các đetectơ liên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân đà lạt

Trong tài liệu này nghiên cứu sinh NCS tiến hành tìm hiểu và trình bày các kiểu đetectơ cơ bản như: các đetectơ khí, các đetectơ nhấp nháy, các đetectơ bán dẫn và một số kiểu hệ đo được

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

_

NGUYỄN XUÂN HẢI

CÁC ĐETECTƠ LIÊN QUAN ĐẾN GHI ĐO BỨC XẠ

TRÊN KÊNH NGANG SỐ 3 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS VƯƠNG HỮU TẤN

2 TS PHẠM ĐÌNH KHANG

ĐÀ LẠT – 2007

MỞ ĐẦU

Ghi đo bức xạ là một trong những mắt xích quan trọng nhất của vật lý hạt nhân thực nghiệm Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, địa chất, môi trường,… tất cả ít nhiều đều liên quan đến đo ghi bức xạ Các kết quả này là cơ sở để đưa ra các đánh giá khuyến cáo hay các điều chỉnh cần thiết trong từng lĩnh vực Chính vì vậy, các kiến thức hiểu biết về các loại đetectơ, các phương pháp đo ghi bức xạ, các hệ đo là những kiến thức căn bản không thể thiếu đối với người làm vật lý hạt nhân thực nghiệm

Mỗi đối tượng nghiên cứu thường phát ra một hay vài loại bức xạ đặc trưng, mỗi loại bức xạ có những kiểu tương tác khác nhau với môi trường vật chất vì vậy cần phải có các phương pháp đo ghi thích hợp với từng loại bức xạ và từng đối tượng nghiên cứu cụ thể

Trong tài liệu này nghiên cứu sinh (NCS) tiến hành tìm hiểu và trình bày các kiểu đetectơ cơ bản như: các đetectơ khí, các đetectơ nhấp nháy, các đetectơ bán dẫn và một số kiểu hệ đo được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng dựa trên các kiểu đetectơ này

Hy vọng các kiến thức được NCS tìm hiểu và trình bày trong tài liệu sẽ giúp cho NCS có thêm kiến thức bổ sung cho quá trình thực hiện luận án của mình

A CÁC ĐETECTƠ Trong đo ghi bức xạ, thành phần cơ bản và quan trọng nhất của thiết bị đo là các đetectơ Đây là thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành các tín hiệu điện để các thiết bị điện tử có thể ghi nhận và phân tích Mỗi loại bức xạ khác nhau có các cơ chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, do đó để ghi nhận được chúng cần có các loại đetectơ khác nhau như: đetectơ chứa khí, đetectơ nhấp nháy, đetectơ bán dẫn

I Các đetectơ chứa khí

Đetectơ chứa khí, có lẽ đây là kiểu đetectơ ra đời sớm nhất trong các kiểu đetectơ dùng trong đo ghi bức xạ và vẫn còn được sử dụng đến ngày nay Các đetectơ này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì nó hoạt động khá tin cậy, hiệu quả trong khi giá cả lại không đắt, dễ chế tạo theo nhiều kiểu hình học và kích thước khác nhau, dễ bảo quản và sử dụng Sự thay đổi của một số loại khí nguyên chất hoặc hỗn hợp khi nạp vào đetectơ cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử hứa hẹn tạo ra những kiểu thiết bị ghi đo bức

xạ mới trong tương lai Các kiểu đetectơ khí ngày nay đang được phát triển mạnh theo chiều hướng mảng các đetectơ để phục vụ cho các nghiên cứu chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV Nguyên tắc hoạt động của đetectơ chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hoá các phân tử chất khí dọc theo đường

đi của nó - tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là cặp ion-electron Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ quá trình ion hoá sơ cấp Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ

Một đetectơ chứa khí đơn giản chỉ gồm một ống chứa khí và hai điện cực, thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi có thể đi được vào phía bên trong Các kiểu đetectơ chứa khí đầu tiên vẫn còn được sử dụng đến ngày nay là:

(i) Buồng ion hoá,

(ii) Ống đếm tỉ lệ,

(iii) Ống đến Geiger Muller (GM)

Hình 1 minh hoạ một đetectơ được nạp đầy khí và mạch điện tử Cao áp được đặt vào catốt (vỏ đetectơ) và anốt (dây ở tâm đetectơ được cách điện với vỏ) Điện tích tạo ra do quá trình ion hoá được thu góp ở các điện cực của đetectơ Khi không có sự ion hoá, chất khi giống như một chất cách điện và không có dòng điện ở mạch ngoài Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong đetectơ phụ thuộc vào điện trường trong đetectơ, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của đetectơ,…

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo của một đetectơ chứa khí

Hình 2 là các đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ đối với hạt beta Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa

anốt và catốt của đetectơ

Hình 2 Đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ

Vùng I: Vùng tái hợp

Trong vùng I có sự cạnh tranh giữa quá trình mất các cặp ion-electron do sự tái kết hợp và sự ion hoá do hạt mang điện tạo ra Khi tăng điện trường, vận tốc của các ion tăng do đó xác suất tái hợp giảm và lượng điện tích thu góp được trở nên lớn hơn Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của các đetectơ chứa khí

Vùng II: Vùng ion hoá

Khi điện trường đủ lớn, quá trình tái hợp giảm, do đó có nhiều cặp ion chuyển động và được thu góp tại các điện cực Trong vùng này dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào số ion do bức xạ gây ra, nó hầu như không phụ thuộc vào giá trị điện áp ở các điện cực Vùng này được xem như vùng làm việc của buồng ion hoá

Vùng III: Vùng Tỉ lệ

Trong vùng III, các electron được gia tốc đến vận tốc cao, nó va chạm với các phân tử khí gây ion hoá chúng và làm tạo ra các ion thứ cấp do đó lượng điện tích bên trong ống đếm được nhân lên Lượng điện tích thu góp được sẽ tỉ lệ với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hoá tạo ra, ống đếm làm việc trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ Ở cuối vùng tỉ lệ, lượng điện tích thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp Hệ số nhân trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~103-105

