Khảo sát sự phụ thuộc hiệu suất ghi vào kích thước hình học của detector nhấp nháy bằng phương pháp monte carlo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN MINH TIẾN KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC HIỆU SUẤT GHI VÀO KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA DETECTOR NHẤP NHÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MINH CẢO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ động viên lớn từ quý thầy cô, gia đình bạn bè Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tất người Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Cảo, người trực tiếp hướng dẫn thực đề tài luận văn, đưa nhận xét quý giá, giúp chỉnh sửa hoàn thành luận văn cách tốt Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, giám đốc trung tâm đào tạo, viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt tạo điều kiện tốt cho tôi đến thực đề tài Quý thầy cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh cung cấp cho kiến thức cần thiết bản, cần thiết trình học Đại học Sau Đại học để có khả hoàn thành luận văn Quý thầy cô bạn giảng viên môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho đến phòng thí nghiệm môn để thực đề tài Ba mẹ tôi, người không ngại khó khăn, gian khổ, suốt đời lo lắng nuôi dưỡng cho học hành, bước qua giảng đường đại học Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Trần Minh Tiến MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, ghi nhận xạ hạt nhân đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu đặc trưng tia xạ Chính vậy, nhà khoa học nghiên cứu chế tạo thiết bị ghi nhận xạ hạt nhân Ban đầu, detector dùng để xác nhận có mặt chùm xạ tia X tia gamma, sau xác định cường độ chùm tia Ngày nay, detector không dừng lại việc phát mà cho phép ta xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo lượng tia X tia gamma Hiệu suất ghi nhận xạ hạt nhân detector phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác loại detector (detector nhấp nháy, bán dẫn, ) hay lượng tia xạ, khoảng cách từ nguồn phát xạ tới detector Đối với detector nhấp nháy, hiệu suất ghi phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại tinh thể nhấp nháy; kích thước, hình dạng tinh thể Đối với detector bán dẫn, hiệu suất ghi phụ thuộc vào loại bán dẫn Si(Li), Ge(Li), HPGe Việc xây dựng đường cong hiệu suất detector cần thiết từ chọn lựa thuộc tính detector để tối ưu hiệu suất detector, từ việc nghiên cứu đạt kết cao Cho đến có nhiều công trình nghiên cứu xây dựng đường cong hiệu suất detector bán dẫn, cụ thể bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, chưa xây dựng cho detector nhấp nháy Các detector nhấp nháy sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm riêng nên việc xây dựng đường cong hiệu suất cần thiết Trong nghiên cứu khoa học, phương pháp đo đạc tính toán thực nghiệm đóng vai trò quan trọng Nhờ thực nghiệm mà kết tính toán lý thuyết kiểm chứng tính đắn Khi kết lý thuyết thực nghiệm có phù hợp với sở để tin tưởng vào xác kết Tuy nhiên lúc phương pháp thực nghiệm thực cách dễ dàng, xác, lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân, lĩnh vực mà kết tính toán thường gần mang tính chất thống kê Chính lý mà ngày người ta thường kết hợp lý thuyết thực nghiệm việc nghiên cứu vấn đề Một phương pháp lý thuyết mô máy tính, cụ thể mô Monte Carlo dùng chương trình MCNP Đây chương trình sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác Việc áp dụng chương trình MCNP vật lý hạt nhân thực nhiều năm gần với phiên MCNP ngày hoàn thiện Vì vậy, việc hiểu biết chương trình cách sử dụng điều cần thiết người làm việc lĩnh vực vật lý hạt nhân Trong đề tài luận văn này, chương trình MCNP4C2 sử dụng để khảo sát hiệu suất ghi xạ hạt nhân detecter nhấp nháy, xem phụ thuộc vào kích thước hình học detector Đây đề tài chưa nhiều người quan tâm nghiên cứu Dựa kết đạt được, ta có lựa chọn tốt việc sử dụng detector nhấp nháy ghi nhận tia xạ hạt nhân Đối tượng nghiên cứu luận văn detector nhấp nháy Gamma – Rad nguồn phóng xạ chuẩn có phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Chi tiết detector nguồn mô tả chi tiết phần sau luận văn Phương pháp nghiên cứu đề tài luận văn kết hợp mô máy tính thực