Báo cáo môn học cảm biến Đo lường và Điều khiển Đề tài máy dò bức xạ

Những bức xạ hạt nhân phụ thuộc vào bản chất của nguồn và được tạo thành từ các hạt mang điện tích anpha, beta hoặc không mang điện tích như notron, photon, gamma.. Tất cả các thành phần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO MÔN HỌC CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

ĐỀ TÀI: MÁY DÒ BỨC XẠ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Xuân Hiển

Sinh viên: Nguyễn Thị Nguyệt

MSSV: 20206677

HÀ NỘI, 2023

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ 3

1 Lịch sử 3

2 Khái niệm, phân loại 3

3 Một số công thức 4

II MÁY DÒ BỨC XẠ 5

1 Khái niệm, nguyên lý hoạt động của máy dò bức xạ 5

2 Đầu đo nhấp nháy 6

3 Máy dò ion hóa 8

a) Buồng ion hóa 9

b) Buồng tỉ lệ 10

c) Máy đếm Geiger-Müller 11

d) Đầu dò bán dẫn 12

4 Buồng tạo đám mây và bong bóng 12

I TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ

1 Lịch sử

Hiện tượng phóng xạ được phát hiện vào năm 1896 bởi Henry Becquerel trong khi ông đang nghiên cứu vật liệu phát quang Ban đầu ông nghĩ rằng đây chỉ đơn thuần sự phát quang nên bọc một tấm ảnh bằng giấy đen và đặt nhiều khoáng chất phát quang lên đó Tất cả các kết quả đều âm tính cho đến khi ông sử dụng muối uranium (Z = 92) Những bức xạ này được gọi là tia Becquerel

Sau phát hiện của tiến sĩ Henri Becquerel, Marie và Pierre cùng nhau nghiên cứu các vật chất phóng xạ, đặc biệt là quặng urani uraninit, có tính chất phóng xạ hơn chất urani được chiết ra Ngoài ra họ còn tách ra được muối chloride và hai nguyên tố có tính phóng xạ mạnh hơn cả Urani là polonium và radi

2 Khái niệm, phân loại

a) Khái niệm

Phóng xạ hay phóng xạ hạt nhân là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân,Bên cạnh sự phóng xạ tự nhiên, có rất nhiều hạt nhân nhân được tạo có tính phóng xạ Nguồn bức xạ khác là không gian mà trái đất liên tục bị bắn phá bởi các hạt

Nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, nguyên tử không có tính phóng

xạ gọi là các đồng vị bền

Antoine Henri Becquerel Pierre và Marie Curie

b) Phân loại tia phóng xạ

Tia phóng xạ được định nghĩa là các dòng hạt chuyển động nhanh phóng ra từ chất phóng

xạ Các hạt phóng ra có thể chuyển động thành dòng định hướng

Ngoài sự phân rã tự nhiên của các chất phóng xạ, tia phóng xạ cũng được quan sát từ các nguồn khác nhau như các lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hay va chạm của các tia vũ trụ trong khí quyển Trái Đất

Tia phóng xạ được chia ra làm ba loại chính: tia phóng xạ α, tia phóng xạ β và tia phóng

xạ γ

- Tia α:

+ thuộc dòng nguyên tử Heli

+ Ion hóa rất mạnh

+ Đâm xuyên yếu (nó chỉ có thể đâm xuyên vào da ở độ sâu dưới 0,1 mm Do đó, một mảnh giấy mỏng cũng có thể ngăn chặn tia anpha nhưng nếu chiếu trong một thời gian giấy cũng có thể bị phá hủy) vàBị lệch trong điện trường

- Tia β- :

+ Là dòng hạt electron âm, vận tốc ≈ c

+ Ion hoá yếu hơn nhưng đâm xuyên mạnh hơn tia α

- Tia β+ :

+ Là dòng hạt electron dương (hay còn gọi là proton), vận tốc ≈ c

+ Bị lệch trong điện trường

- Tia γ:

+ Là bức xạ điện tử (dòng photon) có bước sóng rất ngắn (dưới 10-11m)

+ Ion hoá yếu nhất, đâm xuyên mạnh nhất (do không có điện tích)

