TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ HẠN NHÂN

Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc vào loại và năng lượng của bức xạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận này, ngoài những nỗ lực của

bản thân, em còn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và động viên của quí thầy cô trong

khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TP Hồ Chí Minh

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Thái Khắc Định – thầy đã tận

tình hướng dẫn, truyền thụ cho em những kiến thức bổ ích, đóng góp những kinh

nghiệm quí báu để em thực hiện khóa luận này

Em không thể nào quên công lao của thầy Hoàng Đức Tâm cũng như các thầy cô

trong tổ bộ môn “Vật Lý Hạt Nhân”, các thầy cô đã động viên giúp đỡ, chỉ bảo tận

tình và truyền cho em lòng nhiệt tình trong nghiên cứu khoa học

Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã hỗ trợ về mặt tinh thần cho Nhất hoàn

thành khóa luận này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thí nghiệm vật lý là một phần không thể thiếu trong học tập và nghiên cứu vật lý Thực hành vật lý rèn luyện cho sinh viên phương pháp học tập, nghiên cứu và kỹ năng thực hành vật lý, củng cố các kiến thức lý thuyết đã được học Nó có tác dụng to lớn trong việc rèn luyện cho sinh viên những đức tính của người làm công tác khoa học nói chung, làm công tác vật lý nói riêng Ngoài ra, thực hành vật lý còn giúp cho sinh viên làm quen với việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong phòng thí nghiệm, kiểm nghiệm lại các định luật vật lý đã được học Thông qua các bài thí nghiệm vật lý, sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu của bộ môn

So với các môn học vật lý khác, “VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN” là môn học khó, ngoài việc học những kiến thức khô khan sinh viên cần phải được thực hành trên những thiết bị ghi đo trong phòng thí nghiệm Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành giúp cho sinh viên nắm được cốt lỗi trong môn học hơn, giúp cho sinh viên phát triển tư duy và khả năng sáng tạo trong quá trình học tập Đồng thời làm cho việc học vật lý trở nên lý thú hơn, có hiệu quả hơn

Nhờ sự quan tâm của quí thầy cô trong khoa vật lý và lãnh đạo trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân được xây dựng và hoàn thành vào giữa năm 2008 Do đây là phòng thí nghiệm mới được thành lập và trên con đường hoàn thiện nên việc tìm hiểu các dụng cụ, thiết bị trong phòng thí nghiệm là vấn đề cấp thiết

Trước tình hình đó, em quyết định thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài “TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN” nhằm góp một phần nhỏ vào công tác đào tạo cũng như công việc hoàn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân của quí trường Bên cạnh đó khóa luận tốt nghiệp còn giúp em tự mở rộng thêm sự hiểu biết của mình sang lĩnh vực vật lý hạt nhân

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu cơ chế hoạt động của các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa

 Tìm hiểu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và cách vận hành các thiết bị trong phòng

 Xây dựng một số bài thí nghiệm dựa trên các dụng cụ ghi đo bức xạ ion hóa trong phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

3 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Từ mục tiêu đã đề ra, em xây dựng cấu trúc của luận văn gồm có ba phần chính:

 Phần mở đầu trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu và bố cục của đề tài

 Phần nội dung chia làm ba chương:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HÓA

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM DỰA TRÊN CÁC THÍ BỊ GHI ĐO TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HẠT NHÂN

 Phần kết luận đưa ra những nhận xét tổng quát về đề tài và những kiến nghị nhằm hoàn thiện phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC DỤNG CỤ CHÍNH

TRONG HỆ GHI ĐO BỨC XẠ ION HÓA

1 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT

Các bức xạ được khảo sát bao gồm các hạt tích điện như alpha và beta, các tia

gamma và tia X Để hiểu được cơ sở vật lý của việc chế tạo ra các thiết bị ghi đo bức

xạ ta cần hiểu các cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất

Trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất, năng lượng của tia bức xạ được

truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân nguyên tử tùy thuộc vào loại và

năng lượng của bức xạ cũng như bản chất của môi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung

khi tương tác của bức xạ với vật chất là kích thích và ion hóa nguyên tử của môi

trường hấp thụ

1.1 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT BETA VỚI VẬT CHẤT

1.1.1 Sự ion hóa

Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương tác

tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các nguyên tử môi trường

Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta mất một phần năng lượng

t

E để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài Động năng E của electron bị bắn ra k

liên hệ với năng lượng ion hóa của nguyên tử E và độ mất năng lượng E như sau: t

k t

Trong đó năng lượng ion hóa E được xác định theo công thức:

1 1

E  Rh   Rh

Trong nhiều trường hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion hóa

nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron)

Do hạt beta chỉ mất một phần năng lượng E để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo t

đường đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion

Năng lượng trung bình để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần năng lượng ion hóa Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt beta còn mất năng lượng do kích thích nguyên

tử

Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó, hạt beta chuyển động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lượng

1.1.2 Độ ion hóa riêng

Độ ion hóa riêng là số cặp ion được tạo ra khi hạt beta chuyển động được một centimet trong môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng khá cao đối với các hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng năng lượng hạt beta và đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 1.1)

Độ ion hóa riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta

do ion hóa và kích thích, một thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều bức

xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt beta tuân theo công thức:

20 3

3,88.10 /

áp suất 76 cm thủy ngân

với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp

thụ

Nếu biết trước đại lượng w, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ

ion hóa riêng s được tính theo công thức sau:

( / )

dE dx eV cm s

w eV c i

Trong đó c i. là cặp ion

1.1.3 Hệ số truyền năng lượng tuyến tính

Độ ion hóa riêng được dùng xem xét độ mất năng lượng do ion hóa Khi quan tâm

đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến tính của môi

trường khi hạt beta đi qua nó Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng lượng nói trên là

hệ số truyền năng lượng tuyến tính

Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) được định nghĩa

theo công thức sau:

dE d

Trong đó dE là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ

khi đi qua quãng đường dài d Đơn vị đo thường dùng đối với LET là keV /m

1.1.4 Bức xạ hãm

Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột

hướng bay ban đầu và mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ hãm,

hay Bremsstrahlung Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại

bằng động năng của hạt beta Khó tính toán dạng của phân bố năng lượng các bức xạ

hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạt thực nghiệm

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng công thức

gần đúng sau đây:

-4 max

Trong đó f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon, Z là số nguyên tử của

chất hấp thụ và Emax(MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta

1.1.5 Quãng chạy của hạt beta trong vật chất

Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được một

quãng đường hữu hạn Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất, chùm

tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó Khoảng đường đi này gọi là

quãng chạy (range) của hạt beta, quãng chạy của hạt beta phụ thuộc vào năng lượng tia

beta và mật độ vật chất của môi trường hấp thụ Biết được quãng chạy của hạt beta với

năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu cho

trước Một đại lượng thường dùng khi tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ

một nữa (absorber half - thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt

beta ban đầu còn lại 1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ

dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 quảng chạy Hình 1.2 trình bày sự phụ thuộc

quãng chạy cực đại của các hạt beta vào năng lượng của chúng đối với một số chất hấp

thụ thông dụng Hình 1.2 cho thấy rằng quãng chạy của hạt beta với năng lượng cho

trước giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ

Ngoài bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta còn dùng

bề dày mật độ d (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm m 2, được

