Đầu dò nhấp nháy đã được sử dụng từ rất lâu và ngày nay vẫn còn được sử dụng rất rộng rãi. Chúng được sử dụng để đo bức xạ alpha, bêta, gamma, neutron và cả các lepton và meson lạ. Trong chương này, các kiến thức mà tôi trình bày sẽ chỉ tập trung vào các loại đầu dò nhấp nháy được sử dụng trong ghi đo bức xạ gamma. Trước khi đầu dò bán dẫn xuất hiện, các đầu dò nhấp nháy, chủ yếu là loại sử dụng sodium iốt NaI(Tl), là đầu dò tiêu chuẩn cho các hệ phổ kế gamma. Thực tế, mặc dù ngày nay ảnh hưởng của đầu dò nhấp nháy tới các hệ phổ kế gamma vẫn còn xuất hiện, thể hiện trong việc độ phân giải của các đầu dò bán dẫn vẫn được so sánh với đầu dò nhấp nháy dùng sodium iốt, thì nhìn chung, cảm giác chung của chúng ta vẫn là đầu dò nhấp nháy đã lạc hậu. Thực tiễn cho thấy, cảm giác này hoàn toàn không đúng. Hiển nhiên với các hệ phổ kế đòi hỏi đo bức xạ gamma với khả năng phân tách các đỉnh cao thì các đầu dò bán dẫn tốt hơn đầu dò nhấp nháy rất nhiều. Tuy nhiên, đầu dò nhấp nháy vẫn có những vai trò quan trọng trong các phép đo gamma, và với sự phát triển gần đây của đầu dò sử dụng hỗn hợp halogen và Lantan, khả năng ứng dụng của đầu dò nhấp nháy còn có thể được mở rộng. Trong một số tình huống, ta có thể bị giới hạn về mặt không gian hoặc môi trường không thích hợp để sử dụng đầu dò bán dẫn (chẳng hạn như với các phép đo độ cháy của nhiên liệu hạt nhân, đầu dò phải đặt ở dưới đáy của thùng chứa và khi đó người ta phải sử dụng đầu dò nhấp nháy sodium iốt). Ngoài khả năng ứng dụng trong các trường hợp đặc biệt như trên, các đầu dò nhấp nháy còn là một thành phần rất quan trọng để xây dựng hệ thống che chắn chủ động cho các đầu dò độ phân giải cao (xem Chương 13, Phần 13.5.5)
CHƯƠNG 10 Phổ kế nhấp nháy 10.1 GIỚI THIỆU Đầu dò nhấp nháy sử dụng từ lâu ngày sử dụng rộng rãi Chúng sử dụng để đo xạ alpha, bêta, gamma, neutron lepton meson lạ Trong chương này, kiến thức mà tơi trình bày tập trung vào loại đầu dò nhấp nháy sử dụng ghi đo xạ gamma Trước đầu dò bán dẫn xuất hiện, đầu dò nhấp nháy, chủ yếu loại sử dụng sodium iốt - NaI(Tl), đầu dò tiêu chuẩn cho hệ phổ kế gamma Thực tế, ngày ảnh hưởng đầu dò nhấp nháy tới hệ phổ kế gamma xuất hiện, thể việc độ phân giải đầu dò bán dẫn so sánh với đầu dò nhấp nháy dùng sodium iốt, nhìn chung, cảm giác chung đầu dò nhấp nháy lạc hậu Thực tiễn cho thấy, cảm giác hồn tồn khơng Hiển nhiên với hệ phổ kế đòi hỏi đo xạ gamma với khả phân tách đỉnh cao đầu dò bán dẫn tốt đầu dò nhấp nháy nhiều Tuy nhiên, đầu dò nhấp nháy có vai trò quan trọng phép đo gamma, với phát triển gần đầu dò sử dụng hỗn hợp halogen Lantan, khả ứng dụng đầu dò nhấp nháy mở rộng Trong số tình huống, ta bị giới hạn mặt khơng gian mơi trường khơng thích hợp để sử dụng đầu dò bán dẫn (chẳng hạn với phép đo độ cháy nhiên liệu hạt nhân, đầu dò phải đặt đáy thùng chứa người ta phải sử dụng đầu dò nhấp nháy sodium iốt) Ngoài khả ứng dụng trường hợp đặc biệt trên, đầu dò nhấp nháy thành phần quan trọng để xây dựng hệ thống che chắn chủ động cho đầu dò độ phân giải cao (xem Chương 13, Phần 13.5.5) 10.2 Q TRÌNH NHẤP NHÁY Trong chương 3, tơi trình bày tượng electron sơ cấp tạo tương tác gamma với môi trường bị lượng để tạo thành cặp electron – lỗ trống thứ cấp chức đầu dò thu thập phần tử tải điện tạo hình thành tín hiệu điện Đối với đầu dò bán dẫn, thu thập điện tích thực cách sử dụng điện trường Đối với đầu dò nhấp nháy, ion hóa sơ cấp mơi trường đầu dò khơng khác biệt so với đầu đò bán dẫn, nhiên q trình thu thập điện tích khơng giống chất nhấp nháy không dẫn điện Theo mơ hình cấu trúc dải (Chương 3, Phần 3.2), electron sơ cấp tạo tương tác gamma với mơi trường đầu dò đẩy electron thứ cấp lên dải dẫn, để lại lỗ trong dải hóa trị Trong vài trường hợp, lượng cấp cho electron khơng đủ để đẩy lên dải dẫn mà lên vùng trạng thái kích thích có tên gọi trạng thái exciton Theo mơ hình cấu trúc dải, chúng đại diện cho vùng phía liền kề với dải dẫn, minh họa Hình 10.1 Hình 10.1 Cấu trúc dải chất nhấp nháy Nếu electron cho phép giải kích thích để quay trở dải hóa trị, chúng phát xạ điện từ Nếu xạ nằm trong, gần, dải bước sóng quang học, chúng ghi nhận ống nhân quang thiết bị cảm quang để tạo thành tín hiệu Đó sở đầu dò nhấp nháy Để sử dụng để phát gamma làm hệ phổ kế gamma, vật liệu nhấp nháy cần phải có số đặc tính sau: • Số lượng cặp electron-lỗ trống tạo tương ứng với lượng gamma • • • • bị hấp thụ phải đủ lớn; Vật liệu nên có khả hãm xạ gamma tốt (tức có mật độ cao số khối lớn); Nếu sử dụng để ghi phổ, tín hiệu tạo phải tỷ lệ với lượng; Chất nhấp nháy phải suốt để truyền ánh sáng; Thời gian phân rã trạng thái kích thích phải ngắn phép hoạt động tốc độ đếm cao; • Vật liệu cần phải có đặc tính quang học đủ tốt khoảng giá thành hợp lý; • Chiết xuất vật liệu cần phải gần với chiết xuất kính (tức khoảng 1.5) để kết hợp hiệu với ống nhân quang Các vật liệu thường sử dụng hệ phổ kế gamma dùng đầu dò nhấp nháy tinh thể vô cơ: sodium iốt (NaI), caesium iốt (CsI), calcium fluorít (CaF 2), bítmút germanate (BGO) gần halogen lantan Trong vật liệu kể trên, loại thứ loại có ứng dụng nhiều loại cuối loại phát triển mạnh 10.3 CÁC CHẤT KÍCH HOẠT NHẤP NHÁY Độ rộng dải sơ đồ cấu trúc dải sodium iốt lớn, photon phát giải kích thích electron từ vùng dẫn có bước sóng nhỏ nhiều so với bước sóng dải ánh sáng nhìn thấy Điều khiến cho việc ghi nhận ánh sáng gặp khó khăn Ngồi ra, số phần vật liệu hấp thụ photon phát trước tới ống nhân quang Cả hai vấn đề giải cách sử dụng chất kích hoạt Chất kích hoạt sử dụng cho nhấp nháy NaI thallium cho CsI thallium sodium Để mơ tả thành phần chất kích hoạt, tên gọi chúng viết tắt sau: NaI(Tl), CsI(Tl) CsI(Na) Sự xuất tạp chất với tỷ lệ 10 -3 mol chất nhấp nháy tạo vị trí mạng tinh thể bị khuyết Các vị trí khuyết tạo mức kích thích bổ sung nằm vùng cấm vùng hóa trị vùng dẫn (xem Hình 10.1) Trạng thái kích thích vị trí kích hoạt nằm phía dải hóa trị trạng thái kích thích nằm phía dải dẫn Khi cặp electron-lỗ trống tạo ra, lỗ trống di chuyển tới gần vị trí kích thích Các electron vùng dẫn vùng exciton có xu hướng bị bắt trạng thái kích hoạt bị kích thích Điều có nghĩa lượng photon phát có giải kích thích thấp xạ điện từ phát có bước sóng dài hơn, nằm vùng ánh sáng nhìn thấy Bước sóng dài đồng nghĩa với việc xạ phát giải kích thích khơng nằm vùng đặc trưng hấp thụ chất nhấp nhảy lượng ảnh sáng bị trước truyền tới ống nhân quang giảm đáng kể Quá trình vật lý diễn bên đầu dò nhấp nháy tổng hợp lại sau: • Tia gamma bị hấp thụ electron sơ cấp tạo ra; • Electron sơ cấp di chuyển kích thích phân tử tạo nên cặp electron-lỗ trống; • Các exciton tạo thành electron nhảy lên vùng trạng thái exciton, để lại lỗ trống vùng hóa trị; • Các mức kích hoạt bắt electrons, lỗ trống, exciton; • Các mức kích hoạt giải kích thích phát ánh sáng; • Ánh sáng thu thập ống nhân quang tạo thành tín hiệu điện Khơng phải tồn lượng gamma bị hấp thụ bên đầu dò chuyển hóa thành photon NaI(Tl) loại nhấp nháy có hiệu chuyển hóa lượng thành ánh sáng tốt Tuy nhiên hiệu chuyển đổi lượng ánh sáng nhấp nháy NaI(Tl) đạt 12% Phần lượng lại xạ chuyển hóa thành rung động mạng tinh thể nhiệt Độ lớn tín hiệu lối từ đầu dò phụ thuộc vào việc đáp ứng đầu dò ghi ánh sáng với phổ ánh sáng nhấp nháy mức 10.4 THỜI GIAN SỐNG CỦA CÁC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH Thời gian sống trạng thái kích hoạt bị kích thích ngắn – vào cỡ 0.1 Thời gian phân rã ngắn có nghĩa ta tạo xung lối đầu dò ngắn (Hình 10.2 mơ tả dạng xung ánh sáng.) Trong phần lớn trường hợp, hầu hết xạ phát chủ yếu từ mức kích thích đó, nhiên, số trường hợp, sơ đồ phân rã phức tạp Ví dụ, nhấp nháy BGO, ánh sáng phát đặc trưng hai mức kích thích có thời gian sống 60 ns 300 ns Hình 10.2 Độ ánh sáng nhấp nháy NaI(Tl) theo thời gian Các chuyển dời từ số mức kích thích trạng thái bị cấm Một electron nằm mức cấm phải chuyển tới mức không bị cấm nhờ vào kích thích nhiệt, sau giải kích thích Thời gian sống trạng thái dài trạng thái kích thích thơng thường Thành phần phân rã chậm ánh sáng phát giải kích thích từ trạng thái có thời gian sống dài gọi phát huỳnh quang Hiện tượng gây tăng nên phông xung thông thường Ví dụ, nhấp nháy NaI(Tl), thời gian sống trạng thái kích thích chủ yếu 230 ns, 9% tổng số ánh sáng phát phát huỳnh quang với thời gian phân rã 0.15 s 10.5 THĂNG GIÁNG NHIỆT CỦA TÍN HIỆU ĐÁP ỨNG CỦA ĐẦU DỊ NHẤP NHÁY Ưu điểm đầu dò nhấp nháy so với đầu dò bán dẫn HPGe chúng hoạt động nhiệt độ phòng, thực tế, độ ánh sáng NaI(Tl) đạt cực đại nhiệt độ phòng Độ ánh sáng nhấp nháy NaI(Tl) khơng đổi dải nhiệt độ phòng giảm dải Các vật liệu nhấp nháy khác có đặc trưng tương tự, nhiên nhiệt độ tương ứng với độ ánh sáng cực đại thay đổi tùy theo loại vật liệu Mặc dù đáp ứng tinh thể đầu dò không đổi dải nhiệt độ làm việc thông thường, thăng giáng đáng kể tín hiệu xảy độ ốn định hệ thống điện tử không cao 10.6 CÁC VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO ĐẦU DỊ NHẤP NHÁY Thơng số vật lý số vật liệu sử dụng để làm đầu dò gamma liệt kê Bảng 10.1 Ở cần phải giải thích chút mặt thuật ngữ phép đo phát ánh sáng đưa tài liệu Nếu xét đại lượng tuyệt đối, độ ánh sáng chất nhấp nháy biểu diễn dạng số photon mà phát ứng với đơn vị lượng xạ gamma mà hấp thụ Với nhấp nháy NaI(Tl), loại nhấp nháy mà gần loại nhấp nháy vô hiệu nhất, giá trị độ ánh sáng vào khoảng 38000 photon/MeV Thông thường, giá trị hiệu suất nhấp nháy đưa dạng giá trị hiệu suất tương đối so với hiệu suất NaI(Tl) Chẳng hạn, giá trị CsI(Na) 85% Hệ số “hiệu suất biến đổi tương đối”, hiệu suất biến đổi nhấp nháy”, “hiệu suất nhấp nháy tương đối”, “xuất electron quang điện”, chí “độ sáng tương đối” Điều quan trọng ta cần phải biết loại hiệu suất tương đối kể khác Hệ số mức độ đáp ứng đầu dò, với giả thiết đầu dò sử dụng loại quang catốt đặc trưng, thường loại bialkali, sử dụng với đầu dò nhấp nháy Hệ số đáp ứng đầu dò bao gồm hiệu suất biến đổi lượng gamma ánh sáng chất nhấp nháy hiệu suất biến đổi ánh sáng tạo thành electron quang điện quang catốt Hệ số cung cấp tương ứng với tổ hợp nhấp nháy/quang catốt cụ thể Do số lượng electron quang điện tạo liên hệ trực tiếp với tín hiệu lối đầu dò, sử dụng để đo tỷ số độ cao xung lối Khái niệm tác giả sử dụng phần hiệu suất biến đổi tương đối, khái niệm chứa đựng nhiều thơng tin gây nhầm lẫn Do phổ phát xạ nhấp nháy giống với NaI(Tl) nên so sánh loại nhấp nháy chấp nhận Đối với CsI(Tl), giá trị độ sáng 45% đưa Bảng 10.1 gây nhầm lẫn Trên thực tế, lượng photon phát CsI(Tl) ứng với MeV lượng gamma hấp thụ 52000 photon, lớn so với 38000 NaI(Tl) Như vậy, NaI(Tl), CsI(Tl) loại nhấp nháy vơ truyền thống có độ sáng cao Chỉ có suất ánh sáng halogen lantan cao CsI(Tl) Tuy nhiên, phổ ánh sáng CsI(Tl), với đỉnh 550 nm, không kết hợp tốt với quang catốt loại bialkali Do xét hiệu suất biến đổi quang catốt độ sáng CsI(Tl) 45% so với NaI(Tl) thơng số Bảng 10.1 Hình 10.3 so sánh phổ phát xạ số loại vật liệu nhấp nháy, hàm đáp ứng theo bước sóng hai loại quang catốt phổ biến Trong số trường hợp, chất nhấp nháy phát