BÁO CÁO MÔN HỌC CẢM BIẾN đo LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN đề TÀI MÁY đo BỨC XẠ

Nó phải chuyển đổi động năng của các hạt mang điện thành ánh sáng có thể phát hiện được với hiệu suất cao.. Do đó, năng lượng cần thiết để tạo ra một hạt mang thông tin một quang điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO MÔN HỌC

CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

ĐỀ TÀI: MÁY ĐO BỨC XẠ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Xuân Hiền

HÀ NỘI, 2021

một vùng của bức xạ gamma Sau đó, có các tia X mà tùy thuộc vào bước sóng được chia thành các tia cứng, mềm và siêu mềm.Tuy nhiên, một bức xạ

tự phát từ vật chất không nhất thiết phải là điện từ: có cái gọi là bức xạ hạt nhân, là sự phát xạ các hạt từ hạt nhân nguyên tử Phân rã tự phát có thể có hai loại: các hạt mang điện (các hạtα,β, và các hạt proton) và các hạt không tích điện là

neutron Một số hạt phức tạp như hạt α, là hạt nhân của nguyên tử heli bao gồm hai nơtron, trong khi các hạt khác thường đơn giản hơn, như hạt β là electron hoặc positron Các bức xạ ion hóa được đặt tên như vậy bởi vì khi chúng đi qua các phương tiện khác nhau hấp thụ năng lượng của chúng, các ion, photon hoặc các gốc tự do được tạo ra

Một số nguyên tố tự nhiên không ổn định nhưng phân hủy từ từ bằng cách vứt bỏ một phần hạt nhân của chúng Đây được gọi là hiện tượng phóng xạ

Nó được phát hiện vào năm 1896 bởi Henry Becquerel trong khi nghiên cứu vật liệu phát quang Những vật liệu này phát sáng trong bóng tối sau khi tiếp xúc với ánh sáng, và ông nghĩ rằng sự phát sáng tạo ra trong ống tia âm cực bởi tia X có thể được kết nối với sự phát quang Ông bọc một tấm ảnh bằng giấy đen và đặt nhiều khoáng chất phát quang lên đó Tất cả các kết quả đều

âm tính cho đến khi anh ta sử dụng muối uranium (Z = 92) Kết quả với những hợp chất này là một mảng đen sâu Những bức xạ này được gọi là tia Becquerel Bên cạnh sự phóng xạ tự nhiên, có rất nhiều hạt nhân nhân được tạo có tính phóng xạ Nguồn bức xạ khác là không gian mà trái đất liên tục bị

bắn phá bởi các hạt

Bất kể nguồn hay tuổi của chất phóng xạ, chúng đều phân rã theo cùng một định luật toán học Định luật được phát biểu theo số N hạt nhân vẫn chưa phân hủy và dN số hạt nhân bị phân rã trong một khoảng thời gian nhỏ dt Thực nghiệm đã chứng minh rằng :

dN =−λ Ndt(15.1) Trong đóλlà hằng số phân rã đặc trưng cho một chất nhất định, từ (15.1),

nó có thể được định nghĩa là phần hạt nhân phân rã trong đơn vị thời gian

λ=− 1 dN

N dt

(15.2)

Đơn vị SI của độ phóng xạ là becquerel (Bq), bằng hoạt độ của hạt nhân phóng xạ phân rã với tốc độ của một chuyển đổi tự phát mỗi giây Do đó, becquerel được biểu thị trong một đơn vị thời gian: Bq = s-1 Để chuyển đổi sang đơn vị cũ, là Curie, becquerel phải được nhân với 3,7 x 1010(Bảng A.4) Liều hấp thụ được đo bằng màu xám (Gy) Màu xám là liều hấp thụ khi năng lượng trên một đơn vị khối lượng truyền cho vật chất bằng bức xạ ion hóa là 1 J/kg Tức là Gy = J/kg

Khi cần đo độ phơi nhiễm với tia X và tia y, liều lượng bức xạ ion hóa được biểu thị bằng coulombs trên kg, là sự tiếp xúc dẫn đến việc tạo ra 1 C điện tích

trên 1 kg không khí khô Trong SI, đơn vị C/kg thay thế cho một đơn vị cũ hơn của Ronghen

