Điện tử hạt nhân Nguyễn Phúc

Ngay trong thời gian chiến tranh sơ tán ở núi rừng sinh viên đã được làm các bài thực tập về điện tử hạt nhân, đã có các luận văn tốt nghiệp thiết kế, lắp ráp máy phân tích vi phân đơn k

1

ĐIỆN TỬ VÀ THIẾT BỊ HẠT NHÂN

Lời nói đầu

Tên gọi điện tử và thiết bị hạt nhân mới bao hàm đầy đủ nội dung của giáo trình này Tuy tia phóng xạ phát hiên vào cuối thế kỹ 19 nhưng điện tử hạt nhân manh nha từ những năm bồn mươi, năm mươi thế kỹ 20 khi các thiết bị điện tử ra đời và phát triển Khác với các lĩnh vực khoa học như cơ, quang, nhiệt giác quan con người có thể trực tiếp cảm nhận được; khoa học hạt nhân nghiên cứu đa số các hiện tượng của hạt nhân, nguyên tử mà các giác quan con người không trực tiếp cảm nhận được mà thông qua công cụ (phần cứng) và tư duy trí tuệ ( phần mềm) của con người Vào những năm bốn mươi, năm mươi thế kỹ hai mươi, trong giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới lần thứ hai và giai đoạn đầu của chiến tranh lạnh, do chay đua vũ trang, khoa học nói chung, điện tử học phát triển xuất hiện đèn điện tử một yếu tố cơ bản để xây dựng các mạch khuếch đại, các mạch logic Đèn điện tử

có nhiều loạị, (đèn hai cực để chỉnh lưu, đèn ba cực để khuếch đại tín hiệu, đèn 4 cực làm khuếch đại có điều khiển, đèn 5 cực để làm các chức năng trùng phùng…) Các thành tựu của điện tử học đã được sử dụng trong quân sự, trong khoa học, trong đời sống Công nghệ thông tin vô tuyến truyền thanh, truyền hình, rađa, ngành khoa học tin học và máy tín cũng ra đời Vật lý hạt nhân là ngành mũi nhọn

vì vai trò của nó trong chiến tranh nên mọi khả năng về nhân vật lực cũng như các thành quả mới nhất của khoa học công nghệ đều được đưa vào cho các nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm Các thành tựu của điện tử học được đưa vào áp dụng

để nghiên cứu vật lý hạt nhân thành một chuyên ngành riêng là điện tử hạt nhân

So với nhiều ngành khoa học khác, các ngành công nghiệp cũng như đòi sống vật

lý hạt nhân thực nghiệm bao giờ cũng sử dụng các thành quả tinh hoa của các ngành khoa học công nghệ khác đặc biệt là điện tử và công nghệ thông tin

Từ những năm năm mươi thế kỹ 20 đã áp dụng đèn điện tử để xây dựng các mạch đếm phóng xạ, các máy đơn kênh, đa kênh đo phổ các tia bức xạ (đó là các khối cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, trùng phùng, đếm, biến đổi biên độ thành số ADC, máy tính số …), các thiết bị điều khiển máy gia tốc, lò phản ứng Sang những năm sáu mươi thế kỹ 20 đèn bán dẫn thay thế đèn điện tử, kích thước và công suất tiêu thụ của thiết bị thu nhỏ đáng kể, xuất hiện các khối điện tử chức năng (đó là các khối cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, trùng phùng, đếm, biến đổi biên độ thành số ADC), các hệ chuẩn như NIM, BИШΗЯ, máy tính nhỏ Những năm sáu mươi xuất hiện các mạch vi điện tử, hệ chuẩn các khối chức năng

xử lý online CAMAC (đó cũng là các khối cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, trùng phùng, đếm, biến đổi biên độ thành số ADC nhưng có BUS ghép nối online DATAWAY vào máy tính qua khối điều khiển khung ) Vào những năm bảy và tám mươi sự xuất hiện mạch vi xử lý, mạch tổ hợp siêu cao, mạch in nhiều lớp, các

vi mạch có khả năng lập trình PAL, GAL, FPGA ngoài hệ chuẩn CAMAC, xuất hiện hệ các khối chức năng chuẩn xử lý online trên hệ thống nhiều trung tâm xử lý song song đó là chuẩn VME Trong lĩnh vực đầu dò hạt nhân cũng không ngừng

phát triển từ đầu dò chứa khí đến đầu dò nhấp nháy, đầu đò bán dẫn, ma trận đầu

dò

Ngay từ những năm 1960 đã xuất hiện nhiều giáo trình điện tử hạt nhân ở các trường đại học ở ÂU, Mỹ và không ngừng được cập nhật theo sự tiến bộ của khoa hoc, công nghệ

