Bài viết này đưa ra một số kết quả mới trong việc chế tạo thử nghiệm detector nhấp nháy sử dụng quang đi ốt thác lũ. Các detector loại này có thể sử dụng được trong các trạm quan trắc môi trường, các bệnh viện và các phòng thí nghiệm hạt nhân của các trường đại học để đào tạo và huấn luyện sinh viên…
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ DỤNG TINH THỂ CSI(TL) VÀ QUANG ĐI-ỐT THÁC LŨ ĐO BỨC XẠ GAMMA Detector nhấp nháy loại detector có hiệu suất ghi cao, sử dụng đơn giản, giải tốt mục tiêu nhiều nghiên cứu đào tạo nên việc nội địa hóa q trình chế tạo mang lại nhiều ích lợi Việc sử dụng quang ốt thác lũ thay cho ống nhân quang điện (PMT) cho phép tiết kiệm lượng, rút gọn thể tích detector loại bỏ khối cao áp công suất lớn khối khuếch đại hình thành xung Tổ hợp chất nhấp nháy CsI(Tl), quang ốt thác lũ, tiền khuếch đại nhạy điện tích, hệ thống khuếch đại dải rộng hệ nguồn ni tích hợp vào detector Bài viết đưa số kết việc chế tạo thử nghiệm detector nhấp nháy sử dụng quang ốt thác lũ Các detector loại sử dụng trạm quan trắc mơi trường, bệnh viện phịng thí nghiệm hạt nhân trường đại học để đào tạo huấn luyện sinh viên… NHẬP ĐỀ số hệ đo sử dụng tính đơn giản sử dụng, hiệu suất ghi cao, bền Ngày nay, số lượng nhà máy điện hạt nhân ngày môi trường làm việc khác cung cấp nhiều tăng nhanh, đặc biệt Trung Quốc mà Việt thông tin trường xạ giám sát Nam quốc gia nằm khu vực dễ bị ảnh hưởng phía cuối luồng khơng khí Các lý đặt yêu cầu chế tạo số lượng vận chuyển mùa thu, đông xuân lớn detector ghi đo xạ có độ bền cao, đáp Thêm vào đó, mỏ quặng chứa chất phóng xạ, ứng yêu cầu làm việc liên tục, tiêu thụ lượng nhà máy nhiệt điện thải vào mơi trường xỉ ít, gọn nhẹ, đơn giản nhanh chóng bảo than có chứa phóng xạ vấn đề quan dưỡng có yêu cầu thay cần thiết trọng cần giám sát, theo dõi Vì vậy, việc xây dựng trạm quan trắc mơi trường phóng xạ nhiệm vụ cấp thiết Theo quy hoạch LỰA CHỌN CẤU HÌNH DETECTOR NHẤP phủ phê duyệt Quyết định số NHÁY 1636/QĐ-TTg,Việt Nam cần có mạng lưới quan 2.1 Lựa chọn chất nhấp nháy trắc phóng xạ với số trạm lên đến hàng trăm trạm toàn quốc Ngoài ra, nhu cầu detector Chất nhấp nháy NaI (Tl) thuộc loại phổ cập hệ thống thiết bị đo đạc, xử lý số liệu xạ có độ sáng lớn, chế tạo thành hạt nhân phục vụ nhu cầu nghiên cứu đào tạo tinh thể có kích thước lớn đến hàng dm3 Nhược tăng nhanh Cho dù chương trình điện hạt điểm chủ yếu nhấp nháy NaI (Tl) gồm: nhân tạm dừng ứng dụng kỹ thuật - Tuổi thọ tinh thể giảm nhiều bị sốc hạt nhân khác y tế, cơng nghiệp nhiệt, chí tự rạn vỡ Điều làm cho nhấp tăng trưởng mạnh mẽ Tình hình nói đặt nháy NaI (Tl) sử dụng chủ yếu phịng u cần có nhiều hệ đo gamma nhằm đo liều thí nghiệm – nơi có nhiệt độ ổn định thay xạ, giám sát môi trường, đào tạo… Các hệ đo đổi chậm với detector nhấp nháy chắn chiếm tỷ lệ cao - Độ sáng tinh thể nhấp nháy NaI (Tl) thay 34 Số 63 - Tháng 6/2020 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN đổi mạnh nhiệt độ thay đổi – đến 0,3%/°C ốt làm hệ thống biến đổi quang - điện Vì vậy, hệ phổ kế nhấp nháy NaI (Tl) thường phải có hệ thống ổn định phổ kèm [1] 2.2 Lựa chọn linh kiện biến đổi quang-điện phải có hệ thống phần mềm hiệu chỉnh phổ thời gian đo kéo dài, với hệ đo dã ngoại, đặt ngồi phịng thí nghiệm Việc sử dụng ổn định phổ làm cho chi phí mua sắm hệ đo tăng lên nhiều lần Hình Hiệu suất lượng tử quang đi-ốt S3590-08[4] Hình Cường độ phát loại nhấp nháy độ nhạy phổ loại PMT [3] Chất nhấp nháy CsI(Tl) có hai ưu điểm so với NaI(Tl) độ sáng ổn định, thay đổi theo nhiệt độ mơi trường 30 lần (~ 0,01%/°C) chịu sốc nhiệt Hơn nữa, khối lượng riêng CsI(Tl) cao NaI(Tl) số photon tạo nên keV lượng tia gamma tới detector cao (4,51 g/cm3, 55 photon/keV so với 3,67 g/cm3 38 photon/keV tương ứng) Tuy nhiên, ghép CsI(Tl) với PMT biên độ xung anod thấp lần so với NaI(Tl) – phổ phát xạ CsI(Tl) nghiêng phía hồng ngoại mà vùng bước sóng đó, hiệu suất lượng tử PMT thấp Tình hình đổi khác ghép CsI(Tl) với quang ốt Si: Nhấp nháy CsI(Tl) ghép với quang ốt cho biên độ xung lớn hẳn so với ghép NaI(Tl) với quang ốt Hình cho thấy mức độ phù hợp nhấp nháy với PMT Vì có nhiều loại quang ốt (quang ốt Si; quang ốt Si loại PIN quang ốt Si loại thác lũ), việc lựa chọn chất nhấp nháy CsI(Tl) yêu cầu chế tạo hệ đo gọn nhẹ dẫn đến lựa chọn quang Hình Hiệu suất lượng tử quang đi-ốt S8664-0505[4] Với thành tựu phát triển khoa học lĩnh vực linh kiện bán dẫn, thay PMT quang ốt (gồm quang ốt thường quang ốt thác lũ) diễn So với ống nhân quang điện, quang ốt có ưu điểm: - Kích thước nhỏ, quãng đường di chuyển phần tử tải điện cỡ % mm nên hoạt động quang ốt không nhạy với từ trường - Không cần khối cao áp công suất lớn, điện áp cao detector nhấp nháy sử dụng PMT Điện áp bias đặt lên quang ốt thường 400V dòng điện cỡ nA Số 63 - Tháng 6/2020 35 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN - Hiệu suất lượng tử cao, đạt tới 80% vùng bước sóng khả kiến Detector có dạng hình trụ có đường kính 32mm, độ dài 190 mm, dày mm – chế tạo từ nhôm Hình Tinh thể CsI(Tl) kích thước 1x1xHình thể hiệu suất lượng tử phụ thuộc 3cm, quang ốt thác lũ loại S8664-0505 tiền bước sóng photon tới phù hợp khuếch đại nhạy điện tích CR-110 đưa vào quang ốt S3590-08 với loại nhấp nháy ngăn thứ thứ detector (phía NaI(Tl), BGO CsI(Tl) Và rõ ràng số bên phải) loại nhấp nháy CsI(Tl) phù hợp với quang ốt Tuy nhiên, việc sử dụng quang ốt thường làm chuyển đổi quang điện có nhược điểm quang ốt thuộc loại S3590 khơng có khuếch đại nội nên tín hiệu nhỏ, tỷ số tín hiệu tập Hình Detector mạch nguồn ni, khuếch đại âm khơng cao Để khắc phục tình trạng này, có Ngăn thứ (phía bên trái) detector hệ thống hai giải pháp sau: nguồn khuếch đại sơ bộ: Từ điện áp ±12 V đưa - Sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích có tạp vào, hệ mạch nguồn tạo ra: điện áp V để tạo âm thấp chống nhiễu tốt Công bố [2] điện áp bias cho quang ốt thác lũ S8664-0505; điện áp ± 6,8 V cung cấp cho tiền khuếch đại ví dụ theo hướng ± 6V cung cấp cho hệ khuếch đại sơ Hệ - Thay quang ốt thường(như S3590-08) khuếch đại sơ đưa vào để chuẩn dải biên quang ốt thác lũ (như S8664-1010/0505) độ xung – thay đổi hệ số biến đổi lượng Sự khuếch đại dòng quang ốt thác lũ lượng tử gamma bị tinh thể nhấp nháy hấp khơng đóng góp tạp âm mạch điện tử thụ thành biên độ xung cho loại nhấp nháy Tuy điện dung quang ốt thác lũ cao tiền khuếch đại khác để biên độ xung với việc khuếch đại dòng điện bù lại nên nâng loại chuyển dời gamma biên độ tín hiệu lẫn tỷ số tín hiệu Điện áp bias 380 V tạo từ linh kiện tổ hợp tạp âm Công bố [5] ví dụ điển hình C10940-53 hãng Hamamatsu chế tạo phương án thứ Trong nghiên cứu này, phương án thứ lựa chọn sử dụng quang ốt thác lũ loại S86640505 để ghép với nhấp nháy CsI(Tl) Hiệu suất quang điện S8664-0505 thể Hình Các photon CsI(Tl) phát có bước sóng từ khoảng 380 : 780 nm dải bước sóng Hình 5: Cấu hình thực nghiệm đánh giá detector này, hiệu suất lượng tử S8664-0505 tính trung Hệ thiết bị kiểm tra detector gồm khuếch đại bình khơng nhỏ 80% tạo dạng 2022 hãng Canberra, MCA loại APG7300A hãng TechnoAP – hình sử dụng để khảo sát detector nhấp nháy THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO lắp ráp mô tả Các nguồn phóng xạ LUẬN dùng thực nghiệm đánh giá detector 3.1 Thực nghiệm, kết Cs137 Co60 phát lượng tử gamma 661,7; 36 Số 63 - Tháng 6/2020 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 1173,2 1332,5 keV tương ứng không lớn Điều dẫn tới đóng góp tán xạ Compton vào hiệu suất ghi toàn phần detecPhổ thu đo với Cs137 thể tor cao so với đóng góp tán xạ Compton hình 6, phổ thu đo với Co60 biểu tinh thể nhấp nháy kích thước lớn (phổ cập diễn Hình Các giá trị độ phân giải 40 mm đường kính cao 40 mm) lượng với đỉnh 661,7 keV 1332,5 keV 9,81% 6,08% - Ngưỡng cắt cao – khoảng 40 keV nên chưa thể sử dụng detector loại đo tia X gamma mềm có lượng 40 keV - So sánh độ phân giải lượng 661,7 keV thông lệ cho thấy độ phân giải lượng detector chế tạo gần tiếp cận với kết [2], [5] [7] Các chuyển dời gamma 661,7; 1173,2 1332,5 keV tạo nên đỉnh phổ kênh 352; 620 705 tương ứng Việc xây dựng đường chuẩn lượng Eγ = a.X + b với X vị trí đỉnh; Eγ lượng tia gamma; a b tham Hình 6: Phổ đo với Cs137, độ phân giải số đường chuẩn lượng cho kết a = đỉnh 661 keV đạt 9,8 % 1,900 b = -7,2 Như vậy, đường chuẩn lượng cắt trục hoành tọa độ (4, 0) Ngưỡng cắt phổ kênh 25 tương ứng với lượng 40 keV Trong vùng từ kênh đến kênh 25 đóng góp xung có biên độ nhỏ nhấp nháy hấp thụ phần nhỏ lượng tia gamma xung tiếng ồn tạo nên – xung khơng phân tích biên độ Việc đánh giá đóng góp tiếng ồn thơng qua xem xét độ phân giải đỉnh 1332,5 keV Độ phân giải đỉnh 1332,5 keV 6,08% tương đương 80 keV Do đóng góp tiếng ồn hệ khuếch đại 2022 nhỏ nên tạp âm chủ yếu Hình 7: Phổ đo với nguồn Co60 Độ phân giải đóng góp tiếng ồn nội tiền khuếch đại lượng đỉnh 1332 keV đạt 6,08% tạp âm ENC điện dung quang ốt