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

Mục Lục Mục lục …………………………………………………………………………… 1 Mở đầu Với sự phát triển của ngành kỹ thuật hạt nhân đã cho thấy khả năng ứng dụng 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 các thiết bị ứng dụng chất phóng xạ, đặc biệt chúng ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhằm phục vụ nhu cầu điện năng cho sinh hoạt cũng như cho các ngành 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 tương lai không xa ở nước ta. Nhưng nó lại là điều quá sức đối với những sing viên năm thứ 3. Tại thời điểm hiện tại thì việc hiểu hệ thống đo hoạt độ phóng xạ với là điều quan 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. Và detector bức xạ chính là một trong những thiết bị thông dụng rất riêng của ngành 1 kỹ thuật hạt nhân. Và đã là công cụ rất riêng thì việc hiểu được cấu tạo, hoạt động cũng 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 những chớp sáng nhấp nháy, xuất hiện trên màn hình sunfua kẽm (ZnS) đặt trong phòng tối 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 điện cho phép ghi nhận những chớp sáng nhấp nháy rất yếu. Càng tìm hiểu, em càng thấy sự thú vị của đề tài này từ lịch sử ra đời, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động cho đến ứng dụng của nó trong thực tế. Hi vọng rằng bạn đọc có thể thấy được một chút 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 cận vấn đề một cách khoa học. Sự định hướng và góp ý của giảng viên là điều quan trọng, 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. Em 2 mong tiếp tục nhân được sự góp ý của Cô và bạn đọc để bài tiểu luận của em được hoàn 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. Khi bức xạ rơi vào vùng làm việc của đầu ghi thì ở lối ra của đầu ghi ta nhận được một xung điện. Đánh giá các thông số của xung điện ta nhận được các thông tin về bức xạ hạt nhân. - Tiền khuếch đại là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ làm nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu từ lối ra của detector. Tiền khuếch đại thường được đặt sát detector. Ngoài chức năng khuếch đại, tiền khuếch đại còn có chức năng phối hợp tốt đầu ghi với khuếch đại chính. - Khuếch đại chính hay có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lên vài trăm cho đến vài ngàn lần, đồng thời xử lý dạng xung điện để cho độ chính xác cao trong phép đo. - Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và tín hiệu được đưa vào máy tính để xử lý, ta sẽ thu được kết quả. - Ngoài ra, một thiết bị điện tử không thể thiếu khối nguồn nuôi và khối điều khiển. 3 Như vậy các khối Tiền khuếch đại, Khuếch đại và Bộ xử lý tương tự có mặt nhiều trong các thiết bị của các ngành như Điện tử viễn thông, Công nghệ thông tin, Truyền thông…Nhưng Đầu ghi bức xạ là đặc trưng riêng của ngành điện tử hạt nhân. Bức xạ tương tác với môi trường vật chất bên trong detector và do cơ chế tương 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. 4 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 ngoại của phổ. Bản nhấp nháy là chất, trong đó: - Các nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái cơ bản, phát ra những phôtôn với xác suất lớn. - Xác suất hấp thụ phôtôn do chúng phát ra nhỏ. Nói cách khác trong bản nhấp 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 của hạt tích điện mà còn dưới tác dụng của nơtrôn và các lượng tử γ vì nơtrôn, khi tương tác với hạt nhân tạo ra các hạt nhân giật lùi hoặc các hạt tích điện trong kết quả của những phản ứng (n,α), (n,p),…còn các lượng tử γ khi tương tác với các nguyên 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 quả hiệu ứng quang điện, bứt ra từ catốt những êlectrôn. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các êlectrôn này được đưa tới các đinôt của ống nhân quang điện. Do sự phát xạ êlectrôn thứ cấp trên mỗi đinôt, số êlêctrôn ngày càng tăng và khi tới anôt của ống nhân quang điện thì sẽ nhiều hơn gấp hàng trăm nghìn lần so với số êlectrôn 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. 5 2. Nguyên tắc hoạt động Tương tác của bức xạ vật chất ngoài gây ion hóa nguyên tử và phân tử còn dẫn đến sự kích thích chúng. Kết quả của sự kích thích làm phát sáng. Detector nhấp 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 năng lượng ΔW trong đó và chất nhấp nháy phát chớp sáng . Các phôtôn ánh sáng đập vào catốt của ống nhân quang làm bứt các êlêctrôn ra khỏi catốt. Các êlêctrôn này bay đến đập vào đ 1 và số electron bị bứt ra khỏi đ 1 nhiều hơn số bay đến. Hiện tượng tiếp tục xảy ra tương tự như đối với các đinôt tiếp theo. Kết quả là số êlêctrôn ra khỏi đ n bay đến anôt gấp nhiều lần số êlêctrôn ra khỏi catốt. Từ anôt hoặc catốt ta nhận được một xung dòng. Xung dòng biểu thị có bức xạ rơi vào đầu ghi và các thông số của xung sẽ phản ánh thông tin về bức xạ. Nhưng ta cần chú ý rằng: Không phải tất cả các phôtôn, được tạo thành trong bản nhấp nháy đều được thu hết về catốt của ống nhân quang điện. Do: - Một bản nhấp nháy bất kì nào cũng hấp thụ các phôtôn huỳnh quang, dù ở mức độ thấp. Tinh thể nhấp nháy càng lớn thì số tương đối các phôtôn rời khỏi tinh thể càng nhỏ. - Ngoài ra, trong một số trường hợp đặc biệt, người ta thường đặt giữa bản nhấp nháy và catốt một lớp dẫn sáng. Lớp dẫn sáng này cũng hấp thụ các phôtôn huỳnh quang. 6 - 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 có một 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 trưng bằng hệ số khuếch đại M của ống nhân quang điện, là tỉ số của số êlêctrôn tới anốt trên 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 kết halogen 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 lý thuyết vùng của Vật lý chất rắn. 7 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 năng lượng. 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 bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. - Vùng dẫn (vùng trống): trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần. - Vùng cấm: trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. Nếu tinh thể có khuyết tật hoặc có những nguyên tử tạp chất thì trong trường 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 thể 8 thì các êlêctrôn có thể chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.Trong vùng hóa trị còn lại 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 thái kích thích sẽ bị loại trừ sau khi êlêctrôn chuyển ngược lại từ vùng dẫn về vùng hóa trị và tái hợp với lỗ trống. Trong nhiều tinh thể, sự chuyển dời của êlêctrôn từ vùng dẫn về vùng hóa trị xảy ra qua các tâm huỳnh quang mà các mức của chúng nằm trong vùng cấm. Các tâm này xuất hiện do sự tồn tại của những khuyết tật hoặc các nguyên tử tạp chất trong tinh thể. Trong kết quả chuyển dời theo hai giai đoạn ( từ vùng dẫn về tâm huỳnh quang và từ tâm huỳnh quang về vùng hóa trị) nói trên của các 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 ánh sáng của tinh thể lớn hơn nhiều so với trường hợp tinh thể sạch, không chứa tinh thể 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 tạp chất kích hoạt. Ví dụ, đưa vào tinh thể NaI chất kích hoạt tali: 9 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 được gọi 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 tinh thể 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). 10 [...]