CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ CỤC AN TOÀN BỨC XẠ VÀ HẠT NHÂN

Kích thước của một tín hiệu điện phụ thuộc số electron dịch chuyển đến các quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn và do đó có thể gắn liền với lượng bức xạ gây ra sự nhấp nháy,  Sự nhấp nháy

29 August 2013 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP

GHI ĐO BỨC XẠ

CỤC AN TOÀN BỨC XẠ VÀ HẠT NHÂN Địa chỉ: Tầng 4, số 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội Tel.: 04 - 39 428 636; Fax.: 04 - 38 220 298

Website: http://www.varans.vn

29 August 2013 2

MỤC TIÊU

dò chứa khí,

dò chứa khí,

dò nhấp nháy, đầu dò bán dẫn,

loại đầu dò ghi đo bức xạ

29 August 2013 3

NỘI DUNG

1 Các cơ chế ghi đo bức xạ,

2 Đầu dò (detector) chứa khí,

29 August 2013 4

1 Các cơ chế ghi đo bức xạ

thay đổi trong môi trường hấp thụ gây bởi sự truyền năng lượng từ bức xạ ion hoá tới môi trường này

29 August 2013 5

a Sự ion hóa

xạ alpha, beta và gián tiếp bởi các tia-X, gamma, nơtron,

nhận và số cặp ion được thu nhận tỷ lệ với lượng bức xạ gây ra sự ion hoá,

ion hoá như một kỹ thuật ghi đo

29 August 2013 6

 Sự nhấp nháy là quá trình tạo ra ánh sáng sau khi các electron chuyển động từ các quỹ đạo có mức năng lượng cao xuống các mức năng lượng thấp trong một chất hấp thụ,

 Các electron được dịch chuyển lên các quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn bởi quá trình kích thích,

 Ánh sáng được giải phóng có thể bị biến đổi thành một tín hiệu điện Kích thước của một tín hiệu điện phụ thuộc

số electron dịch chuyển đến các quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn và do đó có thể gắn liền với lượng bức

xạ gây ra sự nhấp nháy,

 Sự nhấp nháy là kỹ thuật ghi đo rất quan trọng để kiểm tra bức xạ và các đầu dò sử dụng kỹ thuật này được gọi

là các các dầu dò nhấp nháy

29 August 2013 7

c Nhiệt phát quang

 Khi các electron trong các chất nhất định hấp thụ năng

lượng thì chúng sẽ dịch chuyển đến các mức năng lượng cao hơn hoặc ‘các vùng cấm’ Chúng được giữ lại trong các vùng này cho đến khi các chất này được đốt nóng đến một nhiệt độ nhất định,

 Năng lượng đốt nóng giải phóng các electron và các

chất này phát ra ánh sáng khi các electron ở trên dịch chuyển về mức năng lượng ban đầu của chúng,

 ánh sáng bị biến đổi thành tín hiệu điện liên hệ với

lượng bức xạ tới,

 Các chất nhiệt phát quang được sử dụng để kiểm tra

liều lượng cá nhân

29 August 2013 8

d Các cơ chế hóa học

học Hiệu ứng này được ứng dụng trong phim ảnh ghi đo liều cá nhân, tia X trong y tế và kỹ thuật chụp X-quang,

ứng hoá học tăng lên khi lượng bức xạ ion hoá tăng,

29 August 2013 9

e Sự đốt nóng

của môi trường hấp thụ và đo cẩn thận sự tăng này có thể đưa ra một phép đo liều lượng bức xạ,

lượng) không thích hợp đối với thiết bị đo thông thường trong bảo vệ an toàn bức xạ

nâng nhiệt độ nhỏ lên cao,

chuẩn sơ cấp để chuẩn thiết bị

29 August 2013 10

f Các cơ chế sinh học

thay đổi sinh học trong các tế bào sống,

để đánh giá liều lượng trong các tình huống cuối cùng ở đó con người nửa tin nửa ngờ sẽ có rủi ro bị thu nhận một liều lượng cao