Vùng IV: Vùng Geiger

Trong vùng IV, hiệu điện thế giữa các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất hiện tiếp tục được tăng tốc Do trường lớn nên chúng có thể thu được năng lượng lớn hơn trước khi va chạm với các phân tử khí trong ống đếm Trong trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự tạo thành ion của phân tử Sau khi được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, v.v…, trong chất khí sự ion hoá kiểu thác phát triển Khả năng phân biệt các hạt sơ cấp không còn, xung lượng của các hạt khác nhau đều giống nhau do đó hầu như không có sự khác nhau giữa loại bức xạ hoặc năng lượng của hạt tới trong vùng này Các ống đếm hoạt động trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger Muller

Vùng V: Vùng phóng điện liên tục

Trong vùng V quá trình ion hoá xảy ra trong toàn bộ vùng thể tích khí giữa hai điện cực, sự phóng điện xảy ra trong thể tích khí của ống đếm Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của các đetectơ chứa khí

I 1 Các tiêu chuẩn chung để chọn vật liệu cho các đetectơ khí

Áp suất và loại khí nạp cho các buồng ion hoá phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của nó và có thể thay đổi trong dải khá rộng Với ống đếm tỉ lệ và ống đếm GM thì lựa chọn áp suất và loại khí trở nên quan trọng Độ tinh khiết của

khí giữ vai trò quan trọng quyết định chất lượng của các đetectơ này Dưới đây là một số các tiêu chuẩn chọn khí:

Vật liệu làm anốt và đường kính: Bất kỳ một dây dẫn hình trụ nào cũng có thể

sử dụng làm anốt Tuy nhiên, để tạo điện trường rất cao ở gần dây anốt, đường kính của dây cần có kích thước khoảng vài chục micron Đáp ứng yêu cầu đó chỉ có Vonfam là tốt hơn cả để đáp ứng được các yêu cầu về mặt cơ học Nếu sử dụng trong các ứng dụng đo liều cần sử dụng các vật liệu có Z thấp để tránh tán xạ với anốt

I.2 Buồng ion hoá

Hoạt động của buồng ion hoá phụ thuộc vào sự thu góp các ion do bức xạ ion hoá tạo ra trong buồng Các đetectơ này vận hành trong vùng II của đường đặc trưng Dưới tác dụng của điện trường, các electron và ion sẽ chuyển động

về các cực Nếu thể tích khí được chiếu xạ là không thay đổi thì tốc độ hình thành các cặp ion-electron là hằng số Ví dụ khi sử dụng một thể tích khí nhỏ

để kiểm tra, tốc độ hình thành sẽ được xác định chính xác bằng sự cân bằng giữa tốc độ mất của các cặp ion khỏi thể tích khí, tái kết hợp, bị khuếch tán hoặc di chuyển khỏi thể tích Giả thuyết điều kiện tái kết hợp là không đáng

kể, tất cả các hạt mang điện tạo ra đều được thu góp khi đó dòng tạo ra là ổn định và có thể đo chính xác tốc độ tạo thành các ion trong thể tích

Gọi I(C) là lượng điện tích được tạo ra trong một đơn vị thể tích khí V(m3), tốc độ thay đổi của điện tích ở nhiệt độ T(0K) và áp suất 760 mm Hg được xác định theo công thức sau:

6 0

) (

760 ) (

273 ) ( 4 359 )

mmHg

p K

T m V dt

dx Amp

(ii) Tái hợp trong thể tích khí: Hiệu ứng này là quan trọng khi bức xạ có cường độ lớn (tạo ra nhiều ion, electron và tái hợp trong vùng hoạt của đetectơ)

Một kiểu mất điện tích khác trong quá trình thu góp đó là mất do quá trình di chuyển của các điện tích dương về catốt và các điện tích âm về anốt tạo ra một sự không cân bằng về số lượng điện tích ở các điện cực Sự mất cân bằng làm xuất hiện một gradient làm các electron ở bề mặt của điện cực bị bứt ra

và chuyển động theo một hướng, các electron này sẽ tái hợp với các phần tử mang điện do bức xạ ion hoá tạo nên Để làm giảm hiệu ứng này cần tạo ra phân cực ngược với điện trường do sự mất cân bằng điện tích tạo ra để bù trừ

Kiểu xung là kiểu vận hành chính được sử dụng để xác định các hạt và các bức xạ tương tự khác Nhờ đặc trưng tạo ra một lượng lớn ion, các thiết bị này được cải tiến bằng cách đặt thêm các điện cực dưới dạng lưới giữa anốt và catốt nên có thể xác định phân bố năng lượng, hoạt độ tuyệt đối, quãng chạy

Nguyên lý vận hành của ống đếm tỉ lệ: Khi điện trường đủ cao, xảy ra sự nhân các phần tử mang điện trong chất khí Ở điện trường này, các electron hoàn toàn có đủ động năng để ion hoá các phân tử khí trung hoà, các electron thứ cấp được tạo ra lại tiếp tục gây ion hoá các phân tử trung khí hoà khác Quá trình thác lũ xảy ra và số lượng các electron tăng nhanh chóng trong ống đếm

tỉ lệ Khi tất cả các electron tự do đã được thu góp ở anốt quá trình nhân các hạt mang điện cũng ngừng Sự khuếch đại điện tích bên trong ống đếm làm tăng biên độ tín hiệu thu góp được do đó giảm bớt yêu cầu khuếch đại bên ngoài

Ống đếm tỉ lệ đòi hỏi một điện trường lớn (~106V/m) Cường độ điện trường tại một điểm cách tâm anốt một khoảng r được xác định theo biểu thức sau:

Trong đó V = cao áp đặt vào ống đếm, b, a là bán kính của catốt và anốt

I.4 Các kiểu thiết kế khác nhau của ống đếm tỉ lệ

Ống đếm dạng bản mỏng: Kiểu ống đếm này được sử dụng thay cho các

đetectơ rắn để đo các hạt mang điện nặng ở những chỗ mà các đetectơ rắn không sử dụng được do bị bức xạ phá hỏng hoặc do đặc trưng phân giải thời gian của nó

Ống đếm tỉ lệ nhạy vị trí: Với các ống đếm dài, do sự giới hạn của vị trí và

kích thước của anốt và catốt, phương pháp chia điện tích hoặc nhân tương đối được sử dụng để cung cấp thêm thông tin về vị trí mà cặp ion được tạo ra

Ống đếm tỉ lệ nhiều dây (Multi-wire):

Một trong những kiểu đetectơ đặc sắc nhất của ống đếm tỉ lệ đang được phát triển mạnh sử dụng trong vật lý hạt là ống đếm tỉ lệ nhiều dây Nguyên tắc hoạt động của ống đếm như sau:

Hình 3 Cấu hình của một đetectơ tỉ lệ nhiều dây

Các lưới anốt được đặt ở giữa hai bản catốt Khoảng cách giữa các dây anốt vào khoảng 2mm và khoảng cách giữa các cặp anốt-catốt vào khoảng 7-8mm (minh hoạ trên hình 3) Nếu một điện áp âm được đặt vào các bản catốt thì điện trường có dạng như trong hình 4 Ngoại trừ những vùng rất gần với dây các dây anốt, các đường sức của điện trường là song song và không đổi

Hình 4 Điện trường trong ống đếm tỉ lệ nhiều dây

Nếu chúng ta giả thuyết rằng đĩa anốt là bản phẳng vô hạn so với các dây thì cường độ điện trường được xác định theo công thức:

x CV

y x

πεln 4 sin2 sinh2

4 ) ,

trong đó: V là cao áp, s là khoảng cách giữa các dây và C là điện dung giữa anốt và catốt Nếu khoảng cách giữa anốt và catốt L>>s>>d thì C được xác định như sau:

s

d s

Hình 5 Sơ đồ khối của một ống đếm tỉ lệ nhiều dây

Tín hiệu từ một mặt của anốt chỉ cho biết thông tin về một chiều của sự kiện gây ion hoá, để có thêm thông tin về chiều thứ hai cần phải sử dụng phương pháp quét hai chiều XY (đọc theo hai hướng) khi đó ta sẽ thu được đầy đủ các thông tin về hạt gây ion hoá

Hình 6 Sơ đồ của lưới anốt và mạng điện trở

Ngày nay kiểu đetectơ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu hoặc trong vật lý năng lượng cao

I.5 Ống đếm Geiger Muller (GM)

Từ lâu ống đếm GM đã được sử dụng phổ biến trong đo ghi bức xạ Các ưu

điểm chính của ống đếm GM là độ nhạy cao, sử dụng được cho nhiều loại bức

xạ, có nhiều dạng hình học và cửa sổ, tín hiệu ra lớn và giá cả hợp lý Ống đếm GM thường được chế tạo dưới dạng hình trụ, dây điện cực Vonfam đồng trục và nạp đầy các khí trơ như helium, argon, neon Ngoài ra còn có một phần nhỏ các khí khác được thêm vào để dập tắt hiện tượng phóng điện Mặc

dù có thể có cấu trúc khác nhau song tất cả các ống đếm GM đều được thiết

kế để vận hành trong vùng IV của hình 2

Nguyên lý hoạt động của ống đếm GM: Nếu điện áp đặt vào ống đếm phù hợp thì các electron trong chất khí ở gần anốt và các ion mang điện dương ở gần catốt được thu góp gần như đồng thời Các electron và ion còn lại sẽ chuyển động nhanh về các điện cực đồng thời nhân thêm các electron và ion trên đường đi Các xung tạo ra dòng điện gây một điện áp tăng nhanh trên hệ thống điện trở ở mạch ngoài, nhờ đó các xung này được xác định bằng các thiết bị đếm hoặc các thiết bị đồng hồ đo Trong quá trình ion hoá sơ cấp, các ion dương ở gần catốt cùng với các electron trên bề mặt catốt gây ra một điện trường yếu tạm thời làm giảm độ nhạy của ống đếm trong một thời gian ngắn sau khi phóng điện Sự va chạm của các ion dương năng lượng cao vào catốt làm bật ra các electron thứ cấp Các electron này lại được gia tốc đến năng lượng cao và chuyển động hướng đến anốt, chúng tiếp tục va chạm gây ion hoá các nguyên tử khí tạo ra một quá trình phóng điện mới Quá trình này được lặp lại một hoặc nhiều lần gây ra sự phóng điện liên tục trong ống đếm Quá trình phóng điện liên tục như vậy cần phải được dập tắt bằng cách thêm một số khí vào bên trong ống đếm hoặc bằng mạch điện tử bên ngoài

Dập tắt quá trình phóng điện bằng mạch ngoài: Các ion dương khi chuyển động về cực âm sẽ chắn trường ngoài, tạo điều kiện làm tắt sự phóng điện kiểu thác Tuy nhiên để dập tắt nó, cần phải hạ thấp đột ngột hiệu điện thế trong ống đếm, việc này đạt được bằng những sơ đồ điện tử khác nhau

Phương pháp đơn giản nhất là trong mạch của điện cực âm có mắc một điện trở cỡ lớn (cỡ 108Ω) Dòng điện xung dẫn đến hiệu điện thế xung trên điện trở

đó, xung này làm giảm đột ngột điện trường giữa các điện cực, do đó sự phóng điện bị dập tắt và ống đếm sẵn sàng để ghi hạt tiếp sau Tuy nhiên kiểu dập tắt sử dụng thời gian phân giải này không phù hợp với các ống đếm làm việc ở tốc độ cao Do đó phương pháp này không được sử dụng nhiều so với phương pháp tự dập tắt