... tật bên trong các ống, đường ray và các khối kim loại lớn khác Nhằm mục đích này, người ta sử dụng một nguồn bức xạ γ và detector ghi các tia γ Tốt nhất trong trường hợp này là detector nháp nháy có hiệu suất ghi lớn Nguồn bức xạ được đặt trong một bình chì Từ nguồn, qua một ống chuẩn trực chùm tia γ được lấy ra và chiếu vào ống Detector nhấp nháy được đặt ở phía đối diện của ống Nguồn và detector được... của detector nhấp nháy: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động, quá trình ghi nhận bức xạ, các đặc trưng của ống nhân quang điện và ứng dụng của nó Mà chưa đề cập tới các đặc trưng của detector nhấp nháy như dạng xung, biên độ xung ra, các đặc trưng thời gian và độ phân giải năng lượng Đây là một mảng kiến thức khá hay với những công thức tính phức tạp cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu Nếu trong các. .. chất phân chia thường là những chất phát xạ α (thí dụ của nguyên tố siêu uran) nên việc sử dụng chúng với một lượng lớn sẽ trở thành khó khăn do bức xạ α tạo ra phông lớn Và nếu các động tác phân chia được nghiên cứu bằng buồng ion hóa thì có thể xảy ra sự chồng chất của các xung ghi hạt α lên các xung, xuất hiện trong kết quả ghi các mảnh phân chia Chỉ có thiết bị với phân giải thời gian tốt mới được... nhân, α là phần nhỏ trong số các điện tử thu thập bởi các cấu trúc nhân, và δ là các yếu tố nhân cho một điện cực duy nhất Cho các ống điển hình δ là khoảng 5 và α phương pháp tiếp cận thống nhất 10 giai đo n của kết quả phép nhân trong một ống tăng tổng thể của 510 hoặc 107 b) Sơ đồ bố trí các đinốt trong ống nhân quang điện: Hình 8: Sơ đồ bố trí các đinốt trong ống nhân quang điện 22 V Các đặc trưng cơ... nhiều ví dụ tương tự khác về ứng dụng ống đếm nhấp nháy vào khoa học, kỹ thuật và đời sống 3 Ghi các mảnh vỡ phân chia Các ống đếm nhấp nháy khí được sử dụng để ghi nhận mảnh phân chia Thông thường thí nghiệm nghiên cứu tiết diện phân chia được bố trí như sau: Đặt lớp vật chất của nguyên tố cần được nghiên cứu lên một giá đỡ nào đó và chiếu chùm nơtrôn vào nó Tất nhiên, số lượng chất phân chia được sử dụng... được che tối hoàn toàn và nằm dưới tác dụng của nguồn nuôi cao thế, bao giờ cũng có những nhiễu ở lối ra Có thể liệt kê các nguyên nhân dẫn tới sự xuất hiện những xung này như sau: - Sự phát xạ êlêctrôn nhiệt ở catốt và các đinốt Sự thăng giáng dòng dò Sự phát xạ êlêctrôn lạnh Sự phản hồi iôn và phản hồi quang Phóng xạ VI Các ứng dụng của detector nhấp nháy 1 Đo thời gian sống của các trạng thái kích... mặt 23 catốt và các đinốt Lượng nguyên tử xêzi trên bề mặt catốt và đinốt phụ thuộc vào dòng êlêctrôn, còn hệ số phát xạ êlêctrôn thứ cấp của các đinốt và độ nhạy của catốt thì phụ thuộc vào mật độ bề mặt của các nguyên tử xêzi (hoặc của một kim loại kiềm khác) Các ống nhân quang điện có khả năng khôi phục hệ số khuếch đại của mình sau một thời gian ngừng hoạt động để có sự khuếch tán của các nguyên... khảo 1 Ghi nhận và đo lường bức xạ, Nguyễn Triệu Tú, 2007, NXB ĐH Quốc gia Hà Nội 2 Điện tử hạt nhân, Nguyễn Đức Hòa, 2012, ĐH Đà Lạt 3 Atoms, Radiation, and Radiation Protection, James E.Turner, 2007, NXB Wiley-Vch Verlag GmbH & Co.KGaA 4 Radiation Detection and Measurement, Glenn F.Knoll, 1999, NXB John Wiley & Sons, Inc 5 Các loại tài liệu khác: Các diễn đàn, các trang mạng, google.com Lời nhận xét... một vài nano mét Trong các chất bán dẫn điện tử có thể đi 20 - 30 nano mét, trước khi năng lượng của nó giảm xuống dưới hàng rào Trong cả hai trường hợp chỉ có một lớp mỏng của vật liệu góp phần tạo khoảng trống Các cực âm là đôi khi được thiết kế để ánh sáng là cố định ở một bên, trong khi các điện tử được phóng ra bên kia Do đó catốt là rất mỏng, vì sự tương tác điện tử trong vật liệu, và do đó là trong. .. điện tử vào khoảng 106 21 Điện tử được tạo ra trong catốt, và gia tốc về phía đinốt đầu tiên, trong đó các êlêctrôn thứ cấp được phát ra Các êlêctrôn thứ cấp được gia tốc bằng điện trường hướng tới một đinốt thứ hai, nơi mà chúng tạo ra các điện tử thứ cấp, và như vậy Điều này có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần Số lượng êlêctrôn được ống nhân quang tạo ra = αδN trong đó N là số lượng các giai đo n nhân,