nhiều thành phần ánh sáng (có nhiều mức kích thích) Trong Bảng 10.1 liệu bước sóng cực đại thời gian phân rã tương ứng với thành phần đóng góp nhiều Bảng 10.1 Đặc tính số loại vật liệu nhấp nháy ghi đo gamma Chất nhấp nháy Sodium iodide Caesium iodide Chất Caesium fluoride Calcium fluoride Barium fluoride Bismuth germanate Cadmium tungstate Lanthanum Chloride Lanthanum Bromide Gadolinium silicate Lutecium silicate Yttrium aluminium perovskite a Dữ liệu lấy từ Harshaw QS Scintillation Detector Catalogue (March 1992) and Saint-Gobain Ceramics and Plastics Inc Internet source b Bước sóng phát cực đại c Thời gian phân rã d Chiết suất e Hiệu suất biến đổi tương đối (so với NaI(Te)), nói cách khác suất thực đầu dò sử dụng ơng nhân quang loại bialkali f Tỷ số ánh sáng phát trễ ms so với thời điểm phát lần g Hút ẩm?: Y, có; N, khơng; S:một chút h Giá trị độ phân giải đo 661.6 keV 10.6.1 Sodium iốt – NaI(Tl) Đây loại vật liệu nhấp nháy phổ biến Nó rẻ sẵn có Loại vật liệu cho phép chế tạo đầu dò với kích thước lớn Đầu dò NaI(Tl) đường kính 0.75 m chế tạo Hơn nữa, nhiều năm đầu dò NaI(Tl) dạng trụ có đường kính 76 mm cao 76 mm lấy làm loại đầu dò tiêu chuẩn hệ phổ kế gamma (một tên gọi khác đầu dò 3x3 hay in x in) Nguyên tử iốt NaI(Tl) có hệ số hấp thụ gamma cao, làm tăng hiệu suất nội loại nhấp nháy Ở lượng thấp, xác suất gamma bị hấp thụ toàn phần cao (xem Hình 10.4) Do NaI(Tl) vật liệu có độ sáng cao số nhấp nháy vô truyền thống sử dụng ống nhân quang tiêu chuẩn, loại nhấp nháy có độ phân giải lượng tốt (xem phần 10.12) Ngoài ưu điểm tuyệt vời trên, NaI(Tl) có vài nhược điểm Loại nhấp nháy giòn, nhạy với biến đổi nhiệt sốc nhiệt Nó hút ẩm mạnh cần phải ln ln bọc kín Loại nhấp nháy có thành phần ánh sáng chậm lớn Ở tốc độ đếm thấp, thành phần ánh sáng chậm không gây vấn đề xung chậm loại bỏ hệ thống điện tử, tốc độ đếm cao gây tượng chồng chập xung làm giới hạn tốc độ đếm Potassium chất có tính chất hóa tương tự với sodium tạp chất xuất nhiều muối sodium Do lượng nhỏ potassium tự nhiên có phát phóng xạ, sodium iốt sử dụng để chế tạo đầu dò cần phải có độ tinh khiết cao Thông thường, độ tinh khiết sodium iốt dùng để chế tạo đầu dò phải nhỏ 0.5 ppm potassium 10.6.2 Bismuth germanate – BGO BGO, với cơng thức hóa học Bi4(GeO4)3, loại vật liệu nhấp nháy tương đối Loại vật liệu tạo lên cách trộn bismút oxít germanium nhiệt độ nóng chảy Mặc dù độ sáng thấp so với NaI(Tl), BGO lại có mật độ lớn tăng khả hãm xạ, giúp trở thành vật liệu lý tưởng để xây dựng hệ che chắn chủ động Hình 10.4 so sánh hiệu suất nội hai loại vật liệu Hiệu suất đương nhiên khơng tính tới tương tác hấp thụ khơng tồn phần Nếu tính tới tương tác hấp thụ khơng tồn phần, hiệu suất loại trừ phông BGO cao Photon 150 keV có tới 90% khả bị hấp thụ lớp BGO có bề dày 2.3 mm Nói cách đơn giản, hai đầu dò BGO NaI(Tl) có hiệu suất ghi đầu dò BGO có kích thước 1/16 đầu dò NaI(Tl) Tuy nhiên, độ ánh sáng BGO nhỏ nhiều so với NaI(Tl), độ phân giải BGO tệ hơn, khơng dùng để chế tạo đầu dò ghi phổ, mà thường dùng để chế tạo đầu dò phát xạ Khơng giống NaI(Tl), BGO khơng có chất kích hoạt Do phổ phát xạ trạng thái Bi3+ có độ lệch lớn so với phổ quang học, tự hấp thụ xảy ít, tinh thể BGO suốt với xạ Mặc dù vậy, hiệu suất tương đối BGO đạt 15-20% so với NaI(Tl) BGO vật liệu trơ không hút ẩm, khơng cần bọc kín Hình 10.3 (a) phổ phát xạ từ chất nhấp nháy phổ biến, (b) Độ nhạy hai loại ống nhân quang phổ biến theo bước sóng Hình 10.4 Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần nội hai đầu dò NaI(Tl) BGO có kích thước giống (38 mm x 38 mm) 10.6.3 Caesium iốt – CsI(Tl) CsI(Na) Mật độ CsI lớn chút so với mật độ NaI có hệ số hấp thụ lớn Loại vật liệu khơng giòn NaI có độ bề nhiệt độ bền học cao Và lý thường sử dụng thiết bị nghiên cứu ngồi khơng gian Nó hút ẩm ơn NaI ta cần phải bọc lớp vỏ Phổ ánh sáng phát CsI(Tl) có đỉnh 565 nm, phía sau độ nhạy tối ưu ống nhân quang điện thơng thường Vì lý này, độ sáng thấp Để giải vấn đề này, người ta chế tạo đầu dò sử dụng điốt quang chúng có cho độ sáng cao Các đầu dò CsI(Tl) gắn điốt quang ngày sản xuất thương mại kích thước chúng bị hạn chế kích thước điốt quang Nhờ kích thước nhỏ độ bền cao, đầu dò loại thích hợp để ứng dụng y tế ứng dụng khác chẳng hạn thiết bị nghiên cứu ngồi khơng gian Một loại vật liệu khác, kích hoạt Na, CsI(Na), có phổ phát quang tương tự NaI(Tl) có hiệu suất tương tự với ưu điểm hệ số hấp thụ cao Vấn đề loại vật liệu thời gian phân rã dài, giống với NaI(Tl), tượng lân quang ghi nhận 10.6.4 Caesium iodide khơng dùng chất kích hoạt – CsI CsI dùng mà khơng cần bổ sung chất kích hoạt làm giảm hiệu suất biến đổi tương đối – 4-6% so với 45% 85% vật liệu có bổ sung chất kích hoạt Phổ phát quang có đỉnh nằm bước sóng 315 nm cho thấy độ sáng tốt chúng sử dụng với ống nhân quang cửa sổ thạch anh Ưu điểm vật liệu khơng dùng chất kích hoạt thời gian phân rã thành phần nhanh (16 ns) ngắn nhiều so với phần lớn chất nhấp nháy khác Yếu tố giúp cho loại nhấp nháy có khả sử dụng ứng dụng liên quan tới thời gian Tuy nhiên, thành phần ánh sáng phát từ mức có thời gian sống dài – 1000 ns – lên tới 15-20% 10.6.5 Barium fluoride – BaF2 Tương tự BGO, BaF2 khơng cần tới chất kích hoạt Nhìn chung, ưu điểm loại vật liệu so với loại nhấp nháy khác không rõ rệt Độ sáng nhỏ khiến cho đầu dò sử dụng BaF2 có độ phân giải Ưu điểm lớn loại nhấp nháy sơ đồ phân rã ánh sáng bao gồm hai thành phần, thành phần chậm với thời gian phân rã dài, 630 ns, thành phần nhanh với thời gian phân rã 0.6 