nghiệm Phần mềm mô sử dụng MCNP4C2, chương trình mô máy tính đáng tin cậy, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô trình vận chuyển nơtron, photon electron riêng biệt kết hợp môi trường vật chất Nội dung luận văn trình bày thành ba chương:  Chương 1: trình bày tổng quan tiến trình phát triển detector ghi xạ tia X tia gamma; sở lý thuyết cho việc nghiên cứu đề tài, phương pháp ghi nhận xạ hạt nhân detector nhấp nháy  Chương 2: trình bày phương pháp Monte-Carlo chương trình MCNP  Chương 3: mô đầu dò nhấp nháy, xây dựng đường cong biểu diễn phụ thuộc hiệu suất ghi detector theo khoảng cách theo lượng, so sánh với thực nghiệm để kiểm tra lại độ tin cậy chương trình MCNP chất lượng code đầu vào Từ dùng mô MCNP để xây đựng đường cong biểu diễn phụ thuộc hiệu suất ghi detector nhấp nháy vào kích thước CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN DETECTOR GHI BỨC XẠ TIA GAMMA VÀ TIA X Vào giai đoạn ban đầu trình phát triển detector, người ta dùng để xác định có mặt chùm tia X tia gamma, sau xác định cường độ chúng Ngày nay, detector cho phép xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo lượng Một số mốc thời gian quan trọng đánh dấu bước phát triển thiết bị ghi nhận xạ hạt nhân: - Vào năm 1895, phổ kế quang học ứng dụng tượng tán sắc ánh sáng Roentgen sử dụng để đo bước sóng tia X - Vào năm 1908, ống đếm chứa khí phát minh Rutherford Geiger cho phép đo cường độ chùm tia X tia Gamma chưa xác định lượng chùm xạ - Vào năm 1948, detector nhấp nháy NaI(Tl) chế tạo Hofstadter, có khả đo phổ gamma với dải lượng rộng Từ đó, tinh thể chất nhấp nháy chế tạo có kích thước ngày lớn nên có khả hấp thụ tia gamma có lượng cao - Vào năm 1960, phổ kế tinh thể, hệ phổ kế gamma chế tạo dựa chế nhiễu xạ chùm tia gamma tinh thể Bragg Loại phổ kế có độ phân giải lượng cao có nhược điểm hiệu suất ghi thấp nên dùng để đo số nguồn phóng xạ tia gamma có cường độ lớn dùng để chuẩn hóa hệ phổ kế gamma khác - Vào năm 1962, detector bán dẫn Ge(Li) chế tạo thành công Pell số nhà nghiên cứu khác, từ mở cách mạng lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo detector Loại detector bán dẫn có độ phân giải lượng cao, tốt nhiều lần so với detector nhấp nháy NaI(Tl) - Trong năm 1980, người ta chế tạo thành công detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe (high purity germanium ) có nhiều tính chất tốt so với hệ detector bán dẫn trước Hiện nay, detector HPGe ngày ứng dụng rộng rãi kĩ thuật đo hoạt độ mẫu phóng xạ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TƯƠNG TÁC GIỮA BỨC XẠ VÀ VẬT CHẤT 1.2.1 Tính chất xạ gamma Bức xạ gamma có chất sóng điện từ, photon lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV Bước sóng xạ gamma nhỏ nhiều so với kích thước nguyên tử a (a có giá trị cỡ 10-10 m); liên hệ với lượng :  2 c E (1.1) Bức xạ gamma bị vật chất hấp thụ tương tác điện từ giống hạt tích điện Tuy nhiên, chế trình hấp thụ xạ gamma khác với hạt tích điện: Các hạt tích điện Bức xạ gamma Nguyên nhân Khi qua vật chất, hạt Khi qua vật chất, lượng tử Lượng tử gamma không tích điện va chạm nhiều với gamma va chạm với có điện tích nên không chịu electron hạt nhân, nên bị electron hạt nhân, nên lệch ảnh hưởng lực Coulomb lệch nhiều khỏi phương bay khỏi phương bay ban đầu tương tác xa ban đầu mình Không bị làm chậm Bị làm chậm môi môi trường, bị hấp thụ, trường tán xạ thay đổi phương bay Lượng tử gamma có khối lượng nghỉ nên vận Chỉ bị suy giảm cường độ tốc khác Có quãng chạy hữu hạn chùm tia tăng bề dày vật chất vận tốc ánh sáng c vật chất (có thể bị hấp thụ (không bị hấp thụ hoàn toàn) hoàn toàn) Không có khái niệm quãng chạy Bảng 1.1: so sánh chế trình hấp thụ gamma hạt tích điện 1.2.2 Các chế tương tác tia gamma với vật chất Các hạt tích điện tương tác với vật chất gây tượng ion hóa trực tiếp xạ gamma, tương tác, lượng photon truyền toàn cho vật chất hấp thụ qua lần va chạm Các sản phẩm tạo sau va chạm hạt tích điện photon thứ cấp, tác dụng vật chất hấp thụ tạo phần lớn ion Vì người ta gọi trình tương tác photon với vật chất ion hóa gián tiếp Nhìn chung phương diện vật lý, trình hấp thụ photon xảy theo chế: hiệu ứng quang điện, tán xạ compton hiệu ứng tạo cặp  Hiệu ứng