thác lũ 3.2 Thảo luận gây nên - ước lượng ban đầu 20 keV Tuy Các kết thu phổ Hình Hình nhiên, để xác loại tiếng ồn tỷ lệ đóng góp cho thấy: thành phần tiếng ồn, cần tiến hành - Kích thước tinh thể thuộc loại nhỏ nên số lượng thực nghiệm bổ sung khác Ngồi ra, cần q trình tán xạ Compton nhiều lần dẫn tới tạo thiết kế lại vỏ detector để tăng khả truyền xung có biên độ nằm đỉnh hấp thụ quang điện qua tia X tia gamma mềm Số 63 - Tháng 6/2020 37 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Các thực nghiệm đánh giá hiệu suất ghi, ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm, độ ổn định độ bền, chống nhiễu điện từ khắc phục tạp âm hệ để giảm ngưỡng đo tiếp tục thời gian tới KẾT LUẬN [3] G Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3rd ed Hoboken, NY: John Wiley & Sons, 2000 [4] HAMAMATSU Corp., Si PIN Photodiodes S3590- / S2744- / S3204-/ S3584- / S3588-08 (preliminary data), Hamamatsu Photonics K.K [5] Gascon M et all, Optimization of Energy Resolution Obtained With CsI(Tl) Crystals for the Với kết trên, đánh giá tích cực R3B Calorimeter IEEE Transactions on Nuclear triển vọng tự chế tạo detector nhấp nháy để Science, 55(3), 1259–1262, 2008 phục vụ mục tiêu nội địa hóa thiết bị đo đạc xạ Việt Nam nhằm làm chủ công nghệ, giảm [6] Hamamatsu Photonics K.K., “Si APD S8664 chi phí trang bị, chủ động bảo trì, bảo dưỡng, series data sheet”, KAPD1012E04 DN, Japan, sửa chữa thay đơn vị giám sát môi Sep.2005 trường, nghiên cứu đào tạo Ở tình trạng [7]https://www.kromek.com/product/sigmatại, detector với thơng số hồn scintillator-detectors/ tồn sử dụng trạm quan trắc môi trường, thiết bị trinh sát phóng xạ, phịng thí nghiệm phục vụ đào tạo bệnh viện y học hạt nhân để đo xạ gamma có lượng từ 50 keV trở lên Các hiệu chỉnh kỹ thuật mỹ thuật công nghiệp thực để sớm chế tạo hàng loạt detector loại Các tác giả trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội cung cấp kinh phí mua APD S8664 cho nghiên cứu thông qua đề tài T2018-PC-124 Phạm Đình Khang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Scintillation Materials and Assemblies www crystals.saint-gobain.com [2] Kwang Hyun Kim et al Signal and noise performance of large-area PIN photodiodes and charge-sensitive preamplifiers for gamma radiography Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008) 63–66 38 Số 63 - Tháng 6/2020 ... đưa vào quang ốt S3590-08 với loại nhấp nháy ngăn thứ thứ detector (phía NaI(Tl), BGO CsI(Tl) Và rõ ràng số bên phải) loại nhấp nháy CsI(Tl) phù hợp với quang ốt Tuy nhiên, việc sử dụng quang. .. với quang ốt Hình cho thấy mức độ phù hợp nhấp nháy với PMT Vì có nhiều loại quang ốt (quang ốt Si; quang ốt Si loại PIN quang ốt Si loại thác lũ) , việc lựa chọn chất nhấp nháy CsI(Tl) yêu cầu chế. .. vào để chuẩn dải biên quang ốt thác lũ (như S8664-1010/0505) độ xung – thay đổi hệ số biến đổi lượng Sự khuếch đại dòng quang ốt thác lũ lượng tử gamma bị tinh thể nhấp nháy hấp khơng đóng góp