luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ

1

MC LC
Tóm tắt nội dung luận văn..........................................................2
SUMMARY CONTENTS OF THESIS.................................................4
Lời nói đầu..................................................................................5
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....................................................................................................................................10
1.1.2. Sự tiêu hao năng lợng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích............17
1.1.3. Quãng chạy của hạt nặng có điện tích trong môi trờng vật chất........................18
1.1.4. Năng lợng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa..................................................23
1.2. Tơng tác của nơtron với vật chất...................................................................................25
1.3. Đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí...................................................................................28
1.3.1. Cơ sở vật lý và nguyên lý hoạt động của đầu dò khí nói chung.........................28
1.3.2. Quá trình chuyển động của các phần tử mang điện trong vùng nhạy của đầu dò
khí.....................................................................................................................................29
1.3.3. Các vùng điện áp đặc trng của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí.......................37
1.3.4. ảnh hởng của áp suất...............................................................................................40
1.3.5. Phân loại v nguyên tắc hoạt động của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí............42

Chơng II. Thiết kế, chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có
dạng hình trụ.............................................................................52
2.1. Thiết kế chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ.........................52
2.1.1. Vỏ trụ katốt..............................................................................................................53
2.1.2. Dây Anốt................................................................................................................56
2.1.3. Lựa chọn vật liệu cách điện cho đầu dò.............................................................60
2.1.4. Tính toán các kích thớc và thiết kế đầu dò khí...............................................62
2.2. Lắp ráp và bố trí hệ đo..............................................................................................68
2.2.1. Quy trình hút, nạp khí cho đầu dò......................................................................68

2.2.2. Bố trí hệ đo để ghi nhận phổ năng lợng của hạt alpha.......................................72
2.2.3. Bố trí hệ đo để ghi nhận nơtron bằng phản ứng (n,)......................................77

Chơng III. Đo đạc và khảo sát các đặc trng của đầu dò.........83
3.1. Khảo sát các đặc trng của đầu dò khí bằng nguồn alpha .........................................83
3.1.1. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 96:4......................84
3.1.2. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar : CO2 bằng 94,4:5,6................96

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


2

3.1.3. Khảo sát hoạt động của đầu dò với tỷ lệ khí Ar:CO2 = 92:8............................110
3.1.4. So sánh 3 tỷ lệ khí tại cùng áp suất P=1,4 atm....................................................117
3.1.5. Một số nhận xét khi khảo sát với nguồn alpha .....................................................118
3.2. Sử dụng đầu dò khí ghi nhận nơtrôn bằng phản ứng ..............................................120
3.2.1. Ghi nhận phản ứng (n,) tại áp suất P = 2,2 atm..................................................121
3.2.2. Ghi nhận phản ứng (n,) tại áp suất P = 2,5 atm..................................................127
3.2.3. Một số nhận xét khi ghi nhận phản ứng (n,) tại hai áp suất 2,2 atm và 2,5 atm.
..........................................................................................................................................134
3.3. So sánh với phiên bản đầu dò khí hình trụ (ĐDK-VN3) [2]......................................135

Kết luận và kiến nghị.............................................................136
Tài liệu tham khảo...................................................................139
Phụ lục I....................................................................................142
Phụ lục II...................................................................................143
Phụ lục III..................................................................................145
Phụ luc IV.................................................................................149

Phụ luc V..................................................................................159

Tóm tắt nội dung luận văn

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


3

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:

n + 36 Li 13 H + + 4, 785MeV
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.

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


5

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.
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 + 63Li 31H + + 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
Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


6

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 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 lợng 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

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


7

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
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

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


8

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 hớng 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


9

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

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


10

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.
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]:

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc

11

2m .v 2

4 .z 2 .e 4
dE
2
e

ữ
S =
=
N
ln


e
ữ
2
2

ữ
dx
m
.
v

ion

e
I ( 1 )

(1-1)
Trong đó:
v
Với = ; c - là vận tốc ánh sáng.
c

z - Điện tích của hạt năng.
E - Điện tích của electrôn.
me - Khối lợng của electrôn.
Ne - Mật độ electrôn.

v

- Vận tốc của hạt nặng mang điện.

I - Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trờng.
I = 13,5.Z .1, 6.1012 erg = 13,5.Z .10 6 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

12

2me .v 2
4 .z 2 .e4
dE
S =
N e ln
ữ =
me .v 2
I
dx ion
(1-2)
Ta có mật độ electrôn của chất tỷ lệ thuận với mật độ chất :

Ne =

Z . . N A
A

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


4 .z 2 .e 4 Z . .N A 2me .v 2
dE
2

S =
.
.ln
ữ
ữ =
2
2

ữ
me .v
A
dx ion
I ( 1 )


(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/cm2]) thì tiêu hao năng


dE



ữ
lợng trên một đơn vị độ dài khối
ữ chỉ phụ thuộc vào đặc

d ( .x )

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


13

trng vật lý của chất thông qua tỷ số

dE

d ( .x )

Z
Z 1
. Nhng vì , nên giá trị
A
A 2


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 z2 và tỷ lệ với 1 v 2 (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 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


14

y

0

x
Hình 1-1: Sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng
vào đờng đi của hạt . Trong đó:
x - Quãng đờng đi của hạt nặng có điện
tích ở trong môi trờng; y-Độ ion hóa riêng.
Hình 11,
đ-

y - Độ tiêu hao năng lợng riêng.

mô
ờng

cong Bragg đối với hạt alpha có năng lợng ban đầu E = 7, 68MeV .

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc

tả


15

Khi tốc độ hạt tăng lên ban đầu tiêu hao năng lợng riêng giảm
rất nhanh do
(-dE/dx) thay đổi theo 1 v 2 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).

(

dE
)
dx

E

Hình 1-2: Sự phụ thuộc
(-dE/dx)
vào động năng của hạt.

Trong trờng hợp v<

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


16

4m E
dE 2 .e 4 .z 2
S =
=
.N e .M .ln e
dx
E.me
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 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:

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


17

2m .v 2


4 .z 2 .e 4
dE
2
e
S =
N e ln
ữ U
ữ =
2
2

dx
m
.
v
I
1

ion
) ữ
e
(


(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 lợng 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.m .v 2

4 .z 2 .Z 2 .e 4

dE
2
e

ữ
S =
=
.
N
.ln


ữ
I ( 1 2 )
ữ
M hn .v 2
dx tan xa



(1-7)

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


18

2.m .v 2

me .Z 4 .z 2 .e 4
dE
2
e

ữ
S =
=
.
.
N
.ln


e
ữ
2
2

dx
M
m
.
v
I
1



tan xa

) ữ
hn
e
(

(1-

8)

Trong đó: N

- Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trờng

(N=Ne/Z).
Z

- Điện tích hạt nhân môi trờng.

Mhn - Khối lợng của hạt nhân môi trờng (Mhn A.mp).
A

- Số khối của hạt nhân môi trờng.

Mp - Khối lợng của prôtôn.
m .Z

m .Z

1

e
e
Thừa số M A.m 4000 .
hn
p

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:
Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


19

0

R=



E0

(

dE
dE
dx

)

(1-9)
Trong đó E0 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:

R=

M
f (v )
z2

(1-10)
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:

R=
(1-11)
Với: D Số hiệu chỉnh.

Trong biểu thức này:

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc

M
f (v ) + D
2
z


20

Số hạng

M
f (v) tơng ứng với quãng đờng đi đợc của hạt từ thời
z2

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 M1, M2 và điện tích z1, z2, hai
hạt có cùng vận tốc ban đầu v1 = v2 = v. Xét trong trờng hợp gần
đúng, áp dụng công thức (1-10) ta có:

R1 (v) z22 M 1
= .

R2 (v) z12 M 2
(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.

z22 M 1
R1 (v ) = 2 .
.R2 (v)
z1 M 2
(1-13)
Với Rk(v) - là quãng chạy của hạt k có vận tốc v, điện tích z k, khối
lợng Mk và động năng Ek. Vậy ta có:

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


21

z22 M 1
R1 ( E1 ) = 2 .
.R2 ( E2 )
z1 M 2
(1-14)
M 1v 2
M 2v 2
Với E1 =
; E2 =
.

2
2


E1 M 1
M
=
E2 = 2 .E1 ; thay vào công thức (1-14) ta có:
E2 M 2
M1

M

z22 M 1
R1 ( E1 ) = 2 .
.R2 2 E1 ữ
z1 M 2
M1
(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

m
M 1
R1 ( E1 ) = 1 . 2 ữ .R p ( p E1 )
m p z1
M1
(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:

R ~ 1/ P
(1-17)

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


22

Do đó nếu biết quãng chạy của một hạt trong chất khí ở áp
suất P1 thì có thể xác định đợc quãng chạy của hạt này trong
chất khí ở áp suất Px nh sau:

Rx =

P1
.R1
Px

(1-18)
Trong đó: R1 Quãng chạy của hạt tại áp suất P1.
Rx Quãng chạy của hạt tại áp suất Px.
Quãng chạy của hạt có điện tích cũng thờng đợc tình bằng
công thức bán thực nghiệm.
Ví dụ:
- 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

E ( MeV )
R p (cm) = p
ữ
9,3


(1-19)

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

Rm ( g / m 2 ) = A.E3
(1-20)

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


23

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 m2 :

Rm = .R

(1-21)

- là mật độ khối của vật chất (kg/m3).
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:

M
R ( E ) =
mp

2
m

E
1
. .R p p .E ữ R p ữ
2
4
M


(1-

22)

M
RT ( E ) = T
mp

2
m

1
E
. .R p p .ET ữ 3.R p T ữ
1
3
MT


(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.

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


24

Năng lợng để tạo ra một cặp ion w lớn hơn năng lợng ion hóa
Iion.
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

O2

N2

He

H2

CO2

w ( eV )

26,3

32,3

37

42

36,5

33

Iion(eV)

15,7

12,5

15,6

24,4

15,6

13,7

(eV ) = w I ion

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).

Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc


25

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

N=

Ebucxa
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

w
(eV/cặp
ion)

Ar
e

26,

nhanh

4



26,
3

Khôn

O2

N2

He

H2

30,8

34,8

41,3

36,5

33,8

27,3

32,2

36,4

42,7

36,4

35,1

29,1

g khí

CH4

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
Luận văn cao học
Vũ Đình Phớc