Tìm hiểu các loại Detector trong thiết bị ghi nhận và đo lường bức xạ

a Bản nhấp nháy Bản nhấp nháy là những chất, dưới tác dụng của các hạt tích điện hoặc bức xạ điện từ sóng dài, phát ra những phôtôn trong vùng khả kiến hoặc vùng tử ngoạicủa phổ.. Bản nh

Mục Lục

Mục lục ……… 1

Mở đầu 3

I Sơ đồ khối chung của thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân 5

II Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Detector nhấp nháy 6

1 Cấu tạo 6

a) Bản nhấp nháy 6

b) Ống nhân quang điện 7

2 Nguyên tắc hoạt động 7

III Các bản nhấp nháy 9

1 Các bản nhấp nháy vô cơ 9

a) Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ 9

b) Tác dụng của tạp chất kích hoạt 11

c) Phân loại 12

2 Các bản nhấp nháy tinh thể hữu cơ 13

a) Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy hữu cơ 13

b) Phân loại 16

IV Ống nhân quang điện 17

a) Quá trình phát xạ êlêctrôn 18

b) Hiệu suất lượng tử 19

c) Các vật liệu làm catốt 20

2 Buồng lối vào của ống nhân quang điện 21

3 Hệ đinốt 21

a) Quá trình nhân êlêctrôn 22

b) Sơ đồ bố trí các đinốt trong ống nhân quang điện: 23

V Các đặc trưng cơ bản của ống nhân quang điện 24

1 Hệ số khuếch đại 24

2 Sự ổn định 24

a) Nguyên nhân bên trong 24

b) Các nguyên nhân bên ngoài 25

3 Can nhiễu 26

VI Các ứng dụng của detector nhấp nháy 26

1 Đo thời gian sống của các trạng thái kích thích 26

2 Thăm dò khuyết tật gamma 27

3 Ghi các mảnh vỡ phân chia 28

Kết luận 29

Tài liệu tham khảo 30

Lời nhận xét của Cô 31

Mở đầu

Với sự phát triển của ngành kỹ thuật hạt nhân đã cho thấy khả năng ứngdụng rộng rãi và hiệu quả vào các lĩnh vực khoa học cũng như đời sống Hiện nay,Việt Nam đang sử dụng lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc năng lượng thấp và cácthiết bị ứng dụng chất phóng xạ, đặc biệt chúng ta đang chuẩn bị xây dựng nhàmáy điện hạt nhằm phục vụ nhu cầu điện năng cho sinh hoạt cũng như cho cácngành công nghiệp, mà hiện tại nước ta đang thiếu năng lượng điện khá nhiều

Tất cả những điều trên hi vọng sẽ sớm trở thành hiện thực trong một tươnglai không xa ở nước ta Nhưng nó lại là điều quá sức đối với những sing viên nămthứ 3 Tại thời điểm hiện tại thì việc hiểu hệ thống đo hoạt độ phóng xạ với là điềuquan trọng và thiết thực Một thiết bị ghi nhận và đo lường bức xạ thường có hai

bộ phân chính: detector bức xạ và thiết bị xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo Vàdetector bức xạ chính là một trong những thiết bị thông dụng rất riêng của ngành

kỹ thuật hạt nhân Và đã là công cụ rất riêng thì việc hiểu được cấu tạo, hoạt độngcũng như nguyên lý làm việc của nó là vô cùng quan trọng

Thấy được tầm quan trọng của điều đó, nên trong học học phần Đồ án thiết

kế, em đã quyết định chọn đề tài:

“ Tìm hiểu các loại Detector trong thiết bị ghi nhận và đo lường bức xạ”

và trong bài báo cáo này em chỉ đề cập đến detector nhấp nháy

Theo ý kiến chủ quan của em, thì đây là một đề tài hay Ngay từ năm 1903,Wiliam Crookes và các nhà vật lý khác đã chỉ ra rằng, ta có thể nhìn thấy nhữngchớp sáng nhấp nháy, xuất hiện trên màn hình sunfua kẽm (ZnS) đặt trong phòngtối khi nó bị chiếu bằng các hạt α Và phương pháp nhấp nháy đã trở thành đặc biệt

có giá trị khi vào năm 1944, Curran và Baker chế tạo được ống nhân quang điệncho phép ghi nhận những chớp sáng nhấp nháy rất yếu Càng tìm hiểu, em càngthấy sự thú vị của đề tài này từ lịch sử ra đời, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động chođến ứng dụng của nó trong thực tế Hi vọng rằng bạn đọc có thể thấy được mộtchút gì đó niềm đam mê của tôi khi viết đề tài này

Trong quá trình tìm hiểu, dưới sự định hướng của giảng viên, em đã tiếp cậnvấn đề một cách khoa học Sự định hướng và góp ý của giảng viên là điều quantrọng, ý tưởng của giảng viên đã được em thể hiện xuyên suốt trong bài báo cáo.Những sai sót là điều không thể tránh khỏi dù em đã cố gắng hạn chế rất nhiều Emmong tiếp tục nhân được sự góp ý của Cô và bạn đọc để bài tiểu luận của em đượchoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin chân thành cám ơn Cô!

Hà Nội, ngày 22 tháng 4, 2013

I Sơ đồ khối chung của thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân

Hình 1: Sơ đồ khối của thiết bị ghi nhận điện tử hạt nhân

- Detector làm nhiệm vụ biến đổi các bức xạ thành dạng tín hiệu điện Khibức xạ rơi vào vùng làm việc của đầu ghi thì ở lối ra của đầu ghi ta nhậnđược một xung điện Đánh giá các thông số của xung điện ta nhận được cácthông tin về bức xạ hạt nhân

- Tiền khuếch đại là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ làm nhiệm vụkhuếch đại các tín hiệu từ lối ra của detector Tiền khuếch đại thường đượcđặt sát detector Ngoài chức năng khuếch đại, tiền khuếch đại còn có chứcnăng phối hợp tốt đầu ghi với khuếch đại chính

- Khuếch đại chính hay có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lên vài trăm cho đếnvài ngàn lần, đồng thời xử lý dạng xung điện để cho độ chính xác cao trongphép đo

- Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và tín hiệu được đưa vào máytính để xử lý, ta sẽ thu được kết quả

- Ngoài ra, một thiết bị điện tử không thể thiếu khối nguồn nuôi và khối điềukhiển

Như vậy các khối Tiền khuếch đại, Khuếch đại và Bộ xử lý tương tự có mặtnhiều trong các thiết bị của các ngành như Điện tử viễn thông, Công nghệ thôngtin, Truyền thông…Nhưng Đầu ghi bức xạ là đặc trưng riêng của ngành điện tử hạtnhân Bức xạ tương tác với môi trường vật chất bên trong detector và do cơ chếtương tác của bức xạ phóng xạ với vật chất mà ta có ba loại đầu ghi chính:

+ Detector khí: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Ghêghe-Muyle

+ Detector bán dẫn

+ Detector nhấp nháy

II Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Detector nhấp nháy

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo của Detector nhấp nháy

1 Cấu tạo

Nhìn vào sơ đồ trên ta có thể thấy detector nhấp nháy gồm hai bộ phận chính

là bản nhấp nháy và ống nhân quang điện

a) Bản nhấp nháy

Bản nhấp nháy là những chất, dưới tác dụng của các hạt tích điện hoặc bức

xạ điện từ sóng dài, phát ra những phôtôn trong vùng khả kiến hoặc vùng tử ngoạicủa phổ Bản nhấp nháy là chất, trong đó:

- Các nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái cơbản, phát ra những phôtôn với xác suất lớn

- Xác suất hấp thụ phôtôn do chúng phát ra nhỏ Nói cách khác trong bảnnhấp nháy phổ phát bức xạ điện từ và phổ hấp thụ phải không trùng nhau