Chức năng của bất kỳ máy dò bức xạ nào phụ thuộc vào cách thức mà bức

xạ tương tác với vật liệu của chính máy dò Ví dụ, có rất nhiều văn bản xuất sắc về chủ đề phát hiện phóng xạ Có bốn loại máy dò bức xạ chung: máy dò ánh sáng, máy dò khí, máy dò chất lỏng và máy dò bán dẫn hơn nữa, tất cả các máy dò có thể được chia thành hai nhóm theo chức năng của chúng: máy

dò va chạm và máy dò năng lượng Máy dò va chạm chỉ đơn thuần phát hiện

sự hiện diện của một hạt phóng xạ, trong khi máy dò năng lượng có thể đo năng lượng bức xạ Nghĩa là, tất cả các máy dò có thể là định lượng hoặc định tính

15.1 Đầu đo nhấp nháy

Nguyên tắc hoạt động của máy dò này dựa trên khả năng chuyển đổi bức

xạ hạt nhân thành ánh sáng của một số vật liệu nhất định Do đó, một máy dò photon quang học kết hợp với một vật liệu soi có thể tạo thành một máy dò bức xạ Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mặc dù hiệu suất chuyển đổi cao, cường độ ánh sáng do bức xạ gây ra là rất nhỏ Điều này đòi hỏi bộ khuếch đại quang

để phóng đại tín hiệu đến mức có thể phát hiện được

Vật liệu soi sáng lý tưởng phải có các đặc tính sau:

1 Nó phải chuyển đổi động năng của các hạt mang điện thành ánh sáng

có thể phát hiện được với hiệu suất cao

2 Việc chuyển đổi phải tuyến tính Có nghĩa là ánh sáng được tạo ra phải tương xứng với năng lượng đầu vào trên một dải động rộng

3 Thời gian sau phát quang (thời gian phân rã ánh sáng) phải ngắn để cho phép phát hiện nhanh Thời hạn tái phân tách của vật liệu phải gần với thời hạn cho phép

4 Chỉ số khúc xạ của vật liệu phải gần với chỉ số của thủy tinh để cho phép ánh sáng ghép nối quang học hiệu quả với ống nhân quang

Các chất soi sáng được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm các tinh thể halogenua kiềm vô cơ (trong đó natri iốt là chất ưa thích) và các chất lỏng và nhựa có nguồn gốc hữu cơ Các sinh vật vô cơ chức nhạy cảm hơn, nhưng nói chung

là chậm, trong khi sinh vật hữu cơ nhanh hơn, nhưng mang lại ít ánh sáng hơn

Một trong những hạn chế lớn của bộ đếm ánh sáng là khả năng phân giải năng lượng tương đối kém Chuỗi sự kiện dẫn đến việc phát hiện bao gồm nhiều bước không hiệu quả Do đó, năng lượng cần thiết để tạo ra một hạt mang thông tin (một quang điện tử) là từ 1.000 eV trở lên, và số hạt mang được tạo ra trong một tương tác bức xạ điển hình thường không quá vài nghìn Ví dụ, độ phân giải năng lượng đối với đèn soi iốt natri được giới hạn trong khoảng 6% khi phát hiện tia Y 0,662 MeV và phần lớn được xác định bởi các dao động thống kê quang điện tử Cách duy nhất được biết để giảm giới hạn thống kê về độ phân giải năng lượng là tăng số lượng sóng mang thông tin trên mỗi xung Điều này có thể được thực hiện nhờ công cụ phát hiện bán dẫn được mô tả trong các đoạn sau

Một cách sắp xếp đơn giản chung của cảm biến soi chiếu được thể hiện trong Hình 15.1 kết hợp với một bộ nhân quang Ống soi được gắn vào đầu trước của ống nhân quang (PM) Mặt trước chứa một photocathode được duy trì ở điện thế mặt đất Có một số lượng lớn các tấm đặc biệt được gọi là dynodes được đặt bên trong ống PM theo kiểu xen kẽ, gợi nhớ đến hình dạng của một “venetian blind.”

