PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ - TS. VÕ HỒNG HẢI

Bài giảng 1: 1- Giới thiệu vật chất Introduction of matter 2- Năng lượng và động lượng Energy and Kinetic energy 3- Tương tác bức xạ với vật chất Interaction of radiations with matter 4-

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI

ĐO BỨC XẠ

TS VÕ HỒNG HẢI

(Nuclear radiation detection: Methods and Instruments)

Tài liệu sử dụng:

1 Stefaan Tavernier, “Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics”,

Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010

1 Leo, William R., “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments”,

SpringerLink, 1994

(Bài giảng 1)

Bài giảng 1:

(1)- Giới thiệu vật chất (Introduction of matter)

(2)- Năng lượng và động lượng (Energy and Kinetic energy)

(3)- Tương tác bức xạ với vật chất (Interaction of radiations with matter)

(4)- Đáp ứng phổ năng lượng của detector (Detector response)

và Hệ số suy giảm khối của gamma (µ/) – Gamma Mass Attenuation coefficient

(5)- Sơ đồ mức năng lượng và phân tích phổ năng lượng

(Nuclear diagram level and energy spectrum analysis)

(6)- Chuẩn năng lượng – độ phân giải năng lượng

(Energy calibration – Energy resolution)

1 Bên trong vật chất (Exploring the interior of matter)

(high energy particles)

New mass states accessible:

2 Năng lượng, động năng

Trong điều kiện tương đối tính (Special Relativity):

Trong điều kiện không tương đối tính (Non-Relativity):

20

20

kin

m c v

Nếu năng lượng của hạt rất lớn hơn so với khối lượng

Ekin  E  pc

1 2

Đơn vị (Units in particle physics):

Lifetime (sec)Khối lượng (eV) và

Thời gian sống (sec) của hạt cơ bản

3 Tương tác bức xạ với vật chất

Charged particles Photons, g

Ionisation (hard collision) and excitation

(soft collision) (Ion hóa và kích thích)

Transition radiation

Tương tác bức xạ gamma với vật chất

e-e-e+

tot quangdien compton taocap

 : Mật độ khối [g/cm 3 ]; µ: hệ số suy giảm [cm -1 ]

d : Bề dày vật liệu [cm]; A: Số Avogadro (6,022.10 23 )

: Tiết diện tương tác (cross section) [cm 2 ]; [barn]=10 -24 cm

x,d,

Tương tác bức xạ gamma với vật chất

1/ Hiệu ứng quang điện (Photo-electric absorption; photo-effect )

2/ Tán xạ Compton (Compton scattering)

(1) Hiệu ứng quang điện; (2) hiệu ứng tán xạ Compton; (3) Hiệu ứng tạo cặp e - /e +

e-Ee Electron recoil

3/ Tạo cặp (Pair production)

2 0

E   E   Eg  m c  Eg 

Đỉnh thoát đôi

Đỉnh thoát đơn

Năng lượng đỉnh thoát đơn: h - m0c 2

Năng lượng đỉnh thoát đôi: h - 2m0c 2

4 ĐÁP ỨNG PHỔ NĂNG LƯỢNG CỦA DETECTOR

Khi gamma tương tác với môi trường detector, dạng đáp ứng của detector

PE: Hiệu ứng quang điện (Photo-effect)

CS: Hiện ứng tán xạ Compton (Compton Scattering )

PP: Hiệu ứng tạo cặp (Pair Production)

2 0

Đỉnh quang điện (PE)

Tán xạ nhiều lần

2 0

h m c

g g g

Bài tập 2.1 Xét năng lượng gamma tới 1 MeV Hãy tính vị trí bờ Compton.

Bài tập 2.2 Xét năng lượng gamma tới 3 MeV Hãy xác định vị trí thoát đơn và thoát đôi trong hiệu ứng hũy cặp

Đáp ứng của detector phụ thuộc vào kích thước của detector

 : Mật độ khối [g/cm 3 ]; µ: hệ số suy giảm [cm -1 ]

d : Bề dày vật liệu [cm]; A: Số Avogadro (6,022.10 23 )

: Tiết diện tương tác (cross section) [cm 2 ]; [barn]=10 -24 cm

EFFECTS OF SURROUNDING

MATERIALS(sự ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài –

do vật liệu che chắn bên ngoài)