Dập tắt quá trình phóng điện bằng chất khí: Để dập tắt quá trình phóng điện, một lượng nhỏ chất khí có tác dụng làm tắt quá trình phóng điện được thêm vào bên trong ống đếm Căn cứ vào loại khí được sử dụng người ta chia ống đếm tự tắt thành hai loại:

(i) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất hữu cơ,

(ii) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất vô cơ

Trong cả hai trường hợp quá trình dập tắt là tương tự như nhau Khí tự làm tắt quá trình phóng điện có thế năng ion hoá thấp hơn khí được sử dụng chính trong đetectơ khí Quá trình ion hoá của khí chính được dập tắt nhanh chóng nhờ quá trình di chuyển chậm của các ion còn lại do khí sử dụng chính tạo ra kết hợp với các electron của khí dập tắt Các ion dương mới được tạo ra từ khí

tự dập tắt sẽ di chuyển hướng đến catốt nhưng chúng không đủ năng lượng để làm bứt các electron ra khỏi catốt vì thế quá trình phóng điện bị dập tắt

I.6 Đặc trưng của ống đếm GM

Hình 3 là đường đặc trưng của một ống đếm GM, đồ thị vẽ sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào điện áp trong điều kiện tác động của trường bức xạ không đổi (cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ

~100÷300 cps ở vùng làm việc)

Điện áp bắt đầu làm việc Vs được định nghĩa là điện áp thấp nhất đặt vào ống

đếm để một ống đếm có thể làm việc được với đầy đủ các đặc trưng của nó Ở điện áp cao hơn Vs đến VT tốc độ đếm tăng nhanh Ở điện áp cao hơn VT tất

cả các sự kiện ion hoá khác nhau đều tạo ra các xung giống nhau, quá trình thu góp các hạt mang điện ở anốt về thực chất không còn phụ thuộc vào số ion hoá ban đầu được tạo ra

Điện áp ngưỡng đánh dấu điểm bắt đầu plateau của ống đếm Geiger Muller Khoảng điện áp của plateau rất rộng, độ dốc của đường đặc trưng rất thấp do

đó cho phép đo chính xác cường độ bức xạ mà không bị sự tác động của cao

áp

Hình 7 Đường đặc trưng của một ống đếm GM dưới tác động của trường bức

xạ không đổi (cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ ~100÷300 cps ở vùng làm việc)

V V N N

N N

/

% ) )(

( 5 0

100 ) (

1 2 1 2

1 2

− +

×

I.7 Thời gian chết và hồi phục

Khả năng đếm cực đại của ống đếm được xác định bằng hai đặc điểm đó là

“thời gian chết” và “thời gian hồi phục” cả hai đặc điểm này đều liên quan trực tiếp đến thời gian phóng điện của ống đếm Hình 8 là minh hoạ thời gian chết và hồi phục của ống đếm GM ứng với một xung

Hình 8 Minh hoạ đặc trưng thời gian chết và hồi phục ứng với một xung của

ống đếm GM

“Thời gian chết” của ống đếm GM là một giai đoạn rất ngắn, sau khi quá trình phóng điện xảy ra, ống đếm không thể phản ứng với bất kỳ bức xạ ion hoá nào đến ngay sau đó Thời gian bắt đầu từ khi thời gian chết kết thúc cho đến khi điện tích được phóng hết (đuôi xung) gọi là “thời gian hồi phục” của ống đếm

Thời gian chết và tốc độ đếm: Thời gian chết của mỗi quá trình phóng điện sẽ giới hạn tốc độ đếm cực đại vì các sự kiện bức xạ gây ion hoá có thể xảy ra trong khoảng thời gian chết sẽ không thể tạo được một xung ở lối ra Quan hệ giữa thời gian chết ‘t’, tốc độ bức xạ N và tốc độ đếm ghi được N1 là:

Số đếm N1 thu được chỉ có ý nghĩa khi Nt << 1

Bảng 1 Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí

Tham số Buồng ion hoá Ống đếm tỉ lệ Ống đếm GM

Chế

độ vận

hành Dòng Chủ yếu Có thể Không tỉ lệ với liều của bức xạ

Khả năng đo phổ Alpha Có thể đo các gamma lên đến 200

keV

Không thể vì biên

độ xung không phụ thuộc năng lượng

Hệ số khuếch đại

Kiểu bức xạ có

thể ghi nhận α, β, γ, X, n α, β, γ, X, n α, β, γ, X, ghi α khi dùng cửa sổ mỏng

Kiểu khí/ áp suất Không khí hoặc khí bất kỳ / ≥ áp

suất khí quyển

Phụ thuộc khí dập tắt quá trình phóng điện/ Tuỳ vào ứng dụng

Phụ thuộc khí làm tắt quá trình phóng điện/ Bé hơn áp suất khí quyển

Độ lớn của tín

hiệu ra < 10 mV ≤ 100 mV ≈ hàng chục vôn Thiết bị điện tử

Khuếch đại các xung nhỏ và đo dòng

Khối ổn định EHT, điều chỉnh phức tạp

Thiết bị điện tử đơn giản, các điều kiện vận hành đơn giản

Các ứng dụng

Chuẩn nguồn, quan trắc, đo liều beta/

gamma, đo hoạt

độ phóng xạ khí,…

Cửa sổ bé để đo nhiễm bẩn bề mặt với các bức xạ không xuyên sâu, các ứng dụng nhạy điện tích,…

Quan trắc, đo liều cá nhân, dùng trong các

hệ đếm, đo nhiễm bẩn bề mặt,…

II Đetectơ nhấp nháy

Ngày nay, các đetectơ nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc khi vật liệu bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy Vật liệu được xác định có tính nhấp nháy sớm nhất được Crookes phát hiện ra vào 1903 và sử dụng để xác định các hạt Sự phát minh ra các ống đếm chứa khí sau đó làm cho các thiết bị nhấp nháy ít được sử dụng và bị rơi vào quên lãng cho đến năm 1944