Môn học điện tử hạt nhân đã được giảng dạy trong các trường đại học ở Việt nam

đã hơn 50 năm nay Ngay trong thời gian chiến tranh sơ tán ở núi rừng sinh viên đã được làm các bài thực tập về điện tử hạt nhân, đã có các luận văn tốt nghiệp thiết

kế, lắp ráp máy phân tích vi phân đơn kênh trên các bóng đèn điện tử; cuối những năm sáu mươi tại một số viện nghiên cứu đã thiết kế lắp ráp các máy đo hoạt độ phóng xạ bằng ống đếm GM và các linh kiện bán dẫn; hiện nay trong các viện nghiên cứu, các trường đại học đã sử dụng cũng như nghiên cứu và chế tạo nhiều thiết bị hạt nhân hiện đại

Giáo trình điện tử hạt nhân đầu tiên đã được soạn thảo bởi thầy giáo, giáo sư Nguyễn Hữu Xý cũng đã gần 50 năm; giáo trình này được Giáo sư cùng các cộng

sự chính thức biên soạn lại với nhiều bổ sung vào năm 1974 Từ đó đến nay giáo trình này đã được nhiều thầy giáo sử dụng và bổ sung; tuy nhiên không chính thức được biên soạn, in ấn, nên không được lưu truyền

Từ đó đến nay ngành điện tử tin học nói chung, điện tử hạt nhân nói riêng có những bước tiến vượt bậc Ở các nước tiên tiến đã liên tục cho xuất bản các giáo trình rất hiện đại, cập nhật Nằm trong khung cảnh chung, do nhu cầu đào tạo các cán bộ, các chuyên gia công nghệ hạt nhân, việc biên soạn các bộ giáo trình hạt nhân nói chung, giáo trình điện tử hạt nhân nói riêng cho cấp đại học và sau đại học trở nên cấp thiết

Giáo trình này cần cung cấp thật đầy đủ các kiến thức cơ bản, cập nhật, hiện đại và thực dụng cho sinh viên, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực điện tử hạt nhân

Với kinh nghiệm hơn 40 năm liên tục nghiên cứu và giảng dạy điện tử hạt nhân, nhiều năm là điều phối viên quốc gia về điện tử hạt nhân với cơ quan nguyên tử năng quốc tế IAEA, tôi cố gắng biên soạn bộ giáo trình điện tử hạt nhân và thiết bị hạt nhân thật cập nhật, cơ bản và thực dụng, với hy vọng đóng góp phần hiểu biết nhỏ nhặt của mình vào sự nghiệp đào tạo nhân lực cho ngành

Giáo trình gồm 7 chương

Chương 1 nhắc lại các kiến thức bổ trợ về vật lý hạt nhân Chương này nhắc lại một số khái niệm cơ bản về vật lý hạt nhân, các tia bức xạ, sự tương tác bức xạ với vật chất;

Chương 2 trình bày nguyên lý và cấu tạo các loại đầu dò bức xạ.Trình bày nguyên

lý, cấu tạo, các đặc trưng cơ bản, các áp dụng của các đầu dò hạt nhân: Đầu dò chứa khí, đầu dò bán dẫn, đầu dò nhấp nháy và các đầu dò cho nơtron;

Chương 3 đề cập đến điện tử tương tự Đây là các thiết bị trung gian ghép nối trực tiếp với các đầu dò bức xạ, phần này quyết định chất lượng của thiết bị đo, đó là các phần tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, các mạch xử lý thời gian, biên độ như phân biệt tích phân, phân biệt vi phân (SCA), phân biệt biên độ thời gian (SCTA)

và các nguồn nuôi thấp áp và cao áp;