1 Tia X đặt trưng của vật liệu ngoài

ngoài vào detector

5- Sơ đồ năng lượng và phân tích phổ năng lượng

Năng lượng (keV) Cường độ phát (%) loại phát

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

A: Hiệu ứng quang điện B: Tán xạ Compton C: Bờ Compton D: Tán xạ ngược từ vật liệu ngoài E: Tia X từ nguồn Cs-137

F Tia X đặt trưng từ vật liệu ngoài

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0

10000 20000 30000 40000 50000

Năng lượng (keV) Cường độ phát (%) Loại phát

1 332,492 (4) 99,9826 (6) γ

1 173,228 (3) 99,85 (3) γ

826,10 (3) 0,0076 (8) γ 347,14 (7) 0,0075 (4) γ 7,47824 (-) 0,0065 (3) XKα17,46097 (-) 0,00334 (12) XKα28,2967 (-) 0,00136 (5) XK'β1

2 158,57 (3) 0,0012 (2) γ 0,84 (-) 0,0002 (-) XL

2 505,692 (5) 0,0000020 (4) γ

NaI(Tl) 3 inch x 3inch

NaI(Tl)RI

6 Chuẩn năng lượng – độ phân giải năng lượng

Cs-137; Na-22; Co-60

Kenh = 0.6349E(keV) + 14.025

R² = 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Độ phân giải năng lượng

Bài toán: Đo phổ phông nền phóng xạ môi trường  Xác định một số đồng vị phóng xạ

có trong môi trường (ví dụ: K-40)

K-40 : 1460 keVAc-228 : 908 keVTl-208 : 583 keVAc-228 : 338-348 keVPb-212 : 239keV

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI

ĐO BỨC XẠ

TS VÕ HỒNG HẢI

DETECTOR

Charge Sensitive Preamplifier

SHAPING AMPLIFIER

ENERGY

POSITION, IDENTIF TIMING

COUNTING SHAPING TIME,

THRESHOLDS

PEAK SENSING ADC

DISCRIMINATOR

TDC

LOGIC UNIT

Trigger, Coincidence

Fast Out

(Nuclear radiation detection: Methods and Instruments)

(Bài giảng 2)

Bài giảng 2:

(1)- Detector khí

(2)- Detector nhấp nháy

- Hầu hết đầu dò khí, cathode thành ống, anode là thiết kế là dạng dây, đặt giữa ống.

Thế ion hóa (Ionization potential) [eV]

Năng lượng trung bình để tạo ra cặp ion+/e-

(Mean energy for ion-electron pair creation) [eV]

H2He

N 2

O2Ne Ar Kr Xe

CO2

CH4

C4H10

10.8 19.8 8.1 7.9 16.6 11.6 10.0 8.4 10.0

15.4 24.6 15.5 12.2 21.6 15.8 14.0 12.1 13.7 13.1 10.8

37 41 35 31 36 26 24 22 33 28 23

Mean energy for ion-electron pairs created

2 Detector nhấp nháy

1024…

Photocathode

Nguyên lý hoạt động:

- Khi bức xạ đi qua môi trường vật liệu nhấp nháy, nó sẽ kích thích hoặc ion hóa các phân tử.Khi các phân tử trở về trạng thái cân bằng, các photon ánh sáng (UV hoặc ánh sáng vùng thấyđược) được sinh ra

- Vật liệu dẫn sáng “dẫn” các photon ánh sáng vào ống nhân quang điện

- Ống nhân quang điện (PM or PMT) tạo xung tín hiệu điện

Cơ chế nhấp nháy - Phân loại detector nhấp nháy

Phân loại:

1/ Detector nhấp nháy hữu cơ:

- Nhấp nháy lõng (organic liquids)

- Nhấp nháy plastic (plastic scintillator)

-2/ Detector nhấp nháy vô cơ

- Dạng tinh thể (NaI, CsI, BGO…)

Phát quang (luminescence)

Huỳnh quang (Fluorescence)

<100ms

Lân quang (Phosphorescence)

>100ms

Nhấp nháy (scintillation, scintillator)

Electron ground state

Electron trở về trạng thái

cơ bản, phát ra photon ánh sáng

Đỉnh phát quang khoảng 425 nm

• For reference, 1 nm = 10 Angstroms

Cơ chế nhấp nháy của vật liệu nhấp nháy hữu cơ

Electron bị kích thich lên mức cao

hơn khi bức xạ đi qua Electron này

hấp thụ 1 phần năng lượng.

Nguyên lý phát sáng nhấp nháy của vật liệu nhấp nháy vô cơ

Scintillation mechanism in inorganic scintillators

Ionization/excitation by radiation creates unbound e-h pairs or bound e-h pairs called excitons.