quang điện: Khi lượng tử gamma va chạm với electron nguyên tử, gamma biến lượng gamma truyền toàn cho electron quỹ đạo để bay khỏi nguyên tử Electron gọi quang electron Tia  quang electron Hình 1.1: hiệu ứng quang điện Khi xảy tương tác này, toàn lượng photon tới truyền hết cho electron photon tới không Mỗi electron quỹ đạo ứng với giá trị lượng liên kết xác định  lk , tùy thuộc quỹ đạo chuyển động (K, L, M, N….) số nguyên tử Z hạt nhân Như lượng photon tới E phải lớn  lk electron để phá vỡ liên kết electron với hạt nhân Phần lượng dư thừa động cho quang electron Ee E = h =  lk + Ee (1.2) Với động đó, quang electron có khả ion hóa nguyên tử phân tử khác Phần động Ee quang electron lớn nhiều so với phần lượng để bứt electron khỏi quỹ đạo  lk Về phía nguyên tử vật chất, electron bị bật khỏi quỹ đạo, electron khác vành đến chỗ Năng lượng dư thừa chênh lệch  lk hai quỹ đạo, phát dạng photon Giá trị lượng  lk phụ thuộc vào quỹ đạo, vào số nguyên tử Z nên photon thứ cấp có giá trị xác định gọi xạ đặc trưng: h = EeL - EeK với EeK EeL lượng electron vành K vành L e- Hình 1.2: chế phát xạ đặc trưng (1.3) Nếu E <  lk =  K hiệu ứng quang điện xảy với electron lớp L, M,… E <  lk =  L hiệu ứng quang điện xảy với electron lớp M, … (Vì  K >  L >  M ) Hiệu ứng quang điện không xảy với electron không bảo đảm quy luật bảo toàn lượng động lượng Giả sử hiệu ứng quang điện xảy với electron tự theo quy luật bảo toàn lượng động lượng ta có: Bảo toàn lượng :   E  me c   1  1     (1.4) Bảo toàn động lượng: m c E  e c 1  (1.5) E   1  2 mc 1  1  (1.6) Từ hệ phương trình ta được: Hay: 1     1  (1.7) Phương trình có hai nghiệm  =0  =1 Giá trị  =0 cho nghiệm tầm thường Ee = giá trị  =1 ý nghĩa electron có khối lượng khác Như muốn có hiệu ứng quang điện thì: electron phải liên kết nguyên tử lượng tia gamma phải lớn lượng liên kết electron không lớn electron coi gần tự Nhận xét thể hình mô tả phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào lượng gamma:  photo 1/E7/2 M L K E Hình 1.3: Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc lượng gamma E Ở miền lượng gamma lớn tiết diện bé gamma coi electron liên kết K yếu Khi giảm lượng gamma, tức tăng tỉ số dần đến  K , tiết diện tăng theo hàm E , tiết diện tăng theo quy luật Khi E tiến E tăng E =  K E 7/ Khi lượng gamma vừa giảm xuống giá trị  K hiệu ứng quang điện xảy với electron lớp K nên tiết diện giảm đột ngột Tiếp tục giảm lượng gamma, tiết diện tăng trở lại hiệu ứng quang điện electron lớp L Nó đạt giá trị lớn E =  L lại giảm đột ngột E giảm xuống thấp  L Sau hiệu ứng quang điện xảy electron lớp M,… Do 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, tiết diện hiệu ứng quang điện:  photo  Z5 E   K E 7/ (1.8)  photo  Z5 E   K E (1.9) Tiết diện hiệu ứng quang điện electron lớp K tính theo công thức sau: E bé:  13, 61    E  7/2  photo  K  1, 09.1016 Z  (1.10) E  me c   photo K  1,34.10 33 Z5 E (1.11) Trong  tính theo đơn vị cm2, E theo đơn vị eV công thức MeV công thức Sự đóng góp hiệu ứng quang điện lớp L, M,…bé so với electron lớp K Ta có tỉ số tiết diện hiệu ứng quang điện electron lớp L,M so với electron lớp K: M   K 20 L  K (1.12) M  L (1.13) (1.14) Các công thức cho thấy hiệu ứng quang điện xảy chủ yếu với electron lớp K với tiết diện lớn nguyên tử nặng, chẳng hạn chì, vùng lượng cao, nguyên tử nhẹ, chẳng hạn thể sinh học, hiệu ứng quang điện xuất vùng lượng thấp  Hiệu ứng Compton Khi tăng lượng gamma đến giá trị lớn nhiều so với lượng liên kết electron K nguyên tử vai trò hiệu ứng quang điện không đáng kể bắt đầu hiệu ứng Compton Khi bỏ qua lượng liên kết electron so với lượng gamma tán xạ gamma lên electron coi tán xạ với electron tự do, gọi tán xạ Compton Hiệu ứng Compton tán xạ đàn hồi gamma vào electron chủ yếu quỹ đạo nguyên tử Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay bị phần lượng electron giải phóng khỏi nguyên tử Tia  Tia  electron Hình 1.4: hiệu ứng compton h   e -  Hình 1.5: sơ đồ tán xạ lên electron tự Trên sở tính toán động học trình tán xạ đàn hồi hạt gamma chuyển động với lượng E lên electron đứng yên ta có công thức sau lượng gamma E’ lượng electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay  gamma sau tán xạ: Trong đó:   E' E 1   (1  cos  ) (1.15) Ee  E  (1  cos  )   (1  cos  ) (1.16) E , me = 9,1.10-31 kg, c = 3.108 m/s, me c = 0,51 MeV me c Góc bay  electron sau tán xạ liên hệ với góc  sau: tg   E 1 E' cotg  (1.17) Các bước sóng   ' gamma liên hệ với giá trị lượng E E’ sau:  hc hc ; '  E E' (1.18) Theo công thức E’ < E, nghĩa lượng gamma giảm sau tán xạ Compton bước sóng tăng Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ  gamma theo biểu thức:    '   2c sin ( / 2) Trong c  (1.19) h  2, 42.1012 m bước sóng Compton, xác nhận thực nghiệm Do me c  phụ thuộc vào góc  nên không phụ thuộc vào vật liệu môi trường Từ (1.19) ta thấy bước sóng  ' tăng tăng góc tán xạ     ;   c    / ;     Tuy nhiên với góc  cho trước  không phụ thuộc vào  Như hiệu ứng Compton không đóng vai trò đáng kể     '   , chẳng hạn với ánh sáng nhìn thấy với tia X lượng thấp Hiệu ứng Compton đóng góp lớn tia gamma sóng ngắn, hay lượng cao, cho    Theo công thức (1.17), góc bay  gamma tán xạ thay đổi từ 0 đến 90 Khi tán xạ Compton, lượng tia gamma giảm phần lượng giảm truyền cho electron giật lùi Như lượng electron giật lùi lớn gamma tán xạ với góc  lớn Gamma truyền lượng lớn cho electron tán xạ góc   180 , tức tán xạ giật lùi Giá trị lượng cực đại electron bằng: ( Ee )max  E  2 (1.20) Tiết diện vi phân tán xạ Compton có dạng: d  cos2   re2 d 1   1  cos    re     1  cos       1  cos   1   1  cos     (1.21) e2 E ;  me c me c Tiết diện tán xạ Compton toàn phần nhận cách lấy tích phân biểu thức theo tất góc tán xạ: 1    1     1  3  (1.22)  ln    ln                         Compton  2 re2  Ta xét trường hợp giới hạn tiết diện tán xạ Compton: - Khi  bé, tức E  me c , công thức (1.22) chuyển thành:    Compton   T hom son   2  Trong  T hom son  26      (1.23) 8 e tiết diện tán xạ Thomson tính cho trường hợp lượng tia me c gamma bé Như lượng gamma bé,   0, 05 , tiết diện tán xạ Compton tăng tuyến tính giảm lượng đạt giá trị giới hạn  T hom son - Khi  lớn, tức E  me c , công thức (1.22) chuyển thành:  Compton   re2 1    ln 2   2  (1.24) Công thức (1.23) cho thấy, lượng gamma lớn, E  me c hay   ,  Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với lượng E Do nguyên tử có Z electron nên tiết diện tán xạ Compton nguyên tử có dạng:  Compton  Z E (1.25)  Hiệu ứng tạo cặp Những photon có lượng  1,022 MeV đến gần hạt nhân nguyên tử tương tác với trường hạt nhân biến chuyển thành cặp electron (e-) positron (e+) Năng lượng tối thiểu dùng cho hiệu ứng 1,022 MeV tương ứng với khối lượng tĩnh me hai hạt vi mô E = me.c2 = 0,511 MeV, với c vận tốc ánh sáng chân không Hình 1.6: Hiệu ứng tạo cặp Phần lượng lại photon tới động cho hai hạt vi mô xuất Như vậy: E = 2me.c2 + E-d + E+d (1.26) Các hạt thứ cấp có động nên tương tác với vật chất gây trình ion hóa thứ cấp ee+ eHình 1.7: hiệu ứng sinh cặp electron-positron Điện tử dần động chuyển dạng chuyển động nhiệt gắn với ion dương Positron dễ dàng kết hợp với điện tử khác vật chất tạo positron có lượng 0,511 MeV phát theo hai hướng ngược chiều Nếu gamma vào có lượng lớn hai lần lượng tĩnh electron 2me c  1, 02 MeV qua điện trường hạt nhân sinh cặp electron-positron Đó hiệu ứng sinh cặp electron-positron Sự biến đổi lượng thành khối lượng phải xảy gần hạt để hạt chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng bảo toàn Quá trình tạo cặp xảy gần hạt nhân, động chuyển động giật lùi hạt nhân bé nên phần lượng dư biến thành động electron positron Quá trình tạo cặp xảy gần electron xác suất bé so với trình tạo cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần Như hiệu ứng sinh cặp xảy lượng E gamma vào lớn 1,02 MeV Hiệu số lượng E  2me c tổng động electron Ee- positron Ee+ bay Do hạt có khối lượng giống nên có xác suất lớn để hạt có lượng Ee-= Ee+ Electron dần lượng để ion hóa nguyên tử môi trường Positron mang điện tích dương nên gặp electron nguyên tử, điện tích chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi tượng hủy electron - positron Khi hủy electron-positron, lượng tử gamma sinh bay ngược chiều nhau, lượng tử có lượng 0,51 MeV, tức lượng tổng cộng chúng tổng khối lượng hạt electron positron 1,02 MeV Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất Như trình bày