Trong đó:  là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3

Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề dày không

phụ thuộc vào vật liệu cụ thể

Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính

theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lượng của nó Đường cong này dùng thay cho các

đường cong trên hình 1.2 khi tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ

Đường cong quãng chạy - năng lượng trên hình 1.3 được biểu diễn bằng công thức

Đối với miền năng lượng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R > 1200

Trong đó R là quãng chạy, tính theo mg/cm2 và E là năng lượng cực đại của tia

beta, tính theo đơn vị MeV

1.2 TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT

1.2.1 Truyền năng lượng của hạt alpha

Cũng giống như hạt beta, hạt alpha khi đi qua môi trường vật chất cũng bị mất năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trường hấp thụ Khi đi qua phần

không khí của tế bào xốp, hạt alpha mất một lượng năng lượng trung bình 35 eV cho

một cặp ion Do hạt alpha có điện tích lớn hơn hạt beta hai lần và khối lượng rất lớn, dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion trên 1 cm trong không khí (hình 1.4)

Tốc độ mất năng lượng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn hạt electron, trong đó có hạt alpha, tuân theo công thức:

zq là điện tích của hạt gây ion hóa

M là khối lượng tĩnh của hạt gây ion hóa

-24

6,6.10

vlà vận tốc của hạt gây ion hóa

N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3

Zlà số nguyên tử của chất hấp thụ

với các chất hấp thụ khác, là năng lượng ion hóa và kích thích của nguyên tử chất hấp thụ

1.2.2 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất

Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa Trong không khí, ngay cả hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet Có hai định nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy, được minh họa trên hình 1.5

Trên hình 1.5, đường cong hấp thụ của hạt alpha có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng lượng Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ Quãng chạy trung bình được một nữa chiều cao đường hấp thụ còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường hấp thụ đến giá trị 0

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VÀ TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT

1.3.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường

Tia X và tia gamma có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng cao Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất

Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ

gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị

hấp thụ hoàn toàn

Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I o Sự thay đổi

cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:

Trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng

này có thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1 Từ (1.10) có thể viết phương

trình:

dI

dx

I  Giải phương trình ta được:

x o

Hệ số suy giảm tuyến tính  phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật

độ vật liệu môi trường   ( , )E 

1.3.2 Các cơ chế tương tác của tia X và tia gamma với vật chất

Do sự tương tác của các tia X và tia gamma với vật chất có tính chất chung nên để

đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất Tương tác của gamma không

gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác

với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp

electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương

+e) Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma

năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học

phóng xạ Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang

điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

1.3.2.1 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng

lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử Electron

này được gọi là quang electron (photoelectron) Quang electron nhận được động năng

Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron

e B

Theo công thức (1.12) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên

kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra Tương tác này ra với xác suất lớn

nhất khi năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các

lớp trong cùng Hình 1.6b

Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 1 3

E Xác suất tổng

cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo E E k trong đó Ek

là năng lượng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 7

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang

điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5 Như vậy tiết diện hiệu ứng quang điện:

5

7 / 2

photo

Z E

5

photo

Z E

 khi E >> Ek.

Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với

các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các

nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể

ở vùng năng lượng thấp

Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng

K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp

vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng

1.3.2.2 Hiệu ứng Compton

Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ

đạo ngoài Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron

được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.7a) Quá trình tán xạ Compton có thể coi

như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình1.7b)

Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển

động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng

lượng gamma E’ và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ  gamma sau tán

1 cotg 2 1

tg

E E



  

Theo (1.15) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E càng bé Nghĩa là

gamma càng mất nhiều năng lượng Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho

electron sau tán xạ bay ra một góc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi Góc tán xạ của

gamma tán xạ có thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc electron chủ yếu bay về phía

trước, nghĩa là góc tán xạ  của nó thay đổi từ 0o đến 90o

Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ

nghịch với năng lượng gamma

Compt

Z E



1.3.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron

Electron có khối lượng bằng m e 9,1.10 19 kg hay năng lượng tĩnh của nó, theo

công thức Einstein, bằng E m  0,51mc2  MeV Nếu gamma vào có năng lượng lớn

hơn hai lần năng lượng tĩnh electron 2m c e 2 1,02MeV thì khi đi qua điện trường của

hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối

lượng electron nhưng mang điện tích dương +le) Đó là hiệu ứng sinh cặp electron -

positron (Hình 1.8)

Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó

xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân

2 CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC XẠ

Con người không cảm nhận được các bức xạ, do đó cần có thiết bị để ghi và đo

chúng Bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ là các detector bức xạ Đó là các dụng cụ đo đạc dựa trên sự tương tác của các hạt bức xạ với vật chất Mỗi loại bức

xạ đều tương tác với vật chất theo một số cơ chế đặc thù, do đó detector thường được thiết kế để sử dụng cho một hoặc vài loại bức xạ xác định và các thiết bị đo đạc bức xạ

có nhiều dạng khác nhau tùy mục đích sử dụng

2.1 CÁC DETECTOR DỰA TRÊN SỰ ION HÓA

Có hai loại detector thường được sử dụng nhiều nhất trong việc ghi đo bức xạ dựa trên sự ion hóa đó là các detector chứa khí và các detector dẫn điện trạng thái rắn

2.1.1 Các detector chứa khí

2.1.1.1 Cấu tạo

Các detector chứa khí bao gồm một buồng chứa khí (thường là không khí) và hai tấm điện thế được gọi là các điện cực Điện cực dương được gọi là anode và thường nằm ở trung tâm của buồng đo Nó được cách điện với lớp vỏ bọc bên ngoài Lớp vỏ bọc bên ngoài của buồng này thường là điện cực âm (cathode) Hình 2.1 chỉ ra một sơ

đồ đơn giản của một detector chứa khí

2.1.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Bức xạ tới tương tác với các vách của buồng hoặc các hạt khí và tạo thành các cặp ion Khi một điện thế được áp giữa các điện cực thì các ion dương bị hút về phía cathode tích điện âm và các electron bị hút về phía anode tích điện dương Một điện tích được tích lũy trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch Sự biến đổi điện thế này được xem như là một xung và sự có mặt của xung này sinh ra một dòng điện chảy trong mạch ngoài Bằng cách ghi đo hoặc là xung hoặc là dòng điện này thì chúng ta có thể ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hoá

Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi anode và điểm này

có thể phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hoá trong buồng cũng như loại bức xạ và năng lượng của nó

Thêm vào đó, kích thước của xung cũng phụ thuộc vào điện thế giữa anode và cathode Hình 2.2 chỉ ra cách thay đổi kích thước xung (hoặc độ lớn) khi điện thế áp vào được tăng lên

Từ hình 2.2 thì sự thay đổi độ lớn của xung theo điện thế biểu diễn một số vùng được xác định rõ rệt Những vùng này được gọi là các vùng: tái hợp (1), buồng ion (2),

tỷ lệ (3), Geiger - Muller (4) và phóng điện liên tục (5)