ns Thành phần nhanh phát ánh sáng có bước vùng cực tím cần sử dụng kèm theo đầu ghi ánh sáng tương thích BaF2 loại vật liệu có thời gian sống mức phát quang nhỏ ns sử dụng ứng dụng mà yếu tố thời gian quan trọng độ phân giải lượng 10.6.6 Caesium fluoride – CsF Tương tự với BaF2, vật liệu CsF có ưu điểm so sánh với loại nhấp nháy phổ biến khác, ngoại trừ thời sống ngắn anh sáng mà phát Mặc dù thời gian sống thấp so với BaF 2, thời gian sống cỡ 4.4 ns ngắn nhiều so với thời gian sống ánh sáng phát từ vật liệu nhấp nháy truyền thống Một lần nữa, độ sáng thấp làm cho độ phân giải loại vật liệu 10.6.7 Halogen Lantan – LaCl3(Ce) LaBr3(Ce) LaCl3 LaBr3 hai loại vật liệu nhắc tới lần xuất sách Tại thời điểm đó, cơng nghệ chưa cho phép sản xuất chúng với kích thước đủ lớn để làm đầu dò ngày điều thực Cả hai loại vật liệu kích hoạt Ce, tên viết tắt chúng LaCl 3(Ce) LaBr3(Ce) Cả hai loại vật liệu có ưu điểm so với NaI(Tl) thay nhấp nháy NaI(Tl) sử dụng số ứng dụng LaCl 3(Ce) có mật độ, chiết xuất hiệu suất hấp thụ tương NaI(Tl) có thời gian phân rã ngắn nhiều, chế tạo hệ phổ kế có độ phân giải thời gian tốt Hơn nữa, để chế tạo hệ phổ kế, đầu dò sử dụng nhấp nháy LaCl 3(Ce) với kích thước in x in cho độ phân giải 3.8% 661.6 keV, đầu dò NaI(Tl) có kích thước tương tự lại có độ phân giải tới 7% 661.6 keV Độ sáng theo lượng bị hấp thụ loại nhấp nháy lớn so với NaI(Tl) 25% bước sóng ánh sáng mà phát nhỏ hơn, hiệu suất biến đổi tương đối hai loại vật liệu giống Vào đầu năm 2007, nhà sản xuất độc quyền, Saint-Gobain, thông báo đời thiết bị nhấp nháy sử dụng lantan với tên thương mại BriLanCe ®; B350 LaCl3 (10% Ce) B380 LaBr3 (5% Ce) Tại thời điểm viết sách này, kỹ thuật sản xuất họ có nhiều tiến bộ, tinh thể kích thước 3x3 sản xuất Ưu điểm B380 đưa website hãng là: • Độ sáng cao 60% so với NaI(Tl) • Độ phân giải tốt – 2.9% so với 7% NaI(Tl) Phổ 60Co thể độ phân giải toàn phần hai đỉnh 1173 keV 1332 keV Ở 1332 keV, độ phân giải đạt 28 keV với đầu dò kích thước 3x3 • Hiệu suất ghi cao so với NaI(Tl) có mật độ lớn hơn, tức nhiều số đếm đỉnh hấp thụ tồn phần • Thời gian phân rã nhấp nháy ngắn so với NaI(Tl), tức sử dụng với tốc độ đếm cao Thời gian phân rã 16 ns với B380 28 ns với B350 Một nhược điểm loại vật liệu có chứa thành phần phát phóng xạ Đồng vị phóng xạ 138La có La phân rã bắt electron 138Ba (66.4%), phát gamma lượng 1435.8 keV tia X đặc trưng Ba phân rã 138Cs, phát gamma 788.74 keV Phổ phơng đầu dò cho thấy thành phần phông liên tục xạ hãm kéo dài đến điểm điểm kết thúc lượng beta 225 keV (Hình 10.5) Do 138La phân rã bên đầu dò, đỉnh tương ứng với quan electron thứ cấp tới tầng đi-nốt Do electron tạo tiếp tục tham gia vào trình tạo electron thứ cấp Nếu ta gọi hệ số nhân ứng với tầng đi-nốt , hệ số nhân k tỷ lệ electron bị lý vừa nhắc tới, hệ số khuếch đại ống nhân quang với N tầng đinốt là: Nếu ta lấy m giả sử k xấp xỉ 1, hệ số nhân tổng khoảng với số tầng 10 Hệ số nhân lớn nhiều lớp phủ đi-nốt có lực electron âm Với lớp phủ loại này, hệ số nhân ứng với tầng đi-nốt khoảng 55 Cấu hình vật lý thực tế chuỗi đi-nốt khơng cố định Thời điểm ban đầu đi-nốt bố trí theo dạng tuyến tính Hình 10.6 Thiết kế dạng gọi “thiết kế lưới hộp” Các ống nhân quang dùng cho hệ phổ kế gamma có thiết kế theo dạng Ngồi có số cấu hình xếp đi-nốt khác, chẳng hạn dạng nhân electron theo kênh liên tục, hay dạng đĩa nhân electron siêu nhỏ Tuy nhiên cấu hình sử dụng hệ phổ kế gamma thời điểm 10.10 CÁC ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY ĐI-ỐT QUANG Ống nhân quang bị giới hạn độ nhạy với phổ ánh sáng tới catốt quang lượng thấp (bước sóng dài) hấp thụ quang học ánh sáng nhấp nháy lượng cao Một lựa chọn khác sử dụng điốt bán dẫn gọi điốt quang Ống nhân quang sử dụng điốt silic có ưu điểm chúng có dải độ nhạy rộng (xem Hình 10.7) có hiệu suất lượng tử cao (lên tới 70% so với 25% vật liệu dùng làm catốt quang) Hình 10.7 (a) Phổ đáp ứng ánh sáng đi-ốt quang so với loại catốt quang thông thường (b) Phổ phát xạ nhấp nháy CsI(Tl) Một ưu điểm quan trọng khác điốt quang chúng không nhạy với từ trường Các ống nhân quang sử dụng ốt quang bền nhỏ so với loại ông nhân quang dùng catốt quang Với ống nhân quang dùng đi-ốt quang, hạt tải điện di chuyển quãng ngắn hơn, đem lại cho ống nhân quang dùng điốt quang lợi ứng dụng thời gian Tuy nhiên, nhược điểm điốt quang tín hiệu tạo nhỏ, nghĩa nhiễu điện tử đóng góp mạnh Nhiễu tăng theo dung kháng điốt quang Như ta thấy Chương 3, Phần 3.5 trình bày loại đầu dò bán dẫn phẳng, đầu dò lớn, dung kháng cao Vì lý này, kích thước điốt quang bị giới hạn vài centimét vuông vào thời điểm Hiện nay, loại đầu dò thương mại sử dụng đi-ốt quang (thường sử dụng nhấp nháy CsI(Tl)) thiết kế để sử dụng cho dải lượng từ 70 keV trở lên (mức giới hạn định nhiễu) cam kết cải thiện độ phân giải so với tổ hợp ống nhân quang khác vùng 500-600 keV 10.11 CẤU TRÚC CỦA MỘT ĐẦU DỊ ĐẦY ĐỦ Một đầu dò nhấp nháy gamma bao gồm thành phần Hình 10.8, với tinh nhấp nháy kết nối với nhân quang Hình 10.8 Các thành phần chung đầu dò nhấp nháy Khơng phải tồn nhấp nháy sáng vào catốt quang, phần ngồi theo cách hướng khác khơng đóng góp vào hình thành tín hiệu Để hạn chế vấn đề này, người ta bao xung quanh đầu dò lớp phản xạ Lớp phản xạ thích hợp lớp phản xạ khuếch tán, lớp phản xạ gương thơng thường Tồn tinh thể đầu dò, trừ mặt (mặt ghép nối quang với catốt quang điốt quang), bao oxít nhơm ơxít magiê Tiếp tồn tinh đặt hộp nhôm mỏng Nếu tinh thể nhấp nháy hút ẩm, cần phải bọc kín để tránh bị hỏng