CHƯƠNG 2. CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
2.2 Các công nghệ ghi đo phóng xạ
2.2.1 Công nghệ sử dụng ống đếm Geiger – Muller
Ống đếm Geiger - uller (thường được nói đến như là ống đếm Geiger), hay đơn giản là ống đếm GM) là một trong các loại đầu đo bức xạ cổ nhất còn tồn tại, đã được giới thiệu bởi Geiger và uller vào năm 1928. Tuy nhiên, sự đơn giản, giá thành thấp và dễ dàng hoạt động của các đầu đo này làm cho chúng tiếp tục được sử dụng cho đến ngày nay.
Cùng với buồng ion hóa và ống đếm tỷ lệ, ống đếm GM là loại đầu đo chứa khí dựa trên hiện tượng ion hóa. Giống với ống đếm tỷ lệ, chúng sử dụng hiện tượng nhân điện tích để gia tăng mạnh điện tích của các cặp ion ban đầu được hình thành dọc theo quỹ đạo của bức xạ nhưng theo một cách thức về cơ bản là khác. Trong ống đếm tỷ lệ, mỗi điện tử ban đầu tạo ra một thác lũ, nó về cơ bản độc lập với tất cả các thác lũ hác được hình thành do các điện tử khác cùng
16 được sinh ra từ sự kiện ion hóa ban đầu. Do tất cả thác lũ gần như đồng nhất nên điện tích được thu hồi vẫn tỷ lệ với số điện tử ban đầu.
Trong ống đếm G , điện trường cao hơn làm cho cường độ của mỗi thác lũ sinh ra lớn hơn. Trong các điều kiện thích hợp, sẽ có một tình huống xảy ra trong đó một thác lũ có thể tự nó khởi phát một thác lũ thứ hai tại một vị trí khác ở trong ống. Ở một giá trị điện trường tới hạn, mỗi thác lũ có thể tạo ra, một cách trung bình, ít nhất thêm một thác lũ nữa, và dẫn đến phản ứng chuỗi dây chuyền tự phát. Ở các giá trị điện trường lớn hơn, quá trình trở nên phân kỳ rất nhanh và về nguyên tắc, có thể sinh ra số thác lũ tăng theo hàm mũ trong hoảng thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, ngay hi quá trình phóng điện Geiger đạt đến độ lớn nhất định, các hiệu ứng tích lũy của tất cả các thác lũ riêng lẻ bắt đầu có hiệu lực và cuối cùng sẽ ngăn chặn phản ứng dây chuyền. Do điểm giới hạn này luôn đạt được sau gần như cùng một số thác lũ được tạo ra nên tất cả các xung điện từ ống đếm Geiger đều có cùng biên độ bất kể số cặp ion ban đầu khởi phát quá trình là bao nhiêu. Do vậy không thể sử dụng ống đếm Geiger trong phổ kế bức xạ vì tất cả thông tin về lượng năng lượng mà bức xạ truyền cho đầu đo đều bị mất.
Một xung điển hình của ống đếm Geiger là kết quả của một lượng điện tích thu hồi cực lớn, khoảng 109 - 1010 cặp ion (trong một quá trình phóng điện Geiger, sự nhân điện tích đạt từ 106 - 108 lần) được tạo ra trong quá trình phóng điện. Do đó, biên độ xung đầu ra cũng lớn (điển hình có độ lớn cỡ hàng chục vôn). Tín hiệu mức cao này làm cho các thiết bị điện tử liên quan đơn giản đi đáng ể, thường không cần bộ phận tiền khuếch đại. Do bản thân các ống đếm tương đối rẻ nên bộ đếm G thường là sự lựa chọn đầu tiên khi cần đến hệ đo đếm đơn giản và kinh tế.
Thiết kế sơ đồ lắp ráp ống đếm:
nh 2.1 Sơ đồ ghép nối ống đếm GM
Do thường không yêu cầu có bộ tiền khuếch đại nên hệ đếm cho các ống đếm Geiger có thể đơn giản đến mức như trên Hình 2.1. Điện trở nối tiếp R giữa nguồn cao áp và anode của ống là điện trở tải trên đó điện áp của xung xuất hiện.
Tổ hợp song song của điên trở và điện dung của ống và mạch điện có liên quan xác định hằng số thời gian của mạch thu hồi điện tích. Hằng số thời gian này
17 thường được chọn cỡ vài micro giây để cho chỉ các thành phần tăng lên nhanh của xung được bảo toàn.
2.2.2 Công nghệ sử dụng đầu dò
Đầu dò sử dụng tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện hoặc photodiode hoạt động dựa trên hai hiện tượng là phát xạ và quang điện.
a) Tinh thể nhấp nháy
Một số tinh thể vô cơ hi gặp các bức xạ mang năng lượng thì electron trong tinh thể đó bị kích thích và chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao. Sau đó trong tinh thể sẽ diễn ra hiện tượng phát xạ: electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái có mức nặng lượng thấp, đồng thời phát ra photon ánh sáng nằm trong vùng khả kiến. Chính vì vậy các tinh thể này được gọi là tinh thể nhấp nháy.
Các photon ánh sáng được tạo ra từ tinh thể nhấp nháy sẽ được ghi nhận và khuếch đại bởi ống nhân quang điện hoặc photodiode.
Một số tinh thể nhấp nháy thường được sử dụng là NaI(Tl) và CsI(Tl).
b) Ống nhân quang điện
nh 2.2 Ống nhân quang điện
Ống nhân quang điện (còn gọi là đèn nhân quang điện) là một ống chân không, hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện.
Cực âm của ống nhân quang điện gọi là photocathode, có nhiệm vụ thu nhận các photon ánh sáng. Các electron trong photocathode hấp thụ năng lượng từ photon trong ánh sáng, từ đó nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích và các electron sẽ thoát ra khỏi nguyên tử. Các điện cực giữa cực âm và cực dương (gọi là dynode) đặt trong ống chân hông được bố trí và phân áp thích hợp để các electron phát xạ di chuyển về hướng cực dương. ỗi lần electron đập vào dynode, electron sẽ làm bật ra thêm các electron mới, hay các electron thứ cấp với một hệ số nhân nào đó tùy thuộc vào vật liệu phủ dynode và động lượng của electron. Dãy dynode thực hiện khuếch đại nhiều lần và kết thúc ở anode, tạo ra một xung dòng điện. Như vậy ống nhân quang điện đã chuyển xung ánh sáng thu
18 nhận được từ tinh thể nhấp nháy thành một xung dòng điện đủ lớn để đưa đến các mạch xử lý, giúp nhận biết và đo lường các bức xạ.
c) Photodiode
PIN photodiode:
nh 2.3 Nguyên lý hoạt động của PIN photodiode
PIN photodiode (còn gọi là diode thu quang PIN) có cấu trúc gồm một lớp bán dẫn p, một lớp bán dẫn n và một lớp bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp ít i nằm giữa hai lớp p và n. Lớp i này có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p và n. Để diode thu quang hoạt động được cần định thiên ngược cho nó. Do lớp i (còn được gọi là vùng trôi) có trở kháng cao nên phần lớn điện trường sẽ đặt vào lớp i. Khi một photon có năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode tới, photon này sẽ bị hấp thụ và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn. Quá trình này sẽ hình thành các cặp điện tử - lỗ trống tự do. Trong photodiode PIN, do lớp i có độ dày lớn hơn nhiều so với lớp p và n nên các cặp điện tử - lỗ trống này chủ yếu được tạo ra trong lớp i. Dưới tác động của điện trường lớn bên trong lớp i, các điện tử, lỗ trống sẽ nhanh chóng trôi ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện.
APD photodiode:
nh 2.4 Nguyên lý hoạt động của APD photodiode
19 So với cấu trúc của PIN, APD có thêm lớp p được cấu tạo từ vật liệu loại p có điện trở suất cao. Lớp này đóng vai trò vùng nhân vì các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp được tạo ra trong vùng này nhờ hiện tượng ion hóa do va chạm. Lớp i trong APD vẫn đóng vai trò vùng hấp thụ tương tự như trong PIN photodiode.
Hoạt động của APD: Ánh sáng đi vào APD qua lớp p+ rất mỏng. Hầu như toàn bộ hấp thụ photon đều xảy ra trong miền nghèo (miền i), miền này là bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp nhẹ. Cũng như trong diode tách quang PIN, điện trường trong miền nghèo của APD điều khiển các lỗ trống và điện tử chuyển động ngược hướng với nhau. Dưới tác động của điện trường phân cực ngược, các lỗ trống trong lớp này hướng tới lớp p+, còn các điện tử hướng tới lớp n+. Tại miền nhân, do điện trở suất của lớp này cao nên hình thành một vùng điện trường lớn tại tiếp giáp p- n+. Khi đi vào miền này, gặp điện trường lớn, các điện tử - lỗ trống sẽ được tăng tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm. Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lớn lại được tăng tốc và chúng có đủ động năng để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới. Đó chính là hiệu ứng thác lũ, hay còn gọi là hiệu ứng nhân. Quá trình này làm tăng dòng điện bên ngoài và cũng chính là tăng độ nhạy của APD. Để xảy ra hiện tượng ion hóa do va chạm, điện trường trong vùng nhân phải gần với mức đánh thủng zener. Đối với photodiode Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức 105 V/cm.