2.1.1.2.1 Vùng tái hợp

Khi điện thế trong buồng là khá thấp thì lực tác dụng lên các ion (lực hút các ion tới các điện cực) cũng là khá thấp Trong trường hợp này, có hai quá trình cạnh tranh đối

này có nghĩa là sau khi một ion được tạo thành thì nó có thể tái hợp để trở lại trung hòa trước khi nó bị hút về các điện cực Vì vậy xung ở mạch ngoài phụ thuộc vào kết quả giữa hai quá trình này

Khi điện thế qua các điện cực được tăng lên thì các ion tới điện cực nhiều hơn và kích thước của xung tăng lên (xem hình 2.2) Tuy nhiên, sự tái hợp của các ion vẫn là đáng kể vì vậy vùng này được gọi là vùng tái hợp Các detector chứa khí thường không được hoạt động trong vùng này vì sự tái hợp của các ion làm cho nó rất khó đo được lượng bức xạ tới

2.1.1.2.2 Vùng buồng ion

Khi điện thế là đủ lớn thì hầu hết các ion được phát ra đều đi tới điện cực và các ion

bị mất do sự tái hợp là không đáng kể Trong vùng này gần như tất cả các ion sẽ được thu nhận và kích thước của xung không tăng nữa theo điện thế được áp vào

Dòng điện trong mạch ngoài cũng tiến tới một giá trị cực đại được gọi là dòng bão hòa Dòng bão hòa này tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ được tăng lên thì dòng bão hòa cũng được tăng lên

Buồng ion hóa làm việc ở vùng bão hòa này cho phép bảo đảm độ nhạy cực đại đối với việc ghi đo bức xạ và đồng thời đảm bảo sự ổn định của số đo khi có sự thăng giáng điện thế giữa hai điện cực Độ dài miền bão hòa phụ thuộc vào loại chất khí, áp suất khí, kích thước và bố trí hình học của các điện cực

Detector làm việc ở vùng này gọi là buồng ion hóa

2.1.1.2.3 Vùng tỷ lệ

Khi điện thế được tăng nhanh trong vùng buồng ion thì kích thước xung bắt đầu lại tăng Bởi vì khi điện thế áp vào được tăng lên thì các ion không chỉ nhận thêm đủ năng lượng để đi tới các điện cực mà còn nhận thêm đủ năng lượng để được gia tốc nhanh

hơn Sự gia tốc này sinh ra nhiều cặp ion hơn, chúng được tạo ra qua sự ion hóa thứ

cấp của các hạt trong chất khí Quá trình này được gọi là sự nhân khí và dẫn đến các ion được thu nhận nhiều hơn và do đó thu được một xung rộng hơn

Sự tăng số các ion được thu nhận phụ thuộc vào điện thế đặt giữa anode và cathode Tuy nhiên, kích thước xung tổng mà được tạo ra cũng tỷ lệ với số các ion ban đầu được tạo ra trong chất khí Vì lý do đó nên vùng này được gọi là vùng tỷ lệ

2.1.1.2.4 Vùng Geiger - Muller

Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự nhân khí là lớn đến mức mà một hạt ion hóa đơn lẻ tạo ra nhiều các thác ion dọc theo chiều dài của anode, dẫn đến kích thước xung là rất rộng Vùng này gọi là vùng Geiger - Muller (G - M)

Detector làm việc ở vùng này gọi là ống đếm G - M Đặc trưng tốc độ đếm - điện thế đối với ống đếm G - M là có miền plateau, tại đó tốc độ đếm không thay đổi khi tăng điện thế nguồn nuôi Giống như ống đếm tỉ lệ, ống đếm G - M dùng để đếm các hạt xạ ion hóa riêng biệt Tuy nhiên do tín hiệu ra có biên bộ không đổi, không phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào, nên ống đếm G - M không thể phân biệt được năng lượng của các bức xạ vào

2.1.1.2.5 Vùng phóng điện liên tục

Nếu điện thế được tăng lên vượt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng Muller thì điện thế là đủ cao để ion hóa trực tiếp các phân tử khí và một tín hiệu rộng được phát ra ngay cả khi trường bức xạ bị dịch chuyển Vùng này được gọi là vùng phóng điện liên tục và khi đó kết quả đọc có thể sẽ không đúng, các detector ghi bức

Geiger-xạ sẽ không được hoạt động trong vùng này

2.1.1.3 Phân giải thời gian, thời gian chết và thời gian phục hồi

Phân giải thời gian của một detector được định nghĩa là lượng thời gian nhỏ nhất

mà phải phân biệt được hai sự kiện để chúng được ghi lại như hai quá trình tách rời nhau Nếu phân giải thời gian của một detector là quá dài, thì ở các tốc độ đếm cao sẽ

có nhiều thông tin bị mất Điều này có nghĩa là tổng các số đếm khi đó có thể bị đánh giá sai Phân giải thời gian phụ thuộc vào các tham số sau:

Thời gian chết của delector là độ dài thời gian đối với tín hiệu hoặc xung được tích luỹ đủ lớn để ghi nhận được nó

Thời gian phục hồi là độ dài thời gian mà detector khôi phục từ một sự kiện ion hoá

và trở lại trạng thái ban đầu của nó

Hình 2.3 biểu diễn cách tổ hợp thời gian chết và thời gian phục hồi từ detector Geiger - Muller để đưa ra phân giải thời gian

Phân giải thời gian của detector phụ thuộc vào các tương tác xảy ra trong detector

đó Tuy nhiên, toàn bộ phân giải thời gian của một thiết bị hoàn chỉnh cũng sẽ phụ thuộc vào thời gian chết gắn liền với các bộ phận điện tử của một hệ đếm

2.1.1.4 Các loại detector chứa khí

Có ba loại như sau: Buồng ion hoá; ống đếm tỷ lệ và ống đếm Geiger - Muller

2.1.1.4.1 Các buồng ion hóa

Các buồng ion hóa (thường được gọi phổ biến hơn là các buồng ion) được thiết kế

để hoạt động ở dòng bão hòa trong vùng buồng ion được biểu diễn trong hình 2.2 Dòng điện trung bình lối ra được đo và tỷ lệ với lượng bức xạ tới mà buồng này đã được chiếu xạ Vì tín hiệu lối ra thì không phụ thuộc vào điện thế nên không cần có một nguồn điện thế mang tính ổn định cao Tuy nhiên, điều quan trọng là điện thế đủ

ổn định để bảo đảm rằng dòng bão hòa được duy trì

Để ngăn cản buồng ion hoạt động trong vùng tỷ lệ thì điện thế áp vào được giới hạn thấp hơn so với yêu cầu đặt ra để gây ra sự ion hoá thứ cấp của các phân tử khí (điện thế vào cỡ 25V)

Các dòng điện được tạo trong các buồng ion là rất nhỏ, tiêu biểu vào cỡ 10-12 A và

vì vậy phải được khuếch đại đối với các kết quả đo Do đó các thiết bị mà kết hợp với các detector buồng ion thì yêu cầu mạch trạng thái rắn khá phức tạp để khuếch đại các dòng một chiều vô cùng nhỏ này

Thiết kế các buồng ion và chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc vào ứng dụng riêng của từng thiết bị Đối với các thiết bị kiểm tra bức xạ xách tay thì buồng này thường chứa

dụng để đo bức xạ alpha hoặc beta; gamma thì buồng này phải có các lớp vách mỏng hoặc một cửa sổ rất mỏng được chế tạo từ vật liệu thích hợp, chỉ bằng cách đó loại detector này mới có thể được sử dụng để phân biệt giữa các loại bức xạ alpha hay beta; gamma từ trong buồng