Excitons can move rather freely in crystals, caught at impurities, defects, and soon, and the STE (self-trapped excitons) gives

luminescence upon radiative recombination.

Vùng dẫn Impurity activator (ví dụ Tl)

Ex.: NaI(Tl): Tl is impurity activator

photon Vùng hóa trị

Material Average energy loss

per scintillator photon for electron [eV/photon]

Anthracene

NaI Plastic

BGO

60 25 100 300

Ống nhân quang điện (PMT – Photo-Multiplier Tube )

Electron quang được sinh ra khi có photon ánh sáng đập vào photocathode (hiệu ứng quang điện)

Photocathode

(from scintillator)

Lượng electron được nhân lên qua từng dynode

Hệ số Quenching of photon ánh sáng nhấp nháy

Tùy vào loại bức xạ (e, p, ,…), cùng một năng lượng tới, lượng photon ánh sáng nhấp nháy tạo ra có thể khác nhau (giảm theo khối lượng hạt)

Ví dụ: So sánh lượng photon ánh sáng sinh ra cho electron và alpha khi năng lượng của hạt là

20 MeV.

Giải:

Dựa vào hình bên, ta thấy:

e@20MeV: light yield ~ 0,15

@20MeV: light yield ~ 0,03

Vật liệu nhấp nháy

Ống nhân quang điện

(PMT)

Vật liệu làm detector nhấp nháy cần phải có một số tính chất sau đây:

– Vật liệu cần phải “trong suốt” với photon ánh sáng nhấp nháy Tức là hệ số hấp thụ của vật liệu đối với photon ánh sáng nhỏ

– Hiệu suất sinh ra photon ánh sáng phải lớn

– Lượng photon ánh sáng tạo ra phải tỉ lệ với năng lượng bức xạ bỏ lại trong

detector

– Chiết suất của vật liệu cần phải khoảng 1,5; gần với chiết suất của cửa sổ PMT

PLASTIC SCINTILLATOR

Tính chất của detector nhấp nháy plastic Kowaglass SCSN-32

Nhấp nháy vô cơ

Tính của một số vật liệu nhấp nháy vô cơ

Bài tập:

Sử dụng đầu dò NaI(Tl) ghi nhận bức xạ gamma 1 MeV Xét sự kiện hiệu ứng quang điện Cho biết (tính)

a Số photon ánh sáng tạo ra.

b Số photo-electron tại photocathod, giả sử hiệu suất số photon là 50% đi đến photocathode

và hiệu suất lượng tử của photocatod (Quantum efficiency) là 20%.

c Độ phân giải năng lượng (gây ra do thống kê).

d Số electron tạo ra tại anode, biết hệ số nhân của ống nhân quang là 10 7

Giải:

a Đối với đầu dò NaI, gamma@1MeV: 40.000 photon

b Số photo-electron sinh ra tại photo cathod: Nphoto-electron 40.000 x 50% x 20% = 4.000 photo-electron

d Số electron tại anode: ne = 4.000 x 107

Một hệ đo phổ gamma sử dụng đầu dò NaI(Tl)

Cao thế dương: ~ 1000V

Bộ phân tích độ cao xung (PHA-Pulse height Analysis)

Bộ phân tích đa kênh (MCA-Multi Channel Analyser)

Mạch chia thế

-PMT base

NaI(Tl) + PMT

Tiến khuếch đại

(khuếch đại điện tích)

Dạng xung tín hiệu lối ra

Độ cao xung (ADC Channel)

Phổ gamma 662keV của nguồn Cs-137

Sơ đồ khối của hệ đo gamma, NaI của hãng Canberra

Dạng xung tín hiệu lối ra

Mở rộng

Detector NaI(Tl) 760mm x 760 mm (Gamma-rad; hãng Canberra)

Xác suất tương tác

Sơ đồ khối hệ đo gamma, NaI(Tl)

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI

ĐO BỨC XẠ

TS VÕ HỒNG HẢI

DETECTOR

Charge Sensitive Preamplifier

SHAPING AMPLIFIER

ENERGY

POSITION, IDENTIF TIMING

COUNTING SHAPING TIME,

THRESHOLDS

PEAK SENSING ADC

DISCRIMINATOR

TDC

LOGIC UNIT

Trigger, Coincidence

Fast Out

(Nuclear radiation detection: Methods and Instruments)

(Bài giảng 3)

Bài giảng 3:

- Cơ bản về bán dẫn

- Cơ bản về detector bán dẫn

Cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Bán dẫn Kim loại

Cách điện

Electron/lỗ trống

+ Hạt dẫn điện trong bán dẫn:

electron/lỗ trống (e-/h+)+ Độ linh động của electron/lỗ trống:

µe ; µh+ Đối với bán dẫn tinh khiết (ni = n = p):

+ Dòng điện trong bán dẫn

+ Độ dẫn điện (conductivity):

J = E ; (4)   = eni(µe + µh) (5) + Điện trở  = 1/

+ Đối với bán dẫn pha tạp loại n:

Vùng nghèo: (Depletion Depth)

xn xpd

=

Đối với Si, Ge:

Si Ge

Khối lượng ng tử A 28,1 72,6 Mật độ [g/cm 3 ] 2,33 5,32 Điện trở nội (300K)

1,21 1,1

0,785 0,7

Một số tính chất của Si, Ge:

Ở đó,  [.cm]; V0 [Volt]

Vùng nghèo khi áp thế

+

-Vùng nghèo khi chưa áp thế

Vùng nghèo cho phân cực ngược:

Tạo cặp e/h bởi gamma:

n = Eabs/

Eabs: Năng lượng gamma bị hấp thụ

 : Năng lượng trung bình để tạo 1 cặp e/h

Điện cực Cao thế

Vùng hoạt ghi nhận bức xạ

Thiết kế cơ bản cho ghi nhận bức xạ:

Bán dẫn là chất có điện trở suất cao

Để tạo vùng nghèo khi áp điện

trường lớn vào, cần điện cực

 Lớp điện cực: loại p+ và n+ (giàu

Loại detector bán dẫn và window.

Năng lượng (keV) Cường độ phát (%) Loại phát

1 332,492 (4) 99,9826 (6) γ

1 173,228 (3) 99,85 (3) γ

826,10 (3) 0,0076 (8) γ 347,14 (7) 0,0075 (4) γ 7,47824 (-) 0,0065 (3) XKα17,46097 (-) 0,00334 (12) XKα28,2967 (-) 0,00136 (5) XK'β1

2 158,57 (3) 0,0012 (2) γ 0,84 (-) 0,0002 (-) XL

2 505,692 (5) 0,0000020 (4) γ

Phổ Co-60 cho detector HPGe

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI

ĐO BỨC XẠ

TS VÕ HỒNG HẢI

DETECTOR

Charge Sensitive Preamplifier

SHAPING AMPLIFIER

ENERGY

POSITION, IDENTIF TIMING

COUNTING SHAPING TIME,

THRESHOLDS

PEAK SENSING ADC

DISCRIMINATOR

TDC

LOGIC UNIT

Trigger, Coincidence

Fast Out

(Nuclear radiation detection: Methods and Instruments)

(Bài giảng 4)

Bài giảng 4: Thiết bị điện tử trong hệ đo bức xạ

- Tiền khuếch đại (pre-Amplifier)

- Bộ khuếch đại (Amplifier)

- Bộ phân biệt tín hiệu (Discrimimator)

- Bộ chuyển đổi ADC (Analog-Digital Converter) (Peak-ADC; charge ADC)

- Bộ đếm (counter)

- NIM và CAMAC

- Chuẩn logic

Discriminator (3)

Counter/timer (4)

Ampl.

Pre-Geiger–Müller tube

PHA (Pulse Height Analysis) (3)

Amplifier/

Shaping time (2)

Computer (4)

Channel number

ADC Channel

Hệ đo số đếm Geiger–Müller tube

Hệ đo phổ năng lượng (nhấp nháy, Ex NaI(Tl)

Amplifier/

Shaping time (2)

Computer (4)

Channel number

Bộ tiền khuếch đại: (Pre-Amplifier):

Chức năng:

- Phối hợp trở kháng từ đầu dò hạt nhân (Z lớn ~ M), đến các thiết bị xử lý xung điện

tử như Amplifier, discriminator (Z nhỏ 93, 50)

- Chuyển dòng, điện tích thành thế (I  U)

Có 3 dạng tiền khuếch đại:

(1)- Nhạy điện thế (Voltage sensitive Pre-amplifier)

(2)- Nhạy dòng (current sensitive Pre-amplifier)

(3)- Nhạy điện tích (charge sensitve Pre-amplifier) // dùng trong đầu dò HPGe, NaI

Thời hằng (time constant)

 = Rf.Cf

 = Rf.Cf

Bộ khuếch đại:

Có 2 chức năng chính:

- Nắn xung e-mu thành dạng giống Gauss từ pre-amplifier (Shaping time)

- Khuếch đại xung tín hiệu (amplifier)

Mạch CR:

- Mạch lọc tần số cao (high-pass filter)

Mạch lọc tần số thấp (low-pass filter) Mạch tích phân (integration)

Thời hằng (Time constant):

 = R1C1 = R2C2

Amplifier Canberra

Bộ phân biệt:

Mức ngưỡng (threshold)

Lối vào: xung tín hiệu analogLối ra : xung logic

input

output

Charge Sensitive Preamplifier

SHAPING AMPLIFIER

ENERGY

POSITION, IDENTIF.

TIMING

COUNTING

SHAPING TIME, GAIN THRESHOLDS

PEAK SENSING ADC

DISCRIMINATOR

TDC SCALER

LOGIC UNIT

Trigger, Coincidence

Fast Out

Charge sensitive Pre-amplifier

Pulse height Analysis (PHA)

Peak ADC (Ex HPGe, NaI(Tl)-Energy spectroscopy)

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Pre-Ampl.(ADC) Ampl.(ADC)

Time (a.u)

Tiền khuếch đại điện tích: (Charge Pre-Amplifier)

- Chuyển đổi điện tích thành thế,

- Tín hiệu lối ra có dạng hàm exp

- Phối hợp trở kháng (Ex ~M  93; 50-NIM).

counter

Charge ADC (QDC)

(Ex Plastic scintillator, time spectroscopy)

Current sensitive Pre-amplifier

Tiền khuếch đại dòng (Current Pre-Amplifier)

- Khuếch đại tuyến tính, dạng xung tín hiệu không thay

đổi

- Phối hợp trở kháng (Ex ~M  93; 50-NIM).

Thời gian chết của hệ đo – thời gian thực – thời gian hệ ghi nhận

Dead time – real time – livetime

DAQ

Busy (Dead time)

Detector

Discriminator

ADC

RequestAccept

Analogy Digital converter (ADC) / Energy spectrum

energy spectrum = Histogram

Ex MCA: 13bits; (0-10)Volt; (0-5)MeV

Multi Channel Analyser (MCA)

NIM - CAMAC

NIM module: các module xử lý logic, Amplifier,

discriminator,…

NIM crate: Cung cấp nguồn +/- 6V; +/-12V; +/-24V

cho các NIM module

CAMAC module: ADC, TDCCAMAC crate: Truyền dữ liệu

CAMAC moduleNIM module

NIM crate

CAMAC crate

Ghi nhận năng lượng (ADC) – thời gian (TDC)

Thiết lập hệ đo coincidence sử dụng

NIM, CAMAC

Đặc trưng Xung NIM logic dương

(NIM-standard positive logic)

Xung NIM logic âm (NIM-standard Negative logic) Logic 1

Logic 0

+4 to +12 V +1 to –2 V

0.8 V

0 V

Ứng dụng Dùng trong tốc độ truyền xung

tín hiệu thấp (<1MHz)

Dùng trong tốc độ truyền xung tín hiệu cao.

CHUẨN NIM LOGIC

Logic dương

Logic âm

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Bộ phân tích đa kênh MCA:

- bộ chuyển đổi ADC

- Bộ nhớ Memory

Máy tính

Neutron &

Neutron Detectors

TS VÕ HỒNG HẢI

Đơn vị (Units in particle physics):

Lifetime (sec)

Khối lượng (eV) và

Thời gian sống (sec) của hạt cơ bản

neutron tự do:

Thời gian phân rã T (lifetime): 882 sec Thời gian bán rã t1/2: (half-life) 611 sec.

1) High Energy neutrons : En > 100 MeV

2) Fast Neutrons : 100 keV < En < 10 MeV 3) Epithermal Neutrons : 0.1 eV < En < 100 keV 4) Thermal/Slow Neutron : En = 1/40 eV

5) Cold/Ultracold Neutrons : En < meV … µeV

Vùng năng lượng neutron

t = total cross section (s + a)

s = total scattering cross section (el + i)

e or n,n = elastic scattering cross section

i or n,n’ = inelastic scattering cross section

a or c = absorption or capture cross section

ne = non-elastic cross section, t - el

n, = radiative capture cross section

f or n,f = fission cross section

TƯƠNG TÁC NEUTRON VỚI VẬT CHẤT