Trong cấu hình thơng thường, tinh thể nhấp nháy phải gắn trực tiếp với PMT thông qua mặt tiếp xúc Tinh thể nhấp nháy tháo rời cần phải trang bị lớp kính mỏng cửa sổ thạch anh bọc bên hộp nhơm Với cấu vậy, ống nhân quang kết nối với tinh thể nhấp nháy thông qua lớp vỏ kín cho ánh sáng truyền qua Quá trình chuyển electron đi-nốt bị ảnh hưởng từ trường xung quanh đầu dò Vì lý này, ống nhân quang phải che chắn từ, thường cách bổ sung ống trụ làm từ vật liệu có độ thấm từ cao, -metal (hợp kim niken-sắt), bao quanh ống nhân quang lớp vỏ bên Ống nhân quang kết nối với bên ngồi thơng qua chân cắm đáy Thơng qua chân cắm, điện cấp cho đi-nốt cho a-nốt Một hệ thống chia điện trở trang bị để phân bổ điện tới đi-nốt tới a-nốt cách phù hợp Các ống nhân quang điện không bền với sốc rung học cần phải bảo vệ khỏi tác nhân nói Trong số trường hợp, đầu dò phải trang bị kèm theo hệ thống chống sốc rung học 10.11.1 Các dạng hình học đầu dò Dạng hình học tiêu chuẩn đầu dò nhấp nháy hình trụ với chiều cao đường kính Dạng hình học chế tạo dễ dàng với kích thước có độ xác cao NaI(Tl) loại đầu dò hay sử dụng, kích thước thường gặp loại đầu dò 1x1, 2x2, 3x3 in Các đầu dò giếng có kích thước tương tự chế tạo Với đầu dò đo tia X lượng thấp, tinh thể đầu dò cần phải bọc cửa số kín sáng mỏng, thường beryllium Số nguyên tử cao NaI (và phần lớn vật liệu nhấp nháy nhạy gamma) có nghĩa tia X bị hấp thụ hoàn toàn bên lớp mỏng chất nhấp nháy Do vậy, đầu dò thiết kế để làm việc với tia X có bề dày khoảng hai milimét Trong Chương 13, mô tả việc ghép nối trùng phùng hệ thống che chắn chủ động sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) khơng phải loại nhấp nháy thường sử dụng hệ che chắn chủ động Thay vào BGO loại nhấp nháy đặc biệt thích hợp để che chắn chủ động Hình dạng BGO tạo theo yêu cầu cụ thể hệ 10.11.2 Ghép nối quang tinh thể nhấp nháy ống nhân quang Khi ánh sáng truyền qua bề mặt, có khả bị phản xạ bề mặt Các tia sáng tới bề mặt với góc tới lớn góc tới hạn bị phản xạ tồn phần (TIR Hình 10.9) Nếu góc tới nhỏ góc tới hạn, hầu hết tồn ánh sáng truyền qua (TR), có phần nhỏ bị phản xạ ngược trở lại gọi phản xạ Fresnel (FR) Góc tới hạn phụ thuộc vào tỷ số chiết suất mơi trường hai bên: Hình 10.9 Sự phản xạ truyền qua ánh sáng hai môi trường Để giảm tối đa số ánh sáng không truyền qua được, chiết suất hai môi trường phải gần tốt Chiết suất kính khoảng 1.5 Các thông số bảng 10.1 cho thấy phần lớn vật liệu nhấp nháy có hệ số phản xạ cao giá trị nói (ví dụ, hệ số phản xạ NaI(Tl) 1.85, từ ta tính góc tới hạn 54 độ Điều có nghĩa rằng, giả sử ánh sáng tới mặt tiếp xúc đồng từ hướng, 60% bị phản xạ ngược trở lại.) Để giảm số lượng ánh sáng bị mát vấn đề này, tinh nhấp nháy cần phải ghép nối quang với ống nhân quang cách sử dụng dầu silicơn có độ nhớt cao Loại dầu cho giúp ánh sáng truyền qua mặt giao tiếp hai môi trường dễ dàng Các hệ thống có độ bền cao sử dụng keo epơxy Do chất lượng bề mặt quan trọng, việc tháo tách rời tinh thể nhấp nháy khỏi PMT không nên thực không thực cần thiết Mặt khác, hiệu suất đầu dò cải thiện cách thay ghép nối quang học Một số vật liệu nhấp nháy giòn tinh thể dễ dàng bị nứt bị va chạm Sự nứt tinh thể không làm cho đầu dò ngừng hoạt động, trừ PMT bị hỏng, làm tồi độ phân giải đầu dò Khi bị nứt gãy, mặt tiếp xúc vị trí nứt hình thành tinh thể làm cản trở ánh sáng từ số phần tinh thể truyền catốt quang Số lượng ánh sáng truyền catốt quang giảm xuống làm cho độ phân giải đầu dò tồi Tinh thể đầu dò bị hỏng theo kiểu sửa chữa Sự thu thập ánh sáng tinh thể không đồng vị trí tinh thể Với đầu dò kích thước lớn, đặc biệt đầu dò có hình dạng phức tạp, thu thập ánh sáng cải thiện cách sử dụng nhiều ống nhân quang phân bố xung quanh tinh thể Trong trường hợp mà không gian bị giới hạn, chỗ để lắp tiền khuếch đại, mơi trường khơng thích hợp, tinh thể đầu dò ghép nối với PMT thơng qua cáp quang, loại cáp thiết kế để truyền dẫn ánh sáng xa nhờ vào tượng phản xạ thành cáp Cáp quang sử dụng với đầu dò mỏng để cải thiện độ phân giải Các thông tin chi tiết thiết kế cáp quang hiệu không đưa sách 10.12 ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA CÁC HỆ THỐNG NHẤP NHÁY Độ phân giải đầu dò nhấp nháy lớn nhiều (tức tệ nhiều) so với đầu dò bán dẫn nhiều lý mà ta dễ dàng nhận thấy Độ phân giải đầu dò bán dẫn hiểu độ rộng nửa chiều cao đỉnh (FWHM) phổ ứng với lượng xác định, thường tính theo đơn vị lượng keV Đối với đầu dò nhấp nháy, độ phân giải W tính theo tỷ lệ phần trăm FWHM lượng tương ứng đỉnh, tức là: Để so sánh đầu dò, lượng đỉnh tiêu chuẩn sử dụng cho hệ phổ kế nhấp nháy đỉnh 661.6 keV 137Cs Đối với đầu dò NaI(Tl) x tiêu chuẩn, độ phân giải lượng vào khoảng 7.5%, tương đương với FWHM khoảng 50 keV Biểu diễn theo lượng, độ phân giải đầu dò bán dẫn cải thiện lượng tăng Tuy nhiên, giảm có ý nghĩa mặt số, thực tế, đỉnh phổ vùng lượng cao bị tòe rộng Đối với hệ thống đầu dò bán dẫn, độ rộng đỉnh phổ phụ thuộc vào bất định q trình tạo tín hiệu đầu dò, thu thập điện tích, nhiễu điện tử q trình truyền tín hiệu từ đầu dò đến thiết bị đo So với đầu dò bán dẫn, nguồn bất định phổ kế nhấp nháy có nhiều ta phân loại chúng theo cách ta thực Chương 8, Phần 8.5.1 (ở ta sử dụng độ rộng tương đối theo lượng, W, thay FWHM): Trong đại diện cho độ bất định trình hình thành tín hiệu tinh thể ống nhân quang điện Các nguồn bất định đóng góp vào bao gồm: • • • • Sự hình thành cặp electron – lỗ trống; Số electron quang điện phát từ catốt quang có photon tới; Hệ số nhân đi-nốt đầu tiên; Các hệ số nhân đi-nốt thu thập a-nốt , độ rộng đường hiệu dụng nội, liên hệ với độ phi tuyến hàm đáp ứng nhấp nháy với lượng gamma phi tuyến biến đổi lượng ánh sáng (xem Phần 10.12.2) Do hàm đáp ứng phi tuyến, biên độ độ bất định phụ thuộc vào lượng cách phức tạp Đóng góp tối đa độ bất định vào khoảng 5% 400 keV Thành phần lại, , đóng góp đặc trưng khác hệ thống phổ kế Các hệ số không phụ thuộc vào lượng, bao gồm: • • • • • Độ đồng độ vật liệu làm đầu đò; Sự truyền ánh sáng tới catốt quang; Độ đồng catốt quang đi-nốt; Nhiễu điện tử thiết bị điện tử; Sự trôi thiết bị điện tử trình đo Khác với hệ phổ kế sử dụng đầu dò bán dẫn, nhiễu điện tử khơng phải thành phần đóng góp vào độ phân giải lượng hệ phổ kế nhấp nháy 10.12.1 Các bất định thống kê trình ghi nhận xạ Các hệ số thống kê đưa nguồn đóng góp vào độ phân giải lượng đầu dò nhấp nháy Ở vùng 100 keV, độ phân giải chủ yếu xác định bất định kể (đối với đầu dò bán dẫn, độ phân giải vùng lượng thấp chủ yếu đóng góp nhiễu điện tử - xem Chương 11.) Độ bất định lớn số hạt mang thông tin nhỏ nhất, xác định chủ yếu số electron quang điện phát catốt quang Ta lấy ví dụ với vài giá trị cụ thể Hình 10.10 biểu diễn trình biến đổi từ lượng xạ gamma sang lượng electron quang điện bên đầu dò nhấp nháy Ta giả thiết tia gamma tới đầu dò đơn có lượng 661.6 keV (137Cs) bị hấp thụ hoàn toàn tinh thể nhấp nháy Nếu tinh thể nhấp nháy loại NaI(Tl), có khoảng 11.3% (tức khoảng 74.76 keV) lượng tới chuyển thành photon có lượng trung bình khoảng eV, tức tính trung bình 24920 photon tạo Nếu 75% số photon tạo thành thu thập catốt quang giả thiết hiệu suất lượng tử 20%, có 3738 electron quang điện tạo thành () Nếu ta giả thiết thêm thống kê Poisson sử dụng trường hợp này, ta đánh giá độ bất định tương đối 661.6 kev trình 1.64% () Bổ sung thêm độ bất định số photon tạo (0.630%) biểu diễn dạng FWHM, ta thu giá trị 4.1% Chưa cần tính tới nguồn bất định khác, độ rộng đường hiệu suất nối độ khơng đồng catốt quang, độ phân giải lượng đầu dò nhấp nháy lớn nhiều so với độ phân giải đầu dò bán dẫn Ge, 1.62 keV lượng (661.6 keV), tương đương 0.24% (bao gồm đóng góp tất bất định khả dĩ) Tính tốn cách tương tự với tia gamma lượng 100 keV, độ phân giải đầu dò nhấp nháy 10.6% Hình 10 Quá trình biến đổi lượng gamma thành lượng electron quang điện bên đầu dò nhấp nháy Bắt đầu từ giai đoạn này, số electron tăng dần qua tầng khuếch đại, qua độ bất định số lượng electron hình thành tầng giảm dần Tổng độ bất định số electron tạo thành tầng đóng góp vào độ bất định chung tồn hệ thống 10.12.2 Các hệ số liên quan tới tinh thể nhấp nháy Ta mong muốn tia gamma tương tác với vị trí tinh thể phát lượng ánh sáng Tuy nhiên, thực tế, ln có tạp chất lỗi mạng bên tinh thể làm ảnh hưởng đến trình truyền lượng Nếu nhấp nháy loại có sử dụng chất kích hoạt, truyền lượng bị ảnh hưởng nhiều phân bố không đồng nguyên tử chất kích hoạt Do đó, tinh thể nhấp nháy phải sạch, đồng có phẩm chất quang học tốt Độ bất định đóng góp nguồn lên độ phân giải hệ thống vào khoảng 2% độ bất định tổng Một nguồn bất định dễ thấy khác phi tuyến hàm đáp ứng tinh thể nhấp nháy với eletron mang lượng tạo tương tác với tia gamma (Hình 10.11) Nếu gamma tia gamma tới hấp thụ toàn trường hợp, khơng có vấn đề xảy Hàm đáp ứng lượng khơng tuyến tính độ phân giải khơng bị ảnh hưởng Phần lớn gamma không bị hấp thụ tương tác mà bị hấp thụ sau xảy chuỗi tương tác bên tinh thể đầu dò Mỗi tương tác tạo electron có lượng khác Từ Hình 10.11, rút tia gamma lượng 661.6 keV bị hấp thụ kiện (hấp thụ quang điện), lượng ánh sáng mà tạo nhỏ so với bị hấp thụ sau vài lần tán xạ Compton Trong trường hợp này, ta thấy lượng electron sơ cấp trung bình thấp Hàm đáp ứng nhấp nháy cao lượng thấp nhiều ánh sáng tạo thành nhiều Do tạo thành thăng giáng lượng electron, ghi nhận tia gamma có lượng Độ bất định bổ sung này, độ rộng đường hiệu suất nội nhắc tới trên, làm tăng độ tòe đỉnh phổ gamma LaBr3 có độ rộng đường hiệu suất nội thấp nhiều so với NaI(Tl) Đó ngun nhân giải thích LaBr có độ phân giải tốt nhiều so với NaI(Tl) Hình 10.11 so sánh hàm đáp ứng LaBr3 với NaI(Tl) Hình 10.11 Đáp ứng tinh thể NaI(Tl) với photon theo lượng Khi ánh sáng nhấp nháy phát ra, để hình thành tín hiệu phải tới catốt quang Các nghiên cứu với chùm gamma hẹp chứng minh ánh sáng tạo tia gamma tương tác vùng gần catốt quang có xác suất tới catốt quang cao ánh sáng tạo vị trí xa catốt quang Độ bất định lượng ánh sáng thu thập làm tăng độ rộng đỉnh Đây vấn đề đặc biệt với đầu dò có kích thước lớn trường hợp vậy, việc sử dụng nhiều ống nhân quang cần thiết Các đầu dò có dạng hình học phức tạp gặp vấn đề với thu thập ánh sáng Đầu dò NaI(Tl) dạng giếng có độ phân giải 9%, đầu dò dạng trụ thơng thường có độ phân giải 7.5% 10.12.3 Sự phụ thuộc lượng độ phân giải Xem xét đánh giá thành phần Phương trình (10.4), ta nhận thấy thay đổi độ rộng đỉnh phổ gamma đầu dò nhấp nháy chủ yếu phụ thuộc vào thành phần thống kê, thành phần đóng góp đặc trưng vật lý đầu dò hàm bậc hai lượng gamma tới, khơng phụ thuộc vào lượng Do đó, ta biểu diễn độ phân giải cách gần theo phương trình (10.5): Trong số thực nghiệm Cần lưu ý đánh giá độ phân giải đầu dò nhấp nháy, người ta đánh giá theo tỷ số độ rộng đỉnh lượng, độ phân giải tính theo phần trăm giảm lượng tăng Knoll (1989) đề xuất phương trình thực nghiệm khác: 10.13 ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY So với nguồn bất định khác trình bày phần trước, nhiễu điện tử đầu dò nhấp nháy vấn đề nhỏ Vấn đề nghiêm trọng