trên, gamma tương tác với vật chất có hiệu ứng xảy ra, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton hiệu ứng tạo cặp electron-positron Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng trình bằng:    photo   Compton   pair Trong tiết diện trình quang điện  photo   Compton  (1.27) Z5 , tiết diện trình tán xạ Compton E 7/ Z , tiết diện trình tạo cặp  pair  Z ln E E Hình 1.8: tiết diện tương tác gamma với đồng Từ phụ thuộc tiết diện vào lượng E gamma điện tích Z vật chất ta thấy miền lượng bé E1 chế tương tác gamma với vật chất hiệu ứng quang điện, miền lượng trung gian: E1 < E < E2 – hiệu ứng Compton miền lượng cao E > E2 – trình tạo cặp electron-positron Các giá trị lượng phân giới E1 E2 phụ thuộc vào vật chất Đối với nhôm E1 = 50 KeV, E2 = 15MeV Còn chì E1 = 500 KeV E2 = MeV 1.3 PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN BỨC XẠ HẠT NHÂN BẰNG DETECTOR NHẤP NHÁY 1.3.1 Nguyên tắc hoạt động chung detector nhấp nháy Khi xạ ion hóa vào khối chất nhấp nháy kích thích nguyên tử hay phân tử Sau với dịch chuyển trạng thái chúng phát ánh sáng nhấp nháy, photon ánh sáng Qua lớp dẫn sáng, photon đập vào photocatode ống nhân quang lối xuất tín hiệu có biên độ lớn Tín hiệu đưa vào tiền khuếch đại, thiết bị có tác dụng hòa hợp tổng trở lối detector với lối vào khuếch đại Xung điện tạo thành sau qua khuếch đại tăng biên độ lên bậc trước đưa vào phân tích ghi nhận Sơ đồ detector nhấp nháy nối với phận cần thiết: Hình 1.9: sơ đồ khối hệ đo dùng detector nhấp nháy 1.3.2 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động phận detector nhấp nháy 1.3.2.1 Tinh thể nhấp nháy Quá trình phát quang, nguyên tắc, thực hai cách Trong trường hợp, chuyển mức từ trạng thái lượng kích thích trạng thái cho phép, xạ photon diễn tương ứng thời gian sống trung bình trạng thái kích thích theo quy luật thống kê thông thường Loại xạ photon gọi dịch quang Nếu nguyên nhân đấy, chuyển mức từ trạng thái kích thích trạng thái bị cấm, xuất trạng thái giả bền, thời gian sống trạng thái giả bền lớn trạng thái kích thích thông thường nhiều lần Trong trường hợp muốn có xạ photon trước hết phải đưa toàn hệ (tức nguyên tử hay phân tử) lên mức lượng cao mà chuyển mức từ xuống mức lượng cho phép Phần lượng bù thêm nguyên tử hay phân tử nhận từ thăng giáng lượng chuyển động nhiệt Quá trình xạ photon theo kiểu gọi phát lân quang Chúng ta cần ý rằng, số chất nhấp nháy, thành phần xạ lân quang chiếm tỷ lệ đáng kể so với cường độ xạ toàn phần Trên quan điểm detector, chất nhấp nháy phải thỏa mãn số yêu cầu Trước hết, chất nhấp nháy phải có hiệu suất biến đổi cao, tức tỷ số lượng photon lượng hạt qua môi trường phải lớn Hiệu suất biến đổi chất nhấp nháy thường sử dụng cỡ từ vài phần ngàn đến hàng chục phần trăm Trong chất nhấp nháy lý tưởng, hiệu suất biến đổi không phụ thuộc vào chất, động hạt mang điện Trong trường hợp này, cường độ ánh sáng tỷ lệ thuận với lượng mà hạt tiêu tán môi trường nhấp nháy Một detector có chất nhấp nháy có đặc tính tỷ lệ tuyệt đối Tuy nhiên, chất nhấp nháy thực tế, tính chất tỷ lệ bị hạn chế, hạt có khả ion hóa khác hiệu suất biến đổi khác Một điều cần ý chất có hiệu suất biến đổi cao chưa phù hợp với detector nhấp nháy Trên thực tế, để ghi nhận ánh sáng nhấp nháy ống nhân quang điện, điều cần thiết photon xạ phải khỏi môi trường nhấp nháy Tỷ số lượng photon từ chất nhấp nháy lượng mà hạt mát thể tích chất nhấp nháy gọi hiệu suất kỹ thuật hay suất kỹ thuật Hiệu suất kỹ thuật phụ thuộc vào đại lượng xê dịch phổ xạ phổ hấp thụ tức phụ thuộc độ suốt môi trường xạ riêng phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân thực tế khác chiều dày môi trường Số lượng tạp chất trạng thái bề mặt v.v… Trong chất nhấp nháy lý tưởng có độ suốt tuyệt đối xạ riêng, hiệu suất kỹ thuật hiệu suất biến đổi Khi sử dụng ống nhân quang điện, phải chọn cho dải sóng nhạy cảm ống nhân quang điện phù hợp với bước sóng chất nhấp nháy phát Và cuối cùng, để bảo đảm độ phân giải cao theo thời gian, độ kéo dài xung ánh sáng phải tương đối nhỏ Trong phần lớn trường hợp, cường độ phát sáng chất nhấp nháy J giảm theo thời gian theo quy luật hàm mũ: J(t) = J0e-t/ (1.28) Thời gian  mà cường độ ánh sáng giảm e lần đại lượng đặc trưng cho thời gian kéo dài xung ánh sáng gọi thời gian phát sáng chất nhấp nháy Trong số chất nhấp nháy khác cường độ phát sáng phụ thuộc vào thời gian theo quy luật phức tạp nhiều Những tính chất bản, có thời gian phát sáng chất nhấp nháy, xác định chế phát sáng Trên quan điểm ta chia chất nhấp nháy quen thuộc làm ba loại: tinh thể nhấp nháy hữu cơ, vô chất khí nhấp nháy Tuy nhiên, trình kích thích xạ photon chúng xảy gần tương tự 1.3.2.2 Bộ phận nhân quang Các xung ánh sáng phát từ chất nhấp nháy ghi nhận ống nhân quang điện Ánh sáng qua cửa sổ suốt ống nhân quang điện đập vào bề mặt photocatod Những photon ánh sáng với lượng h làm xạ electron từ lớp nhạy quang photocatod Những photoelectron gia tốc hội tụ điện trường, cho chúng lại đập vào điện cực đặc biệt (được gọi dinod) Đinốt chế tạo vật liệu có cổng điện tử nhỏ bị electron bắn phá, xạ electron thứ cấp, với số lượng lớn số lượng electron ban đầu vài ba lần Những electron thứ cấp lại gia tốc hội tụ lên đinốt đinốt lại đóng vai trò phát xạ electron thứ cấp v.v… Số lượng dinod lớn (10) Cứ lần chuyển tiếp từ dinod sang đinốt tiếp theo, số lượng electron nhân lên nhiều lần nói răng, số lượng electron xạ dinod cuối lớn số lượng electron ban đầu hàng vạn đến hàng triệu lần Như vậy, ống nhân quang điện đồng thời đóng vai trò biến tín hiệu quang học thành tín hiệu điện khuếch đại chúng Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động phận nhân quang Khi sử dụng ống nhân quang điện ống đếm nhấp nháy với tinh thể vô cơ, mà thời gian phát sáng chúng lớn (cỡ vài phần mười microsec) tính chất thời gian ống nhân quang điện không đáng kể thời gian phân giải ống đếm xác định thời gian phát sáng tinh thể nhấp nháy Khi làm việc với tinh thể nhấp nháy hữu cơ, với chất nhấp nháy lỏng, thời gian phân giải ống nhân quang điện bậc với thời gian phát sáng chất nhấp nháy, phải tính đến thời gian phân giải ống nhân quang điện tổng thời gian phân giải ống đếm nhấp nháy Trong số thí nghiệm yêu cầu có thời gian phân giải cao, người ta sử dụng ống nhân quang điện có cấu trúc đặc biệt với thời gian phân giải (1– 2).10-10sec 1.3.3 Phổ xạ gamma detector nhấp nháy 1.3.3.1 Nguyên tắc ghi xạ gamma Khi qua môi trường vật chất, tia X tia gamma không gây hiệu ứng ion hóa kích thích trực tiếp môi trường vật chất Vì việc ghi nhận chúng thực thông qua tương tác phần hay toàn lượng chúng truyền cho electron Tia gamma đột ngột biến thay electron Chính electron tác nhân ion hóa gây xung điện lối detector Ngoài trình ion hóa, electron lượng thông qua trình kích thích nguyên tử môi trường hấp thụ (ở chất nhấp nháy dùng làm detector) phát xạ hãm Như vậy, detector phải thực hai chức năng: biến đổi lượng tia gamma thành lượng electron hấp thụ lượng electron thứ cấp 1.3.3.2 Tương tác xạ gamma với vật chất Các hiệu ứng tương tác tia gamma với vật chất bao gồm: hiệu ứng quang điện, compton, phổ lượng tổng cộng electron sơ cấp thứ cấp tạo phụ thuộc lượng ban đầu gamma Nếu tổng lượng electron tỷ lệ tuyến tính với lượng gamma ban đầu phổ gamma có dạng phổ lượng electron tổng cộng Trong ba loại tương tác hấp thụ quang điện chế tương tác mong đợi, tạo dạng phổ đơn giản chứa đỉnh quang điện Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc gần vào bậc số nguyên tử Z theo quy luật Z4,5 nên vật liệu dùng để chế tạo detector ghi gamma thường chứa thành phần có Z cao Trong hiệu ứng quang điện, tia gamma tương tác với electron liên kết nguyên tử, thông thường electron lớp K có lượng liên kết từ vài keV đến vài chục keV tương ứng với nguyên tử có Z nhỏ Z lớn, truyền toàn lượng cho electron Electron sau thoát khỏi nguyên tử để lại lỗ trống Các electron từ mức cao chuyển lỗ trống phát tia X đặc trưng Tia X đặc trưng di chuyển khoảng, thông thường cỡ 1mm nhỏ hơn, sau tương tác quang điện với electron liên kết yếu giải phóng electron kèm theo tia X đặc trưng lượng thấp Quá trình tiếp diễn toàn lượng tia X ban đầu bị hấp thụ electron quang điện Như vậy, kết hiệu ứng quang điện ban đầu tạo electron mang phần lớn lượng tia gamma electron lượng thấp Nếu electron hấp thụ hoàn toàn tổng động chúng với lượng tia gamma ban đầu phổ động electron xuất đỉnh phổ Đối với tán xạ compton, lượng tia