29 August 2013 11

2 Đầu dò chứa khí

• Buồng ion hóa,

• Ống đếm tỷ lệ,

• Ống đếm Geiger Muller,

trong khí nạp của đầu dò,

trình xảy ra trong đầu dò sau khi các sự kiện ion hoá sơ cấp kết thúc

29 August 2013 12

2 Đầu dò chứa khí (tiếp)

 Đầu dò chứa khí có nhiều loại và kích thước khác nhau Nhưng tất cả đều có chung một dạng gồm một buồng có hai điện cực chứa đầy khí,

 Thể tích khí giữa hai điện cực là thể tích hoạt động của đầu dò

29 August 2013 14

Cấu tạo thực tế của đầu dò

29 August 2013 15

Nguyên lý làm việc

 Bức xạ tới tương tác với thể tích khí và tạo ra các cặp ion Khi một hiệu điện thế được đặt giữa các điện cực thì các ion dương bị hút

về phía cathode và các electron bị hút về phía anode,

 Điện tích được tích luỹ trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch Sự biến đổi điện thế tạo ra một xung điện trong mạch ngoài Bằng cách ghi đo xung điện này có thể ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hoá,

 Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi anode và điều này phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hoá trong buồng cũng như loại bức xạ và năng lượng của nó,

 Kích thước của xung cũng là một hàm của điện thế đặt giữa anode

và cathode

29 August 2013 16

Phân vùng điện áp hoạt động

Voltage

Ion chamber

ortional

Prop-Geiger Muller

P u l s e

H e i g h t

.

Cont.

Disch.

bination

• Thời gian chết của đầu dò (tức là khoảng thời gian

để tín hiệu hoặc xung được tích luỹ đủ lớn để được ghi nhận),

• Thời gian phục hồi (tức là khoảng thời gian mà đầu dò khôi phục từ 1 sự kiện ion hoá trở lại trạng thái ban đầu của nó)

29 August 2013 18

Biểu đồ xung

29 August 2013 19

a Đầu dò buồng ion hóa

 Khi các hạt mang điện đi qua thể tích hoạt động của đầu dò, một số cặp ion được sinh ra Nếu như tất cả các hạt mang điện được hấp thụ hoàn toàn trong thể tích hoạt động của đầu

dò thì số cặp ion sinh ra tỷ lệ thuận với năng lượng của hạt mang điện Nếu như không có điện áp giữa hai điện cực, các cặp ion đó sẽ tái hợp lại,

 Tuy nhiên, nếu như có hiệu điện thế giữa hai điện cực của đầu

dò các ion âm sẽ chuyển động về điện cực dương và ion dương chuyển động về điện cực âm,

 Khi hiệu điện thế giữa hai cực tăng lên, vận tốc của các ion tăng Vì vậy, thời gian để tái hợp giảm đi và phần điện tích thu được tăng lên Nếu điện áp đủ lớn, tất cả các ion sẽ đến các điện cực tương ứng

29 August 2013 20

a Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)

 Để ngăn cản buồng ion hoạt động trong vùng tỷ lệ, điện thế được áp vào được giới hạn thấp hơn so với yêu cầu đặt ra để gây ra sự ion hoá thứ cấp của các phân tử khí Nếu một nguồn điện thế 25V được sử dụng thì năng lượng được tăng thêm do sự gia tốc một electron giữa các điện cực không thể lớn hơn 25 eV Năng lượng này

là không đủ để gây ra sự ion hoá thêm nữa,

 Các dòng được tạo trong các buồng ion là rất nhỏ, tiêu biểu là cỡ bậc 10-12 A và vì vậy phải được khuếch đại đối với các kết quả đo Do đó các thiết bị mà kết hợp các đầu dò buồng ion thì yêu cầu mạch trạng thái rắn khá phức tạp để khuếch đại các dòng một chiều vô cùng nhỏ này

29 August 2013 21

a Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)

 Thiết kế các buồng ion và chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc vào ứng dụng riêng của từng thiết bị,

