dụng để xác định các neutron nhanh thông qua các proton giật lùi. Vì các chất nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện với các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ. Để cải thiện tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha thêm vào trong chất nhấp nháy (~10% trọng lượng chì hoặc thiếc). Tuy nhiên sự bổ sung này lại làm giảm cường độ sáng.
II.3.3. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy vô cơ
Các tinh thể chất nhấp nháy vô cơ là tinh thể dưới dạng muối hữu cơ của một kim loại với với nguyên tố halogen có pha thêm một lượng nhỏ chất phát quang. Quá trình phát sáng trong chất nhấp nháy được mô tả chi tiết trong hình vẽ phía dưới.
Hình 12. Dải năng lượng trong nháy vô cơ tinh khiết và pha tạp.
Khi không pha tạp, độ rộng vùng cấm của chất nhấp nháy là khá lớn, để giảm độ rộng vùng cấm và tăng xác suất phát photon của phân tử từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, một lượng nhỏ chất pha tạp (chất kích hoạt) được
thêm vào chất nhấp nháy vô cơ. Những chất pha này tạo thành những nút đặc biệt trong cấu trúc mạng tinh thể làm thay đổi cấu trúc của dải năng lượng. Một hạt mang điện đi qua chất nhấp nháy sẽ tạo ra một lượng lớn các cặp electron-lỗ trống, làm dịch chuyển các electron từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Lỗ trống sẽ dịch chuyển về phía tâm kích hoạt và ion hoá nó, do năng lượng ion hoá của chất pha tạp bé hơn nên electron có thể dịch chuyển tự do trong tinh thể và bị bắt ở tâm ion hoá để tạo ra một phần tử trung hoà, sự dịch chuyển như vậy tạo ra một tập hợp các trạng thái năng lượng kích thích. Nếu trạng thái được tạo ra là một trạng thái kích thích được phép dịch chuyển về trạng thái cơ bản, nó khử kích thích một cách nhanh chóng (~10-7sec.) và phát ra photon quan sát được (phụ thuộc vào chất kích hoạt thích hợp).
Quá trình cạnh tranh thứ hai là khi các electron ở phía trên di chuyển đến vùng pha tạp có thể làm kích thích sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản mà lẽ ra nó bị cấm. Các dịch chuyển như vậy có thể tạo ra các trạng thái kích thích của phân tử và tạo ra các dịch chuyển về trạng thái cơ bản. Nguồn gốc của năng lượng kích thích này là kích thích nhiệt và ánh sáng phát ra sau đó gọi là sự phát lân quang. Quá trình này cũng xảy ra sau quá trình phát sáng rực rỡ trong chất nhấp nháy. Các nguồn sáng này giống như một nguồn sáng phông. Quá trình dịch chuyển của các lỗ trống là một sự thay thế của các electron-lỗ trống giống như một sự dịch chuyển mức kích thích. Quá trình đó diễn ra ở các biên giới hạn của trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích làm cho độ rộng vùng cấm bị thu hẹp.
II.3.4. Các kiểu nhấp nháy vô cơ
NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất của NaI(Tl) là khả năng phát sáng rất tốt. Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các electron (và các tia gamma). Nó được sử dụng phổ biến và được biết như chất nhấp nháy chuẩn
sử dụng trong phổ kế gamma, được chế tạo dưới nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Các tinh thể NaI(Tl) cần được bảo quản trong hộp kíp để tránh hút ẩm và ánh sáng. Tinh thể dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt. Thời gian phân rã của xung nhấp nháy tạo ra vào khoảng 230 ns nên không phù hợp với các ứng dụng cần thời gian phân giải nhanh hoặc các ứng dụng có tốc độ đếm cao.
CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn so với sodium iodide. Nhờ ưu điểm này nó được sử dụng trong các ứng dụng cần các đetectơ có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn. Nó ít bị vỡ hơn sodium iodide nên bảo quản dễ hơn trong các điều kiện dễ gây sốc và va đập. Khi các thiết bị đo sử dụng photodiode mở rộng sang vùng ánh sáng đỏ thì chất nhấp nháy này có hiệu suất cao nhất so với các chất nhấp nháy khác.
LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác định nơtron dựa trên phản ứng 6Li(n,α).
Bismuth Germanate(BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ rất cao (7.3 g/cm3) 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 bằng 10-20% so với NaI(Tl) còn độ phân giải thì kém hơn hai lần so với NaI (Tl).
Barium Fluoride (BaF2): Hiện tại vẫn còn đang chế tạo thử nghiệm, đây là loại vật liệu có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns. Sự kết hợp của các đặc điểm này tạo nên loại vật liệu đặc biệt sử dụng cho các đetectơ nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh.
ZnS(Ag): Chất nhấp nháy này có hiệu suất rất cao so với NaI(Tl) nhưng chỉ được cung cấp dưới dạng bột đa tinh thể. Khi chế tạo với mật độ lớn hơn 25mg/cm2 sẽ làm cho vật liệu trở nên mờ đục và giảm cường độ của ánh sáng
phát ra. Nó được sử dụng để đo anpha hoặc các ion nặng.
CaF2(Eu): Chất nhấp nháy này hầu như không hút ẩm và trơ do đó có thể sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Có khả năng chịu được va đập, hoá chất, bay hơi ở áp suất thấp nên thích hợp khi sử dụng trong môi trường chân không.
CsF: Rất tốt cho các phép đo thời gian vì thời gian phân giải nhanh nhưng năng suất phát sáng chỉ bằng 5-10% so với NaI(Tl).
Chất nhấp nháy thủy tinh: Các chất nhấp nháy thuỷ tinh hiện đại được chế tạo từ hỗn hợp của các chất như SiO2, LiO2, Al2O3, MgO và Ce2O3 có bổ sung thêm một ít BaO để tăng mật độ. Ánh sáng phát ra thường vào cỡ 20-30% so với antracen. Các chất nhấp nháy thuỷ tinh thường được sử dụng để đếm gamma hoặc beta ở các khu vực có điều kiện môi trường khắc nghiệt như dễ bị hoá chất ăn mòn hoặc vận hành dưới nhiệt độ cao. Thời gian phân giải của chất nhấp nháy thuỷ tinh thường vào cỡ 50-75 ns. Vì chất nhấp nháy thuỷ tinh có thể lẫn các chất phóng xạ tự nhiên như Th hoặc K do đó cần đề phòng khi sử dụng chất nhấp nháy này trong các ứng dụng phông thấp.
Các chất nhấp nháy khí: Các khí tinh khiết như xenon và helium có thể sử dụng để làm chất nhấp nháy. Bức xạ hoặc hạt mang điện có thể kích thích phân tử khí khi đi ngang qua môi trường này. Các phân tử khí bị kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản làm phát ra các photon (có bước sóng nằm gần vùng tử ngoại). Có thể thêm một lượng nhỏ khí khác như N để làm dịch phổ bức xạ bằng cách hấp thụ bức xạ tử ngoại sau đó phát bức xạ năng lượng ở bước sóng dài hơn. Trong chất nhấp nháy này có thể tạo ra một số các kiểu khử kích thích khác như sự dao động của các phân tử hoặc quá trình tự tắt. Hiệu suất của các chất nhấp nháy khí khá thấp nhưng thời gian phân giải là khá ngắn chỉ khoảng vài nano giây hoặc bé hơn.
Bên cạnh ưu điểm nhanh, chất nhấp nháy khí có ưu điểm dễ chế tạo đetectơ với các kích thước và hình học khác nhau. Có khả năng ghi tất các các loại bức xạ. Nhược điểm chính của loại nhấp nháy này là năng suất phát sáng thấp loại tốt nhất cũng nhỏ hơn NaI(Tl) một bậc đối với hạt mất từ 3-10% năng lượng. Một số khí trơ khi ở trạng thái lỏng hoặc rắn có hiệu suất cao hơn.
II.4. Các thiết bị xác định photon
Hình 13. Các phần tử cơ bản của ống nhân quang.
Ánh sáng đi qua cửa sổ và đập vào catốt của ống nhân quang, nó truyền năng lượng của mình cho các electron và làm bứt các electron này ra khỏi catốt. Ứng với một chùm sáng trong tinh thể chất nhấp nháy, ống nhân quang sẽ tạo ra một xung trong khoảng thời gian tương tự. Để có được một xung phù hợp cần phải có vài trăm quang electron, do đó tín hiệu điện tạo ra là khá nhỏ. Vì vậy, cần phải khuếch đại lượng electron tạo ra trong một xung ánh sáng từ chất nhấp nháy lên đến 107÷1010 electron. Các electron này được thu góp ở anốt hoặc ở các điện cực dọc theo hệ thống nhân.
Hầu hết ống nhân quang đều khuếch đại điện tích một cách tuyến tính, các xung được tạo ra tỉ lệ với số quang electron ban đầu. Có dải biên độ rộng, có thể lưu được thông tin về mặt thời gian. Một ống nhân quang điển hình khi chiếu chùm ánh sáng trong một khoảng thời gian ngắn thì sau khoảng 20-50 nano giây một xung các electron có độ rộng vài nano giây sẽ được tạo ra. Ngày nay các ống nhân quang đã được cung cấp thương mại, có nhiều kích
thước và đặc trưng khác nhau để đáp ứng cho nhiều ứng dụng riêng.
So sánh giữa tế bào quang điện (PV) và ống nhân quang (PM): Tham số Tế bào quang điện Ống nhân quang
Đáp ứng phổ Đáp ứng trên dải rộng, thích hợp từ 400 nm ÷ 1150 nm.
Tuỳ thuộc vào kiểu ống nhân quang ví dụ S-11, S-10, S-20.
Độ tuyến tính với cường độ sáng
Từ pico W đến 1 W, không trễ, rất tuyến tính khi cường độ ánh sáng yếu.
Rất nhạy, đo photon có cường độ sáng ở mức micro oát. Độ tuyến tính bị giới hạn. Ảnh hưởng của từ
trường Không bị tác động Dễ bị tác động
Trọng lượng < 10 g ~ 250 g với loại đường kính 2"
Yêu cầu về điện Có cấp điện ngoài Đòi hỏi phải có cao áp để đạt hệ số nhân ~106-107
Về kích thước Kích thước nhỏ, thô Thường có kích thước lớn, dễ vỡ
Như vậy kỹ thuật nhấp nháy trong đo bức xạ là một kỹ thuật lâu đời, các đetectơ NaI(Tl) đã được sử dụng như một chất nhấp nháy vô cơ điển hình trong xác định bức xạ. Các chất nhấp nháy có Z cao như CsI(Tl), BGO, v.v... có ưu điểm có hệ số hấp thụ bức xạ lớn nhưng có nhược điểm thời gian phân rã sau khi phát huỳnh quang kéo dài. BaF2, CsI ,… được sử dụng trong các ứng dụng cần thời gian phân giải nhanh hoặc sử dụng trong các thiết bị vi điện tử dùng pin, công suất tiêu thụ thấp. Sự phát triển chung của các vật liệu phát quang mới và sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử đã vẽ nên một viễn cảnh về
các thiết bị ghi đo bức xạ mới trong tương lai.
Các chất nhấp nháy hữu cơ plastic và lỏng có vai trò quan trọng trong đo liều, đo các bức xạ hạt. Chất nhấp nháy plastic mỏng hầu như không che chắn gamma nên sử dụng để đo liều beta rất tốt.
Ống nhân quang vẫn chiếm vai trò chủ đạo trong các đetectơ đo photon. Hiện tại, sự phát triển của các vật liệu bán dẫn làm catốt nhiệt độ cao, độ lợi lớn và sự thu nhỏ kích thước của ống nhân quang tạo cho các thiết bị này thêm thuận tiện. Tuy nhiên tế bào quang điện có dải phổ rộng, không chịu tác động của từ trường có thể trở thành thiết bị thay thế ống nhân quang trong tương lai.