Curran và Baker sử dụng ống nhân quang để thay sự quan sát bằng mắt thì các thiết bị nhấp nháy đã trở nên có hiệu quả và tin cậy giống như các ống đếm chứa khí

Các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo phổ bức xạ trong một dải rộng Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới các dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với chất lượng cao đã cho phép tạo ra các đetectơ nhấp nháy rắn đo photon cùng với

sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã làm cho các đetectơ nhấp nháy trở nên được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng Dưới đây là các quá trình xảy

ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng đetectơ nhấp nháy:

Hình 9 Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy

- Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion hoá chất nhấp nháy

- Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua quá trình phát quang

- Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang

- Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron được phát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang

- Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các

xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ nhiều kênh

Nhìn chung, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều thông tin khác nhau về bức xạ Một trong những đặc điểm nổi bật của các đetectơ này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung phân biệt rõ ràng

Chất nhấp nháy lý tưởng cần có các đặc trưng sau:

1 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hạt mang điện thành ánh sáng cao

2 Sự chuyển đổi này là tuyến tính, ví dụ ánh sáng tạo ra tỉ lệ với năng lượng được hấp thụ trên một khoảng rộng

3 Chất nhấp nháy cần phải trong suốt với ánh sáng do nó tạo ra

4 Thời gian phân rã của quá trình phát quang cần ngắn và xung tạo ra phải nhanh để có thể sử dụng cho các phép đếm tốc độ cao

5 Vật liệu cần dễ tìm, dễ chế tạo theo các hình học và kích thước khác nhau

6 Hệ số khúc xạ gần với thuỷ tinh (~1.5) để ánh sáng phát ra không bị khúc

xạ tại điểm nối giữa chất nhấp nháy và ống nhân quang làm thay đổi hiệu suất

Trong thực tế, không một chất nhấp nháy nào thoả mãn được tất cả các yêu cầu trên vì vậy chọn chất nhấp nháy là một sự thoả hiệp giữa các yếu tố này

II.1 Các đặc điểm chính của một đetectơ nhấp nháy

Đặc điểm đầu tiên đó là ánh sáng phát ra phải tỉ lệ với năng lượng hấp thụ được một cách trực tiếp hoặc gián tiếp từ bức xạ Với các hạt mang điện ánh sáng phát ra phải tỉ lệ trực tiếp với năng lượng hấp thụ từ hạt mang điện Với bức xạ các tia gamma thì sự tương tác của gamma với các electron nguyên tử của chất nhấp nháy làm tia gamma mất một phần hoặc toàn bộ năng lượng

trong đetectơ Với nơtron, năng lượng của nơtron được suy ra từ quá trình hấp thụ hoàn toàn năng lượng của các proton giật lùi hoặc của sản phẩm phản ứng hạt nhân Nhìn chung, quan hệ giữa ánh sáng phát ra và năng lượng của các hạt mang điện là tuyến tính

Đặc điểm thứ hai là các chất nhấp nháy phải có mật độ cao để hạt mang điện

có năng lượng vài MeV bị bắt trong chất nhấp nháy sau khi di chuyển vài milimet

Đặc điểm thứ ba của chất nhấp nháy để sử dụng làm các hệ đếm là phải phản ứng rất nhanh với các bức xạ ion hoá Thời gian phân rã của ánh sáng phát ra

từ chất nhấp nháy nằm trong khoảng từ 10-9 giây (dung dịch hữu cơ và các khí trơ) đến 10-6giây (tinh thể vô cơ) Thời gian thu góp của các chất nhấp nháy nhanh ngắn hơn so với ống đếm tỉ lệ thông thường và buồng ion hoá Đặc điểm này là quan trọng khi sử dụng đetectơ nhấp nháy trong các thí nghiệm đòi hỏi tốc độ đếm cao hoặc khi ghi các sự kiện trùng phùng nhanh

Đặc điểm thứ tư của chất nhấp nháy là khả năng chế tạo dưới nhiều hình dạng

và kích thước khác nhau cho từng ứng dụng cụ thể Trong các chất nhấp nháy, chỉ có chất nhấp nháy lỏng là có thể cho phép thiết kế các đetectơ với hình dạng và kích thước bất kỳ

II.2 Dạng xung của đetectơ nhấp nháy

Dạng xung ở lối ra của ống nhân quang điện được xác định bằng sự phân bố theo thời gian của số photon do chất nhấp nháy phát ra, các điện trở có trong mạch của các đinốt và anốt và cả điện dung giữa các đinốt Ngoài ra cả sự thăng giáng của số electron được tạo nên ở photo catốt, thăng giáng thời gian truyền của chúng khi đi qua ống nhân quang điện, thăng giáng của hệ số khuếch đại của ống nhân quang điện cũng ảnh hưởng tới dạng xung ở lối ra Trong phần này ta khảo sát dạng xung khi bỏ qua các thăng giáng của số electron và thời gian bay qua ống nhân quang điện của các electron

Sơ đồ nối của ống nhân quang điện được chỉ ra trên hình 10a Xung có thể được lấy ra từ anốt (trở R1) cũng như từ đinốt cuối cùng (trở R2) Tín hiệu được lấy từ anốt sẽ là xung âm nếu như R2= 0 Tín hiệu từ đinốt sẽ là xung dương nếu như R1=0 Xung từ đinốt là xung dương vì số electron đến đinốt nhỏ hơn số electron đi khỏi đinốt về anốt do quá trình phát xạ thứ cấp

Hình 10a Sơ đồ lấy tín hiệu ra từ ống nhân quang điện

Hình 10b Dạng xung phụ thuộc vào tỷ số τ/R2C

Chúng ta khảo sát dạng xung điện áp trên trở R2 với giả thiết là trong chất nhấp nháy, các photon được phát ra theo quy luật hàm emũ với thời gian chớp sáng τ và tạo ra được N0 electron ở photo catốt, R1 = 0 Rõ ràng là:

V(t) = Q(t)/C

ở đây C là điện dung tương đương của lối ra của ống nhân quang điện; Q(t) là lượng điện tích theo thời gian trên tụ C này Dòng của ống nhân quang điện nếu chú ý đến các phân tích ở trên phụ thộc theo thời gian với dạng sau:

i = m.N0.e.exp(-t/τ)/τ Dòng này sẽ tích lên tụ C, vận tốc tích điện của tụ C được xác định bằng hằng

số thời gian R2C Sự thay đổi của điện tích trên tụ C:

dQ/dt = m.N0.e.exp(-t/τ)/τ – Q/(R2.C)

ở đây số hạng đầu tiên là dòng tích điện của tụ, số hạng thứ hai là dòng phóng của tụ Nghiệm của phương trình nói trên có dạng sau:

Q(t) = N0.e.m.R2C.[exp(-t/τ) – exp(- t/R2.C)]/(τ- R2.C) (8) Nếu R2C >> τ thì sau một khoảng thời gian cỡ 5τ xung điện sẽ đạt giá trị cực đại của mình và nó bằng N0.e.m/C, sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số thời gian 1/R2C Thực vậy, trong những điều kiện như trên thì phương trình (8) có thể được khảo sát trong hai vùng t << R2C và t >> R2C Khi t << R2C ta có:

V(t) = N0.e m [1 - exp(-t/τ)]/C

và khi t >> τ ta có:

V(t) = N0.e m exp(- t/R2C)/C Như vậy khi R2C >> τ, mặt trước của xung được xác định bằng thời gian phát quang của tinh thể, còn mặt sau được xác định bằng hằng số thời gian của ống nhân quang điện R2C

Nếu τ >> R2C, xung sẽ đạt cực đại của mình sau khoảng thời gian khoảng 5R2C và sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số thời gian τ, tức là trong trường hợp này mặt trước của xung sẽ được xác định bằng hằng số thời gian

R2C và mặt sau – thời gian phát quang của tinh thể Giá trị cực đại của biên

độ xung khi đó tỷ lệ với N0e m.R2/τ

Trường hợp thú vị là khi τ = R2C Lấy thành phần trong ngoặc của (8), thay

số hạng exp(- t/τ) bằng hai số hạng khai triển đầu tiên ta sẽ thu được:

V(t) = N0e m.t.exp(-t/τ)/(Cτ) (9) khi đó xung đạt biên độ cực đại khi t = τ và biên độ bằng N0e m.R2/2,71C

Có thể thu được thời gian t* mà khi đó xung đạt cực đại của mình bằng cách đạo hàm (8) và cho giá trị đạo hàm bằng 0:

t* = ln [τ/(R2C)].τ.R2C/(τ - R2C), (10)

và có thể tính được giá trị biên độ ở cực đại nếu thay (10) vào (8)

Trên hình 10b là dạng xung của đetectơ nhấp nháy ở các tỷ số (τ/R2C khác nhau Trên trục tung là tỷ số của giá trị V(t)/V(t*), còn theo trục hoành là thời gian theo đơn vị t/τ Các kết quả tìm được chứng tỏ rằng có thể thu được mặt trước của xung rất ngắn khi R2C < τ nhưng biên độ lại giảm đi R2C/τ lần Thực ra độ dài của mặt trước của xung sẽ bị giới hạn bởi thăng giáng thời gian của các quá trình khác nhau và thậm chí cả thời gian tạo các trạng thái kích thích trong tinh thể nhấp nháy cũng không ngắn (10-10÷10-11 giây)

Việc tính dạng xung sẽ phức tạp hơn rất nhiều nếu có tải cả ở mạch anốt và đinốt cuối cùng – tức là khi R2 và R1 khác 0 Chúng ta xem xét trường hợp khi thời gian phát sáng τ của tinh thể nhỏ hơn R2C và R1C trở của đinốt cuối cùng

là R2 Xung dòng do chất nhấp nháy gây nên sẽ tích điện cho các tụ của anốt

và đinốt Giả sử sau một thời gian t1 < τ, điện tích trên anốt bằng Qa Nếu khi

đó xảy ra Qa/C bằng cỡ hiệu thế giữa anôt và đinôt cuối cùng thì điện tích của

tụ anốt sẽ bị triệt tiêu, trong mạch đinốt, dòng sẽ đổi cực tính của mình Vì vậy thế V(t) trên đinôt có thể đổi dấu (trong khi phụ thuộc vào tỷ số thời gian

t1/τ, hiệu điện thế giữa anốt và đinốt cuối cùng, các đại lượng R2C và R1C) và xung sẽ trở thành lưỡng cực Rõ ràng là khi R1→∞, xung điện áp ở điện trở ra của đinốt cuối cùng sẽ trở thành xung âm; trong trường hợp này đinốt cuối cùng sẽ được coi như anốt

II.3 Các chất nhấp nháy

Ngày nay có rất nhiều chất nhấp nháy được sử dụng và đều thuộc một trong hai loại: chất nhấp nháy hữu cơ hoặc chất nhấp nháy vô cơ

II.3.1 Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy hữu cơ

Quá trình phát huỳnh quang trong chất nhấp nháy hữu cơ là do sự dịch chuyển mức năng lượng của phân tử Thực nghiệm cho thấy phần lớn phân tử của các chất nhấp nháy hữu cơ có tính đối xứng, chúng được biết như cấu trúc