Hình 15.1: Cấu tạo chung của cảm biến soi chiếu kết hợp với một bộ nhân quang.

Mỗi dynode được gắn với một nguồn điện áp dương theo cách mà dynode càng xa photocathode thì điện thế dương của nó càng cao Thành phần cuối cùng trong ống là cực dương, có điện thế dương cao nhất, đôi khi ở mức vài nghìn vôn Tất cả các thành phần của PM được bao bọc trong một ống chân không thủy tinh có thể chứa một số phần tử bổ sung như điện cực hội tụ, tấm chắn, v.v

Mặc dù PM được gọi là nhân quang, nhưng trên thực tế, nó là một hệ số nhân electron, vì không có photon, chỉ có các electron ở bên trong ống PM trong quá trình hoạt động của nó Đối với hình minh họa, chúng ta hãy giả sử rằng một hạt tia y có động năng 0,5 MeV (megaelectron vôn) Nó được lắng đọng trên tinh thể thiêu kết dẫn đến một số photon được giải phóng Trong natri iốt được hoạt hóa bằng thallium, hiệu suất soi sáng là khoảng 13%; do

đó, tổng số 0,5 x 0,13 được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy với năng lượng trung bình là 4 eV Do đó, khoảng 15.000 photon chiếu sáng được tạo

ra trên mỗi xung gamma Con số này quá nhỏ để được phát hiện bởi một bộ tách sóng quang thông thường; do đó, cần phải có hiệu ứng nhân trước khi quá trình phát hiện thực sự diễn ra Trong số 15.000 photon, có lẽ khoảng 10.000 tới photocathode, có hiệu suất lượng tử khoảng 20% Tế bào quang điện có nhiệm vụ chuyển đổi các photon ánh sáng tới thành các electron năng lượng thấp Do đó, photocathode tạo ra khoảng 2.000 điện tử mỗi xung Ống

PM là một thiết bị tuyến tính, tức là, độ lợi của nó gần như không phụ thuộc vào số electron được nhân lên

Vì tất cả các dynode đều ở điện thế dương (V1 đến V10), một điện tử được giải phóng từ photocathode bị hút vào dynode đầu tiên, giải phóng một số electron năng lượng rất thấp khi va chạm với bề mặt của nó Do đó, một hiệu ứng nhân lên diễn ra ở dynode Các điện tử này sẽ được dẫn hướng dễ dàng bởi trường tĩnh điện từ dynode thứ nhất đến thứ hai Chúng tấn công dynode thứ hai và tạo ra nhiều điện tử hơn di chuyển đến dynode thứ ba, v.v Quá trình này dẫn đến số lượng điện tử có sẵn ngày càng tăng (hiệu ứng tuyết lở) Khả năng nhân lên tổng thể của một ống PM theo thứ tự là 106 Kết quả là, khoảng 2 x 109điện tử sẽ có sẵn ở một cực dương điện áp cao (Va) để tạo ra dòng điện Đây là dòng điện khá mạnh có thể dễ dàng xử lý bằng mạch điện

tử Độ lợi của một ống PM được định nghĩa là = 0,065 MeV hoặc 65 keV năng lượng là

G = αδ N(15.3)

trong đó N là số dynode, α là phần electron thu được bởi ống PM, δlà hiệu suất của vật liệu dynode, tức là số electron được giải phóng khi va chạm Giá trị của nó nằm trong khoảng từ 5 đến 55 đối với một dynode năng suất cao

Độ lợi nhạy cảm với điện áp cao được đặt vào, bởi vì δgần như là một hàm tuyến tính của điện áp vòng dây

Thiết kế hiện đại của bộ nhân quang được gọi là bộ nhân quang kênh hoặc CPM để sử dụng trong thời gian ngắn Đó là sự phát triển của ống nhân quang cổ điển PM Công nghệ CPM hiện đại bảo tồn những ưu điểm của PM

cổ điển trong khi tránh những nhược điểm của nó Hình 15.2a cho thấy một tấm mặt có một photocathode, cấu trúc khuếch đại kênh uốn cong và cực dương Giống như PM của Hình 15.1, các photon trong CPM được chuyển đổi bên trong photocathode thành các quang điện tử và bộ phát hiện ion hóa gia tốc

Hình 15.2 Bộ nhân quang kênh: Hình chiếu cắt ngang (a) và hình chiếu bên ngoài với bao bọc trong vỏ ở bên trái và không có vỏ bọc ở bên phải (b).

