Giáo án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí có dạng hình trụ

Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng những nội dung được 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 được giao. Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật về những nội dung được trình bày trong luân văn này. Vũ Đình Phước. MỤC LỤC 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 được những nội dung sau đây: Đã nghiên cứu lý thuyết, các đặc trưng cơ bản về các loại đầu dò khí và cơ sở lý thuyết về chế tạo đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí. 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 được chế tạo bằng các vật liệu có sẵn ở Việt Nam. Đã khảo sát được một số đặc trưng của đầu dò này bằng nguồn alpha trong dải áp suất từ 1,2 atm đến 2,5 atm (áp suất tuyệt đối), ở ba tỷ lệ khí Ar : CO2 là 96:4 ; 94,4:5,6 và 92:8. Khảo sát sự phụ thuộc của tổng số xung ghi nhận được vào điện áp và áp suất. Khảo sát sự phụ thuộc vị trí kênh đỉnh của phổ thu được vào điện áp và áp suất. Tìm ra được vùng điện áp làm việc của đầu dò từ 20v đến 250v. Đã ghi nhận được nơtrôn thông qua phản ứng (n,α). Trong đề tài này nơtrôn được ghi nhận thông qua phản ứng sau: Với những kết quả đã đạt được trong đề tài như 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 như 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: Researching theory, basic characters on types of gas probe and theory basis on manufacturing the ionizing radiation probe by gas. 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. Investigated some characters of this probe through 239Pu Alpha Source in pressure band from 1,2atm to 2,5 atm (absolute pressure) in gas ratio of Ar:CO2 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. 3.3. Finding working electric tension area of probe from 20v to 250v. Recorded neutron through reaction (n, α). In this topic, neutron is recorded through the reaction as follows: n + 63Li à 31H + α + 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 nước ta đã có hàng nghìn nguồn phóng xạ và khoảng 2000 đến 3000 nguồn phát tia X (bức xạ Roentgen) được đăng ký hoạt động, trong đó có nhiều nguồn phát bức xạ nơtrôn. Đồng thời trong môi trường luôn tồn tại nhiều loại nguồn bức xạ iôn hóa khác nhau, kể cả các nguồn phát những hạt nặng có điện tích như 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 được 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 như các phản ứng loại (n,p), (n,xp), (n,a), (n,xa), (g,p), (g,xp), (g,a) (g,xa), (n,f), (n,xf).... và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kể cả trong nghiên cứu cơ bản cũng như vật lý năng lượng cao. Trong rất nhiều trường 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 được[7]. Cho tới nay, ĐDK vẫn luôn được các nhà vậy lý và kỹ thuật quan tâm nghiên cứu và liên tục cải tiến. Tuy nhiên, ở nước 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 được 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 nước ngoài. Chính vì vậy việc nghiên cứu để có thể tự thiết kế chế tạo được ở nước 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 được các loại đầu dò bức xạ ion hóa sẽ góp phần giúp chúng ta tăng cường được 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 lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020 ở nước ta đã được 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 Trường, 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 được thử nghiệm thành công trong việc ghi phổ năng lượng của bức xạ alpha do nguồn đồng vị phát ra, đặc biệt với ĐDKVN-2 đã ghi nhận được nơtrôn thông qua phản ứng (n,α). Với những kết quả khích lệ đã đạt được như trên đã giúp Viện tích lũy được 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 thước trung bình và đã thành công trong việc ghi nhận phổ alpha do nguồn đồng vị