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 [...]... Đờng cong mô tả sự phụ Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 12 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) y 0 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 Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 13 Hình 1-1,... 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 23 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 1cm2 trong... nhạy của đầu dò Các ion này tập trung với mật độ lớn sẽ tạo thành đám Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 30 mây điện tích dơng và chúng gây nhiễu điện trờng, dẫn đến kìm hãm quá trình ion hóa thứ cấp và lúc này sự khuếch đại khí không còn tỉ lệ tuyến tính nữa Vùng này đợc gọi là vùng tỉ lệ hạn chế Vùng 5: Khi điện áp tăng lên cao lúc này điện trờng trong vùng nhậy của đầu dò rất lớn và vận tốc chuyển động... hao năng lợng (1-1) có dạng nh sau: 2m v 2 4 z 2 e 4 dE e S = = N e ln 2 ữ U ữ ữ me v 2 I (1 2 ) dx ion (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... 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 S = = N ln ữ ữ I ( 1 2 ) ữ dx tan xa M hn v 2 Luận văn cao học (1-7) Vũ Đình Phớc 15 2.m v 2 m Z 4 z 2 e4 dE e S = = e N e ln 2 ữ ữ 2 I (1 2 ) ữ dx tan xa M hn me v (1-8) Trong đó: N - Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trờng (N=Ne/Z) Z - Điện tích... công thức sau đây: 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= Luận văn cao học M f (v ) z2 (1-10) Vũ Đình Phớc 16 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... trờng khi hai hạt đó có cùng tốc độ ban đầu 2 z2 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 zk, khối lợng Mk và động năng Ek Vậy ta có: Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 17 2 z2 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 2 M z2 M 1 R1 ( E1 ) = 2... 1 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: Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 18 - 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... MeV đến 9 MeV đợc tính nh sau: 3 Rm ( g / m 2 ) = 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 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... 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 Iion Luận văn cao học Vũ Đình Phớc 19 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 . 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. 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,