3

Chương 4 đề cập điện tử số Phần này trình bày các mạch số logic cứng cơ bản; các mạch tổ hợp; các mạch có thể lập trình PAL, GAL, FPGA; các mạch thông minh vi xử lý, vi điều khiển; các bộ biến đổi ADC; các thiết bị phân tích đa kênh MCA;

Chương 5 trình bày các hệ chuẩn trong vật lý hạt nhân thực nghiệm Đây là phần tiếp cận đến các hệ thống đo đạc, xử lý tự động các thực nghiệm vật lý hạt nhân trong các phòng thí nghiệm hiện đại trên thế giới, trên quan điểm xây dựng hệ thống thực nghiệm trên các modul chức năng chuẩn Đó là các chuẩn NIM, CAMAC, VME, đồng thời còn trình bày BUS PC, PLC cho các ứng dụng khác; Chương 6 khảo sát các thiết bị điện tử hạt nhân sử dụng trong đo đạc điều khiển trong nghiên cứu và trong ứng dụng công, nông, sinh, y Trong phần này trình bày các hệ thống đo đạc hạt nhân trong nghiên cứu (các hệ phổ kế hạt nhân, các thiết bị

đo liều, đo hoạt độ, thiết bị đo nhấp nháy lỏng, các hệ điều khiển máy gia tốc, lò phản ứng); các thiết bị trong ứng dung công nghiệp NDT và NCS; các thiết bị ứng dụng trong y học hạt nhân như Gamma Camera, SPECT, PET;

Chương 7 trình bày các công cụ sử dụng trong phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân hiện đại Phần này giới thiệu các thiết bị đo điển hình sử dụng trong phòng điện tử hạt nhân như đồng hồ vạn năng, giao động ký, máy phát xung, thiết bị phân tích logic, thiết bị lập trình

Trong phần phụ lục đưa ra các chương trình (files) mô phỏng làm tăng tính sinh động, hấp dẫn, dễ hiểu

Giáo trình này dựa trên nhiều nguồn tài liệu truyền thống của IAEA do các chuyên gia Âu, Mỹ soạn thảo, các giáo trình từ các trung tâm đào tạo của Liên xô, Ấn độ, Nhật bản, Hungari

Cùng với giáo trình lý thuyết này (dự định lên lớp lý thuyết 60 tiết), chúng tôi sẽ soạn thảo và chế tạo khoảng 15 bộ thực nghiệm điển hình

Giáo trình này dành cho các sinh viên năm cuối, các học sinh cao học, các nghiên cứu sinh vật lý hạt nhân thực nghiệm của các trường đại học quốc gia, đại học bách khoa, các viện nghiên cứu

Đây là lần biên soạn chính thức đầu tiên, chúng tôi không tránh khỏi các sai sót, các tiểu mục thiếu vắng Chúng tôi xin chân thành tiếp nhận và cám ơn các ý kiến đóng góp của quí vị quan tâm

Chương I Phần bổ trợ

1.1 Bức xạ hạt nhân [1]

Trong phần này sẽ trình bày những kiến thức cơ sở của vật lý hạt nhân

Bắt đầu sẽ thảo luận về nguyên tử trung hoà, ở trạng thái bền Nguyên tử bao gồm hạt nhân nhỏ bé, bao quanh bởi một số điện tử

Các điện tử nằm trên quĩ đạo xung quanh hạt nhân theo những mức năng lượng xác định

Mức năng lượng thấp nhất gọi là vành K có thể chứa nhiều nhất hai điện tử; mức thứ hai gọi là vành L chứa nhiều nhất 8 điện

xu thế làm cho hạt nhân không bền các prô-ton đẩy lẫn nhau Nếu số Z lớn hơn 20 lực Culom làm hạt nhân không bền hoặc có tính phóng xạ Nếu hạt nhân có số Z lớn hơn 20 hoặc có Prô-ton lớn hơn 20 cần phải bổ sung lực gắn kết hạt nhân Trong trường hợp này cần bổ sung nhiều hơn số nơ-tron trong hạt nhân Hạt nhân bền có thể thấy được ở các nguyên tố có số Z đến 83 loại trừ một trường hợp là nguyên tố nhân tạo Technetium (Tc) Với Z lớn hơn 83 tất cả các hạt nhân đã biết

là không bền hoặc có tính phóng xạ Cũng chính theo cơ chế đó mà các hạt nhân có nhiều quá prô-ton hoặc nơ-tron cũng không bền hoặc có tính phóng xạ