 Đối với các thiết bị kiểm tra bức xạ có thể mang theo thì buồng này thường chứa đầy không khí và được cấu tạo

từ các chất có số nguyên tử thấp,

 Nếu thiết bị được sử dụng để đo bức xạ alpha hoặc beta thì buồng này phải có các lớp vách mỏng hoặc một cửa sổ rất mỏng Chỉ bằng cách đó loại đầu dò này mới

có thể được sử dụng để phân biệt giữa các loại bức xạ bằng cách đặt một tấm chắn trên cửa sổ mỏng để ngăn cản các hạt alpha hoặc beta từ trong buồng

29 August 2013 22

a Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)

 Buồng ion hoá có thể được thiết kế ở nhiều dạng và kích thước khác nhau Khí nạp thường là không khí khô ở điều kiện áp suất khí quyển Một số khí khác nhau cũng được sử dụng cho các mục đích cụ thể,

 Điện tích gom được có thể đo bằng 3 cách:

• Dòng trung bình có thể đo bằng bộ khuyếch đại DC chuyên dụng, đại lượng đo được này tỷ lệ thuận với tốc độ đến của bức xạ hạt nhân,

• Số điện tích trong buồng ion hoá sau một khoảng thời gian cố định có thể xác định được, giá trị đo này liên quan tới tổng bức xạ đến buồng ion hoá trong khoảng thời gian đo nói trên,

• Điện tích xuất hiện trên anode đối với từng sự kiện ion hoá có thể chuyển đổi thành xung điện áp, nó có thể đi qua bộ đặt ngưỡng vào tạo thành xung có thể đếm được

29 August 2013 23

a Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)

29 August 2013 24

b Ống đếm tỷ lệ

 Một ống đếm tỷ lệ hoạt động trong vùng tỷ lệ Do ảnh hưởng của

sự nhân khí có thể tăng số electron được tạo thành gần 10 4 lần Điều này có nghĩa là đối với mỗi electron được tạo ra bởi một sự kiện sự ion hóa ban đầu thì có thể có thêm 10 nghìn electron được tạo ra Do đó mỗi sự kiện ion hoá có thể phân biệt được và đếm được,

 Lối ra từ một bộ đếm tỷ lệ là một chuỗi các xung được đếm bởi một mạch đếm Nói chung, thời gian phân giải thường rất ngắn đối với các bộ đếm này (nhỏ hơn một micro giây) vì vậy các tốc độ xung lớn có thể đếm được,

 Tuy nhiên, biên độ của mỗi xung là rất nhỏ (cỡ bậc milivolt) và cần phải có sự khuyếch đại trước khi các xung này có thể đếm được,

 Độ dốc của đồ thị trong vùng tỷ lệ là khá dốc Điều này có nghĩa là một thay đổi nhỏ của điện áp sẽ có một ảnh hưởng tới độ lớn xung

Do đó nguồn cao thế ổn định được sử dụng

29 August 2013 25

b Ống đếm tỷ lệ (tiếp)

 Như đã được chỉ ra ở phần trước, kích thước xung tổng

tỷ lệ với năng lượng được giữ lại bởi bức xạ Vì vậy, các ống đếm tỷ lệ có thể được sử dụng với một mạch phân biệt độ cao của xung để phân biệt giữa các loại bức xạ trên cơ sở khả năng ion hoá của chúng,

 Ví dụ, nếu thiết bị này được chiếu xạ cả hai loại bức xạ alpha và beta với cùng một mức năng lượng thì bức xạ alpha sẽ tạo ra nhiều số cặp ion hơn với cùng độ dài quãng dường vì vậy độ lớn xung này sẽ rộng hơn,

 Nếu sử dụng các mạch ngoài khác nhau thì các ống đếm tỷ lệ cũng có thể được sử dụng để phân biệt giữa các mức năng lượng khác nhau của bức xạ tới