Các buồng ion cũng có thể được kết hợp với các thiết bị khác để phân biệt giữa các năng lượng khác nhau của bức xạ tới Quá trình này được gọi là quang phổ học

2.1.1.4.2 Các ống đếm tỷ lệ

Một ống đếm tỷ lệ là detector khí hoạt động trong vùng tỷ lệ hình 2.2 Do ảnh

hưởng của sự nhân khí nên có thể tăng số electron được tạo thành gần 104 lần Điều này có nghĩa là đối với mỗi electron được tạo ra bởi một sự kiện sự ion ban đầu thì có thể có thêm 10 nghìn electron được tạo ra Do đó mỗi sự kiện ion hoá có thể phân biệt được và đếm được

Lối ra từ một bộ đếm tỷ lệ là một chuỗi các xung mà được đếm bởi một mạch đếm Nói chung, thời gian phân giải thường rất ngắn đối với các bộ đếm này (nhỏ hơn một micro giây), vì vậy những tốc độ xung lớn có thể đếm được Ống đếm tỷ lệ có thể được sử dụng với một mạch phân biệt độ cao của xung để phân biệt giữa các loại bức

xạ trên cơ sở khả năng ion hóa của chúng

Tuy nhiên, biên độ của một xung cũng rất nhỏ (cỡ bậc milivolt) và sự khuyếch đại trước là cần phải có trước khi các xung này có thể được đếm, vì độ dốc của đồ thị trong vùng tỷ lệ là khá dốc Điều này có nghĩa là một thay đổi nhỏ của điện thế được

áp vào sẽ có một ảnh hưởng tới độ lớn xung Do đó điều quan trọng là nguồn cao thế phải rất ổn định

cơ ở trên được sử dụng trong suốt quá trình dập tắt, do đó các ống được dập tắt bằng hữu cơ có một giới hạn thời gian sống hữu ích khoảng 109 tổng số đếm Đối với các

ống chứa khí halogen thì có thời gian sống dài hơn và giúp ích hơn ở các trạng thái có tốc độ đếm cao Các bộ đếm Geiger - Meller có thể tạo các hình dạng và kích thước khác nhau Nhưng phần lớn trong các ứng dụng thì bộ đếm là một hình trụ nên được gọi là ống đếm G - M

Một ống đếm G - M nhỏ có thể đủ nhạy để đo các suất liều thấp trong khi một buồng ion hóa với độ nhạy tương tự sẽ cần phải có kích thước rộng hơn Nếu bộ đếm được sử dụng để đo bức xạ alpha và beta thì nó phải có một cửa sổ mỏng để ngăn cản bức xạ vào trong ống

Một ưu điểm của các bộ đếm G - M là ở đó xung lối ra cỡ vài volt, vì vậy tín hiệu không cần phải khuyếch đại trước và mạch có thể được bảo quản đơn giản Nên các bộ đếm Geiger - Muller rất bền và do đó chúng thường được sử dụng ở nơi làm việc để kiểm tra bức xạ gamma

Một trong những nhược điểm của một bộ đếm G - M là phân giải thời gian của chúng dài Thời gian phân giải này thường cỡ 100 đến 300 micro giây Bên cạnh đó,

độ lớn của xung lối ra không phụ thuộc năng lượng của hạt ion hoá Điều này có nghĩa

là nó không thể phân biệt bằng điện tử giữa bức xạ alpha và beta và cũng không thể đo hoặc phân biệt giữa các mức năng lượng của bức xạ tới

2.1.2 Các detector dẫn điện trạng thái rắn

2.1.2.1 Giới thiệu

Các detector dẫn điện trạng thái rắn chứa các chất rắn tinh thể bán dẫn Khi bức xạ ion hóa tương tác với các chất rắn này thì toàn bộ tính dẫn điện của chất được tăng lên Nếu ta đo được sự tăng này thì ta có thể biết được lượng bức xạ tới thông qua sự tương quan giữa chúng

2.1.2.2 Nguyên tắc làm việc

Để hiểu cách làm việc của các detector dẫn điện trạng thái rắn chúng ta cần phải khảo sát sự tương tác của bức xạ ion hóa với các chất bán dẫn trên một qui mô rất nhỏ Chúng ta đã biết, các electron chỉ có thể tồn tại trong các mức năng lượng xác định Trong các chất rắn các mức năng lượng này được khảo sát như các vùng năng lượng Các vùng năng lượng này được phân biệt bởi các vùng được gọi là các vùng cấm và vùng năng lượng cao nhất mà các electron thường tồn tại được gọi là vùng hoá trị

Bức xạ ion hóa có thể truyền đủ năng lượng cho một electron trong một chất rắn tinh thể bán dẫn để chuyển nó từ mức năng lượng thông thường của nó (trong vùng hoá trị) qua các mức cấm thông thường (trong vùng cấm) và lên một trạng thái có năng lượng cao hơn được gọi là vùng dẫn Khi nó rời khỏi vùng hoá trị thì nó sẽ để lại khoảng trống hoặc lỗ trống trong vùng hoá trị (xem hình 2.4)

Sự đưa một electron lên vùng dẫn được gọi là sự ion hóa và kết quả là mỗi cặp electron – lỗ trống được tạo thành Giống như cách các ion âm và dương dịch chuyển giữa các điện cực trong một detector chứa khí, cặp ion này sẽ dịch chuyển trong một detector trạng thái rắn khi áp vào giữa hai điện cực một điện thế Sự dịch chuyển này dẫn đến một xung trong mạch ngoài có thể được đo

Các detector dẫn điện trạng thái rắn bao gồm các chất bán dẫn mà độ dẫn điện của chúng được tăng cường bằng cách đưa thêm các tạp chất vào Quá trình này được gọi

là sự kích thích và các tạp chất được đưa vào để cung cấp thêm hoặc là các electron (bán dẫn loại n) hoặc là các lỗ trống (bán dẫn loại p)

Các detector bán dẫn trạng thái rắn thực tế bao gồm cả vật liệu loại p và n liên kết với nhau Một điện thế được áp vào lớp tiếp giáp của hai loại bán dẫn để các lỗ trống

và các electron dịch chuyển khỏi lớp tiếp giáp Vùng xung quanh lớp tiếp giáp có các

lỗ trống và electron tự do và nó được gọi là lớp nghèo Lớp nghèo này là một phần của vật chất mà nó sẽ ghi đo bất kỳ một bức xạ tới nào (hình 2.5)

Khi bức xạ ion hóa đi qua vùng nghèo thì nó tạo thành các cặp electron - lỗ trống Các cặp electron - lỗ trống này dịch chuyển về một phía tạo ra một xung trong mạch ngoài Sau đó, xung này có thể đo được, bằng cách này thì lớp nghèo tạo thành thể tích nhạy của detector trạng thái rắn và nó tương đương với một buồng ion trong một detector chứa khí

2.1.2.3 Các loại detector dẫn điện trạng thái rắn

Có rất nhiều loại khác nhau của các detector dẫn điện trạng thái rắn có thể sử dụng