Sau đây nêu ra một vài ký hiệu qui định: Ký hiệu “Z” là số prô-ton trong hạt nhân,

là nguyên tử số của nguyên tố, nó cũng là số điện tử trong nguyên tử trung hoà Ví

5

dụ Hydro có Z=1; Sắt có Z=26; chì có Z=82; Uranium có Z=92 “N” là số nơ-tron trong hạt nhân “A” là số tổng cộng các nucleon (tổng số prô-ton và nơ-tron trong hạt nhân)

Người ta đã sử dụng ký hiệu cho một hạt nhân như sau:

X là chử viết tắt cho nguyên tố, A là số tổng cộng các nucleon, Z là số prô-ton, N

là số nơ-tron

Đồng vị là các hạt nhân có cùng số prô-ton hoặc Z nhưng khác nhau về số nơ-tron,

ví dụ Hydro có ba dạng: Hydro 1 chỉ có một prô-ton trong hạt nhân; Hydro 2 là Deuterium có 1 prô-ton và một nơ-tron trong hạt nhân; Hydro 3 gọi là Tritium có 1 prô-ton và hai nơ-tron trong hạt nhân

Biểu đồ vị trí của các hạt nhân đã biết trên trục toạ độ vuông góc mà trục X là số nơ-tron, trục Y là số prô-ton trong hạt nhân- biểu đồ này lần đầu tiên được vẽ bởi Segre gọi là biểu đồ hạt nhân Trong biểu đồ này các chấm đen biểu diễn cho 256 nguyên tố bền, các chấm nhạt cho hơn 1200 nguyên tố đồng vị phóng xạ còn lại đã biết

Phân rã phóng xạ: Trong phần này sẽ bàn đến hai loại phân rã phóng xạ Alpha (α)

và Beta (β) cùng với ba loại bức xạ α, β và γ (Gamma)

Khảo sát đầu tiên là phân rã phóng xạ β, có ba loại phân rã Beta

Loại phân rã Beta đầu tiên là phân rã Beta âm (β-) Nếu hạt nhân có quá nhiều tron sẽ xảy ra phân rã phóng xạ bằng cách phát ra một điện tử ( hạt beta âm β-) và một phản nơ-trino Trong trường hợp này nơ-tron trong hạt nhân biến thành prô-ton Trong quá trình này số prô-ton trong hạt nhân tăng lên một đơn vị như vậy hạt nhân và nguyên tử này biến thành hạt nhân và nguyên tử của nguyên tố mới hay còn gọi là nguyên tố con Trong một chiều hướng khác nếu hạt nhân quá thừa prô-ton thì nó có thể bắt một điện tử của nguyên tử ở vành trong cùng nhất của nguyên

nơ-tử -vành K; hoặc nếu đủ năng lượng prô-ton có thể phát ra một hạt posi-tron (β+) Trong trường hợp prô-ton bắt một điện tử, prô-ton biến thành nơ-tron và phát ra một hạt nơ-trino Trong trường hợp prô-ton phát ra hạt posi-tron (β+), prô-ton đã biến thành nơ-tron, β+ và nơ-trino Trong cả hai trường hợp điện tích của hạt nhân đều giảm đi một đơn vị và hạt nhân nguyên tử biến thành nguyên tố mới

Điện tử (hạt beta âm β-) và posi-tron (β+) là phản hạt của nhau Nếu chúng tương tác với nhau sinh ra huỷ cặp Tương tự như vậy nơ-trino và phản nơ-trino là phản hạt của nhau.Tuy nhiên trong trường hợp này khả năng tương tác với nhau vô cùng nhỏ nơ-trino và phản nơ-trino là hạt nhỏ trung hoà về điện tích có khối lượng gần bằng không và vận tốc gần với vận tốc ánh sáng, khả năng tương tác vô cùng thấp Trong thực tế nơ-trino từ mặt trời có thể đi xuyên qua quả đất mà không gây sự tương tác nào

