nhanh điều này đợc thể hiện trên đờng
cong Bragg (Hình 1-1). S không tăng lên nh trong công thức (1-1) mà lại giảm xuống
đột ngột ở cuối quãng chạy của hạt.
Nếu hạt tới có động năng lớn khi đi qua môi trờng sẽ xẩy ra hiện tợng các nguyên tử
ở gần quỹ đạo của hạt bị phân cực, hiện tợng đó làm giảm trờng điện từ tác dụng lên
các điện tử ở xa quỹ đạo. Hiệu ứng này tỷ lệ với mật độ của chất tức là mật độ điện tử,
do vậy gọi là hiệu ứng mật độ.
Để tính đến các hiệu ứng trên, công thức tính sự tiêu hao năng lợng (1-1) có dạng
nh sau:

( )
2

2 4
2
2
2
2 .
4 . .
ln
.
1
e
e
ion
e
m v
dE z e
S N U
dx m v
I







ữ
= =
ữ
ữ

(1-6)
Trong đó: Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến hiệu ứng mật độ ở năng lợng cao.
U Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến sự giảm khả năng ion hóa ở năng l-
ợng nhỏ.
1.1.2. Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích.
Khi các hạt nặng mang điện có năng lợng nhỏ đi vào môi trờng vật chất, ngoài hiện
tợng tơng tác với các điện tử của nguyên tử (ion hóa) chúng còn có thể bị tán xạ đàn
hồi do lực Culông của hạt nhân gây ra (tơng tác với hạt nhân). Tơng tác này có thể
làm cho hạt tới thay đổi năng lợng và hớng chuyển động so với ban đầu.
Sự tiêu hao năng lợng riêng của hạt nặng mang điện do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân
nguyên tử đợc tính nh sau:

( )
2
2 2 4
2
2
2
tan
2. .
4 . . .
. .ln
.
1
e
xa

hn
m v
dE z Z e
S N
dx M v
I





ữ
= =
ữ
ữ



(1-7)
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
14

( )
2
2 4
2
2
2
tan
. 2. .

4 . .
. . .ln
.
1
e e
e
xa
hn e
m Z m v
dE z e
S N
dx M m v
I





ữ
= =
ữ
ữ



(1-8)

Trong đó: N - Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trờng (N=N
e
/Z).

Z - Điện tích hạt nhân môi trờng.
M
hn
- Khối lợng của hạt nhân môi trờng (M
hn
A.m
p
).
A - Số khối của hạt nhân môi trờng.
M
p
- Khối lợng của prôtôn.
Thừa số
. .
1
. 4000
e e
hn p
m Z m Z
M A m

.
Do đó tiêu hao năng lợng do tán xạ đàn hồi nhỏ hơn năng lợng do ion hóa vài
nghìn lần vì vậy có thể bỏ qua hiệu ứng này.
1.1.3. Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất.
Khi hạt đi vào môi trờng, nó sẽ mất dần động năng trên đờng đi và đến khi động
năng của hạt bằng không thì hạt dừng lại. Nh vậy quãng chạy của hạt chính là quãng
đờng hạt đi đợc trong môi trờng vật chất. Quãng chạy phụ thuộc vào động năng ban
đầu, khối lợng và điện tích của hạt. Quãng chạy đợc kí hiệu là R và đợc tính bằng
công thức sau đây:

( )
0
0
E
dE
R
dE
dx
=


(1-9)
Trong đó E
0
là năng lợng ban đầu của hạt trớc khi rơi vào môi trờng.
Thay (-dE/dx) từ công thức (1-1) vào (1-9) và xét trờng hợp ( ô 1) ta có:

2
( )
M
R f v
z
=
(1-10)
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
15
Hàm số f(v) có dạng nh nhau đối với các hạt nặng có khối lợng khác nhau nhng
chuyển động trong cùng một môi trờng.
Nếu ở năng lợng nhỏ thì công thức (1-1) không đúng vì vậy khi tính quãng chạy R

ở các công thức (1-9) và (1-10) sẽ không hoàn toàn chính xác. Tính tới điều này,
quãng chạy của hạt nặng có điện tích thờng đợc tính theo biểu thức sau đây:

2
( )
M
R f v D
z
= +
(1-11)
Với: D Số hiệu chỉnh.
Trong biểu thức này:
Số hạng
2
( )
M
f v
z
tơng ứng với quãng đờng đi đợc của hạt từ thời điểm rơi vào môi
trờng đến vị trí mà sự tiêu hao năng lợng riêng tính theo công thức (1-1) không còn
đúng nữa.
Số hạng D ứng với quãng đờng còn lại khi năng lợng của hạt nhỏ. Độ lớn của D đợc
xác định bằng thực nghiệm. Trong trờng hợp gần đúng ta có thể bỏ qua D.
Giả sử ta xét hai hạt có khối lợng M
1
, M
2
và điện tích z
1
, z

2
, hai hạt có cùng vận tốc
ban đầu v
1
= v
2
= v. Xét trong trờng hợp gần đúng, áp dụng công thức (1-10) ta có:

2
1 2 1
2
2 1 2
( )
.
( )
R v z M
R v z M
=
(1-12)
Nh vậy từ công thức (1-12) nếu biết quãng chạy của một loại hạt ta có thể tính đợc
quãng chạy của hạt kia trong môi trờng khi hai hạt đó có cùng tốc độ ban đầu.

2
2 1
1 2
2
1 2
( ) . . ( )
z M
R v R v

z M
=
(1-13)
Với R
k
(v) - là quãng chạy của hạt k có vận tốc v, điện tích z
k
, khối lợng M
k
và động
năng E
k
. Vậy ta có:
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
16

2
2 1
1 1 2 2
2
1 2
( ) . . ( )
z M
R E R E
z M
=
(1-14)
Với
2 2
1 2

1 2
;
2 2
M v M v
E E= =
.
1 1 2
2 1
2 2 1
.
E M M
E E
E M M
= =
; thay vào công thức (1-14) ta có:

2
2 1 2
1 1 2 1
2
1 2 1
( ) . .
z M M
R E R E
z M M

=
ữ

(1-15)

Giả sử hạt 2 là proton. Quãng chạy của hạt 1 có thể đợc xác định nh sau, nếu biết
quãng chạy của protôn.

2
1
1 1 1
2
1 1
1
( ) . . ( )
p
p
p
m
M
R E R E
m z M

=
ữ

(1-16)
Từ công thức (1-4) ta thấy (-dE/dx) tỷ lệ với mật độ của môi trờng. Do vậy khi
tính quãng chạy R theo công thức (1-9) thì R sẽ tỷ lệ nghịch với mật độ môi trờng.
Đối với chất khí thì mật độ chất tỷ lệ với áp suất P:

PR /1~
(1-17)
Do đó nếu biết quãng chạy của một hạt trong chất khí ở áp suất P
1

thì có thể xác
định đợc quãng chạy của hạt này trong chất khí ở áp suất P
x
nh sau:

1
1
.
x
x
P
R R
P
=
(1-18)
Trong đó: R
1
Quãng chạy của hạt tại áp suất P
1
.
R
x
Quãng chạy của hạt tại áp suất P
x
.
Quãng chạy của hạt có điện tích cũng thờng đợc tình bằng công thức bán thực
nghiệm.
Ví dụ:
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
17

- Quãng chạy của proton (năng lợng từ vài MeV đến 200 MeV) trong không khí ở
điều kiện tiêu chuẩn đợc tính nh sau[14]:

1,8
( )
( )
9,3
p
p
E MeV
R cm

=
ữ

(1-19)
- Quãng chạy khối của hạt alpha có năng lợng trong khoảng 4 MeV đến 9 MeV
đợc tính nh sau:

2 3
( / ) .
m
R g m A E

=
(1-20)
A - Số khối của môi trờng vật chât.
E

- Năng lợng của hạt alpha (MeV).

Trong đó quãng chạy khối bằng khối lợng của vật chất trong một hình trụ cao
bằng quãng chạy tuyến tính của hạt R(m) và có tiết diện 1 m
2
:

.
m
R R

=
(1-21)

- là mật độ khối của vật chất (kg/m
3
).
Từ công thức (1-16), ta áp dụng cho hạt Alpha và Triti thì quãng chạy của chúng
đợc tính theo quãng chạy của proton nh sau:

2
1
( ) . . .
2 4
p
p p
p
m
M E
R E R E R
m M

=
ữ
ữ




(1-22)

( )
2
1
. . . 3.
1 3
p
T T
T p T p
p T
m
M E
R E R E R
m M


=

ữ
ữ




(2-23)
1.1.4. Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa.
Một hạt mang điện khi chuyển động trong môi trờng, nó sẽ làm ion hóa và kích
thích các nguyên tử dọc theo quãng chạy của nó.
Năng lợng để tạo ra một cặp ion
w
lớn hơn năng lợng ion hóa I
ion
.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
18
Năng lợng
w
đợc xác định bởi bản chất của môi trờng và ít phụ thuộc vào loại và
năng lợng phần tử bức xạ tới tơng tác với môi trờng, do năng lợng ion hóa và năng
lợng kích thích nguyên tử cũng nh tỷ số của xác suất ion hóa và xác suất kích thích
là những đặc trng của môi trờng hãm và không phụ thuộc vào hạt tới.
Bảng 1-1: Năng lợng tạo ra một cặp ion-điện tử của một số loại khí với bức xạ
alpha và năng lợng ion hóa của một số loại khí [10]:
Khí Ar O
2
N
2
He H

2
CO
2
( )
w eV
26,3 32,3 37 42 36,5 33
I
ion
(eV) 15,7 12,5 15,6 24,4 15,6 13,7
( )
ion
eV w I
=
10,6 19,8 21,4 17,6 20,9 19,3
Mật độ ion hóa là số cặp ion-điện tử đợc tạo ra trên một cm quãng chạy của hạt
mang điện, ta có:

1
.( )
dE
w dx

=
(1-24)
Nh vậy ta thấy khi hạt đi vào môi trờng hãm thì mật độ ion hóa cũng thay đổi
giống nh độ tiêu hao năng lợng do ion hóa và kích thích nguyên tử (Hình 1-1).
Để tính đợc số cặp ion-điện tử đợc tạo thành khi hạt mang điện tơng tác với vật
chất thì ta phải biết đợc giá trị năng lợng trung bình tạo ra một cặp ion-điện tử w
đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lợng là E
bucxa

. Khi đó ta có
số cặp ion-điện tử N đợc tinh nh sau:

bucxa
E
N
w
=
(1-25)
Bảng 1-2: Năng lợng trung bình để tạo ra một cặp ion-điện tử trong một số loại khí
đối với bức xạ alpha và điện tử nhanh [12]:
Khí Ar O
2
N
2
He H
2
Không
khí
CH
4
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
19
w
(eV/cặp ion)
e nhanh 26,4 30,8 34,8 41,3 36,5 33,8 27,3

26,3 32,2 36,4 42,7 36,4 35,1 29,1

1.2. Tơng tác của nơtron với vật chất.

Do không mang điện nên khi nơtron đi vào môi trờng vật chất nó tơng tác với
điện tử rất yếu, tơng tác của nó với hạt nhân môi trờng chủ yếu do lực hạt nhân gây
ra. Tơng tác của nơtron với hạt nhân phụ thuộc một cách phức tạp vào động năng
của nơtrôn, thậm chí khác nhau đáng kể ngay cả đối với những đồng vị của cùng
một nguyên tố. Loại tơng tác và tiết diện tơng tác đều phụ thuộc vào động năng
của nơtron.
Khi đi qua môi trờng, nơtron có thể tham gia vào các loại tơng tác nh: tán xạ đàn
hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng
( )
,n

, phản ứng tạo các hạt có điện tích, phản
ứng phân chia hạt nhân. Xác suất xẩy ra các quá trình này phụ thuộc vào động
năng của nơtron và loại hạt nhân đồng vị tham gia tơng tác.
- Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu tổng động năng của hệ không thay
đổi, nhng có thể đợc phân bố lại cho hai phần tử tham gia tơng tác là nơtron và hạt
nhân bia đợc gọi là tán xạ đàn hồi. Giữa nơtron và hạt nhân xẩy ra sự trao đổi động
năng còn trạng thái của hạt nhân không đổi. Với các hạt nhân nhẹ khi va chạm thì
nơtron bị mất năng lợng nhiều. Sau một số va chạm nơtron bị nhiệt hoá.
- Cơ chế của tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tơng tác với vật chất nó truyền
cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lợng làm cho hạt nhân nguyên tử chuyển
lên trạng thái kích thích rồi phát ra các lợng tử gamma hoặc các bức xạ khác để trở
về trạng thái cơ bản. Tán xạ không đàn hồi chỉ xẩy ra khi nơtron tham gia tơng tác
có động năng E
n
lớn hơn năng lợng kích thích của hạt nhân bia và chủ yếu xẩy ra
với các hạt nhân nặng.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
20
Quá trình hấp thụ nơtron thờng dẫn đến các phản ứng hạt nhân sau [13] & [16].

- Bắt nơtron và phát lợng tử gamma:

( ) ( )
, , 1n Z A Z A

+ + +
(1-26)
Hạt nhân mới ở trạng thái kích thích thờng phân rã


.

( ) ( )
%
, 1 1, 1Z A Z A e


+ + + + +
(1-27)
Phản ứng bắt nơtron gây bởi nơtron chậm có năng lợng từ 0 đến 500 keV có xác
suất lớn và thờng đợc ứng dụng để ghi nhận nơtron.
- Phản ứng tạo proton (n,p):

( ) ( )
, , 1A Z n A Z p
+ +
(1-28)
- Phản ứng
( )
,n

:

( ) ( )
4
2
, 3, 2A Z n A Z He
+ +
(1-29)
- Phản ứng phân chia hạt nhân (n,f) thờng xẩy ra đối với các hạt nhân nặng nh: U,
Th, Pu, khi đợc chiếu bởi nơtron có thể tách ra thành hai mảnh với khối lợng gần
bằng nhau, trong mỗi phân hạch phát ra trung bình cỡ 2,5 nơtron ngoài ra còn có
nơtron trễ phát ra từ các mảnh:

( ) ( ) ( )
1 1 2 2
, , , 2,5A Z n A Z A Z n
+ + +
(1-30)
1.3. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.
1.3.1. Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung.
Khi bức xạ tơng tác với vật chất có thể xẩy ra hiện tợng ion hóa sinh ra các điện
tử và ion. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí hoạt động dựa vào hiệu ứng vật lý trên,
khi các phần tử của bức xạ lọt vào vùng nhạy của đầu dò chúng tơng tác với môi tr-
ờng vật chất trong vùng nhạy (chất khí) sinh ra các ion và điện tử, nên các phần tử
bức xạ đó mất dần năng lợng. Nếu đặt một điện trờng vào phần nhạy đó thì các ion
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
21
và điện tử sẽ chuyển động định hớng về phía các điện cực trái dấu và tạo thành tín
hiệu điện ở mạch ra của đầu dò (hình1-3) [6]. Nếu đo và xử lý tín hiệu điện năng ta

sẽ thu đợc các thông tin về bức xạ nh: Cờng độ bức xạ, năng lợng bức xạ,

1.3.2. Quá trình chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của
đầu dò khí.
Các điện tử và ion đợc tạo thành trong vùng nhạy của đầu dò sẽ tham gia vào các
quá trình sau:
- Khuếch tán trong chất khí.
- Tái hợp với các phần tử mang điện trái dấu.
- Chuyển động trôi về các điện cực dới tác dụng của điện trờng.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
22
Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý của đầu dò bức xạ ion
hóa bằng khí. Ký hiệu A-anốt; K-katốt; U
0
-độ
chênh lệch điện thế được cung cấp bởi nguồn một
chiều; T-khóa đóng ngắt mạch.
A
V
0
K
T
1.3.2.1. Quá trình khuếch tán trong chất khí [15].
Các điện tử và ion đợc sinh ra trong quá trình ion sẽ tham gia chuyển động nhiệt
trong chất khí, chúng chuyển động từ vị trí có mật độ cao đến vị trí có mật độ thấp.
Hệ số khuếch tán kí hiệu là D (là số ion hay điện tử đi qua 1cm
2
trong một giây do
hiện tợng khuếch tán).
Trong trờng hợp khuếch tán ba chiều nếu mật độ môi trờng không đổi và không

có ảnh hởng của các lực bên ngoài lên các phần tử khuếch tán thì sự thay đổi theo
thời gian của mật độ các phần tử này sẽ đợc mô tả bằng phơng trình sau đây.
Định luật Fik 2:
.
n
D n
t

=

(1-31)
Hay:
n n n n
D D D
t x x y y Z Z



= + +
ữ
ữ ữ



(1-32)
Xét trờng hợp một chiều:

2
2
n d n

D
t dx

=

(1-33)
Với: n - Mật độ các phần tử mang điện (cm
-3
).
D - Hệ số khuếch tán (cm
2
/s).
Ta có công thức tính hệ số khuếch tán nh sau [9]:

0
.
3
v
D
P

=
(1-34)
Với:
0

- Quãng đờng tự do trung bình khi áp suất là p
0
= 1 đơn vị áp suất.

v
- Vận tốc trung bình của ion hoặc điện tử.
P - áp suất khí.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
23
Hiện tợng khuếch tán chỉ đáng kể khi điện trờng giữa các điện cực nhỏ. Khi
điện trờng tăng lên đáng kể thì chuyển động khuếch tán có thể bỏ qua so với
chuyển động dới tác dụng của điện trờng.
1.3.2.2. Quá trình tái hợp với các phần tử mang điện trái dấu [10] & [15].
Hiện tợng mà trong đó hai phần tử mang điện trái dấu đã đợc sinh ra do tơng tác
của bức xạ với phần nhạy của đầu dò kết hợp với nhau để tạo thành phần tử trung
hòa thì gọi là hiện tợng tái hợp.
Gọi n
0
là số cặp ion do nguồn bức xạ tơng tác với vật chất sinh ra trong một giây
trong 1cm
3
khí và n là số cặp ion có mặt trong 1cm
3
.
Nếu mật độ ion âm và dơng càng lớn thì khả năng kết hợp của chúng càng cao.
Ta có tốc độ thay đổi mật độ ion là:

. .
dn
n n
dt

+
=

(1-35)
Với: - Hệ số tái hợp (cm
3
/s).
n
+
và n
-
- Mật độ của ion dơng và ion âm.
Nếu E=0 thì n
+
= n
-
= n, còn ở trạng thái cân bằng động thì
0
dn
dt
=
.
Ban đầu n tăng và gần nh tỷ lệ với thời gian, nhng dần dần mật độ ion tăng làm
cho quá trình tái hợp tăng lên do vậy n tăng chậm và đạt đến giá trị không đổi, ta
có trạng thái cân bằng động.
Hệ số tái hợp phụ thuộc vào tốc độ tơng đối của các hạt có điện tích, tốc độ này
càng nhỏ thì hệ số tái hợp càng lớn. Trong những điều kiện nh nhau thì tốc độ
chuyển động của ion nhỏ hơn rất nhiều so với của điện tử. Do đó hệ số tái hợp của
các ion âm và ion dơng lớn hơn rất nhiều so với hệ số tái hợp của ion dơng với điện
tử.
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
24
Đối với một số loại khí nh: Ôxy, hơi nớc, không khí, các khí halogen,xác suất

phân tử khí bắt điện tử để tạo thành ion âm là rất lớn (gọi là các khí âm). Còn đối
với các một số khí nh: H
2
, N
2
, các khí thuộc nhóm hydrocarbon, các khí trơ(Ar,
Ne, ) có xác suất tạo thành ion âm rất nhỏ [9]. Do vậy nếu muốn giảm mạnh ảnh
hởng của hiện tợng tái hợp thì phải loại trừ hết các khí có khả năng tạo ion âm
trong vùng nhạy của đầu dò khí.
1.3.2.3. Quá trình chuyển động của các ion và điện tử về các điện cực dới tác
dụng của điện trờng.
Khi điện trờng ngoài đợc đặt vào vùng nhậy của đầu dò thì dới tác dụng của lực
điện trờng các điện tử và ion sẽ chuyển động định hớng về các điện cực tơng ứng
và tạo ra dòng điện trong đầu dò và ở mạch ngoài.
Ta có mật độ dòng điện tạo ra do chuyển động định hớng của các hạt mang điện
là j đợc biểu diễn nh sau:

. . . .j j j n e n e

+ + +
= + = +
(1-36)
Với:
,n n
+
- Là mật độ của các ion dơng và âm.

,j j
+
- Mật độ dòng điện tạo ra do chuyển động định hớng của các ion d-

ơng và ion âm.

,

+
- Vận tốc định hớng của các ion dơng và âm.
Trong điện trờng E các hạt có điện tích sẽ chuyển động định hớng, nếu các hạt
có điện tích là q chuyển động trên quãng đờng dx, thì hạt mang điện đó thu đợc
năng lợng là q.E.dx, nhng trong quá trình chuyển động trên quãng đờng đó do va
chạm với các phân tử trung hòa nên hạt mất một phần năng lợng là
. .k


với

là động năng của hạt;


là số lần va chạm trung bình trên quãng đờng mà hạt
Luận văn cao học Vũ Đình Phớc
25