phát ra. Nhưng với đầu dò này vẫn còn một số hạn chế như hiệu xuất ghi thấp và đặc biệt là rất khó khăn trong việc ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,α). Để khắc phục những nhược điểm trên của đầu ĐDKVN-3, trong thời gian làm luận văn cao học em đã được 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, đưa ra phương án thiết kế đầu dò tối ưu nhất. Khảo sát những đặc trưng quan trọng của đầu dò bằng nguồn alpha và ghi nhận nơtrôn thông qua phản ứng (n,α). Với những nhiệm vụ khá lớn như 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, hướng dẫn và giúp đỡ của các thầy, cô và các anh, chị trong Viện mà em đã hoàn thành được các nhiệm vụ trong đề tài. Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Phùng Văn Duân, thầy đã hướng dẫn tận tình về mặt nội dung khoa học cũng như 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. Lương Hữu Phước, 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 Trường, Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, những người thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Học viên Vũ Đình Phước Chương I. Ghi nhận bức xạ ion hóa 1.1. Tương 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 lượng nhỏ hơn 10 MeV sẽ tham gia tương tác Coulomb với nguyên tử là chủ yếu. Tương 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 lượng thấp có thể bị tán xạ do lực Coulomb hạt nhân còn các hạt mang điện nặng có năng lượng cao và nơtron bị tán xạ do lực hạt nhân. Như vậy quá trình trên làm cho chùm hạt tới bị lệch đi so với hướng chuyển động ban đầu, do có khối lượng lớn hơn rất nhiều điện tử nên hướng chuyển động của các hạt mang điện nặng sau khi va chạm thay đổi không đáng kể. Tiêu hao năng lượng của hạt do hiệu ứng này là nhỏ hơn nhiều so với tiêu hao năng lượng ion hóa. - Ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trường. 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 lượng của hạt nặng có điện tích đã bị tiêu tốn để ion hóa và kích thích các nguyên tử của chất được gọi là tiêu hao năng lượng ion hóa. Đối với các hạt mang điện nặng, ion hóa là nguyên nhân cơ bản làm tiêu hao năng lượng của hạt. 1.1.1. Tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của hạt nặng có điện tích. Tương tác chủ yếu của các hạt nặng có điện tích (như alpha, prôtôn, …) với môi trường là va chạm không đàn hồi với nguyên tử và phân tử của môi trường. Một trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho sự truyền qua môi trường của hạt mang điện là độ tiêu hao năng lượng riêng. Theo định nghĩa độ tiêu hao năng lượng riêng là năng lượng bị mất trên một đơn vị độ dài quãng đường 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 lượng tử và hiệu ứng tương đối. Cho phép chúng ta nhận được công thức tính độ tiêu hao năng lượng riêng do ion hóa S chính xác như sau[10]: (1-1) Trong đó: Với ; c - là vận tốc ánh sáng. z - Điện tích của hạt năng. E - Điện tích của electrôn. me - Khối lượng của electrôn. Ne - Mật độ electrôn. - Vận tốc của hạt nặng mang điện. - Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường. Trong đó: Z – Số thứ tự của chất hấp thụ. Công thức (1-1) gọi là công thức Bethe. Trong trường hợp β 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 lượng riêng của hạt do ion hóa sau đây: (1-2) Ta có mật độ electrôn của chất tỷ lệ thuận với mật độ chất : (1-3) Trong đó: NA - Số Avôgađrô. A - Số khối của chất hấp thụ. Thay công thức (1-3) vào (1-1) ta có: (1-4) Từ công thức (1-4) ta thấy độ tiêu hao năng lượng còn tỷ lệ thuận với mật độ chất, tức là nếu chiều dầy chất hấp thụ được biểu diễn theo chiều dầy khối (có thứ nguyên [g/cm2]) thì tiêu hao năng lượng trên một đơn vị độ dài khối chỉ phụ thuộc vào đặc trưng vật lý của chất thông qua tỷ số . Nhưng vì , nên giá trị của các chất khác nhau không nhiều. Công thức (1-1) cho ta thấy độ tiêu hao năng lượng riêng tỷ lệ với mật độ electrôn của chất hấp thụ, tỷ lệ với bình phương điện tích của hạt z2 và tỷ lệ với (hay là tỷ lệ nghịch với động năng hạt nặng) và độ tiêu hao năng lượng 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 đường) tăng lên khi tốc độ hạt giảm xuống. Đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đường đi của hạt trong chất hấp thụ được gọi là đường cong Bragg (xem hình 1-1). 