Trong bản nhấp nháy, chớp sáng xuất hiện không chỉ dưới tác dụng củahạt tích điện mà còn dưới tác dụng của nơtrôn và các lượng tử γ vì nơtrôn, khitương tác với hạt nhân tạo ra các hạt nhân giật lùi hoặc các hạt tích điện trong kếtquả của những phản ứng (n,α), (n,p),…còn các lượng tử γ khi tương tác với cácnguyên tử thì tạo ra các êlectrôn thứ cấp.

b) Ống nhân quang điện

Các phôtôn ánh sáng, khi tới catốt của ống nhân quang điện, trong kết quảhiệu ứng quang điện, bứt ra từ catốt những êlectrôn Dưới tác dụng của điện trườngngoài, các êlectrôn này được đưa tới các đinôt của ống nhân quang điện Do sựphát xạ êlectrôn thứ cấp trên mỗi đinôt, số êlêctrôn ngày càng tăng và khi tới anôtcủa ống nhân quang điện thì sẽ nhiều hơn gấp hàng trăm nghìn lần so với sốêlectrôn tới đinôt đầu tiên Như vậy ở lối ra của ống sẽ xuất hiện một xung điện.Xung này sau đó sẽ được ghi nhận bằng một cơ đồ điện tử tương ứng

2 Nguyên tắc hoạt động

Tương tác của bức xạ vật chất ngoài gây ion hóa nguyên tử và phân tử còndẫn đến sự kích thích chúng Kết quả của sự kích thích làm phát sáng Detectornhấp nháy hoạt động dựa trên cơ sở biến đổi các phôtôn phát ra từ chất nhấp nháy

do sự kích thích của bức xạ thành tín hiệu điện

Khi bức xạ ion hóa rơi vào bản nhấp nháy, nó bị mất đi một phần nănglượng ΔW trong đó và chất nhấp nháy phát chớp sáng Các phôtôn ánh sáng đậpvào catốt của ống nhân quang làm bứt các êlêctrôn ra khỏi catốt Các êlêctrôn này

tượng tiếp tục xảy ra tương tự như đối với các đinôt tiếp theo Kết quả là sốêlêctrôn ra khỏi đn bay đến anôt gấp nhiều lần số êlêctrôn ra khỏi catốt Từ anôthoặc catốt ta nhận được một xung dòng Xung dòng biểu thị có bức xạ rơi vào đầughi và các thông số của xung sẽ phản ánh thông tin về bức xạ.

- Ngoài ra, trong một số trường hợp đặc biệt, người ta thường đặt giữa bảnnhấp nháy và catốt một lớp dẫn sáng Lớp dẫn sáng này cũng hấp thụ cácphôtôn huỳnh quang

- Cuối cùng, các phôtôn có thể bị hấp thụ ở cả vỏ bọc tinh thể, ở chất phản xạ

và ở cả bầu thủy tinh của ống nhân quang

Điều đó có nghĩa, trung bình trong số từ 10 đến 20 phôtôn các catốt thì cómột phôtôn bứt ra được một êlêtrôn từ catốt

Trong kết quả phát xạ electron thứ cấp, số êlêctrôn tới mỗi đinốt tiếp theo

sẽ lớn hơn số êlêctrôn đến đinốt trước đó Quá trình nhân êlêctrôn được đặc trưngbằng hệ số khuếch đại M của ống nhân quang điện, là tỉ số của số êlêctrôn tới anốttrên số êlêctrôn bị bứt ra từ catốt

III Các bản nhấp nháy

1 Các bản nhấp nháy vô cơ

a) Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ

Đó là những tinh thể muối vô cơ Trong kỹ thuật nhấp nháy thì các liên kếthalogen của một số kim loại kiềm có ứng dụng thực tiễn nhiều nhất

Quá trình xuất hiện chớp sáng nhấp nháy có thể được giải thích bằng lýthuyết vùng của Vật lý chất rắn

Hình 3: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng

a) Chất cách điện b) Chất bán dẫn c) Chất dẫn điện

Như ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng

là các mức rời rạc Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này

bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng nănglượng Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể

- Vùng hóa trị (vùng đầy): trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bịchiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do.