-29 August 2013 27

c Ống đếm Geiger Muller

 Các bộ đếm Geiger-Muller hoạt động trong vùng Geiger-Muller M) và sử dụng một chất khí như P-10 được sử dụng trong các bộ đếm tỷ lệ Độ lớn của xung lối ra không phụ thuộc năng lượng của hạt ion hoá Điều này có nghĩa là nó không thể phân biệt bằng điện

(G-tử giữa bức xạ alpha và beta Mà có thể cũng không đo hoặc phân biệt giữa các mức năng lượng của bức xạ tới,

 Trong vùng Geiger-Muller thì một sự phóng điện xảy ra dọc dây anode Sự phóng điện này phải bị dập tắt để ngăn cản sự duy trì của bản thân nó và để ngăn cản sự tạo nhiều xung Sử dụng một khí thích hợp như các khí hữu cơ (ví dụ ethyl alcohol) hoặc các halogen (ví dụ chlorine, bromine) thêm vào trong bình khí sẽ giúp cho sự dập tắt này Các khí hữu cơ ở trên được sử dụng trong suốt quá trình dập tắt, do đó các ống được dập tắt bằng hữu cơ có một giới hạn thời gian sống hữu ích khoảng 10 9 tổng số đếm Các halogen có ưu điểm là được không sử dụng trong quá trình dập tắt

vì vậy các ống chứa khí halogen có thời gian sống dài hơn và giúp ích hơn trong các trạng thái tốc độ đếm cao

29 August 2013 28

c Ống đếm Geiger Muller (tiếp)

Thiết bị kiểm tra bức xạ có một ống Geiger-Muller

29 August 2013 29

c Ống đếm Geiger Muller (tiếp)

suất liều thấp trong khi một buồng ion hoá với

độ nhạy tương tự sẽ cần phải có kích thước lớn hơn Nếu bộ đếm được sử dụng để đo bức xạ

để bức xạ vào trong ống,

cỡ vài volt, vì vậy tín hiệu không cần phải khuếch đại trước và mạch có thể được bảo quản đơn giản Điều này có nhĩa là các bộ đếm

được sử dụng ở nơi làm việc để kiểm tra bức xạ gamma

29 August 2013 30

c Ống đếm Geiger Muller (tiếp)

 Nếu các detector G-M được sử dụng như các dụng cụ

đo liều hoặc suất liều thì chúng phải có một sự đáp ứng tương tự với mô của cơ thể người trên một dải năng lượng rộng Khi các ống đếm G-M đáp ứng ở năng lượng thấp hơn khoảng 200 keV thì chúng thường được bao bọc trong vật liệu lọc thích hợp để bảo đảm rằng năng lượng đáp ứng này là có thể tuyến tính Điều này được gọi là sự bù trừ năng lượng,

 Một trong những nhược điểm của một bộ đếm G-M là phân giải thời gian của chúng dài Thời gian phân giải này thường cỡ 100 đến 300 microsecond (s)

29 August 2013 31

c Ống đếm Geiger Muller (tiếp)

 Do vậy, bộ đếm này không thích hợp cho tốc độ đếm lớn

vì ở đó các xung được tạo thành rất nhanh Một trạng thái được gọi là chồng chập xung có thể xảy ra trong các trường bức xạ cao ở đó các xung sẽ được tạo thành nhanh đến mức mà chúng gắn liền bản thân chúng với đuôi của xung trước trước khi anode xoá hoàn toàn điện tích Do đó các xung theo sau xung ban đầu được ghi là quá nhỏ Nếu một thiết bị được sử dụng trong một trường bức xạ cao thì ban đầu nó sẽ nâng chỉ số đọc lên cao nhưng chỉ số này lại nhanh chóng trở lại số không, chính sự sai này chỉ ra rằng trường bức xạ này là an toàn,

 Một bộ đếm G-M có thể cho kết quả đo là không trong một vùng suất liều lớn bởi vì sự chồng chập xung

29 August 2013 32

Detector Loạ i bức xạ Hiệu suất Chú giải

Buồng ion Alpha Cao (có cửa sổ mỏng và ổn

Geiger-Alpha trung bình (vớ i cửa sổ mỏng

và ổn định)

Không thể phân biệt giữa cá c mức nă ng l- ợ ng.