π-electron trình bày trên hình 11 Trong hình vẽ S0, S1, S2 là một chuỗi các trạng thái cơ bản (spin=0) và kích thích tương ứng Tương tự T1, T2, T3 là ba trạng thái năng lượng kích thích ứng với với S1 (spin=1) Với các phân tử chất nhấp nháy hữu cơ, khoảng cách mức năng lượng giữa S0 và S1 là 3 hoặc 4 eV, còn khoảng cách giữa các mức kích thích ở phía trên thường nhỏ hơn Cấu trúc tinh tế làm cho mỗi mức lại bị chia thành một chuỗi các mức năng lượng với khoảng cách giữa các mức tinh tế hơn (≈0.15 eV) tương ứng với các trạng thái dao động của phân tử (các trạng thái Sxx trong hình 11) Vì khoảng cách giữa các trạng thái dao động là lớn so với giá trị trung bình của chuyển động nhiệt (0.025 eV), gần với chuyển động của tất cả các phân tử ở nhiệt độ phòng trong trạng thái S00

Hình 11 Các mức năng lượng của phân tử hữu cơ ứng với cấu trúc electron

Năng lượng có thể được electron hoá trị hấp thụ và chuyển lên một số các trạng thái kích thích (biểu diễn bằng các mũi tên hướng lên)

Trong trường hợp nhấp nháy, sự hấp thụ năng lượng của hạt mang điện làm các electron nhảy lên trạng thái cao hơn và phân tử bị kích thích nhanh chóng (cỡ pico giây) quá trình khử kích thích về trạng thái S1 bằng biến hoán trong Mặt khác, bất kỳ trạng thái có năng lượng dao động lớn (như S11 hoặc S12) do không cân bằng nhiệt với các phân tử lân cận chúng sẽ mất năng lượng dao động một cách nhanh chóng

Do đó, hiệu ứng kích thích mạng trong tinh thể chất hữu cơ chỉ xảy ra trong khoảng thời gian ngắn có thể bỏ qua, các phân tử hầu như ở trạng thái kích thích S10 Ánh sáng nhấp nháy (hoặc phát huỳnh quang tức thời) được phát ra trong quá trình dịch chuyển giữa trạng thái S10 về một trạng thái có năng lượng thấp hơn (các dịch chuyển này được ký hiệu bằng các mũi tên hướng xuống)

Thời gian tồn tại của trạng thái T1 không dài hơn trạng thái đơn S1 Thông qua các dịch chuyển trong hệ, một số trạng thái kích thích đơn có thể chuyển thành các trạng thái bội ba Thời gian tồn tại của T1 vào cỡ 10-3 s và bức xạ phát ra trong quá trình khử kích thích từ trạng thái T1 về trạng thái S0 giống như sự phát lân tinh (trễ) Vì T1 nằm dưới S1 nên bước sóng của phổ lân tinh

sẽ dài hơn so với bước sóng của phổ huỳnh quang

Ở trạng thái T1, một số phân tử cũng có thể bị kích thích làm dịch chuyển ngược lên trạng thái S1 sau đó phân rã bằng phát huỳnh quang Quá trình này

có thể làm xuất hiện quá trình phát huỳnh quang trễ trong chất hữu cơ

Độ dài của mũi tên tương ứng với năng lượng của các photon sẽ bị hấp thụ trong vật liệu Vì tất cả các dịch chuyển phát huỳnh quang đều được ký hiệu bằng mũi tên hướng về phía có năng lượng thấp hơn (ngoại lệ trường hợp S10-

S00) để cực tiểu hoá năng lượng kích thích, có rất ít sự trùng lặp giữa hấp thụ photon và bức xạ trong phổ, do đó hiện tượng tự hấp thụ phát huỳnh quang rất

bé Đó là lý do tại sao các chất nhấp nháy hữu cơ có thể trong suốt với bức xạ huỳnh quang của nó phát ra

II.3.2 Các dạng nhấp nháy hữu cơ

1 Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao nhất

còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh thể chất nhấp nháy hữu cơ Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích thước lớn

2 Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng

dung dịch hoà tan Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như Carbon-14 và Tritium Hoặc sử dụng ở những nơi đòi hỏi thể tích đetectơ lớn, trong trường hợp này tỉ lệ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau) Các chất nhấp nháy này còn được sử dụng để đo nơtron Đôi khi sự dịch chuyển bước sóng xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân quang

3 Chất nhấp nháy dẻo: Là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong dung

môi, sau đó polymer hoá và tạo dạng cần thiết Các đetectơ này không đắt được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như hình trụ, tấm phẳng,… chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây)

do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng nhanh

4 Chất nhấp nháy pha tạp: Chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện cho

việc xác định trực tiếp các hạt anpha hoặc beta Chúng cũng có thể được sử

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

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

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

III Đetectơ bán dẫn

Trong nhiều ứng dụng đo bức xạ, sử dụng vật liệu có khối lượng trung bình

có nhiều thuận lợi hơn so với sử dụng vật liệu khí Các vật liệu bán dẫn có mật độ cao thích hợp cho ghi các electron và gamma năng lượng cao Ngày nay sử dụng các đetectơ bán dẫn không chỉ thu được nhiều thông tin hơn về bức xạ cần đo mà còn cho độ phân giải năng lượng tốt nhất so với các loại đetectơ khác

Mặc khác, các đetectơ bán dẫn có thêm một số ưu điểm như sự tuyến tính theo năng lượng của biên độ xung, không bị tác động nhiều bởi từ trường, cửa

sổ mỏng, kích thước phù hợp, thời gian phân giải tương đối nhanh, có thể chế tạo với các độ dài khác nhau cho các ứng dụng riêng

III.1 Đặc điểm của các vật liệu bán dẫn

Các vật liệu bán dẫn ở dạng tinh thể, các lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử cho biết cấu trúc năng lượng của nó Năng lượng của một electron bất kỳ trong vật liệu tinh khiết phải thuộc vào một trong các dải năng lượng này Nó cách nhau bằng một khe năng lượng hoặc một vùng cấm, hình 14a là cấu trúc năng lượng của chất cách điện, hình 14b là cấu trúc năng lượng của chất bán dẫn

Hình 14 Cấu trúc năng lượng trong chất cách điện và chất bán dẫn Dải năng lượng thấp nhất được gọi là dải hoá trị, trong dải này các electron nằm ở các nút mạng tinh thể Dải năng lượng cao hơn tiếp theo được gọi là dải dẫn, các electron trong dải này có thể chuyển động tự do trong tinh thể tạo nên tính dẫn điện của vật liệu Số các electron tự do trong tinh thể tương ứng với số các electron được cung cấp từ dải hoá trị Khi không có kích thích nhiệt, các electron trong chất cách điện và chất bán dẫn đều đều nằm trong dải hoá trị, trong dải dẫn hoàn toàn không có các electron Ở điều kiện này, về mặt lý thuyết mà nói sẽ không có bất kỳ một sự dẫn điện nào

Hai dải năng lượng ngăn cách nhau bằng một vùng trống, kích thước của vùng trống phụ thuộc vào loại vật liệu là cách điện, bán dẫn hay dẫn điện Tuy nhiên với các kim loại, các vùng này phủ lên nhau do đó các electron sẽ di chuyển tự do trong vật liệu nên chúng là những chất dẫn điện tốt

Khi bức xạ đi vào vật liệu bán dẫn, quá trình xảy ra tương tự như trong buồng ion hoá khí Bức xạ hạt nhân đến đetectơ làm tăng số electron dịch chuyển từ dải hoá trị lên dải dẫn, để lại các lỗ trống mang điện dương trong dải hoá trị Điện trường làm cho các electron và lỗ trống dịch chuyển về phía các điện cực tương ứng Kết quả là điện tích được tạo ra ở mạch ngoài do đó bức xạ có thể được xác định

III.2 Sự tái hợp và bị bắt giữ

Nhiều electron và lỗ trống không đến được các điện cực, chúng bị mất trong quá trình di chuyển do sự tái kết hợp hoặc bị chất pha tạp bắt ở các nút mạng tinh thể Theo lý thuyết, thời gian sống trung bình của phần tử mang điện trước khi tái hợp trong chất bán dẫn tinh khiết có thể lên đến 1 giây Tuy nhiên, các thực nghiệm cho thấy thời gian sống nằm trong dải từ nano giây đến hàng trăm micro giây chứng tỏ sự phức tạp của quá trình Sự tái kết hợp

là một cơ chế có nguồn gốc do sự không sạch của vật liệu, ở các vị trí đó các electron sẽ bị bắt trong dải dẫn làm thay đổi thời gian tách hoặc giữ, các lỗ trống giống như các bẫy bắt nơtron Quá trình bắt làm xảy ra sự thu góp không hoàn toàn các điện tích ở các cực và làm thay đổi độ phân giải

III.3 Quá trình di chuyển điện tích trong chất bán dẫn

III.3.1 Khi không có trường ngoài tác động

Ở nhiệt độ khác không, do tác dụng của chuyển động nhiệt electron có thể chuyển động lên dải dẫn (ví dụ chuyển động nhiệt làm bứt các electron ở biên của dải hoá trị và di chuyển trong tinh thể) Quá trình kích thích tạo ra một electron trong vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong dải hoá trị Sự kết hợp của cặp electron-lỗ trống trong chất bán dẫn gần giống như của cặp ion-

electron trong đetectơ khí Dưới tác dụng của điện trường, cặp electron-lỗ trống di chuyển trong vùng dẫn và trong dải hoá trị theo ngược chiều nhau làm cho vật dẫn điện Xác suất tạo ra cặp electron-lỗ trống trong một đơn vị thời gian do tác dụng của chuyển động nhiệt là:

p(T) = C T3/2 exp (-Eg/2kT) (11) Trong đó T = nhiệt độ tuyệt đối,

Eg = độ rộng khe năng lượng (năng lượng vùng cấm),

k = hằng số Boltzmann,

C = hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào từng vật liệu

Khi không có điện trường ngoài, các electron và lỗ trống tạo ra do chuyển động nhiệt lại tái kết hợp và thiết lập trạng thái cân bằng động Công thức (11) cho thấy lượng electron-lỗ trống ở trạng thái cân bằng là một hàm phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và giảm mạnh nếu vật liệu bị làm lạnh

III.3.2 Khi có trường ngoài tác động

Khi có một điện trường ngoài áp vào chất bán dẫn, một phần các electron và

lỗ trống sẽ tái hợp ngẫu nhiên, phần còn lại sẽ di chuyển theo hướng tác dụng của điện trường Sự di chuyển của các electron là quá trình thực còn sự di chuyển của các lỗ trống là do sự chuyển chỗ của các electron trong dải hoá trị vào các lỗ trống, sự di chuyển của electron để lại phía sau một lỗ trống, quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi lỗ trống di chuyển đến cực ngoài

Dưới tác dụng của một điện trường thấp, vận tốc trôi dạt của electron và lỗ trống là tỉ lệ với điện trường Ở các giá trị điện trường cao hơn, sự tăng vận tốc trôi dạt dần đạt đến sự bão hoà Sự bão hoà xảy ra vì một phần tỉ lệ với năng lượng thu được từ các electron và lỗ trống bị mất do va chạm với các nguyên tử của mạng Ở vận tốc bão hoà vào khoảng 107cm/s, thời gian cần thiết để thu góp điện tích trên kích thước 0.1cm vào khoảng 10 n giây Do đó, các đetectơ bán dẫn có thời gian đáp ứng nhanh nhất so với tất cả các kiểu đetectơ ghi bức xạ khác

III.4 Tác dụng của việc pha tạp

Khi không có bức xạ ion hoá, trong tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết, số electron và lỗ trống là bằng nhau và vật liệu khi đó được gọi là bán dẫn thuần Mật độ lỗ trống và electron ở nhiệt độ phòng vào khoảng ρ≈1.5×1010 cm-3 đối với Si và ≈2.4×1013 cm-3 đối với Ge

Khi pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tử có hoá trị ba vào silic và hoá trị