để ghi đo bức xạ ion hóa Các loại của các detetor dẫn điện trạng thái rắn được khảo sát trong phần này là:

 Các diode tiếp giáp khuếch tán

 Các detector hàng rào mặt

 Detector cấy ghép ion

 Detector có chứa Lithium

 Detector Germanium siêu tinh khiết

2.1.2.3.1 Các diode tiếp giáp khuếch tán

Trong các diode tiếp giáp khuếch tán tạp chất loại p được cho phép khuếch tán hoặc truyền lan vào trong chất loại n Điều này tạo ra một vùng nghèo ngay dưới bề mặt tinh thể (phổ biến thường khoảng 1 micromet dưới bề mặt tinh thể) như được chỉ trong hình 2.6 Lớp bề mặt tương ứng một lớp chết hoặc cửa sổ (window) mà bức xạ phải đi qua trước khi vào trong thể tích nhạy

Cửa sổ này có thể là một nhược điểm trong việc phân biệt các mức năng lượng khác nhau của bức xạ tới (quang phổ học) bởi vì một vài hạt có năng lượng thấp hơn không thể ghi nhận được Để tránh nhược điểm này, trong nhiều ứng dụng quang phổ học của các hạt tích các diode tiếp giáp khuếch tán thường được thay thế điện bằng các detector hàng rào mặt Tuy nhiên, các diode tiếp giáp khuếch tán (được làm từ silicon hoặc germanium) vẫn được sử dụng để ghi nhận hạt tích điện vì chúng bền hơn so với các detector hàng rào mặt

Một công việc thực hành khác sử dụng các diode tiếp giáp khuếch tán silicon đã được khám phá gần đây Các diode này (thường được xem như các photodiode PIN silicon) có thể được kết hợp trong các liều kế điện tử để đo lượng bức xạ gamma được thu nhận bởi một người trên một khoảng thời gian (tức là để đo liều lượng gamma cá nhân)

So với các liều kế điện tử cũng được chế tạo cùng với các detector G – M thì detector trạng thái rắn có trọng lượng nhẹ hơn

Cũng với khả năng ghi đo các hạt tích điện thì các detector hàng rào mặt còn có khả năng phân biệt tốt các năng lượng khác nhau của bức xạ tới (tức là chúng có phân giải năng lượng rất tốt, chúng có thể phân biệt ba hạt alpha gần nhau từ Am-241 với các năng lượng 5.486; 5.443 và 5.389 MeV) Đặc biệt chúng cũng rất nhạy với ánh sáng bởi vì các photon ánh sáng có thể đi đến thể tích nhạy và tạo ra các cặp electron - lỗ trống

Một trong những vấn đề chính của các detector hàng rào mặt đó là bề mặt tinh thể phải được giữ sạch tức là không bị nhiễm bẩn hoặc các vật liệu khác

2.1.2.3.3 Các detector cấy ghép ion

Một phương pháp khác để đưa các tạp chất trên bề mặt của một chất bán dẫn là chiếu xạ lên bề mặt này một chùm các ion được tạo ra bằng một máy gia tốc Nhờ đó

sẽ có một lớp vật chất loại p được tạo ra gần bề mặt của thiết bị Phương pháp kích thích này gọi là sự cấy ghép ion và nó sinh ra một tinh thể bền vững hơn rất nhiều và

nó gần như ít bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường Trong thực tế, các detector loại này là rất bền và chúng có thể được chế tạo cùng với các cửa sổ mỏng để ghi đo alpha và beta

Các detector cấy ghép ion có rất nhiều ứng dụng bao gồm phân tích phổ alpha, ghi

đo beta năng lượng thấp và các ion nặng

2.1.2.3.4 Các detector kéo theo Lithium

Các detector hàng rào mặt và cấy ghép ion rất tốt cho việc phân tích phổ của các hạt tích điện nhưng do các tạp chất vốn gắn tiền với các tinh thể bán dẫn nên chúng không có một thể tích nhạy đủ lớn để phân tích phổ photon (tức là tia gamma và tia –

X) Để tránh các ảnh hưởng do các tạp chất này gây ra thì các chất bán dẫn có thể thêm Lithium để tạo ra một thể tích nhạy lớn hơn

Vùng giữa các vật chất loại p và loại n thì được gọi là vùng kéo theo Lithium hoặc vùng thực và kích thước của vùng thực này xác định thể tích nhạy của detector (hình 2.8)

Khi Lithium được thêm vào một tinh thể Germanium thì detector này được gọi là một detector Germanium có chứa Lithium (hoặc detector Ge(Li) ) Các detector Ge(Li) luôn luôn được duy trì ở nhiệt độ rất thấp (sử dụng nitơ lỏng), thậm chí ngay cả lúc không sử dụng Các detector germanium có chứa Lithium là các detector có khả năng ghi đo bức xạ gamma và có phân giải năng lượng rất tốt

Các detector silicon có chứa Lithium (hoặc Si(Li)) bao gồm một tinh thể silicon có chứa Lithium Các detector Si(Li) này là rất giống các detector Ge(Li) nhưng có một

ưu điểm đó là chúng có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng mà không gây hư hỏng cho tinh thể Chúng có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng nhưng hiệu suất của chúng sẽ được cải thiện hơn nếu chúng được làm lạnh bằng nitơ lỏng trước khi sử dụng

Silicon có số nguyên tử rất thấp so với Germanium vì vậy khả năng tương tác với các bức xạ gamma thấp Do đó các detector silicon có chứa Lithium không có khả năng ghi đo bức xạ gamma như các detector Ge(Li) Vì vậy, chúng thường được sử dụng để ghi đo tia gamma năng lượng thấp (nhỏ hơn khoảng 150 keV), các tia X và các hạt beta

2.1.2.3.5 Các detector germanium siêu tinh khiết

Germanium tinh khiết có hiệu suất ghi cao đối với sự ghi đo của bức xạ gamma Vì vậy nếu các tạp chất trong một tinh thể Germanium được duy trì thấp thì có thể thu được các vùng nghèo (các thể tích nhạy) mà chúng có thể so sánh được với các vùng nghèo của một detector Ge(Li) Detector loại này được gọi là detector Germanium siêu tinh khiết (hoặc HPGe) (hình 2.9)

Cũng như detector Ge(Li) thì detector HPGe hoạt động với hiệu suất cao cùng với phân giải năng năng lượng tốt Nhưng một ưu điểm của của detector HPGe là có thể bảo quản được ở nhiệt độ phòng khi không sử dụng

2.2 CÁC DETECTOR DỰA VÀO SỰ NHẤP NHÁY

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động

Các detector nhấp nháy dựa trên một vài chất mà chúng sẽ phát ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng (được gọi là các phosphor) Trong một chất phosphor thì các electron này không duy trì ở mức năng lượng cao trong một khoảng thời gian dài Sau đó các electron này trở lại mức ban đầu của chúng và phát xạ các photon dưới dạng ánh sáng nhìn thấy (xem hình 2.10)

Do các photon được phát xạ và cường độ của ánh sáng này tỷ lệ với năng lượng của bức xạ tới Vì vậy, các detector nhấp nháy có thể được sử dụng không chỉ để ghi đo bức xạ mà còn để phân biệt các mức năng lượng ngoài (tức là chúng có thể được sử dụng cho các mục đích đo phổ)