Beta trung bình (vớ i cửa sổ mỏng

và ổn định)

Không thể phân biệt giữa cá c mức nă ng l- ợ ng.

Gamma <1% Không thể phân biệt giữa cá c mức nă ng

l- ợ ng nh- ng sử dụng (vớ i nă ng l- ợ ng bổ xung thích hợ p) trong cá c thiết bị kiểm tra bức xạ có thể mang theo.

X-rays Phụ thuộc độ dày cửa sổ Không thể phân biệt giữa cá c mức nă ng

l- ợ ng nh- ng sử dụng (vớ i nă ng l- ợ ng bổ xung thích hợ p) trong cá c thiết bị kiểm tra bức xạ có thể mang theo.

29 August 2013 33

3 Đầu dò nhấp nháy

 Khi bức xạ ion hoá đi qua một môi trường vật chất, một số trạng thái bị ion hoá và kích thích được hình thành Các trạng thái kích thích di chuyển về trạng thái bình thường phát ra ánh sáng hoặc các nhấp nháy Các ánh sáng này được ghi nhận bằng ống nhân quang điện và các xung dòng ở lối ra của ống nhân quang điện chỉ thị các hạt ion hoá đi qua chất nhấp nháy,

 Trong điều kiện phù hợp, xung sinh ra tỷ lệ với năng lượng

do bức xạ ion hoá đi chất nhấp nháy Những đầu dò loại này

có thể sử dụng để đo phân bố năng lượng của các hạt ngoài việc đếm chúng,

 Các tinh thể nhấp nháy thường được bao bọc bằng các vật liệu phản xạ và ghép với cathod của ống nhân quang điện bằng ống dẫn sáng Vật phản xạ được dùng để tăng khả năng gom ánh sáng ống đếm nhấp nháy hoạt động thông qua 6 trạng thái

29 August 2013 34

Nguyên tắc hoạt động

chất thực tế (được gọi là các phosphor)

thay đổi mức năng lượng,

lại mức ban đầu của chúng và phát ra các photon trong vùng ánh sáng nhìn thấy

29 August 2013 35

Nguyên tắc hoạt động (tiếp)

với năng lượng của bức xạ tới Vì vậy, các đầu dò nhấp nháy có thể được sử dụng

mục đích đo phổ)

l-§iÖn tö trë vÒ møc n¨ng lîng thÊp vµ ph¸t ra ¸nh s¸ng

High Voltage Output Pulse

Incident Radiation

Light Photon

+

-29 August 2013 38

Các loại đầu dò nhấp nháy

29 August 2013 39

Đầu dò nhấp nháy Natri Iodide

năng ghi đo bức xạ gamma, thậm chí còn nhiều hơn so với các đầu dò dẫn điện trạng thái rắn,

không khí và hỏng rất nhanh nên được đặt trong một bình kín không khí Bình này thường được

mỏng

29 August 2013 40

Đầu dò nhấp nháy Natri Iodide (tiếp)

 Các tinh thể NaI(Tl) có thể tạo các bề dày khác nhau Một tinh thể mỏng có độ dày 3mm thì có khả năng ghi đo bức xạ gamma với năng lượng lên tới khoảng 150 keV Một tinh thể dày hơn là cần cho sự duy trì khả năng ghi

đo đối với các gamma năng lượng cao hơn,

 Đầu dò NaI(Tl) dễ sử dụng hơn trong công việc môi trường so với một đầu dò dẫn điện trạng thái rắn bởi vì không cần phải làm lạnh Nó cũng có nhiều khả năng đo tốt hơn, đặc biệt ở các mức năng lượng cao hơn,

 Tuy nhiên, độ phân giải năng lượng của đầu dò NaI(Tl) kém hơn khi so sánh với đầu dò dẫn điện trạng thái rắn