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 đường cong Bragg đối với hạt alpha có năng lượng ban đầu . Khi tốc độ hạt tăng lên ban đầu tiêu hao năng lượng riêng giảm rất nhanh do (-dE/dx) thay đổi theo mạnh hơn theo hàm vận tốc dưới 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, biểu thức lôga có xu hướng 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). E Hình 1-2: Sự phụ thuộc (-dE/dx) vào động năng của hạt. Trong trường hợp v<<c và E=Mv2/2, thì công thức (1-2) có dạng: (1-5) Trong đó: M – Khối lượng của hạt tới. Công thức (1-5) cho thấy các hạt có khối lượng M càng lớn thì sự tiêu hao năng lượng 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 trường 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 lượng riêng S giảm xuống rất nhanh điều này được thể hiện trên đường cong Bragg (Hình 1-1). S không tăng lên như 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 trường sẽ xẩy ra hiện tượng các nguyên tử ở gần quỹ đạo của hạt bị phân cực, hiện tượng đó làm giảm trường 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 lượng (1-1) có dạng như sau: (1-6) Trong đó: δ – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến hiệu ứng mật độ ở năng lượng cao. U – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến sự giảm khả năng ion hóa ở năng lượng nhỏ. 1.1.2. Sự tiêu hao năng lượng trong tán xạ Culông của các hạt nặng có điện tích. Khi các hạt nặng mang điện có năng lượng nhỏ đi vào môi trường vật chất, ngoài hiện tượng tương 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 (tương tác với hạt nhân). Tương tác này có thể làm cho hạt tới thay đổi năng lượng và hướng chuyển động so với ban đầu. Sự tiêu hao năng lượng riêng của hạt nặng mang điện do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân nguyên tử được tính như sau: (1-7) (1-8) Trong đó: N - Là mật độ hạt nhân nguyên tử môi trường (N=Ne/Z). Z - Điện tích hạt nhân môi trường. Mhn - Khối lượng của hạt nhân môi trường (Mhn≈ A.mp). A - Số khối của hạt nhân môi trường. Mp - Khối lượng của prôtôn. Thừa số . Do đó tiêu hao năng lượng do tán xạ đàn hồi nhỏ hơn năng lượng 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 trường vật chất. Khi hạt đi vào môi trường, nó sẽ mất dần động năng trên đường đi và đến khi động năng của hạt bằng không thì hạt dừng lại. Như vậy quãng chạy của hạt chính là quãng đường hạt đi được trong môi trường vật chất. Quãng chạy phụ thuộc vào động năng ban đầu, khối lượng và điện tích của hạt. Quãng chạy được kí hiệu là R và được tính bằng công thức sau đây: (1-9) Trong đó E0 là năng lượng ban đầu của hạt trước khi rơi vào môi trường. Thay (-dE/dx) từ công thức (1-1) vào (1-9) và xét trường hợp (β ô 1) ta có: (1-10) Hàm số f(v) có dạng như nhau đối với các hạt nặng có khối lượng khác nhau nhưng chuyển động trong cùng một môi trường. Nếu ở năng lượng 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 thường được tính theo biểu thức sau đây: (1-11) Với: D – Số hiệu chỉnh. Trong biểu thức này: Số hạng tương ứng với quãng đường đi được của hạt từ thời điểm rơi vào môi trường đến vị trí mà sự tiêu hao năng lượng riêng tính theo công thức (1-1) không còn đúng nữa. Số hạng D ứng với quãng đường còn lại khi năng lượng của hạt nhỏ. Độ lớn của D được xác định bằng thực nghiệm. Trong trường hợp gần đúng ta có thể bỏ qua D. Giả sử ta xét hai hạt có khối lượng M1, M2 và điện tích z1, z2, hai hạt có cùng vận