2.2.2 Các kiểu của detector nhấp nháy

Các chất phosphor mà có thể được sử dụng trong các detector bức xạ phải có các thuộc tính nhất định như:

 Chúng phải biến đổi một phần lớn năng lượng hấp thụ thành năng lượng ánh sáng

 Thời gian giữa sự kích thích của electron và sự phát xạ ánh sáng photon phải ngắn

 Chúng phải cho phép các photon ánh sáng được tạo ra đi qua lớp vật chất

 Ánh sáng được phát ra cần phải được biến đổi dễ dàng để tạo nên một tín hiệu điện

Các loại detector nhấp nháy gồm:

 Các detector sulphide kẽm

 Các detector natri iodide

 Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo

 Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng

Một vài chất phosphor này có thể có các lượng nhỏ tạp chất (được gọi là các chất hoạt hóa) chúng được thêm vào để kiểm soát cách mà các electron dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn Điều này bảo đảm rằng các photon này được phát xạ sẽ là các photon ánh sáng nhìn thấy

2.2.2.1 Các detector sulphide kẽm

Các detector sulphide kẽm(ZnS) thường có các nguyên tử bạc được thêm vào như

là các chất hoạt hóa Các detector loại này được gọi là các detector ZnS(Ag), chúng có khả năng để ghi đo bức xạ ion hóa

Vì vật chất loại này không cho phép các photon ánh sáng nhìn thấy đi qua nó một cách dễ dàng nên nó chỉ có thể được sử dụng các lớp mỏng Nên ưu điểm của các detector này là giúp ích cho sự ghi đo các hạt alpha và các ion nặng nhưng nhược điểm

2.2.2.2 Các detector Natri iodide

Các detector Natri iodide cùng với sự cộng thêm các nguyên tử thallium NaI(Tl) thì chúng có rất nhiều khả năng ghi đo bức xạ gamma, thậm chí còn nhiều hơn so với các detector dẫn điện trạng thái rắn Tuy nhiên, tinh thể này sẽ hấp thụ hơi ẩm từ không khí làm hư hỏng rất nhanh Do đó nó được đặt trong một bình kín không khí Bình này thường được làm bằng nhôm và có thể có một cửa sổ rất mỏng

Các tinh thể NaI(TI) có thể được tạo ra với các bề dày khác nhau Một tinh thể mỏng có độ dày 3 mm thì có rất nhiều khả năng ghi đo bức xạ gamma với năng lượng lên tới khoảng 150 keV Một detector NaI(TI) sử dụng dễ hơn trong công việc môi trường so với một detector dẫn điện trạng thái rắn bởi vì nó không cần phải làm lạnh

Nó cũng có nhiều khả năng ghi đo tốt hơn đặc biệt ở các mức năng lượng cao

Tuy nhiên, phân giải năng lượng của detector NaI(TI) là kém khi được so sánh với một detector trạng thái rắn

2.2.2.3 Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo

Các chất nhấp nháy hữu cơ dẻo thì rẻ và có thể được chế tạo trong một sự đa dạng của các hình dạng và kích thước khác nhau Chúng thường được sử dụng trong sự liên kết với các detector ZnS(Ag) để kiểm tra bức xạ alpha và beta

2.2.2.4 Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng

Các chất nhấp nháy hữu cơ lỏng được sử dụng riêng để kiểm tra bức xạ alpha và beta đặc biệt là bức xạ beta năng lượng thấp như carbon - 14 và tritium Sử dụng một chất nhấp nháy lỏng cho phép chất nhiễm bẩn mà mình quan tâm được trộn trực tiếp với chất nhấp nháy và có thể dẫn đến hiệu suất ghi rất cao

2.2.3 Các ống nhân quang điện

2.2.3.1 Giới thiệu

Các ống nhân quang điện (hoặc PM) là cần thiết trong các mạch nhấp nháy để biến đổi các photon ánh sáng từ chất nhấp nháy sáng thành các xung điện

Để hệ thống dynode hoạt động có hiệu quả cần phải có một nguồn điện cao thế rất

Các tín hiệu điện được tạo ra bởi các detector có hai loại là dòng một chiều (như trong buồng ion) hoặc dưới dạng xung

Nếu tín hiệu được đo là một dòng một chiều thì dòng trung bình qua nhiều sự tương tác được ghi lại và mạch này được nói rằng nó đang hoạt động ở chế độ dòng

Nếu tín hiệu được đo do một sự thay đổi điện thế thì các tương tác riêng được ghi lại và kích thước của xung phụ thuộc vào số các electron được thu nhận, mạch này được nói rằng nó đang hoạt động ở chế độ xung Dòng một chiều lối ra được đo bởi một máy khuếch đại dòng một chiều trong khi xung lối ra được đo bằng một mạch đếm Hình 2.12 chỉ ra các thành phần của một mạch đếm nói chung

2.2.4.2 Nguồn điện

Một nguồn điện thế một chiều ổn định là cần thiết để cung cấp thế năng hoạt động cho detector Thường các thiết bị phụ thuộc vào các bộ ắc qui để cung cấp điện thế Mức của cao thế và mức độ ổn định yêu cầu phụ thuộc vào loại detector Nguồn điện thường được gọi là nguồn HV (cao thế)

2.2.4.3 Khuếch đại dòng một chiều

Một máy khuếch đại dòng một chiều làm tăng thêm một dòng điện rất thấp cỡ 10-12

A để trở thành một dòng có thể đo được bằng thiết bị đo Ampe, cỡ 10-3A Điều này cần phải có một hệ số khuếch đại lớn (hệ số khuếch đại của một máy khuếch đại là tỷ

số của kích thước xung lối ra trên kích thước xung lối vào) Vì hệ số khuếch đại cần là rất cao nên mỗi sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu lối vào cũng có thể ảnh hưởng lớn đến các phép đo lối ra Các máy khuếch đại dòng một chiều chủ yếu được sử dụng cùng

2.2.4.4 Tiền khuếch đại

Lối ra từ hầu hết các detector là quá nhỏ do đó nó phải được khuếch đại trước khi tới bộ khuếch đại chính Tiền khuếch đại (pre - amp) thường xây dựng trong ngôi nhà detector Trong trường hợp của các detector nhấp nháy thì nó tạo thành một phần của

hệ thống nhân quang điện Tiền khuếch đại phải có khả năng khuếch đại tín hiệu mà không tạo thêm tạp âm Tạp âm điện tử bao gồm các tín hiệu mà có khuynh hướng giấu tin hiệu tới từ detector và có thể do các sự kiện như sự dịch chuyển nhiệt của các electron

2.2.4.5 Khuếch đại xung

Khuếch đại tạo dạng xung và làm tăng độ lớn xung lên một mức mà phù hợp đối với thiết bị đếm sẽ được sử dụng Hệ số khuếch đại cung cấp bởi bộ khuếch đại phụ thuộc vào kích thước của xung đếm từ detector