- Vùng dẫn (vùng trống): trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống haychỉ bị chiếm chỗ một phần

- Vùng cấm: trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thểchiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0

Nếu tinh thể có khuyết tật hoặc có những nguyên tử tạp chất thì trongtrường hợp này trong vùng cấm có thể xuất hiện những mức năng lượng điện tử.Khi có tác dụng từ bên ngoài, ví dụ, khi có một hạt tích điện nhanh đi qua tinh thểthì các êlêctrôn có thể chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.Trong vùng hóa trị cònlại những vị trí tự do có tích chất của các hạt tích điện dương với điện tích đơn vị

và được gọi là lỗ trống

Quá trình mô tả trên đây chính là quá trình kích thích tinh thể Trạng tháikích thích sẽ bị loại trừ sau khi êlêctrôn chuyển ngược lại từ vùng dẫn về vùng hóatrị và tái hợp với lỗ trống Trong nhiều tinh thể, sự chuyển dời của êlêctrôn từ vùngdẫn về vùng hóa trị xảy ra qua các tâm huỳnh quang mà các mức của chúng nằmtrong vùng cấm Các tâm này xuất hiện do sự tồn tại của những khuyết tật hoặc cácnguyên tử tạp chất trong tinh thể Trong kết quả chuyển dời theo hai giai đoạn ( từvùng dẫn về tâm huỳnh quang và từ tâm huỳnh quang về vùng hóa trị) nói trên củacác êlêctrôn thì các phôtôn với năng lượng nhỏ hơn bề rộng vùng cấm được phát

ra Những phôtôn này bị tinh thể hấp thụ với xác suất nhỏ, do đó lượng xuất ánhsáng của tinh thể lớn hơn nhiều so với trường hợp tinh thể sạch, không chứa tinhthể các nguyên tử tạp chất

b) Tác dụng của tạp chất kích hoạt

Trên thực tế, để tăng lượng suất ánh sáng của các bản nhấp nháy vô cơ,người ta đưa vào sử dụng những tạp chất đặc biệt của nguyên tố khác gọi là các tạpchất kích hoạt Ví dụ, đưa vào tinh thể NaI chất kích hoạt tali:

a) NaI tinh khiết b) Có chất kích hoạt tali

Hình 4: Cấu trúc dải năng lượng của NaI

Phương trình tạo ra phôtôn của NaI

Do đó lượng nhỏ tạp chất tali được thêm vào tinh thể NaI Các tạp chất đượcgọi là chất hoạt hóa, chúng tạo ra các trạng thái đặc biệt trong mạng tinh thể mà tại

đó cơ cấu năng lượng vùng cấm được sửa đổi Cơ cấu năng lượng của tổng thể tinhthể không thay đổi, chỉ thay đổi là cấu trúc năng lượng tại các điểm kích hoạt.

c) Phân loại

Các loại chất nhấp nháy vô cơ:

- Kiềm halogen: NaI (Tl), CsI (Tl), CsI (Na), Lii (Ei)

- Chất vô cơ chậm khác: BGO, CdWO4, ZnS (Ag)

- Xeri-hoạt chất vô cơ nhanh: GSO, Yap, YAG, LSO, LuAP, LaBr3

Bảng tóm tắt các vật liệu nháp nháy vô cơ thực tế

2 Các bản nhấp nháy tinh thể hữu cơ

a) Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy hữu cơ

Cơ chế nhấp nháy trong vật liệu hữu cơ là khá khác nhau so với cơ chế nhấpnháy trong các vật liệu vô cơ Trong chất nhấp nháy vô cơ, ví dụ NaI, CsI cácnhấp nháy phát sinh do cấu trúc của mạng tinh thể

Cơ chế phát huỳnh quang trong các vật liệu hữu cơ phát sinh từ quá trìnhchuyển đổi trong các mức năng lượng của một phân tử duy nhất và do đó sự pháthuỳnh quang có thể được quan sát độc lập với trạng thái vật lý

Hình 5: Mức năng lượng của các phân tử hữu cơ

Lực liên kết phân tử trong các tinh thể hữu cơ nhỏ so với lực tác dụng trongcác tinh thể vô cơ Do đó các phân tử tương tác thực tế không làm nhiễu loạn cácmức năng lượng với nhau và quá trình huỳnh quang của tinh thể hữu cơ là quátrình đặc trưng cho từng phân tử riêng biệt Ở trang thái điện tử cơ bản, phân tử cómột số mức dao động Dưới tác dụng của bức xạ được ghi nhận, phân tử chuyểnlên trạng thái điện tử bị kích thích là trạng thái ứng với một số mức dao động.Cũng có thể xảy ra sự ion hóa và phân ly các phân tử Trong kết quả tái hợp củaphân tử bị ion hoá thì phân tử này được tạo thành ở trạng thái kích thích Phân tử bịkích thích đầu tiên có thể nằm ở những mức kích thích cao và sau một thời gianngắn (~10-11s) phát ra một phôtôn năng lượng lớn Phôtôn này bị phân tử khác hấpthụ Một phần năng lượng kích thích của phân tử này có thể bị tiêu hao chochuyển động nhiệt và phôtôn được phát ra sau đó sẽ có năng lượng nhỏ hơn so vớinăng lượng phôtôn trước Sau một số lần phát xạ và hấp thụ như trên thì các phân

tử ở mức kích thích đầu tiên sẽ được tạo thành Những phân tử này phát ra phôtônvới năng lượng không đủ để kích thích các phân tử khác và như vậy tinh thể sẽ trởthành trong suốt đối với bức xạ vừa xuất hiện

Cơ chế nhấp nháy cụ thể như sau:

• Ở nhiệt độ phòng (điều kiện bình thường), năng lượng trung bình là khoảng 0.025

eV vì vậy tất cả các phân tử đang ở trạng thái S00

• Khi các hạt tích điện đi qua, động năng được hấp thụ bởi các phân tử, và điện tử

bị kích thích và chuyển lên mức năng lượng cao hơn

• Các trạng thái cao hơn S2, S3, kích thích một cách nhanh chóng (pico giây) đểtrạng thái S1 đến bức xạ ít hơn quá trình chuyển đổi (chuyển đổi nội bộ)

• Trạng thái S11, S12 có thêm năng lượng rung động và đang không ở trong trạngthái cân bằng nhiệt với các phân tử lân cận, nhanh chóng mất năng lượng

→ Sau một thời gian ngắn số phân tử bị kích thích ở trạng thái S10 được tạo ra làmảnh hưởng đến quá trình phát nhấp nháy

Ánh sáng nhấp nháy được phát ra trong quá trình chuyển đổi giữa trạng thái S10 vàtrạng thái cơ bản Cường độ huỳnh quang tại thời điểm t được mô tả bằng:

I=I0e-t/ τ

trong đó τ là thời gian phân rã huỳnh quang cho mức S10

Thời gian tồn tại ở trạng thái T1 nhiều hơn so với thời gian tồn tại ở trạng thái S1.

Thời gian tồn tại ở trạng thái T1 cỡ ms

Quá trình chuyển dời từ trạng thái T1 xuống trạng thái S10 làm phát sinh ánhsáng lân quang (ánh sáng phát xạ chậm trễ) Trạng thái T1 nằm thấp hơn so vớitrạng thái S0, vì vậy bước sóng của lân quang được phát ra dài hơn bước sóng của

ánh sáng huỳnh quang Ánh sáng lân quang có thể được phân biệt từ ánh sáng nhấpnháy trên cơ sở thời gian và bước sóng.

b) Phân loại

Phân loại vật liệu nhấp nháy hữu cơ:

- Nguyên chất tinh thể hữu cơ: Anthracene, stilben

- Giải pháp hữu cơ lỏng: bằng cách hòa tan một nhấp nháy hữu cơ trong mộtdung môi

- Plastic scintillatiors: hòa tan và polymer hóa

Bảng tóm tắt vật liệu nhấp nháy hữu cơ điển hình