gamma lớn nhiều so với lượng liên kết electron tán xạ compton chế tương tác chủ yếu Sau tương tác, electron photon, gamma tán xạ, tạo Thông thường, gamma tán xạ tất góc detector, lượng electron nhận trải dài từ không tới giá trị cực đại Trong phổ lượng electron xuất vùng liên tục Trong trường hợp xét đến lượng liên kết nhỏ electron với nguyên tử, đỉnh nhọn lượng cực đại trở thành đỉnh tròn cạnh compton có độ dốc định Đối với hiệu ứng tạo cặp, cặp electron positron tạo Chúng di chuyển cỡ vài mm trước hết lượng Trong phổ lượng electron xuất đỉnh phổ cách lượng h tia gamma khoảng 2m0c2 Positron cuối quãng chạy hủy với electron môi trường tạo hai tia gamma ngược chiều lượng nhau, m0c2 Thời gian để làm chậm hủy positron nhỏ, hai kiện tạo cặp hủy gần trùng 1.3.3.3 Hàm đáp ứng detector Hàm đáp ứng detector cho biết hình dạng phổ gamma thu tiến hành ghi xạ gamma điều kiện đo cụ thể Nó phụ thuộc vào kích thước, chất liệu cấu tạo detector, lượng tia gamma tới, hình học đo, môi trường xung quanh detector, cấu tạo loại nguồn phóng xạ… Đối với detector có kích thước nhỏ, (kích thước detector nhỏ 2cm coi nhỏ quãng đường tự trung bình của tia gamma vào khoảng vài centimet):  Nếu lượng gamma nhỏ giới hạn tạo cặp, phổ xuất miền liên tục tương ứng với tán xạ Compton gọi miền liên tục compton, đỉnh phổ hẹp tương ứng với hiệu ứng quang điện gọi đỉnh quang điện Đối với detector nhỏ, xảy tương tác lần, tỷ số diện tích đỉnh quang điện miền liên tục compton tỷ số tiết diện quang điện tán xạ compton  Nếu lượng gamma lớn giới hạn tạo cặp, hiệu ứng tạo cặp ảnh hưởng đến phổ Vì kích thước detector nhỏ nên có electron tạo cặp positron bị hấp thụ, gamma hủy cặp thoát khỏi thể tích detector Sự hấp thụ lượng electron positron tạo đỉnh phổ nằm lượng gamma khoảng 2m0c2, đỉnh phổ gọi đỉnh thoát cặp nằm chồng lên miền liên tục compton dN dE dN Đỉnh quang điện dE hấp thụ toàn phần h  2m0 c Miền liên tục compton h E h  2m0 c Đỉnh quang điện hấp thụ toàn phần Đỉnh thoát cặp Miền liên tục compton h  2m0 c h E Hình 1.11: mô hình phổ lượng electron tương ứng trường hợp Đối với detector kích thước lớn (cỡ vài chục centimet), có khả hấp thụ hầu hết gamma thứ cấp gamma tán xạ compton, xạ hủy Yêu cầu hấp thụ hoàn toàn thường không thỏa mãn thực tế, detector có kích thước nhỏ kích thước Ngoài hấp thụ hoàn toàn xạ thứ cấp tia gamma tương tác gần bề mặt khối chất nhấp nháy Tuy nhiên, việc xem xét đáp ứng detector trường hợp hấp thụ hoàn toàn giúp dự đoán phổ xạ thu tăng dần kích thước detector Trong trường hợp này, sau tương tác ban đầu, lượng lượng tử gamma thứ cấp tạo bị hấp thụ thông qua chuỗi trình Chẳn hạn tương tác ban đầu tán xạ compton, tia gamma tán xạ lại tham gia tán xạ compton vị trí detector, tạo tia gamma tán xạ thứ hai có lượng thấp Quá trình tiếp diễn lượng tia gamma tán xạ đủ nhỏ bị hấp thụ thông qua hiệu ứng quang điện tạo electron quang điện Như vậy, sau chuỗi trình, lượng tia gamma ban đầu chuyển hoàn toàn cho electron Trên phổ gamma xuất đỉnh phổ gọi đỉnh lượng toàn phần Đỉnh lượng toàn phần dN dE h E Hình 1.12: mô hình phổ lượng electron detector nhấp nháy kích thước lớn Đối với detector có kích thước trung bình, hàm đáp ứng kết hợp tính chất hai loại detector đề cập số hiệu ứng thoát phần lượng tia gamma thứ cấp  Trường hợp lượng trung bình (hiện tượng tạo cặp không đáng kể), phổ xuất miền compton liên tục đỉnh quang điện Tuy nhiên tỷ số diện tích đỉnh quang điện miền compton liên tục lớn so với trường hợp detector kích thước nhỏ có thêm kiện tia gamma tán xạ compton bị hấp thụ hoàn toàn đóng góp vào đỉnh quang điện Năng lượng gamma tới thấp, lượng trung bình gamma tán xạ nhỏ khả bị hấp thụ cao dẫn đến miền compton giảm Tại lượng thấp (nhỏ 100keV), miền liên tục compton biến Do tượng tán xạ nhiều lần, phổ xuất miền liên tục nằm cạnh compton đỉnh quang điện  Trường hợp lượng gamma đủ lớn để hiệu ứng tạo cặp trở nên quan trọng, hàm đáp ứng phức tạp tương tác gamma hủy thể tích detector Các tia thoát khỏi môi trường detector tương tác nhiều lần với môi trường detector dẫn đến hấp thụ phần hay toàn lượng tia gamma sơ cấp phổ quan sát ta thấy đỉnh thoát đơn đỉnh thoát cặp tương ứng với thoát hai gamma hủy Các kiện khác lượng [...]