tốc ban đầu v1 = v2 = v. Xét trong trường hợp gần đúng, áp dụng công thức (1-10) ta có: (1-12) Như vậy từ công thức (1-12) nếu biết quãng chạy của một loại hạt ta có thể tính được quãng chạy của hạt kia trong môi trường khi hai hạt đó có cùng tốc độ ban đầu. (1-13) Với Rk(v) - là quãng chạy của hạt k có vận tốc v, điện tích zk, khối lượng Mk và động năng Ek. Vậy ta có: (1-14) Với . ; thay vào công thức (1-14) ta có: (1-15) Giả sử hạt 2 là proton. Quãng chạy của hạt 1 có thể được xác định như sau, nếu biết quãng chạy của protôn. (1-16) Từ công thức (1-4) ta thấy (-dE/dx) tỷ lệ với mật độ ρ của môi trường. Do vậy khi tính quãng chạy R theo công thức (1-9) thì R sẽ tỷ lệ nghịch với mật độ môi trường. Đối với chất khí thì mật độ chất tỷ lệ với áp suất P: (1-17) Do đó nếu biết quãng chạy của một hạt trong chất khí ở áp suất P1 thì có thể xác định được quãng chạy của hạt này trong chất khí ở áp suất Px như sau: (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 thường được tình bằng công thức bán thực nghiệm. Ví dụ: - Quãng chạy của proton (năng lượng từ vài MeV đến 200 MeV) trong không khí ở điều kiện tiêu chuẩn được tính như sau[14]: (1-19) - Quãng chạy khối của hạt alpha có năng lượng trong khoảng 4 MeV đến 9 MeV được tính như sau: (1-20) A - Số khối của môi trường vật chât. Eα - Năng lượng của hạt alpha (MeV). Trong đó quãng chạy khối bằng khối lượng của vật chất trong một hình trụ cao bằng quãng chạy tuyến tính của hạt R(m) và có tiết diện 1 m2 : (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 được tính theo quãng chạy của proton như sau: (1-22) (2-23) 1.1.4. Năng lượng ion hóa trung bình và mật độ ion hóa. Một hạt mang điện khi chuyển động trong môi trường, nó sẽ làm ion hóa và kích thích các nguyên tử dọc theo quãng chạy của nó. Năng lượng để tạo ra một cặp ion lớn hơn năng lượng ion hóa Iion. Năng lượng được xác định bởi bản chất của môi trường và ít phụ thuộc vào loại và năng lượng phần tử bức xạ tới tương tác với môi trường, do năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử cũng như tỷ số của xác suất ion hóa và xác suất kích thích là những đặc trưng của môi trường hãm và không phụ thuộc vào hạt tới. Bảng 1-1: Năng lượng tạo ra một cặp ion-điện tử của một số loại khí với bức xạ alpha và năng lượng ion hóa của một số loại khí [10]: Khí Ar O2 N2 He H2 CO2 26,3 32,3 37 42 36,5 33 Iion(eV) 15,7 12,5 15,6 24,4 15,6 13,7 10,6 19,8 21,4 17,6 20,9 19,3 Mật độ ion hóa là số cặp ion-điện tử được tạo ra trên một cm quãng chạy của hạt mang điện, ta có: (1-24) Như vậy ta thấy khi hạt đi vào môi trường hãm thì mật độ ion hóa cũng thay đổi giống như độ tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử (Hình 1-1). Để tính được số cặp ion-điện tử được tạo thành khi hạt mang điện tương tác với vật chất thì ta phải biết được giá trị năng lượng trung bình tạo ra một cặp ion-điện tử w đối với từng loại khí ứng với mỗi loại bức xạ tới có năng lượng là Ebucxa. Khi đó ta có số cặp ion-điện tử N được tinh như sau: (1-25) Bảng 1-2: Năng lượng 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 O2 N2 He H2 Không khí CH4 (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. Tương tác của nơtron với vật chất. Do không mang điện nên khi nơtron đi vào môi trường vật chất nó tương tác với điện tử rất yếu, tương tác của nó với hạt nhân môi trường chủ yếu do lực hạt nhân gây ra. Tương 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 tương tác và tiết diện tương tác đều phụ thuộc vào động năng của nơtron. Khi đi qua môi trường, nơtron có thể tham gia vào các loại tương tác như: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng , 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 tương tác. - Khi nơtron va chạm với hạt nhân bia, nếu tổng động năng của hệ không thay đổi, nhưng có thể được phân bố lại cho hai phần tử tham gia tương tác là nơtron và hạt nhân bia được 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 lượng nhiều. Sau một số va chạm nơtron bị nhiệt hoá. - Cơ chế của tán xạ không đàn hồi là khi nơtron tương tác với vật chất nó truyền cho hạt nhân nguyên tử một phần năng lượng làm cho hạt nhân nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích rồi phát ra các lượng 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 tương tác có động năng En lớn hơn năng lượng kích thích của hạt nhân bia và chủ yếu xẩy ra với các hạt nhân nặng. Quá trình hấp thụ nơtron thường dẫn đến các phản ứng hạt nhân sau [13] & [16]. - Bắt nơtron và phát lượng tử gamma: (1-26) Hạt nhân mới ở trạng thái kích thích thường phân rã . (1-27) Phản ứng bắt nơtron gây bởi nơtron chậm có năng lượng từ 0 đến 500 keV có xác suất lớn và thường được ứng dụng để ghi nhận nơtron. - Phản ứng tạo proton (n,p): (1-28) - Phản ứng : (1-29) - Phản ứng phân chia hạt nhân (n,f) thường xẩy ra đối với các hạt nhân nặng như: U, Th, Pu,… khi được chiếu bởi nơtron có thể tách ra thành hai mảnh với khối lượng 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: (1-30) 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 tương tác với vật chất có thể xẩy ra hiện tượng 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 tương tác với môi trường vật chất trong vùng nhạy (chất khí) sinh ra các ion và điện tử, nên các phần tử bức xạ đó mất dần năng lượng. Nếu đặt một điện trường vào phần nhạy đó thì các ion và điện tử sẽ chuyển động định hướng 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 được các thông tin về bức xạ như: Cường độ bức xạ, năng lượng bức xạ,… Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý của đầu dò bức xạ ion hóa bằng khí. Ký hiệu A-anốt; K-katốt; U0-độ chênh lệch điện thế được cung cấp bởi nguồn một chiều; T-khóa đóng ngắt mạch. A V0 K T 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 được 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 dưới tác dụng của điện trường. 1.3.2.1. Quá trình khuếch tán trong chất khí [15]. Các điện tử và ion được 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 một giây do hiện tượng khuếch tán). Trong trường hợp khuếch tán ba chiều nếu mật độ môi trường không đổi và không có ảnh hưởng 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 được mô tả bằng phương trình sau đây. Định luật Fik 2: (1-31) Hay: (1-32) Xét trường hợp một chiều: (1-33) Với: n - Mật độ các phần tử mang điện (cm-3). D - Hệ số khuếch tán (cm2/s). Ta có công thức tính hệ số khuếch tán như sau [9]: (1-34) Với: - Quãng đường tự do trung bình khi áp suất là p0 = 1 đơn vị áp suất. - Vận tốc trung bình của ion hoặc điện tử. P - áp suất khí. Hiện tượng khuếch tán chỉ đáng kể khi điện trường giữa các điện cực nhỏ. Khi điện trường tăng lên đáng kể thì chuyển động khuếch tán có thể bỏ qua so với chuyển động dưới tác dụng của điện trường. 1.3.2.2. Quá trình tái hợp với các phần tử mang điện trái dấu [10] & [15]. Hiện tượng mà trong đó hai phần tử mang điện trái dấu đã được sinh ra do tương 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 tượng tái hợp. Gọi n0 là số cặp ion do nguồn bức xạ tương tác với vật chất sinh ra trong một giây trong 1cm3 khí và n là số cặp ion có mặt trong 1cm3. Nếu mật độ ion âm và dương càng lớn thì khả năng kết hợp của chúng càng cao. Ta có tốc độ thay đổi mật độ ion là: (1-35) Với: α - Hệ số tái hợp (cm3/s). n+ và n- - Mật độ của ion dương và ion âm. Nếu E=0 thì n+ = n- = n, còn ở trạng thái cân bằng động thì . Ban đầu n tăng và gần như tỷ lệ với thời gian, nhưng 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 tương đối của các hạt có điện tích, tốc độ này càng nhỏ thì hệ số tái hợp càng lớn. Trong những điều kiện như nhau thì tốc độ chuyển động của ion nhỏ hơn rất nhiều so với của điện tử. Do đó hệ số tái hợp của