BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
_____________________
NGUYỄN XUÂN HẢI CÁC ĐETECTƠ LIÊN QUAN ĐẾN GHI ĐO BỨC XẠ
TRÊN KÊNH NGANG SỐ 3 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN
2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG ĐÀ LẠT – 2007
1
MỞ ĐẦU
Ghi đo bức xạ là một trong những mắt xích quan trọng nhất của vật lý hạt
nhân thực nghiệm. Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc
hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh
học, địa chất, môi trường,… tất cả ít nhiều đều liên quan đến đo ghi bức xạ.
Các kết quả
I. Các đetectơ chứa khí
Đetectơ chứa khí, có lẽ đây là kiểu đetectơ ra đời sớm nhất trong các kiểu
đetectơ dùng trong đo ghi bức xạ và vẫn còn được sử dụng đến ngày nay. Các
đetectơ này được sử dụng trong nhi
ều lĩnh vực khác nhau vì nó hoạt động khá
tin cậy, hiệu quả trong khi giá cả lại không đắt, dễ chế tạo theo nhiều kiểu
hình học và kích thước khác nhau, dễ bảo quản và sử dụng. Sự thay đổi của
một số loại khí nguyên chất hoặc hỗn hợp khi nạp vào đetectơ cùng với sự
phát triển của kỹ thuật vi điện tử hứa hẹn tạo ra nhữ
ng kiểu thiết bị ghi đo bức
xạ mới trong tương lai. Các kiểu đetectơ khí ngày nay đang được phát triển
mạnh theo chiều hướng mảng các đetectơ để phục vụ cho các nghiên cứu
chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì
khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV.
Nguyên tắc hoạt động củ
a đetectơ chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện
dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hoá các phân tử chất khí dọc theo đường
đi của nó - tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là
cặp ion-electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt
mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ quá
trình ion hoá sơ cấp.
Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của
electron hay ion nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp
ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ.
3
Một đetectơ chứa khí đơn giản chỉ gồm một ống chứa khí và hai điện cực,
thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi có thể đi được
vào phía bên trong. Các kiểu đetectơ chứa khí đầu tiên vẫn còn được sử dụng
đến ngày nay là:
động và được thu góp tại các điện cực. Trong vùng này dòng điện phụ thuộc
chủ yếu vào số ion do bức xạ gây ra, nó hầu như không phụ thuộc vào giá trị
điện áp ở các điện cực. Vùng này được xem như vùng làm việc của buồng ion
hoá.
5
Vùng III: Vùng Tỉ lệ
Trong vùng III, các electron được gia tốc đến vận tốc cao, nó va chạm với các
phân tử khí gây ion hoá chúng và làm tạo ra các ion thứ cấp do đó lượng điện
tích bên trong ống đếm được nhân lên. Lượng điện tích thu góp được sẽ tỉ lệ
với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hoá tạo ra, ống đếm làm việc
trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Ở cuối vùng tỉ lệ, lượ
ng điện tích
thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Hệ số nhân
trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~10
3
-10
5
.
Vùng IV: Vùng Geiger
Trong vùng IV, hiệu điện thế giữa các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất
hiện tiếp tục được tăng tốc. Do trường lớn nên chúng có thể thu được năng
lượng lớn hơn trước khi va chạm với các phân tử khí trong ống đếm. Trong
trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự tạo thành ion của phân tử. Sau khi
được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, v.v…, trong chấ
t khí sự ion hoá kiểu
thác phát triển. Khả năng phân biệt các hạt sơ cấp không còn, xung lượng của
các hạt khác nhau đều giống nhau do đó hầu như không có sự khác nhau giữa
loại bức xạ hoặc năng lượng của hạt tới trong vùng này. Các ống đếm hoạt
động trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger Muller.
cầu đó chỉ có Vonfam là tốt hơn cả để đáp ứng được các yêu cầu về mặt cơ
học. Nế
u sử dụng trong các ứng dụng đo liều cần sử dụng các vật liệu có Z
thấp để tránh tán xạ với anốt.
I.2. Buồng ion hoá
Hoạt động của buồng ion hoá phụ thuộc vào sự thu góp các ion do bức xạ ion
hoá tạo ra trong buồng. Các đetectơ này vận hành trong vùng II của đường
đặc trưng. Dưới tác dụng của điện trường, các electron và ion sẽ chuyển động
về các cực. Nếu th
ể tích khí được chiếu xạ là không thay đổi thì tốc độ hình
thành các cặp ion-electron là hằng số. Ví dụ khi sử dụng một thể tích khí nhỏ
7
để kiểm tra, tốc độ hình thành sẽ được xác định chính xác bằng sự cân bằng
giữa tốc độ mất của các cặp ion khỏi thể tích khí, tái kết hợp, bị khuếch tán
hoặc di chuyển khỏi thể tích. Giả thuyết điều kiện tái kết hợp là không đáng
kể, tất cả các hạt mang điện tạo ra đều được thu góp khi đó dòng tạo ra là ổn
định và có thể
đo chính xác tốc độ tạo thành các ion trong thể tích.
Gọi I(C) là lượng điện tích được tạo ra trong một đơn vị thể tích khí V(m
3
),
tốc độ thay đổi của điện tích ở nhiệt độ T(
0
K) và áp suất 760 mm Hg được xác
định theo công thức sau:
6
0
3
10
và chuyển động theo một hướng, các electron này sẽ tái hợp với các phần tử
mang điện do bức xạ ion hoá tạo nên. Để làm giảm hiệu ứng này cần tạo ra
phân cực ngược với điện trường do sự mất cân bằng
điện tích tạo ra để bù trừ.
8
Kiểu xung là kiểu vận hành chính được sử dụng để xác định các hạt và các
bức xạ tương tự khác. Nhờ đặc trưng tạo ra một lượng lớn ion, các thiết bị này
được cải tiến bằng cách đặt thêm các điện cực dưới dạng lưới giữa anốt và
catốt nên có thể xác định phân bố năng lượng, hoạt độ tuyệt đối, quãng chạy
và mức độ
ion hoá.
I.3. Các ống đếm tỉ lệ
Đetectơ làm việc trong vùng giữa vùng ion hoá và vùng GM được gọi là các
ống đếm tỉ lệ. Các ứng dụng kiểu xung là phổ biến trong ống đếm tỉ lệ.
Trong phép đo năng lượng của các electron năng lượng thấp, ống đếm tỉ lệ có
khả năng cho độ phân giải tốt hơn các đetectơ nhấp nháy. Khoảng năng lượng
phù hợp nhất
để sử dụng ống đếm tỉ lệ là từ 250 eV đến 200 keV.
Nguyên lý vận hành của ống đếm tỉ lệ: Khi điện trường đủ cao, xảy ra sự nhân
các phần tử mang điện trong chất khí. Ở điện trường này, các electron hoàn
toàn có đủ động năng để ion hoá các phân tử khí trung hoà, các electron thứ
cấp được tạo ra lại tiếp tục gây ion hoá các phân tử trung khí hoà khác. Quá
trình thác lũ xảy ra và số lượng các electron tăng nhanh chóng trong
ống đếm
tỉ lệ. Khi tất cả các electron tự do đã được thu góp ở anốt quá trình nhân các
hạt mang điện cũng ngừng. Sự khuếch đại điện tích bên trong ống đếm làm
tăng biên độ tín hiệu thu góp được do đó giảm bớt yêu cầu khuếch đại bên
ngoài.
Ống đếm tỉ lệ đòi hỏi một điện trường lớn (~10
10
Hình 4. Điện trường trong ống đếm tỉ lệ nhiều dây.
Nếu chúng ta giả thuyết rằng đĩa anốt là bản phẳng vô hạn so với các dây thì
cường độ điện trường được xác định theo công thức:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+−=
s
y
s
xCV
yxV
ππ
πε
22
sinhsin4ln
4
),( (3)
trong đó: V là cao áp, s là khoảng cách giữa các dây và C là điện dung giữa
Tín hiệu từ một mặt của anốt chỉ cho biết thông tin về một chiều của sự kiện
gây ion hoá, để có thêm thông tin về chiều thứ hai cần phải sử dụng phương
pháp quét hai chiều XY (đọc theo hai hướng) khi đó ta sẽ thu được đầy đủ các
thông tin về hạt gây ion hoá.
Hình 6. Sơ đồ của lưới anốt và mạng điện trở.
Ngày nay kiểu đetectơ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển và
được ứng dụng rộng rãi trong chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu hoặc trong
vật lý năng lượng cao.