Thay vì cấu trúc dynode phức tạp, có một kênh bán dẫn mỏng, bị uốn cong, mà các điện tử phải đi qua Mỗi khi các điện tử đập vào thành của kênh, các điện tử thứ cấp được phát ra từ bề mặt Tại mỗi vụ va chạm, có sự nhân lên của các electron thứ cấp, dẫn đến hiệu ứng tuyết lở Cuối cùng, một phép nhân

electron từ 109 trở lên có thể thu được Dòng điện kết quả có thể được đọc ra

ở cực dương Máy dò CPM được làm bằng vật liệu bao bọc và khá chắc chắn khi so sánh với PM mỏng manh Rối loạn từ trường là nhỏ không đáng kể Hình 15.2(a) cho thấy các hình ảnh của CPM Một ưu điểm quan trọng của công nghệ CPM là độ nhiễu tín hiệu xung quanh rất thấp Thuật ngữ độ nhiễu nền đề cập đến tín hiệu đầu ra đo được trong trường hợp không có bất kỳ ánh sáng tới nào Với PM cổ điển, độ nhiễu nền bắt nguồn từ cấu trúc dynode nói chung là một phần không đáng kể của tổng nền Do đó, nguồn nền hiệu quả duy nhất cho CPM được tạo ra từ sự phát xạ nhiệt của photocathode Vì CPM được sản xuất theo cấu trúc kênh bán dẫn nguyên khối, không có hiệu ứng tích điện nào có thể xảy ra như các PM cổ điển có bóng đèn thủy tinh cách ly

Do đó, các điều kiện nền cực kỳ ổn định được quan sát Không xảy ra sự cố đột ngột Ngoài ra, do không có nhiễu dynode, có thể thực hiện sự tách biệt rất rõ ràng giữa sự kiện tạo ra từ quang điện tử và nhiễu điện tử Điều này dẫn đến tính ổn định cao của tín hiệu theo thời gian

15.2 Máy dò ion hóa

Các máy dò này dựa vào khả năng của một số vật liệu thể khí và rắn để tạo

ra các cặp ion phản ứng với bức xạ ion hóa Sau đó, các ion dương và âm có thể được tách ra trong một trường tĩnh điện và được đo Quá trình ion hóa xảy ra do các hạt mang điện khi truyền với vận tốc lớn qua nguyên tử có thể tạo ra lực điện từ đủ, dẫn đến sự phân tách các electron, do đó tạo ra các ion Đáng chú ý, cùng một hạt có thể tạo ra nhiều cặp ion trước khi năng lượng của nó bị tiêu hao Các hạt không tích điện (như neutron) có thể tạo ra các cặp ion khi va chạm với hạt nhân

15.2.1 Buồng ion hóa

Các máy dò bức xạ này là loại lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất Hạt ion hóa gây ra sự ion hóa và kích thích các phân tử khí dọc theo đường đi của nó Tối thiểu, hạt phải truyền một lượng năng lượng bằng năng lượng ion hóa của phân tử khí để quá trình ion hóa xảy ra Trong hầu hết các khí được quan tâm để phát hiện bức xạ, năng lượng ion hóa đối với các lớp vỏ electron

ít liên kết chặt chẽ nhất là từ 10 đến 20 eV[2] Tuy nhiên, có những cơ chế khác mà hạt tới có thể mất năng lượng trong khi không tạo ra ion, ví dụ, di chuyển các electron khí lên mức năng lượng cao hơn mà không cần loại bỏ

nó Do đó, năng lượng trung bình bị mất bởi một hạt trên mỗi cặp ion được hình thành (gọi là giá trị W) luôn lớn hơn năng lượng ion hóa

Bảng 15.1: Giá trị W của các loại khí khác nhau

Khi có điện trường, sự dịch chuyển của các điện tích dương và âm được biểu diễn bởi các electron ở cuối ion tạo thành dòng điện Trong một thể tích khí nhất định, tốc độ hình thành cặp ion là constat Đối với bất kỳ thể tích nhỏ nào, tốc độ hình thành sẽ được cân bằng chính xác bởi tốc độ mà các cặp ion, khí bị mất khỏi thể tích, thông qua tái tổ hợp, hoặc do khuếch tán hoặc di chuyển khỏi thể tích Nếu sự tái kết hợp là không đáng kể và tất cả các điện tích đều được thu một cách hiệu quả, thì dòng điện ở trạng thái ổn định được tạo ra là một thước đo chính xác về tốc độ hình thành cặp ion Hình 15.3a minh họa cấu trúc cơ bản của buồng ion hóa và đặc tính dòng điện / điện áp nơi sản xuất điện Một thể tích khí được bao bọc giữa các điện cực, tạo ra điện trường Một đồng hồ đo cường độ dòng điện mắc nối tiếp với nguồn hiệu điện thế E và các điện cực Không có sự dẫn điện và không có dòng điện trong các điều kiện không ion hóa Bức xạ tới tạo ra, trong chất khí, các ion dương và ion dương bị điện trường kéo về phía các điện cực tương ứng tạo thành dòng điện

Hình 15.3 Sơ đồ đơn giản của một buồng ion hóa (a) và ký tự dòng điện so

Hình 15.3 Các phần tử cơ bản của một buồng iôn hóa và các đặc trưng điện

áp-dòng điện tương ứng.

Ở điện áp tương đối thấp, tốc độ tái kết hợp ion mạnh và dòng điện đầu ra tỷ

lệ với điện áp đặt vào, vì điện áp cao hơn làm giảm số lượng ion tái kết hợp Một điện áp đủ mạnh triệt tiêu hoàn toàn tất cả sự tái kết hợp bằng cách kéo tất cả các ion có sẵn về phía các điện cực và dòng điện trở nên không phụ thuộc

vào điện áp Tuy nhiên, nó vẫn phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ Vùng này được gọi là bão hòa và là nơi mà buồng ion hóa thường hoạt động

15.2.2 Buồng tỷ lệ

Buồng tỷ lệ là một loại máy dò chứa đầy khí hầu như luôn hoạt động ở chế

độ xung và dựa trên hiện tượng nhân khí Đây là lý do tại sao những khoang này được gọi là bộ đếm tỷ lệ Các xung đầu ra mạnh hơn nhiều so với trong các buồng ion thông thường Các bộ đếm này thường được sử dụng trong việc phát hiện và quang phổ của bức xạ X năng lượng thấp và để phát hiện neutron Trái ngược với các buồng ion hóa, các bộ đếm tỷ lệ hoạt động ở điện trường cao hơn, có thể tăng tốc đáng kể các điện tử được giải phóng trong quá trình va chạm Nếu các electron này thu được đủ năng lượng, chúng có thể ion hóa một phân tử khí trung hòa, do đó tạo ra một cặp ion bổ sung Do

đó, quá trình này thuộc loại tuyết lở dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong dòng điện cực Tên của quá trình này là Townsend avalanche Trong bộ đếm tỷ lệ, quá trình tuyết lở kết thúc khi electron va chạm với cực dương Vì điện tử phải đạt đến mức ion hóa khí trong bộ đếm tỷ lệ, nên có một điện áp ngưỡng

mà sau đó quá trình tuyết lở xảy ra Trong các khí điển hình ở áp suất khí quyển, mức trường ngưỡng theo bậc là 10V/m

Hình 15.4: Các vùng hoạt động của đầu đo chứa khí Biên độ xung được vẽ đối với các sự kiện truyền hai lượng năng lượng khác nhau trong chất khí

Ở hiệu điện thế rất thấp, trường không đủ để ngăn cản sự tái tổ hợp của các cặp ion Trong mức bão hòa, tất cả các ion bị trôi đến các điện cực Điện áp tăng hơn nữa dẫn đến hiện tượng nhân khí Trên một số vùng của điện trường, khí nhân sẽ tuyến tính, và điện tích thu được sẽ tỷ lệ với số cặp ion ban đầu