1.1.1 Bức xạ Beta

Vì hai loại phân rã phóng xạ điện tử ( β-) và posi-tron (β+) là bài toán phân rã của

ba thực thể, sản phẩm cuối cùng là hạt nhân con, hạt beta và nơ-trino Không thể tiên đoán sự phân bổ năng lượng cho ba sản phẩm này Tuy nhiên vì hạt nhân sản phẩm có khối lượng rất lớn so với hạt beta và nơ-trino nên toàn bộ động năng là năng lượng phân rã phân bố ngẩu nhiên cho hạt beta và nơ-trino do đó phân bố năng lượng cho hạt beta và nơ-trino là tương tự nhau từ Zero đến giá trị năng lượng phân rã, như hình sau

To là năng lượng toàn phần của phân rã, nó cũng là giá trị năng lượng cực đại mà hạt beta có thể đạt tới

Phân bố phổ năng lượng phân rã của beta trừ ( β-) có đỉnh tại 1/3 To;

Phân bố phổ năng lượng phân rã của beta cộng ( β+) có đỉnh tại 2/3 To

1.1.2 Bức xạ Alpha

Đối với các nguyên tố phóng xạ có Z > 82 phân rã α có khả năng rất cao Có một

số ít hạt nhân có Z<82 có khả năng phân rã α nhưng khả năng rất thấp

Hạt α là hạt mang điện nặng có cấu tạo gồm hai nơ-tron và hai prô-ton nó là hạt nhân của nguyên tố Helium 4 Hạt α có điện tích hai đơn vị, như vậy có nghĩa rằng hạt nhân sau phân rã alpha mất hai prô-ton và điện tích của nó giảm đi hai đơn vị Phân rã alpha thường kèm theo các phân rã beta trừ Vì sản phẩm của phân rã alpha chỉ là hai gồm hạt nhân con và hạt alpha Toàn bộ năng lương phân rã chia cho hai sản phẩm con có thể tính khá chính xác đo đó năng lượng alpha phân rã là đơn năng, tuy nhiên do hạt nhân sau phân rã thường nằm ở các trạng thái kích thích

7

khác nhau do đó phân bố năng lượng của hạt alpha trong phân rã alpha có nhiều nhóm đơn năng, xem giản đồ sau

Qua giản đồ phổ alpha này ta thấy rằng nhóm năng lượng cao nhất có xác suất xảy

ra nhỏ là nhóm đơn năng của các hạt α trong phân rã alpha mà hạt nhân sản phẩm (hạt nhân con) nằm ở trạng thái cơ bản Trong ví dụ này nhóm đơn năng có xác xuất cao nhất là nhóm năng lượng lớn thứ hai cho các phân rã alpha thu được hạt nhân con ở trạnh thái kích thích

Tia alpha gồm hạt nhân He tốc độ cao và điện tích hai đơn vị; quảng chạy vài cm trong không khí phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của hạt và độ đậm đặc của môi trường rắn, lỏng hay khí Hạt alpha là sản phẩm của các hạt nhân khi tương tác với nơtron, phân hạch hạt nhân, lò phản ứng, máy gia tốc và sản phẩm của tia vũ trụ khi tương tác với khí quyển Khi hạt  đi qua vật chất, nó tương tác với các điện tử vành ngoài của nguyên tử môi trường làm ion hóa môi trường còn hạt alpha mất dần năng lượng do các va chạm liên tiếp Khả năng ion hóa của hạt alpha là lớn nhất so với tất cả các loại bức xạ Ứng dụng hạt alpha dựa trên khả năng ion hóa của nó để phân tích chất khí, đo áp xuất chất khí, khử các hạt tĩnh điện, đo độ dày lớp rất mỏng

Quay lại giản đồ hạt nhân, có thể nhận diện các vùng tương ứng với các phân rã khác nhau

Nếu như hạt nhân có quá nhiều nơ-tron thì nó sẽ xảy ra phân rã beta trừ; đó là vùng dưới phía phải của đường hạt nhân bền;

Nếu hạt nhân có quá nhiều prô-ton nó có khả năng bắt điện tử hoặc phân rã beta cộng, điều này xảy ra ở vùng trên và bên trái của đường hạt nhân bền Đối với hạt nhân có Z>83 nó có khả năng phân rã alpha và beta trừ