2.2.4.6 Bộ phân biệt xung

Một bộ phân biệt xung cho phép chúng ta loại bỏ các xung hoặc là quá lớn hoặc là quá nhỏ Một bộ phân biệt xung mức thấp sẽ bỏ qua các xung dưới mức cho phép mà cái đó rất có ích để loại trừ những tạp âm không cần thiết Nếu cả bộ phân biệt xung mức thấp và mức cao đều được sử dụng và mức cho phép là gần nhau thì thiết bị sẽ hoạt động như một bộ phân tích đơn kênh (SCA) và chỉ chấp nhận các xung của một dải hẹp Các bộ phân biệt xung cung cấp một kích thước xung chuẩn cho thiết bị đếm khi xung nằm trong dải cho phép

2.2.4.7 Các thiết bị đếm

Có ba loại thiết bị đếm:

Một mạch đếm gộp là bộ phận đưa ra các số đếm mà được tích lũy trong thời gian đếm Các mạch đếm gộp hầu hết thường được sử dụng trong thiết bị thực nghiệm để đếm các mẫu

Một dụng cụ đo tốc độ: là bộ phận đo tốc độ của các xung đến

Một máy phân tích độ cao xung (PHA) hoặc máy phân tích đa kênh (MCA) cái mà

sử dụng khi độ cao xung phụ thuộc năng lương của bức xạ ion hóa Nó phân biệt các xung trong các kênh khác nhau theo độ cao của chúng Số xung đếm được trong một kênh được biểu diễn trên một sự mô tả trực quan và cung cấp thông tin về phổ năng lượng của bức xạ

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ

TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN

1 MÁY ĐẾM ĐƠN KÊNH MODEL 2200

1.1 Giới thiệu

Máy đếm đơn kênh Model 2200 là thiết bị dùng cho việc phân tích phổ gamma được thiết kế để hoạt động cùng với đầu dò nhấp nháy, ống đếm tỷ lệ hoặc ống đếm Geiger – Muller Thông tin đếm được hiển thị gồm số đếm trên đèn LED và tốc độ đếm trung bình trên mạch đếm kỹ thuật số Máy có thể kết nối với máy vi tính thông qua cổng RS – 232 và có phần mềm để xử lý kết quả đo (Hình 1.1)

1.1.1 Mặt trước của máy (Hình 1.2)

Mặt trước của máy bao gồm:

 Đèn đếm (count Lamd): LED đỏ chỉ thị thang đo trong chu trình đếm

 Công tắc đếm (count Switch): Xoá và khởi động đếm; thang đếm sẽ tự động tắt khi kết thúc thời gian đã đặt trước

 Thời gian đếm (Count Time): Cơ sở thời gian thông thường tính bằng phút từ 0 – 999 với các thang nhân X0.1 và X1

 Số phút (Minutes): Núm 3 số thập phân dùng để đặt trước thời gian đếm

 Công tắc chọn chức năng cho bộ đếm tốc độ (Rateme Function Selector): công tắc có ba vị trí (RATE, HV và BAT) Chức năng của công tắc này cho phép đọc vận tốc đếm, cao thế HV và kiểm tra tình trạng của pin trên đồng hồ

 Ngưỡng (threshold): Núm chọn thế 10 vòng dùng để chọn điểm phân biệt xung

cơ sở của thang đo Việc điều chỉnh này là tuyến tính trong khoảng 1.00 – 10.00 Nếu đặt thấp hơn 1.00, cộng với độ phi tuyến, nhiễu hệ thống sẽ gây ra sai số

 Cửa sổ (window): Nút chọn thế 10 vòng quay dùng để điều chỉnh độ rộng cửa

sổ Nó được định chuẩn cùng với việc điều chỉnh ngưỡng sao cho một vòng quay của việc điều chỉnh cửa sổ tương đương với một vòng quay điều chỉnh ngưỡng

 Tắt mở (ON - OFF): công tắc cho phép đưa vào hoặc loại bỏ cửa sổ

 Đầu nối vào detector (Detector input connection): đầu nối đồng trục nối tiếp

“C” Nó là đầu điều chỉnh không có số chỉ thị, cho phép chọn điểm làm việc mà không vượt ra khỏi khoảng tuyến tính của mạch threshold/window hoặc suất điện thế của detector

 Độ nhạy khuếch đại cực đại xảy ra khi quay theo chiều kim đồng hồ đến cực đại

 Công tắc nguồn (Power Switch): Công tắc 3 vị trí (OFF tắt nguồn; LINE cấp điện cho nguồn từ lưới 85 - 265 V, 50 – 60 Hz; BAT cáp nguồn từ 4 pin loại "D"

 Công tắc chọn khoảng (range Selector Switch): Công tắc 4 vị trí cho phép nhân với X1; X10; X100 và X1K Với thang đo 0 – 500 số đếm trên phút (cpm), toàn bộ khoảng của thiết bị là 0 - 500.000 cpm

 Công tắc ZERO (ZERO Switch): Khi ấn vào, tụ điện tích hợp phóng điện sẽ đưa đồng hồ đo về mức 0

 Đáp ứng F - S (F - S Response): Công tắc 2 vị trí chỉ thị đáp ứng nhanh hoặc chậm ở vị trí “F”, đồng hồ đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 4 giây Ở vị trí S đồng hồ đo sẽ chỉ từ 0 đến 90% toàn bộ thang đo trong 22 giây

 Cao thế (HV): Núm chỉnh 10 vòng điều chỉnh cao thế từ 200V đến 2500V Nó cho phép điều chỉnh tuyến tính nguồn thế nuôi detector Việc thay đổi điện thế detector

sẽ làm cho gain của detector thay đổi Sự thay đổi tuyến tính điện thế sẽ làm gain của detector thay đổi theo hàm số mũ Thiết bị hỗ trợ tải ống đếm nhấp nháy 100 Megaohm đạt tới điện thế 1500 Volt

 Đồng hồ vận tốc (Ratemeter): Đồng hồ 4 số thập phân với các khoảng đo 0 –

500, 0 – 5000; 0 – 50000; 0 – 500.000 cpm Số đọc trên bảng có kích thước 2.5 inch Các thang đo để kiểm tra pin và số đọc cao thế liên kết với công tắc Rate, HV và BAT

 Đọc số đếm (Count readout): Bảng diot phát quang 6 số thập phân cho biết số đếm

1.1.2 Mặt sau máy (Hình 1.3)

Mặt sau máy bao gồm:

 Đầu nối RS232 (RS232 connector): Đầu nối loại “D” chín chân, nối với máy tính hoặc máy in

 Công tắc chìm dữ liệu RS - 232 (RS232 Data Dipswitch): Công tắc chìm 2 cực đặt trên khung phía sau bên dưới nắp định chuẩn; kiểm soát dữ liệu RS-232 Công tắc chìm phía trên, ký hiệu “PC” và “PRNTR” để điều khiển loại dữ liệu Ở mode “PC”

dự liệu là loại nhị phân cho phép máy tính khởi phát/dừng đếm Nếu công tắc chìm

được thay đổi bằng máy tính thông qua cổng RS – 232 Ở mode “PRNTR” số đếm của thang đo chỉ xuất hiện ở lúc kết thúc đếm Nếu công tắc chìm đặt ở “PNTR”, việc đặt vòng ấn về “000” sẽ đặt thời gian đếm đến vô cùng, cho phép đo với thời gian rất dài Công tắc chìm ở dưới, đánh dấu “RECYLE” hoặc “OFF” cho phép đếm lập lại thay vì phải điều khiển bằng tay đối với mỗi chu trình đếm