+ Không bị lệch trong điện trường

3 Một số công thức

Định luật được phát biểu theo số N hạt nhân vẫn chưa phân hủy và dN số hạt nhân bị phân rã trong một khoảng thời gian nhỏ dt Thực nghiệm đã chứng minh rằng:

dN = - λ N dt

λ là phần hạt nhân phân rã trong đơn vị thời gian:

λ = N−1dtdN

Đơn vị SI của độ phóng xạ là becquerel (Bq), bằng hoạt độ của hạt nhân phóng xạ phân

rã với tốc độ của một chuyển đổi tự phát mỗi giây

- Số hạt phóng xạ còn lại sau phân rã:

N = N0 e-λt

- Chu kỳ bán rã:

T = λln 2

- Độ phóng xạ:

H(t) = λ.N(t) = H0.2-t/T

Trong đó:

λlà hằng số phân rã đặc trưng cho từng chất

H0 là độ phóng xạ ban đầu:

Ho = Tln 2.m 0  A NA

Với H(t), N(t) lần lượt là độ phóng xạ và số hạt còn lại vào thời điểm t

A là số khối của nguyên tử

II MÁY DÒ BỨC XẠ

1 Khái niệm, nguyên lý hoạt động của máy dò bức xạ

Máy dò bức xạ, còn được gọi là cảm biến bức xạ, là công cụ cảm nhận và đo lường phát

xạ bức xạ hoặc mức độ bức xạ được tạo ra từ một nguồn

Những bức xạ hạt nhân phụ thuộc vào bản chất của nguồn và được tạo thành từ các hạt mang điện tích (anpha, beta) hoặc không mang điện tích (như notron, photon, gamma)

Từ đó ta nghiên cứu sự tương tác của các bức xạ này với vật chất cho phép phát hiện những bức xạ đó và xác định môi trường chúng đi qua

Chức năng của bất kỳ máy dò bức xạ nào phụ thuộc vào cách thức mà bức xạ tương tác với vật liệu của chính máy dò Có bốn loại máy dò bức xạ chung: máy dò ánh sáng, máy

dò khí, máy dò chất lỏng và máy dò bán dẫn Hơn nữa, tất cả các máy dò có thể được chia thành hai nhóm theo chức năng của chúng: máy dò va chạm và máy dò năng lượng Máy dò va chạm chỉ đơn thuần phát hiện sự hiện diện của một hạt phóng xạ, trong khi máy dò năng lượng có thể đo năng lượng bức xạ Nghĩa là, tất cả các máy dò có thể là định lượng hoặc định tính

2 Đầu đo nhấp nháy

Đầu đo nhấp nháy là một hệ gồm bộ nhấp nháy và bộ phận quang Nguyên tắc hoạt động của máy dò này dựa trên khả năng chuyển đổi năng lượng của hạt tới thành photon năng lượng thấp của một số vật liệu nhất định tạo thành bộ phận nhấp nháy

Hình 1: Cấu tạo chung của cảm biến soi chiếu kết hợp với một bộ nhân quang.

Cấu tạo của một cảm biến soi chiếu kết hợp với một bộ nhân quang nói chung khá đơn giản Cảm biến soi chiếu được gắn ở đầu ống nhân quang Có một số lượng lớn các tấm đặc biệt được gọi là dynode được đặt bên trong ống nhân quang theo kiểu xen kẽ Mỗi dynode được gắn với một nguồn điện áp dương theo cách mà dynode càng xa photocatot thì điện thế dương của nó càng cao Thành phần cuối cùng trong ống là cực dương, có điện thế dương cao nhất, đôi khi ở mức vài nghìn vôn Tất cả các thành phần của ống nhân quang được bao bọc trong một ống chân không thủy tinh có thể chứa một số bộ phận khác như điện cực hội tụ, tấm chắn, v.v

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mặc dù hiệu suất chuyển đổi cao, cường độ ánh sáng do bức xạ gây ra là rất nhỏ Điều này đòi hỏi bộ khuếch đại quang để phóng đại tín hiệu đến mức có thể phát hiện được

Vật liệu soi sáng lý tưởng phải có các đặc tính sau:

- Nó phải chuyển đổi động năng của các hạt mang điện thành ánh sáng có thể phát hiện được với hiệu suất cao

- Việc chuyển đổi phải tuyến tính Có nghĩa là ánh sáng được tạo ra phải tương xứng với năng lượng đầu vào trên một dải động rộng

- Thời gian sau phát quang (thời gian phân rã ánh sáng) phải ngắn để cho phép phát hiện nhanh Thời hạn tái phân tách của vật liệu phải gần với thời hạn cho phép

- Chỉ số khúc xạ của vật liệu phải gần với chỉ số của thủy tinh để cho phép ánh sáng ghép nối quang học hiệu quả với ống nhân quang

Các chất soi sáng được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm các tinh thể halogenua kiềm vô cơ (trong đó natri iốt là chất ưa thích) và các chất lỏng và nhựa có nguồn gốc hữu cơ Các sinh vật vô cơ chức nhạy cảm hơn, nhưng nói chung là chậm, trong khi sinh vật hữu cơ nhanh hơn, nhưng mang lại ít ánh sáng hơn

Hoạt động của hệ diễn ra như sau Các photon được hội tụ tại photocatot và xảy ra hiệu ứng quang điện làm các e bị bật ra khỏi bề mặt kim loại Các điện tử này đi vào ống nhân quang Chúng đập vào các dynode và tạo thành các e quang thứ cấp, do có sự chênh lệch điện áp nên các e này tiếp tục được gia tốc rồi đập vào các dynode còn lại Cứ mỗi e sau khi đập vào dynode thì nó sẽ có nhiều e thứ cấp tiếp tục đập vào các dynode khác Vì vậy đến cuối cùng thu được 1 số lượng lớn điện tử để có xung dòng điện ở anode Do đó số điện tử sơ cấp đc tạo ra phụ thuộc vào năng lượng của hạt nhân tới, nên xung điện thu được cũng phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân

Quá trình này dẫn đến số lượng điện tử có sẵn ngày càng tăng (hiệu ứng tuyết lở) Khả năng nhân lên tổng thể của một ống PM theo thứ tự là 106 Kết quả là, khoảng 2 x 109

điện tử sẽ có sẵn ở một cực dương điện áp cao (Va) để tạo ra dòng điện Đây là dòng điện khá mạnh có thể dễ dàng xử lý bằng mạch điện tử Độ lợi của một ống PM được định nghĩa là = 0,065 MeV hoặc 65 keV năng lượng là:

G = α δN

trong đó N là số dynode, α là phần electron thu được bởi ống PM, δ là hiệu suất của vật liệu dynode, tức là số electron được giải phóng khi va chạm Giá trị của nó nằm trong khoảng từ 5 đến 55 đối với một dynode năng suất cao Độ lợi nhạy cảm với điện áp cao được đặt vào, bởi vì δ gần như là một hàm tuyến tính của điện áp vòng dây

Một trong những hạn chế lớn của đầu đo nhấp nháy là khả năng phân giải năng lượng tương đối kém Năng lượng cần thiết để tạo ra một hạt mang thông tin (một quang điện tử) là từ 1.000 eV trở lên, và số hạt mang được tạo ra trong một tương tác bức xạ điển hình thường không quá vài nghìn Ví dụ, độ phân giải năng lượng đối với đèn soi iốt natri được giới hạn trong khoảng 6% khi phát hiện tia gamma 0,662 MeV và phần lớn được xác định bởi các dao động thống kê quang điện tử

Thiết kế hiện đại của bộ nhân quang được gọi là bộ nhân quang kênh hoặc CPM để sử dụng trong thời gian ngắn Đó là sự phát triển của ống nhân quang cổ điển Công nghệ CPM hiện đại bảo tồn những ưu điểm của ống nhân quang cổ điển trong khi tránh những nhược điểm của nó Hình dưới đây cho thấy một tấm mặt có một photocathode, cấu trúc khuếch đại kênh uốn cong và cực dương Giống như ống nhân quang đã được đề cập đến , các photon trong CPM được chuyển đổi bên trong photocatot thành các quang điện

tử và bộ phát hiện ion hóa gia tốc

Hình 2: Bộ nhân quang kênh: Hình chiếu cắt ngang (a) và hình chiếu bên ngoài với bao bọc trong vỏ ở

bên trái và không có vỏ bọc ở bên phải (b).

Thay vì cấu trúc dynode phức tạp, có một kênh bán dẫn mỏng, bị uốn cong, mà các điện

tử phải đi qua Mỗi khi các điện tử đập vào thành của kênh, các điện tử thứ cấp được phát

ra từ bề mặt Tại mỗi vụ va chạm, có sự nhân lên của các electron thứ cấp, dẫn đến hiệu ứng tuyết lở Cuối cùng, một phép nhân electron từ 109 trở lên có thể thu được Dòng điện kết quả có thể được đọc ra ở cực dương Máy dò CPM được làm bằng vật liệu bao bọc và khá chắc chắn khi so sánh với ống nhân quang mỏng manh Rối loạn từ trường là nhỏ không đáng kể Một ưu điểm quan trọng của công nghệ CPM là độ nhiễu tín hiệu xung quanh rất thấp Thuật ngữ độ nhiễu nền đề cập đến tín hiệu đầu ra đo được trong trường hợp không có bất kỳ ánh sáng tới nào Với ống nhân quang cổ điển, độ nhiễu nền bắt nguồn từ cấu trúc dynode nói chung là một phần không đáng kể của tổng nền Do đó, nguồn nền hiệu quả duy nhất cho CPM được tạo ra từ sự phát xạ nhiệt của photocatot Vì CPM được sản xuất theo cấu trúc kênh bán dẫn nguyên khối, không có hiệu ứng tích điện nào có thể xảy ra như các ống nhân quang cổ điển có bóng đèn thủy tinh cách ly Do đó, các điều kiện nền cực kỳ ổn định được quan sát Không xảy ra sự cố đột ngột Ngoài ra,

do không có nhiễu dynode, có thể thực hiện sự tách biệt rất rõ ràng giữa sự kiện tạo ra từ quang điện tử và nhiễu điện tử Điều này dẫn đến tính ổn định cao của tín hiệu theo thời gian

3 Máy dò ion hóa

Hình 3: Cấu tạo của một máy dò bức xạ ion hóa

Các máy dò này dựa vào khả năng của một số vật liệu thể khí và rắn để tạo ra các cặp ion phản ứng với bức xạ ion hóa Sau đó, các ion dương và âm có thể được tách ra trong một trường tĩnh điện và được đo Quá trình ion hóa xảy ra do các hạt mang điện khi truyền với vận tốc lớn qua nguyên tử có thể tạo ra lực điện từ đủ, dẫn đến sự phân tách các electron, do đó tạo ra các ion Đáng chú ý, cùng một hạt có thể tạo ra nhiều cặp ion trước khi năng lượng của nó bị tiêu hao Các hạt không tích điện (như neutron) có thể tạo ra các cặp ion khi va chạm với hạt nhân

Nguyên lý chung: Trong một thể tích chứa chất khí, có hai điện cực đặt dưới hiệu điện thế không đổi, bức xạ hạt nhân chiếu tới làm ion hóa chất khí và giải phóng ra các điện tử thu lại ở điện cực

Để tạo ra một cặp ion bằng các bức xạ hạt nhân thì phụ thuộc vào năng lượng trung bình W1 và bản chất của hạt chiếu tới Cặp điện tử-ion này chuyển động trong điện trường E

và do Ve >> Vi nên điện tử tới anot trước

Nếu một hạt mất 1 năng lượng W đi qua phần thể tích của đầu đo thì nó tạo ra N0 cặp điện tử-ion:

N0 = 𝑊/𝑊1

a) Buồng ion hóa

Các máy dò bức xạ này là loại lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất Hạt ion hóa gây ra sự ion hóa và kích thích các phân tử khí dọc theo đường đi của nó Các điện tích hình thành không phụ thuộc vào điện thế V, nên năng lượng của chúng hoàn toàn phụ thuộc vào động năng ban đầu của hạt tới Tối thiểu, hạt phải truyền một lượng năng lượng bằng năng lượng ion hóa của phân tử khí để quá trình ion hóa xảy ra Trong hầu hết các khí được quan tâm để phát hiện bức xạ, năng lượng ion hóa đối với các lớp vỏ electron ít liên kết chặt chẽ nhất là từ 10 đến 20 eV Tuy nhiên, có những cơ chế khác mà hạt tới có thể mất năng lượng trong khi không tạo ra ion, ví dụ, di chuyển các electron khí lên mức năng lượng cao hơn mà không cần loại bỏ nó Do đó, năng lượng trung bình bị mất bởi một hạt trên mỗi cặp ion được hình thành (gọi là giá trị W) luôn lớn hơn năng lượng ion hóa

Hình 4: Các phần tử cơ bản của một buồng ion hóa và các đặc trưng điện áp-dòng điện tương ứng.

Khi có điện trường, sự dịch chuyển của các điện tích dương và âm được biểu diễn bởi các electron ở cuối ion tạo thành dòng điện Trong một thể tích khí nhất định, tốc độ hình thành cặp ion là hằng số Đối với bất kỳ thể tích nhỏ nào, tốc độ hình thành sẽ được cân bằng chính xác bởi tốc độ mà các cặp ion, khí bị mất khỏi thể tích, thông qua tái tổ hợp, hoặc do khuếch tán hoặc di chuyển khỏi thể tích Nếu sự tái kết hợp là không đáng kể và tất cả các điện tích đều được thu một cách hiệu quả, thì dòng điện ở trạng thái ổn định được tạo ra là một thước đo chính xác về tốc độ hình thành cặp ion Một thể tích khí được bao bọc giữa các điện cực, tạo ra điện trường Một đồng hồ đo cường độ dòng điện mắc nối tiếp với nguồn hiệu điện thế E và các điện cực Không có sự dẫn điện và không có dòng điện trong các điều kiện không ion hóa Bức xạ tới tạo ra, trong chất khí, các ion dương và ion dương bị điện trường kéo về phía các điện cực tương ứng tạo thành dòng điện

Ở điện áp tương đối thấp, tốc độ tái kết hợp ion mạnh và dòng điện đầu ra tỷ lệ với điện

áp đặt vào, vì điện áp cao hơn làm giảm số lượng ion tái kết hợp Một điện áp đủ mạnh triệt tiêu hoàn toàn tất cả sự tái kết hợp bằng cách kéo tất cả các ion có sẵn về phía các điện cực và dòng điện trở nên không phụ thuộc vào điện áp Tuy nhiên, nó vẫn phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ Vùng này được gọi là bão hòa và là nơi mà buồng ion hóa thường hoạt động

b) Buồng tỉ lệ

Buồng tỷ lệ là một loại máy dò chứa đầy khí hầu như luôn hoạt động ở chế độ xung và dựa trên hiện tượng nhân khí Đây là lý do tại sao những khoang này được gọi là bộ đếm

tỷ lệ Các xung đầu ra mạnh hơn nhiều so với trong các buồng ion thông thường Các bộ đếm này thường được sử dụng trong việc phát hiện và quang phổ của bức xạ X năng lượng thấp và để phát hiện neutron Trái ngược với các buồng ion hóa, các bộ đếm tỷ lệ hoạt động ở điện trường cao hơn, có thể tăng tốc đáng kể các điện tử được giải phóng trong quá trình va chạm Nếu các electron này thu được đủ năng lượng, chúng có thể ion hóa một phân tử khí trung hòa, do đó tạo ra một cặp ion bổ sung Do đó, quá trình này thuộc loại tuyết lở dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong dòng điện cực Tên của quá trình này là Townsend avalanche Trong bộ đếm tỷ lệ, quá trình tuyết lở kết thúc khi electron

va chạm với cực dương Vì điện tử phải đạt đến mức ion hóa khí trong bộ đếm tỷ lệ, nên

có một điện áp ngưỡng mà sau đó quá trình tuyết lở xảy ra Trong các khí điển hình ở áp suất khí quyển, mức trường ngưỡng theo bậc là 10V/m