hơn, ta thấy trôi hệ số khuếch đại không ổn định nguồn cấp cao Các đặc tính lựa chọn mô-đun điện tử dùng cho hệ phổ kế nhấp nháy khác so với hệ phổ kế độ phân giải cao (bán dẫn) 10.13.1 Cao Các đơn vị cao mô tả Chương 4, Phần 4.2 không phù hợp cho hệ thống sử dụng đầu dò nhấp nháy Trước hết, ống nhân quang cần dòng lớn giá trị mà đơn vị cao dùng cho đầu dò bán dẫn cung cấp Cao dùng cho đầu dò nhấp nháy cần phải có khả cung cấp dòng cỡ miliampe Một vấn đề khác quan trọng độ ổn định cao Trong phần 10.9, ta giải thích hệ số nhân electron sau tầng đi-nốt phụ thuộc vào chênh lệch điện tầng đi-nốt với tầng đi-nốt phía trước Do đó, hệ số nhân tổng, , ống nhân quang hoàn chỉnh phụ thuộc vào chênh lệch điện catốt a-nốt theo cách sau: Trong N số lượng đi-nốt ống nhân quang Như vậy, nhân quang có 10 tầng đi-nốt, thăng giáng tương đối hệ số khuếch đại 10 lần thăng giáng tương đối điện Trong thực tế, phụ thuộc hệ số khuếch đại vào điện không lớn đến Giá trị thực rơi vào khoảng từ đến Với tỷ lệ vậy, ta dễ thấy rằng, thay đổi nhỏ điện kéo theo thay đổi lớn hệ số khuếch đại ống nhân quang Sự thăng giáng hệ số khuếch đại đóng góp vào độ bất định chung làm tồi độ phân giải hệ thống Vì lý này, yêu cầu độ ổn định phát cao dùng cho đầu dò nhấp nháy cao nhiều so với cao dùng cho đầu dò bán dẫn Ví dụ, hệ thống sử dụng đầu dò nhấp nháy, yêu cầu độ ổn định điện khoảng 0.001% độ ổn định nhiệt độ +0.005%/1 oC Trong đó, hệ thống sử dụng đầu dò bán dẫn, giá trị kể 0.1% 0.08% Độ ổn định thời gian dài cần phải tốt giá trị thông thường cần đạt 0.01% /1 giờ, 0.03%/24 Đơn vị cao nên có khả cung cấp phân cực âm phân cực dương để làm việc với hệ thống ống nhân quang khác Thông thường, cấp cao sử dụng cho ống nhân quang có nút gạt cho phép thay đổi cao lượng 500 V, chí 1000V Các khối cao loại sử dụng cho hệ thống đầu dò bán dẫn, hệ thống đầu dò bán dẫn khơng cho phép cao thay đổi nhanh 10.13.2 Tiền khuếch đại Tương tự với tất loại đầu dò, điện tích lối ra, trường hợp từ anốt PMT, cần phải tích lũy để hình thành tín hiệu Do nhiễu điện tử vấn đề lớn, tiền khuếch đại dùng cho đầu dò nhấp nháy khơng cần phải có đặc thiết kế nhiễu thấp Cả ba loại tiền khuếch đại – nhạy thế, nhạy dòng, nhạy điện tích – sử dụng Các khuếch đại nhạy điện tích sử dụng nhiều nhất, khuếch đại nhạy với giá thành thấp phổ biến Với hệ phổ kế gamma thông thường, khác nhạy điện tích nhạy nhỏ Các tiền khuếch đại nhạy dòng sử dụng ứng dụng thời gian nhanh không sử dụng hệ phổ kế lượng thông thường Các tiền khuếch đại tích hợp với ống nhân quang có thị trường, tạo thành tổ hợp đầy đủ bao gồm nhấp nháy/ống nhân quang/tiền khuếch đại tương thích tốt với Trong số hệ, tiền khuếch đại tích hợp bên khuếch đại Một số đơn vị tổ hợp sử dụng khuếch đại nhạy thế, số khác sử dụng khuếch đại nhạy điện tích Ở tơi giả thiết tín hiệu lấy a-nốt PMT tín hiệu lấy đinốt cuối trước anốt với số ưu điểm Một số PMT cho phép ta lựa chọn lối lấy tín hiệu Trong trường hợp đó, tín hiệu từ đi-nốt thích hợp để đo lượng tín hiệu từ a-nốt thích hợp với ứng dụng xác định thời gian 10.13.3 Các khuếch đại Tương tự tiền khuếch đại, khuếch đại dùng cho đầu dò nhấp nháy khơng yêu cầu đặc trưng nhiễu thấp hệ thống sử dụng đầu dò bán dẫn Trong sách giới thiệu nhà sản xuất, để phân biệt hai loại người ta thường dùng từ “khuếch đại (amplifier)” để nói loại khuếch đại dùng cho hệ phổ kế độ phân giải thấp từ “khuếch đại phổ (spectrocopy amplifier)” để nói loại khuếch đại sử dụng cho hệ phổ kế độ nhân giải cao sử dụng đầu dò bán dẫn Mô-đun khuếch đại thông thường trang bị triệt cực không tự động phục hồi đường Thời gian tạo dạng xung thường bị giới hạn cần phải điều chỉnh trực tiếp mạch (không có nút bên ngồi) Do xung từ đầu dò nhấp nháy có thời gian tăng nhanh, số thời gian tạo dạng xung nằm khoảng từ 0.2 đến Sự phát triển hệ thống đầu dò máy tính cho phép sản xuất hệ thống phổ kế nhấp nháy tích hợp, kết nối trực tiếp tới máy tính, tạo thành hệ thống di động đầy đủ tính ORTECdigBase gói tích hợp bao gồm tiền khuếch đại, cấp cao thế, xử lý tín hiệu số ghép nối với PMT Cáp USB kết nối thiết bị máy tính cài phần mềm điều khiển thu nhận số liệu 10.13.4 Các phân tích đa kênh phân tích phổ Các hệ phổ kế nhấp nháy khơng u cầu MCA phải có tính đặc biệt Thông thường, độ phân giải đầu dò nhấp nháy tồi nhiều so với đầu dò bán dẫn, kích thước phổ nhỏ nhiều Ví dụ, kinh nghiệm với đầu dò bán dẫn cho thấy FWHM nên nằm khoảng kênh (xem chương 11, Phần 11.3.3) Áp dụng quy tắc với đầu dò NaI(Tl) có độ phân giải 7% 661.6 keV, số kênh cần để biến đổi dải lượng từ đến 1480 keV khoảng 128 kênh ( Trong thực tế, người ta thường sử dụng kích thước phổ lớn hơn, điều đơn giải 1024 kênh kích thước phổ nhỏ mà MCAs cho phép lựa chọn Kích thước phổ cảng lớn số lượng số đếm kênh nhỏ, ta khơng nên lựa chọn kích thước phổ lớn Sử dụng kích thước phổ nhỏ cho phép MCA sử dụng đồng thời cho nhiều đầu dò nhấp nháy nhờ vào chia (muliplexer mixer/router) Mặc dù điều khơng phù hợp đầu đò sử dụng cá nhân độc lập, trường hợp giúp xây dựng hệ thống đa đầu dò với giá thành thấp Phổ kế nhấp nháy thường sử dụng phép đo đơn giản với xuất vài đồng vị Đối với việc xử lý phổ gamma hệ phổ kế nhấp nháy, cần phải lưu sử dụng chương trình phân tích Phần lớn chương trình phân tích phổ phát triển để sử dụng với phổ gamma hệ phổ kế bán dẫn khơng phù hợp với phổ kế nhấp nháy ScintiVision-32 chương trình ORTEC thiết kế riêng cho hệ phổ kế độ phân giải thấp Các nhà sản xuất phần mềm đưa lời khuyên hữu ích loại phần mềm phù hợp Do độ rộng đỉnh phổ nhấp nháy NaI(Tl) phụ thuộc mạnh vào lượng, đỉnh lượng thấp hẹp đỉnh lượng cao rộng Điều gây khó khăn làm việc dải lượng rộng Nếu ta lựa chọn kích thước phổ lớn, đỉnh lượng thấp có đủ số đếm kênh để tiến hành phân tích, với đỉnh vùng lượng cao số đếm phân bố số lượng kênh lớn khiến cho q trình tìm đỉnh thất bại Nếu chọn kích thước phổ để phù hợp với đỉnh lượng cao, đỉnh lượng thấp lại có xu hướng nhập lại (đỉnh hẹp) PGT cung cấp thiết bị với tính Quadratic Compression Conversion (QCC), để sử dụng cho đầu dò nhấp nháy Thiết bị sử dụng ADC có độ rộng kênh tỷ lệ với độ rộng đỉnh Các đỉnh phổ QCC có FWHM (tính theo kênh) Số kênh đỉnh vùng lượng cao thu hẹp lại số đếm kênh tăng lên, điều giúp cho trình phân tích phổ thuận lợi Ý tưởng hấp dẫn, nhiên không sử dụng rộng rãi 10.14 SO SÁNH ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NAI(TL) VỚI ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGE Bảng 10.2 tổng hợp khác đầu dò NaI(Tl) đầu dò HPGe Nhìn chung, đầu dò HPGe có nhiều ưu điểm lựa chọn hàng đầu cho hệ phổ kế Tuy nhiên, số trường hợp, ví dụ số lượng đồng vị cần đo nhỏ khoảng đến đồng vị, độ phân giải lượng khơng cần q tốt, hệ phổ kế nhấp nháy tùy chọn tốt với giá thành thấp Bảng 10.2 So sánh đầu dò NaI(Tl) với đầu dò HPGe NaI(Tl) HPGe Rẻ x 10 Hiệu suất cao x 10 Có thể tích lớn Hoạt động nhiệt độ phòng Hoạt động nhiệt độ thấp (77K) Nhạy với nhiệt độ Không nhạy với nhiệt độ Nhạy với điện áp cao Không nhạy với điện áp cao Độ phân giải lượng tồi (6% Độ phân giải lượng tốt (0.15% (2 (tương đương 80keV) 1332 keV) keV) 1332 keV) Trước đây, đầu dò bán dẫn HPGe độ phân giải cao chưa phổ biến nay, phép đo tốc độ đếm thấp, đầu dò NaI(Tl) có ưu điểm hiệu suất ghi cao hơn, tức số đếm đỉnh nhiều hơn, đồng nghĩa với thống kê tốt (ngày nay, đầu dò HPGe hiệu suất ghi tương đương với NaI(Tl) thương mại hóa, với giá thành hợp lý) Trong thực tế, đầu dò bán dẫn Ge có độ phân giải cao, diện tích đỉnh xác định xác giới hạn ghi nhận xạ tốt Giả sử tổng số đếm đỉnh thu từ phổ kế nhấp nháy phổ kế bán dẫn nhau, ta dễ thấy số đếm phổ kế bán dẫn tập trung chủ yếu vài kênh, số đếm phổ kế nhấp nháy trải vùng rộng Do đỉnh phổ đầu dò bán dẫn dễ phát giới hạn phát thấp Sự khác lớn độ phân giải hai loại đầu dò khơng thể bù đắp tốc độ đếm cao đầu dò NaI(Tl) Các đầu dò NaI(Tl) sử dụng trường hợp mà phổ cần đo đơn giản, khơng cần tới hệ phổ kế có độ phân giải cao Việc sử dụng đầu dò nhấp nháy trường hợp giúp giảm chi phí Đầu dò nhấp nháy lựa chọn số tình mà mơi trường khơng phù hợp để bố trí đầu dò HPGe Dĩ nhiên, ta phải đảm bảo phổ cần đo trường hợp không phức tạp Trong Chương 13, giải thích việc sử dụng đầu dò nhấp nháy hệ thống triệt phông triệt Compton TỔNG HỢP CHƯƠNG • Cho tới gần đây, trước cơng nghệ chế tạo đầu dò bán dẫn phát triển đủ • • • • • • mạnh, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) loại đầu dò sử dụng phổ biến nhiều mục đích khác Đầu dò nhấp nháy tiêu chuẩn kích thước x cho phép người dùng thu lượng thông tin lớn rút trực tiếp từ phổ thu Các đầu dò nhấp nháy LaCl 3Ce LaBr3Ce có nhiều đặc tính cao cấp, thương mại hóa Ngoại trừ ứng dụng phơng thấp, chúng lựa chọn tốt Nếu không gian bị giới hạn cần sử dụng đầu dò có hệ số hấp thụ lớn, CsI(Tl) BGO hai lựa chọn Với ứng dụng xác định thời gian, loại nhấp nháy khơng dùng chất kích thích CsI, BaF2 CsF sử dụng Trừ cao thế, hệ phổ kế nhấp nháy khơng đòi hỏi mơ-đun điện tử phải có thơng số kỹ thuật cao Do hệ số nhân ông nhân quang phụ thuộc vào điện thế, cao cấp cho đầu dò nhấp nháy phải ổn định Nhiệt độ mơi trường ảnh hưởng tới đầu dò Do cần giảm thiểu tối đa thay đổi nhiệt độ phòng Các đầu dò nhấp nháy ống nhân quang chúng nhìn chung dễ bị hư hỏng Trong số ứng dụng, ta cần phải trả tiền cho hệ thống thiết kế để có độ bền cao TÀI LIỆU CHƯƠNG • Các thơng tin chung tìm thấy tài liệu nhà sản xuất, đặc biệt • • • • • Harshaw/QS catalogue Scintillation Detectors (1992), công ty Harshaw/QS Knoll, G.F (1989) Radiation Detection and Measurement, 2nd Edn, John Wiley & Sons, Inc, New York, NY,USA Birks, J.B (1964).The Theory and Practice of ScintillationCounting, Pergamon Press, Oxford, UK Tài liệu tổng hợp loại đầu dò nhấp nháy khoảng 50 năm trở lại đây, kèm theo thảo luận loại nhấp nháy mới:Moszynski, M (2003) Inorganic scintillation detectors in -ray spectrometry, Nucl Instr Meth Phys Res., A, 505,101–110 Chi tiết số loại đầu dò tìm thấy SaintGobain website: (http://www.detectors.saint-gobain.com),where there is a link to the ‘BrilLanCe Products Whitepaper’ Tài liệu vềLaCl3Ce, : Shah, K.S., Glodo, J., Klugerman, M., Cirignano, L., Moses,W.W., Derenzo, S.E and Weber, M.J (2003) LaCl3Cescintillator for -ray detection, Nucl Instr Meth Phys Res., A, 505, 76–81 Mengea, P.R., Gautier, G., Iltis, A., Rozsa, C and Solovyev, V (2007) Performance of large lanthanum bromide scintillators, Nucl Instr Meth Phys Res., A, 579, 6–10 ... quang khác vùng 500-600 keV 10. 11 CẤU TRÚC CỦA MỘT ĐẦU DỊ ĐẦY ĐỦ Một đầu dò nhấp nháy gamma bao gồm thành phần Hình 10. 8, với tinh nhấp nháy kết nối với nhân quang Hình 10. 8 Các thành phần chung... đóng góp tất bất định khả dĩ) Tính tốn cách tương tự với tia gamma lượng 100 keV, độ phân giải đầu dò nhấp nháy 10. 6% Hình 10 Quá trình biến đổi lượng gamma thành lượng electron quang điện bên... hệ phổ kế nhấp nháy tùy chọn tốt với giá thành thấp Bảng 10. 2 So sánh đầu dò NaI(Tl) với đầu dò HPGe NaI(Tl) HPGe Rẻ x 10 Hiệu suất cao x 10 Có thể tích lớn Hoạt động nhiệt độ phòng Hoạt động nhiệt