 Nguồn lối vào (INPUT POWER): Điện lưới 85 – 265 V, 50 – 60 Hz

 Hộp pin (battery compartment): Chứa 4 pin loại “D”

1.1.3 Điều khiển bên trong

Điều khiển định chuẩn bộ vận tốc đếm (Ratermeter Calibration Controls): Bốn bộ

đo thế được dùng để định chuẩn bộ đo vận tốc đếm Mỗi khoảng điều khiển được đánh dấu tương ứng với khoảng vận tốc đếm được đặt trên mặt trước máy

Công tắc chìm cho cơ sở thời gian (Timebase Dipswitch): Công tắc chìm 2 cực đặt

trên bảng mạch chủ Nó cho cơ sở thời gian tính bằng giây thay đổi từ 0 đến 999 giây,

với công tắc nhân X1; X10 Đặt vòng ấn tới tất cả bằng zero, thời gian đếm của thiết bị

sẽ được xác định bởi máy tính nối ngoài thông qua cổng RS – 232

1.2 Đặc tính kỹ thuật

 Nguồn nuôi : 85 - 265 VAC, nguồn một pha, tần số 50 - 60 Hz

 Pin: 4 pin có thời gian sống 120 giờ, đặt trong thiết bị

 Độ nhạy lối vào: Độ nhạy điện thế cho tất cả các loại detecter, ống đếm tỷ lệ, G–M nhấp nháy

 Cao thế: Điều chỉnh bằng núm xoay 10 vòng từ 200 - 2500 volt; hỗ trợ ống đếm nhấp nháy 100 Megaohm tải đạt tới điện thế l500 volt

 Dây nối lối vào: Dây nối đồng trục "C" nối tiếp

 Thang đo: bảng diot phát quang 6 số (LED)

 Bộ đếm tốc độ đo: Máy đếm tuyến tính 4 số thập phân với các khoảng 0 – 500;

0 – 5000; 0 - 50.000 và 0 - 500.000 cpm Đồng hồ đo 2.5 inch có các thang riêng cho việc kiểm tra pin và số đọc cao thế

 Thời gian: Cơ sở thời gian thông thường tính bằng phút từ 0 - 999 với các thang nhân X0.1 và X1

 Độ chính xác thời gian: Cơ sở thời gian cho thang đo được kiểm soát bằng tinh thể và có độ chính xác là +/- 0.2 % số đọc trên núm điều chỉnh

 Đồng hồ đo: 1mA, thang dài 2.5 inch, cơ chế DC tự bảo vệ

 Thời gian đáp ứng: ở vị trí fast 4 giây Ở vị trí Low 22 giây đối với khoảng 10 – 90% toàn thang đo

 Độ chính xác của thang đo: trong khoảng +/- giá trị tham chiếu

 Độ chính xác của tốc độ đếm: +/- 10% giá trị tham chiếu

 Điều kiện môi trường làm việc: Chỉ để trong nhà không tính độ cao cực đại; nhiệt độ (-20  50o); độ ẩm tương đối nhỏ hơn 95% (không tụ hơi nước)

1.3 Cách vận hành

1.3.1 Nguồn nuôi:

Ta có thể sử dụng nguồn nuôi bằng cách chọn chế độ dùng điện lưới hoặc dùng pin bằng công tắc nguồn

 Vận hành bằng nguồn điện lưới (LINE OPERATION): Nối thiết bị với nguồn lưới 85 – 265V, 50 – 60 Hz Bật công tắc về LINE

 Vận hành bằng nguồn pin: các ổ pin nằm ở mặt sau của thiết bị Đặt 4 pin loại

“D” vào với cực dương hướng ra ngoài Bật công tác về BAT, kiểm tra tình trạng pin bằng cách chọn BAT trên đồng hồ RATE – HV – BAT

Để kiểm tra hoạt động của thiết bị ta ấn vào núm COUNT lúc này đèn đếm sẽ phát sáng, máy khởi phát thang đếm Điều này chứng tỏ máy hoạt động bình thường

1.3.2 Cách sử dụng phần mềm

1.3.2.1 Giới thiệu chung

Cổng nối tiếp của Model - 2200RS-232 có thể được nối với máy tính hoặc máy in

để lấy thông tin Phần mềm dựa trên WindowMT và cáp được cung cấp cùng với thiết

Công tắc trên, đánh dấu “PC” và “PRNTR”, kiểm soát loại dữ liệu Ở mode “PC”,

dữ liệu là nhị phân, cho phép máy tính khởi phát hoặc dừng đo Ở mode “PC” thời gian có thể thay đổi bởi máy tính, nhưng chỉ khi vòng ấn thời gian đếm đặt ở “000” Ở mode “PRNTR” số đếm trên thang đo chỉ được đưa ra khi kết thúc đếm Công thức dưới ký liệu “RECYCLE” và “OFF” cho phép đếm theo chu trình thay vì phải ấn bằng tay nút COUNT đối với mỗi chu trình Mode này là hữu dụng với máy in để lấy nhiều

số đếm riêng rẽ

1.3.2.2 Sử dụng phần mềm

Bật về OFF cả hai, máy tính và thiết bị Model 2200

Nối một đầu cáp RS - 232 vào Model 2200 và đầu kia vào cổng nối tiếp chưa sử dụng đằng sau máy tính (Cổng chưa sử dụng này có thể được ký hiệu COM1, COM2 COM3 hoặc COM4)

 Cài đặt phần mềm

Đưa đĩa phần mềm LMFM2200 vào ổ đĩa, sẽ cài đặt tự động Nếu không được, nhấn kép lên file “setup.exe” trên đĩa CD

Chương trình sẽ cài đặt vào “C:\Program Fileslm2200” Một biểu tượng khởi phát menu sẽ được tạo ra dưới Start/programs/Ludlum Measurements, Inc./Model2200 Trước khi chạy chương trình phải bảo đảm rằng Model 2200 nằm trong mode “PC”

và vòng ấn thời gian đếm được đặt ở “000”

 Sau khi logging đã dừng, dữ liệu có thể được lưu vào hồ sơ tạm hoặc được đưa

ra máy in Hồ sơ tạm gọi là “grid.dat” được tạo ra khi logging khởi phát Format đối với hồ sơ này là hồ sơ dạng “comma-delimited text file” Nếu chương trình bị đóng lại trước khi dùng nút bấm Save hoặc Print, dữ liệu có thể bị rút khỏi hồ sơ này

 Save: Nhấn nút này để lưu các dữ liệu đã được log vào hồ sơ tạm để nhập vào bảng tính hoặc vào chương trình database

 Print: Nhấn nút này để đưa dữ liệu đã được log ra máy in

 Dữ liệu đính kèm: Khi đánh dấu kiểm, dữ liệu được gắn vào bảng và khi bỏ kiểm bảng được xóa đi khi các nút “start logging” hoặc “Log 1 Count” được nhấn

1.4 Bảo quản thiết bị

Để thiết bị hoạt động ổn định và có hiệu suất cao ta cần phải bảo đảm tất cả các phép đặt và điều chỉnh đã được thực hiện thỏa đáng

Model 2200 có thể được lau chùi bằng vải ẩm (Chỉ dùng nước làm tác nhân ẩm) Không nhúng thiết bị vào bất kỳ chất lỏng nào Hãy chú ý: