Đang tải... (xem toàn văn)
1 Detector chứa khí Nguyên tắc hoạt động của detector chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hóa các phân tử chất khí dọc theo đường đi của nó, tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do, được gọi là cặp ion electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp tạo ra từ quá trình ion hóa sơ cấp trước đó. Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ. Một detector chứa khí đơn giản gồm một ống chứa khí và hai điện cực cathod () và anode (+). Vỏ của ống chứa khí được thiết kế sao cho bức xạ cần ghi đi phải được vào bên trong ống. Ví dụ, detector chứa khí đo hạt beta hoặc alpha phải có cửa sổ rất mỏng. Các kiểu detector chứa khí vẫn còn được sử dụng đến ngày nay là: Buồng ion hóa; Ống đếm tỷ lệ; Ống đếm Geiger Muller (GM). Hình 1 minh họa sơ đồ cấu tạo một detector chứa khí. Ở trạng thái thường, chất khí không dẫn điện , khi bức xạ qua môi trường khí của đầu dò, khí bị ion hóa, các electron chuyển động tới anode còn các ion dương ( nguyên tử bị ion hóa) chuyển đến cathode, tạo nên dòng điện tức thời giá trị bé giữa hai điện cực. Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong detector phụ thuộc vào điện trường trong detector, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của detector,… Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của một đetector chứa khí Hình 2 là các đường đặc trưng của buồng ion hóa và ống đếm tỷ lệ đối với hạt beta. Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa anode và cathode của detector. Hình 2: Đường đặc trưng điện tíchđiện thế với ống đếm chứa khí. Đường đặc trưng có 5 miền a Miền I: miền tái hợp Có sự cạnh tranh của quá trình tái hợp ion dương và điện tử tự do => nguyên tử trung hòa ( mất một số cặp ion), với quá trình thu góp các ion về điện cực. Khi U tăng, tốc độ dịch chuyển các ion tăng => tái hợp giảm.Đầu dò chứa khí không làm việc ở miền này. b Miền II: Miền buồng ion hóa Trong miền này, do U lớn nên các ion chuyển động nhanh đến điện cực, quá trình tài hợp giảm mạnh. Dòng điện ra phụ thuộc số ion hóa và hầu như ko phụ thuộc U. Đây là miền làm việc của buồng ion hóa. c Miền III: Miền ống đếm tỉ lệ Trong miền này, các electron tự do được gia tốc với vận tốc cao nên sinh các ion thứ cấp do va chạm với các nguyên tử mối trường. Kết quả là lượng điện tích được nhân lên với hệ số nhân 103105. Dòng lối ra phụ thuộc vào U và gọi là miền tỉ lệ giới hạn. Đây là miền làm việc của ống đếm tỉ lệ. d Miền IV: Ống đếm Geiger_Muller Trong miền IV, hệ số nhân ion tăng nhanh chóng tạo nên quá trình thác lũ. Các electron sơ cấp và thứ cấp được gia tốc đủ lớn nên sinh ra lượng lớn các electron thứ cấp và thứ thứ cấp. Dòng lối ra không đổi. Đây là miền làm việc của ống đếm GM. e Miền V: Miền phóng điện Sự phát triển ồ ạt của thác lũ làm ion hóa toàn bộ khí giữa hai điện cực. Khi đó có hiện tượng phóng điện, có hại cho đầu dò nên tránh làm việc trong miền này. Ống đếm tỉ lệ làm việc trong miền tỉ lệ (III). Nó có ưu điểm là sự tỉ lệ giữa biên độ tín hiệu ra với độ ion hóa của hạt bức xạ do đó cho phép xác định năng lượng năng lượng hạt bức xạ. Tín hiệu ra có thời gian bé ( vài μs) cho phép tăng tốc độ đếm bức xạ. 2 Detector nhấp nháy Detector nhấp nháy hoạt động dựa trên cơ sở biến đổi các photon phát ra từ chất nhấp nháy do sự kích thích của bức xạ thành tín hiệu điện. Đầu dò nhấp nháy là tổ hợp gồm hai thành phần chính: Chất nhấp nháy và ống nhân quang điện. + Chất nhấp nháy: Chất nhấp nháy có nhiều loại và nhiều dạng: chất nhấp nháy vô cơ, hữu cơ được chế tạo ở dạng rắn, lỏng hoặc dẻo. Detector thông dụng nhất được sử dụng trong ghi đo bức xạ là loại nhấp nháy vô cơ ở dạng tinh thể rắn. Các tinh thể nhấp nháy vô cơ thông dụng là NaI (Tl), CsI(Tl), CsI (Na), BGO, CdWO4, BaF2, … NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất là khả năng phát sáng rất tốt. Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các electron và các tia gamma. Nhược điểm của chất nhấp nháy NaI(Tl) là tinh thể dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt. Thời gian kéo dài của xung nhấp nháy vào khoảng 230 ns nên không phù hợp với các ứng dụng cần thời gian phân giải hoặc tốc độ đếm cao; CsI(Tl) và CsI(Na): CsI có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn so với NaI nên được sử dụng trong các ứng dụng cần các detector có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn; BGO (Bismuth Germanate): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ rất cao (7,3 gcm3) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng quang điện rất lớn. Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra chỉ khoảng 10 ÷ 20%, tức hiệu suất ghi thấp hơn so với NaI(Tl), còn độ phân giải thì kém hơn hai lần so với NaI (Tl); Barium Fluoride (BaF2): Có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns, thích hợp dùng cho các detector nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh. + Ống nhân quang điện Ống nhân quang điện tạo xung điện khi có ánh sáng yếu chiếu vào nó. Nó gồm 1 photocathode quay về cửa sổ nhận nhấp nháy sáng. Một số điện cực dynode và 1 anode, tất cả đặt trong ống thủy tinh có độ chân không cao. Ánh sáng chiếu vào photocathode làm sinh ra một electron năng lượng thấp (0.11 eV) do tương tác quang điện. Sau đó electron được gia tốc hướng tới dynode đầu tiên dưới tác dụng của một hiệu điện thế từ 50 đến 100V. Khi đến dynode này, electron có động năng đủ lớn (50100eV) va chạm với dynode và sinh ra một số electron thứ cấp (từ 1 đến 10 hạt). Các electron này lại được gia tốc hướng tới dynode thứ hai và sinh ra electron thứ cấp với hệ số nhân như trên. Một ống nhân quang thường có khoảng 10 dynode, tại dynode cuối sẽ có khoảng 105 đến 108 electron sinh ra từ một electron ban đầu. Tại anode, các electron này tạo xung điện có biên độ cở vài μA và kéo dài khoảng 1μs. Xung điện này sau đó được các mạch điện tử phía sau xử lý tùy theo bài toán đo đạc của người sử dụng. Hình 3: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 1 hệ đo bức xạ sử dụng detector nhấp nháy 3 Detector bán dẫn Nguyên tắc làm việc của đầu dò bán dẫn giống như buồng ion hóa, trong đó thay môi trường khí bằng môi trường chất rắn có độ dẫn điện thấp. Các bức xạ tương tác với nguyên tử trong miền nhạy của đầu dò sinh ra các electron do hiệu ứng ion hóa và do đó tạo tín hiệu điện lối ra. Vật liệu thường dùng là Si và Ge. Bức xạ vào với năng lượng cỡ 3.5eV có thể tạo ra 1 căp ion trong chất bán dẫn, do đó cho tín hiệu cỡ 10 lần lớn hơn trong đầu dò chứa khí. Biên độ xung điện tỉ lệ với năng lượng bức xạ vào. Các electron quỹ đạo trong nguyên tử tồn tại ở các mức năng lượng xác định. Trong chất rắn, các mức này gọi là dải năng lượng. Dải năng lượng cao nhất gọi là dải hóa trị. Dải này cách dải dẫn bởi một miền gọi là miền cấm. Độ rộng dải cấm cỡ 1eV (Ge hoặc Si). Bức xạ ion hóa có thể cung cấp năng lượng cho electron để nó chuyển từ dải hóa trị vượt qua dải cấm lên dải dẫn. Khi chuyển lên dải dẫn, electron để lại lỗ trống trong dải hóa trị, xem hình 4. Hình 4: Sự dịch chuyển của electron và lỗ trống trong điện trường Quá trình chuyển electron từ dải hóa trị lên dải dẫn. Trong detectector bán dẫn, electron chuyển về điện cực dương, lỗ trống cũng chuyển về điện cực âm nhưng thực sự không giống như trong ống đếm khí. Lỗ trống dịch chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nếu electron rời khỏi một vị trí trong dải hóa trị để chiếm một vị trí có lỗ trống khác, vị trí bỏ trống là lỗ trống mới, do electron có xu hướng dịch chuyển về cực dương nên lỗ trống dịch chuyển về cực âm. Các nguyên tố Si và Ge có 4 electron hóa trị. Trong tinh thể, các nguyên tử nối với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị. Khi tinh thể hấp thụ năng lượng, các mối liên kết này bị phá vỡ, chỉ cần 1.12 eV là đủ để bức một trong các electron hóa trị trong Si ra ngoài để tạo nên một cặp ion. Electron tự do và lỗ trống electron dễ dàng chuyển động trong tinh thể. Nếu vật liệu sạch chỉ có Si hay Ge thì số electron tự do và số lỗ trống bằng nhau. Vật liệu như vậy gọi là chất bán dẫn thuần. Nếu chất bán dẫn có lẫn tạp chất thì số electron tự do có thể nhiều hơn hay ít hơn số lỗ trống. Sự hoạt động của detector bán dẫn phụ thuộc vào tính chất của nó là thừa electron (chất bán dẫn loại n) hay thừa lỗ trống (loại p). Hình 5: Sơ đồ nguyên tắc của detector bán dẫn Miền p trong Si hay Ge đặt tiếp xúc với miền n tạo nên lớp tiếp giáp np. Đặt 1 điện thế vào miền tiếp giáp, trong đó miền p nối với với cực dương còn miền n nối với cực âm thì trở kháng lớp tiếp giáp rất bé và có dòng diện chạy qua lớp tiếp giáp. Nếu phân cực ngược lại, miền n nối với cực dương còn miền p nối với cực âm như hình 5 thì không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp, trừ mọt dòng rò rất bé do chuyển động nhiệt của electron và lỗ trống . Miền gần lớp tiếp giáp không có các electron và lỗ trống do điện thế có phân cực nói trên. Miền này gọi là miển nghèo và là miền nhạy của detector bán dẫn. Khi một tía bức xạ đi qua miền nghèo tạo ra các cặp electron – lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường cao thế, các electron và lỗ trống chuyển động về các điện cực, tạo nên tín hiệu điện ở lối ra.