I.5. Ống đếm Geiger Muller (GM)
Từ lâu ống đếm GM đã được sử dụng phổ biến trong đo ghi bức xạ. Các ưu
12
điểm chính của ống đếm GM là độ nhạy cao, sử dụng được cho nhiều loại bức
xạ, có nhiều dạng hình học và cửa sổ, tín hiệu ra lớn và giá cả hợp lý. Ống
đếm GM thường được chế tạo dưới dạng hình trụ, dây điện cực Vonfam đồng
trục và nạp đầy các khí trơ như helium, argon, neon. Ngoài ra còn có một
phần nhỏ các khí khác được thêm vào để dập tắt hi
ện tượng phóng điện. Mặc
dù có thể có cấu trúc khác nhau song tất cả các ống đếm GM đều được thiết
kế để vận hành trong vùng IV của hình 2.
Nguyên lý hoạt động của ống đếm GM: Nếu điện áp đặt vào ống đếm phù
hợp thì các electron trong chất khí ở gần anốt và các ion mang điện dương ở
gần catốt được thu góp gần như đồng thời. Các electron và ion còn lại sẽ
chuyể
n động nhanh về các điện cực đồng thời nhân thêm các electron và ion
trên đường đi. Các xung tạo ra dòng điện gây một điện áp tăng nhanh trên hệ
thống điện trở ở mạch ngoài, nhờ đó các xung này được xác định bằng các
thiết bị đếm hoặc các thiết bị đồng hồ đo. Trong quá trình ion hoá sơ cấp, các
ion dương ở gần catốt cùng với các electron trên bề mặt catốt gây ra một
đếm tự tắt thành hai loại:
(i) Các ống
đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất hữu cơ,
(ii) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất vô cơ.
Trong cả hai trường hợp quá trình dập tắt là tương tự như nhau. Khí tự làm tắt
quá trình phóng điện có thế năng ion hoá thấp hơn khí được sử dụng chính
trong đetectơ khí. Quá trình ion hoá của khí chính được dập tắt nhanh chóng
nhờ quá trình di chuyển chậm của các ion còn lại do khí sử dụng chính t
ạo ra
kết hợp với các electron của khí dập tắt. Các ion dương mới được tạo ra từ khí
tự dập tắt sẽ di chuyển hướng đến catốt nhưng chúng không đủ năng lượng để
làm bứt các electron ra khỏi catốt vì thế quá trình phóng điện bị dập tắt.
I.6. Đặc trưng của ống đếm GM
Hình 3 là đường đặc trưng của một ống đếm GM, đồ thị
vẽ sự phụ thuộc của
tốc độ đếm vào điện áp trong điều kiện tác động của trường bức xạ không đổi
(cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ
~100÷300 cps ở vùng làm việc).
Điện áp bắt đầu làm việc V
s
được định nghĩa là điện áp thấp nhất đặt vào ống
14
đếm để một ống đếm có thể làm việc được với đầy đủ các đặc trưng của nó. Ở
điện áp cao hơn V
s
đến V
T
tốc độ đếm tăng nhanh. Ở điện áp cao hơn V
T
“thời gian chết” và “thời gian hồi phục” cả hai đặc điểm này đều liên quan
trực tiếp đến thời gian phóng điện của ống đếm. Hình 8 là minh hoạ thời gian
chết và hồi phục của ống đếm GM ứ
ng với một xung.
Hình 8. Minh hoạ đặc trưng thời gian chết và hồi phục ứng với một xung của
ống đếm GM.
“Thời gian chết” của ống đếm GM là một giai đoạn rất ngắn, sau khi quá trình
phóng điện xảy ra, ống đếm không thể phản ứng với bất kỳ bức xạ ion hoá
nào đến ngay sau đó. Thời gian bắt đầu từ khi thời gian chết kết thúc cho đến
khi điệ
n tích được phóng hết (đuôi xung) gọi là “thời gian hồi phục” của ống
đếm.
Thời gian chết và tốc độ đếm: Thời gian chết của mỗi quá trình phóng điện sẽ
giới hạn tốc độ đếm cực đại vì các sự kiện bức xạ gây ion hoá có thể xảy ra
trong khoảng thời gian chết sẽ không thể tạo được một xung ở lối ra. Quan hệ
giữa thời gian ch
ết ‘t’, tốc độ bức xạ N và tốc độ đếm ghi được N
1
là:
N
1
= N/(1-Nt) (7)
Số đếm N
1
thu được chỉ có ý nghĩa khi Nt << 1.
16
Bảng 1. Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí.
Tham số Buồng ion hoá Ống đếm tỉ lệ Ống đếm GM
suất khí quyển.
Phụ thuộc khí dập
tắt quá trình phóng
điện/ Tuỳ vào ứng
dụng.
Phụ thuộc khí làm
tắt quá trình phóng
điện/ Bé hơn áp suất
khí quyển.
Độ lớn của tín
hiệu ra
< 10 mV ≤ 100 mV ≈ hàng chục vôn
Thiết bị điện tử
Khuếch đại các
xung nhỏ và đo
dòng.
Khối ổn định EHT,
điều chỉnh phức tạp.
Thiết bị điện tử đơn
giản, các điều kiện
vận hành đơn giản.
Các ứng dụng
Chuẩn nguồn,
quan trắc, đo
liều beta/
gamma, đo hoạt
độ phóng xạ
khí,…
Cửa sổ bé để đo
nhiễm bẩn bề mặt
Hình 9. Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy.
- Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion
hoá chất nhấp nháy.
- Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua
quá trình phát quang.
- Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang.
- Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catố
t của ống nhân quang, quang electron
được phát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang.
- Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các
18
xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ
nhiều kênh.
Nhìn chung, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều
thông tin khác nhau về bức xạ. Một trong những đặc điểm nổi bật của các
đetectơ này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung
phân biệt rõ ràng.
Chất nhấp nháy lý tưởng cầ
n có các đặc trưng sau:
1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hạt mang điện thành ánh sáng cao.
2. Sự chuyển đổi này là tuyến tính, ví dụ ánh sáng tạo ra tỉ lệ với năng lượng
được hấp thụ trên một khoảng rộng.
3. Chất nhấp nháy cần phải trong suốt với ánh sáng do nó tạo ra.
4. Thời gian phân rã của quá trình phát quang cần ngắn và xung tạo ra phải
nhanh để có thể
sử dụng cho các phép đếm tốc độ cao.
5. Vật liệu cần dễ tìm, dễ chế tạo theo các hình học và kích thước khác nhau.
6. Hệ số khúc xạ gần với thuỷ tinh (~1.5) để ánh sáng phát ra không bị khúc
nhanh ngắn hơn so với ống đếm tỉ lệ thông thường và buồng ion hoá. Đặc
điểm này là quan trọng khi sử dụng đetectơ nhấp nháy trong các thí nghiệm
đòi hỏi tốc độ đếm cao hoặc khi ghi các sự kiện trùng phùng nhanh.
Đặc điểm thứ tư của chất nhấp nháy là khả năng chế tạo dưới nhiều hình dạng
và kích thước khác nhau cho t
ừng ứng dụng cụ thể. Trong các chất nhấp nháy,
chỉ có chất nhấp nháy lỏng là có thể cho phép thiết kế các đetectơ với hình
dạng và kích thước bất kỳ.
II.2. Dạng xung của đetectơ nhấp nháy
Dạng xung ở lối ra của ống nhân quang điện được xác định bằng sự phân bố
theo thời gian của số photon do chất nhấp nháy phát ra, các điện trở có trong
mạch củ
a các đinốt và anốt và cả điện dung giữa các đinốt. Ngoài ra cả sự
thăng giáng của số electron được tạo nên ở photo catốt, thăng giáng thời gian
truyền của chúng khi đi qua ống nhân quang điện, thăng giáng của hệ số
khuếch đại của ống nhân quang điện cũng ảnh hưởng tới dạng xung ở lối ra.
Trong phần này ta khảo sát dạng xung khi bỏ qua các thăng giáng c
ủa số
electron và thời gian bay qua ống nhân quang điện của các electron.
20
Sơ đồ nối của ống nhân quang điện được chỉ ra trên hình 10a. Xung có thể
được lấy ra từ anốt (trở R
1
) cũng như từ đinốt cuối cùng (trở R
2
). Tín hiệu
được lấy từ anốt sẽ là xung âm nếu như R
2
= 0. Tín hiệu từ đinốt sẽ là xung
.e.exp(-t/τ)/τ
Dòng này sẽ tích lên tụ C, vận tốc tích điện của tụ C được xác định bằng hằng
số thời gian R
2
C. Sự thay đổi của điện tích trên tụ C:
dQ/dt = m.N
0
.e.exp(-t/τ)/τ – Q/(R
2
.C)
21
ở đây số hạng đầu tiên là dòng tích điện của tụ, số hạng thứ hai là dòng phóng
của tụ. Nghiệm của phương trình nói trên có dạng sau:
Q(t) = N
0
.e.m.R
2
C.[exp(-t/τ) – exp(- t/R
2
.C)]/(τ- R
2
.C) (8)
Nếu R
2
C >> τ thì sau một khoảng thời gian cỡ 5τ xung điện sẽ đạt giá trị cực
đại của mình và nó bằng N
0
.e.m/C, sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số
thời gian 1/R
2
C và sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số thời gian τ, tức là trong
trường hợp này mặt trước của xung sẽ được xác định bằng hằng số thời gian
R
2
C và mặt sau – thời gian phát quang của tinh thể. Giá trị cực đại của biên
độ xung khi đó tỷ lệ với N
0
e m.R
2
/τ.
Trường hợp thú vị là khi τ = R
2
C. Lấy thành phần trong ngoặc của (8), thay
số hạng exp(- t/τ) bằng hai số hạng khai triển đầu tiên ta sẽ thu được:
V(t) = N
0
e m.t.exp(-t/τ)/(Cτ) (9)
khi đó xung đạt biên độ cực đại khi t = τ và biên độ bằng N
0
e m.R
2
/2,71C.
Có thể thu được thời gian t* mà khi đó xung đạt cực đại của mình bằng cách
đạo hàm (8) và cho giá trị đạo hàm bằng 0:
t
*
= ln [τ/(R
2
C)].τ.R
thời gian phát sáng τ của tinh thể nhỏ hơn R
2
C và R
1
C trở của đinốt cuối cùng
là R
2
. Xung dòng do chất nhấp nháy gây nên sẽ tích điện cho các tụ của anốt
và đinốt. Giả sử sau một thời gian t
1
< τ, điện tích trên anốt bằng Q
a
. Nếu khi
đó xảy ra Q
a
/C bằng cỡ hiệu thế giữa anôt và đinôt cuối cùng thì điện tích của
tụ anốt sẽ bị triệt tiêu, trong mạch đinốt, dòng sẽ đổi cực tính của mình. Vì
vậy thế V(t) trên đinôt có thể đổi dấu (trong khi phụ thuộc vào tỷ số thời gian
t
1
/τ, hiệu điện thế giữa anốt và đinốt cuối cùng, các đại lượng R
2
C và R
1
C) và
xung sẽ trở thành lưỡng cực. Rõ ràng là khi R
1
→∞, xung điện áp ở điện trở ra
của đinốt cuối cùng sẽ trở thành xung âm; trong trường hợp này đinốt cuối
cùng sẽ được coi như anốt.
1
là 3 hoặc 4 eV,
còn khoảng cách giữa các mức kích thích ở phía trên thường nhỏ hơn. Cấu
trúc tinh tế làm cho mỗi mức lại bị chia thành một chuỗi các mức năng lượng
với khoảng cách giữa các mức tinh tế hơn (≈0.15 eV) tương ứng với các trạng
thái dao động của phân tử (các trạng thái S
xx
trong hình 11). Vì khoảng cách
giữa các trạng thái dao động là lớn so với giá trị trung bình của chuyển động
nhiệt (0.025 eV), gần với chuyển động của tất cả các phân tử ở nhiệt độ phòng
trong trạng thái S
00
.
Hình 11. Các mức năng lượng của phân tử hữu cơ ứng với cấu trúc electron.
24
Năng lượng có thể được electron hoá trị hấp thụ và chuyển lên một số các
trạng thái kích thích (biểu diễn bằng các mũi tên hướng lên).
Trong trường hợp nhấp nháy, sự hấp thụ năng lượng của hạt mang điện làm
các electron nhảy lên trạng thái cao hơn và phân tử bị kích thích nhanh chóng
(cỡ pico giây) quá trình khử kích thích về trạng thái S
1
bằng biến hoán trong.
Mặt khác, bất kỳ trạng thái có năng lượng dao động lớn (như S
11
hoặc S
12
) do
không cân bằng nhiệt với các phân tử lân cận chúng sẽ mất năng lượng dao
1
nên bước sóng của phổ lân tinh
sẽ dài hơn so với bước sóng của phổ huỳnh quang.
Ở trạng thái T
1
, một số phân tử cũng có thể bị kích thích làm dịch chuyển
ngược lên trạng thái S
1
sau đó phân rã bằng phát huỳnh quang. Quá trình này
có thể làm xuất hiện quá trình phát huỳnh quang trễ trong chất hữu cơ.
Độ dài của mũi tên tương ứng với năng lượng của các photon sẽ bị hấp thụ
trong vật liệu. Vì tất cả các dịch chuyển phát huỳnh quang đều được ký hiệu
bằng mũi tên hướng về phía có năng lượng thấp hơn (ngoại lệ trường hợp S
10
-
25
Copyright: Tài liệu đại học ©