... E2 phụ thuộc vào vật chất Đối với nhôm thì E1 = 50 KeV, E2 = 15MeV Còn đối với chì E1 = 500 KeV và E2 = 5 MeV 1.3 PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN BỨC XẠ HẠT NHÂN BẰNG DETECTOR NHẤP NHÁY 1.3.1 Nguyên tắc hoạt động chung của detector nhấp nháy Khi một bức xạ ion hóa đi vào khối chất nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân tử Sau đó với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản chúng sẽ phát ra một ánh sáng nhấp. .. tích chất nhấp nháy được gọi là hiệu suất kỹ thuật hay suất ra kỹ thuật Hiệu suất kỹ thuật phụ thuộc vào đại lượng xê dịch của các phổ bức xạ và phổ hấp thụ tức là phụ thuộc độ trong suốt của môi trường đối với sự bức xạ riêng và ngoài ra còn phụ thuộc vào hàng loạt các nguyên nhân thực tế khác nhau như chiều dày của môi trường Số lượng tạp chất trạng thái bề mặt v.v… Trong các chất nhấp nháy lý tưởng... thu được khi tiến hành ghi bức xạ gamma trong những điều kiện đo cụ thể Nó phụ thuộc vào kích thước, chất liệu cấu tạo detector, năng lượng tia gamma tới, hình học đo, môi trường xung quanh detector, cấu tạo và loại nguồn phóng xạ… Đối với các detector có kích thước nhỏ, (kích thước detector nhỏ hơn 2cm được coi là nhỏ vì quãng đường tự do trung bình của của các tia gamma này vào khoảng vài centimet):... dài xung của ánh sáng và được gọi là thời gian phát sáng của chất nhấp nháy Trong một số chất nhấp nháy khác cường độ phát sáng phụ thuộc vào thời gian theo một quy luật phức tạp hơn nhiều Những tính chất cơ bản, trong đó có thời gian phát sáng của chất nhấp nháy, được xác định bởi cơ chế phát sáng Trên quan điểm này ta có thể chia các chất nhấp nháy quen thuộc làm ba loại: tinh thể nhấp nháy hữu cơ,... phân tích và ghi nhận Sơ đồ của một detector nhấp nháy nối với các bộ phận cần thiết: Hình 1.9: sơ đồ khối một hệ đo dùng detector nhấp nháy 1.3.2 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các bộ phận chính trong detector nhấp nháy 1.3.2.1 Tinh thể nhấp nháy Quá trình phát quang, về nguyên tắc, có thể thực hiện bằng hai cách Trong những trường hợp, khi các chuyển mức từ trạng thái năng lượng kích thích về... thì hiệu suất biến đổi có thể khác nhau Một điều cần chú ý là một chất có hiệu suất biến đổi cao chưa chắc đã phù hợp với một detector nhấp nháy Trên thực tế, để ghi nhận ánh sáng nhấp nháy bằng ống nhân quang điện, điều cần thiết là photon được bức xạ phải đi ra được khỏi môi trường nhấp nháy Tỷ số giữa năng lượng photon đi ra từ chất nhấp nháy này trên năng lượng mà hạt mất mát trong thể tích chất nhấp. .. một số chất nhấp nháy, thành phần bức xạ lân quang cũng có thể chiếm một tỷ lệ đáng kể so với cường độ bức xạ toàn phần Trên quan điểm một detector, các chất nhấp nháy phải thỏa mãn một số yêu cầu cơ bản Trước hết, chất nhấp nháy phải có hiệu suất biến đổi cao, tức là tỷ số năng lượng của các photon trên năng lượng của hạt đi qua môi trường phải lớn Hiệu suất biến đổi của các chất nhấp nháy thường... thời gian phát sáng của tinh thể nhấp nháy Khi làm việc với các tinh thể nhấp nháy hữu cơ, nhất là với các chất nhấp nháy lỏng, thời gian phân giải của ống nhân quang điện có thể cùng bậc với thời gian phát sáng của chất nhấp nháy, do đó phải tính đến thời gian phân giải của ống nhân quang điện trong tổng thời gian phân giải của ống đếm nhấp nháy Trong một số thí nghiệm yêu cầu có thời gian phân giải... ngàn đến hàng chục phần trăm Trong các chất nhấp nháy lý tưởng, hiệu suất biến đổi không được phụ thuộc vào bản chất, cũng như động năng của hạt mang điện Trong trường hợp này, cường độ ánh sáng tỷ lệ thuận với năng lượng mà hạt tiêu tán trong môi trường nhấp nháy Một detector có chất nhấp nháy như vậy có đặc tính tỷ lệ tuyệt đối Tuy nhiên, trong các chất nhấp nháy thực tế, tính chất tỷ lệ bị hạn chế,... đối với bức xạ riêng, hiệu suất kỹ thuật bằng hiệu suất biến đổi Khi sử dụng ống nhân quang điện, chúng ta phải chọn sao cho dải sóng nhạy cảm của ống nhân quang điện phù hợp với bước sóng do chất nhấp nháy phát ra Và cuối cùng, để bảo đảm độ phân giải cao theo thời gian, độ kéo dài của xung ánh sáng phải tương đối nhỏ Trong phần lớn các trường hợp, cường độ phát sáng của chất nhấp nháy J giảm theo thời