Đa số các phân rã phóng xạ hạt nhân con không về ngay trạng thái bền mà ở trạng thái kích thích Các hạt nhân này sẽ về trang thái bền hoặc trạng thái có mức năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra các photon (gọi là tia gamma) cho đến khi hạt nhân đạt được trạng thái bền

1.1.3 Bức xạ Gama, Tia x

Phô-ton là hạt có liên quan đến sóng điện từ Phô-ton có khối lượng tĩnh bằng không và không mang điện, trong chân không chuyển động với vận tốc ánh sáng

Có nhiều loại hạt phô-ton; nó có tên tuỳ thuộc các quá trình vật lý sinh ra nó Một

số ví dụ có thể làm quen như ánh sáng biểu kiến, sóng vô tuyến điện, bức xạ tử ngoại Bốn loại phô-ton mà chúng ta quan tâm trong giáo trình này là: Tia X, Tia gamma, bức xạ hãm và phô-ton huỷ cặp

Tia x là phô-ton phát ra từ nguyên tử khi điện tử của nguyên tử chuyển từ một mức năng lương xuống mức thấp hơn Điện tử của nguyên tử nằm trên các mức năng lượng được xác định chính xác do đó phổ các tia X là đơn năng Tia Gamma là các phô-ton sinh ra khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng này đến mức năng lượng khác thấp hơn và cũng như trên hạt nhân cũng tồn tại trên các mức năng lượng được biết chính xác nên phổ năng lượng tia gamma cũng đơn năng Trong khi đó phô-ton bức xạ hãm tạo ra do các hạt mang điện thường là điện tử tương tác với điện trường của hạt nhân Trong trường hợp này quỉ đạo của các điện tử luôn thay

Typical Alpha Particle Energy Spectrum

9

đổi và điện tử phát ra các phô-ton gọi là phô-ton bức xạ hãm và có năng lượng từ zero đến giá trị toàn phần của động năng hạt mang điện Phổ phân bố năng lượng của phô-ton bức xạ hãm là liên tục từ zero đến toàn bộ năng lượng của điện tử

Loại phô-ton thứ tư là phô-ton tạo cặp, phô-ton này sinh ra do một điện tử tương tác với phản hạt của nó là positron Khi hai hạt này tương tác với nhau thì nó huỷ nhau và biến mất, khi đó năng lượng tương tác biến thành hai hạt phô-ton huỷ cặp mỗi một phô-ton mang năng lượng tĩnh của electron và posi-tron 0.511 Mev, tuy nhiên vì electron và posi-tron trước khi tương tác có một lượng động năng nhỏ, năng lượng này cũng truyền cho cặp phô-ton tạo thành do đó các phô-ton huỷ cặp

có năng lượng xung quanh vạch 0.511 Mev

Phân rã Beta âm: Cobalt 60 có chu kỳ phân rã là 5,3 năm, khi phân rã beta trừ hạt nhân chuyển đến mức kích thích của Nikel 60 ở mức 2,50 Mev trên trạng thái bền của Nikel 60 và ngay lập tức chuyển xuống mức kích thích 1,33 Mev bằng cách phát ra tia Gamma năng lượng 1,17 Mev; Mức kích thích này có chu kỳ sống là

10-9giây và phân rã gamma 1,33 Mev đến trạng thái bền của Nikel 60

Ví dụ về phân rã beta cộng của Na22: Na22 phát ra beta cộng chuyển đến nức kích thích 1,27 Mev của Neon 22 Neon 22 kích thích này chuyển về Neon 22 trạng thái bền bằng cách phát ra tia gamma 1,27 Mev

+





Ví dụ về phân rã alpha của Uran 238: Ur238 phân rã hạt alpha chuyển về Th234

kích thich; phát ra tia gamma để giảm mức kích thích, sau đó phát ra tia beta trừ

hạt nhân chuyển về Protatium 234 ở mức kích thích; phát tiếp hai beta trừ để

chuyển về hạt nhân Ur 234 ở mức kích thích

Nhiều khi hạt nhân kích thích giảm trạng thái kích thích bằng cách truyền năng

lượng của nó cho một điện tử của nguyên tử hơn là phát ra tia gamma Quá trình

này gọi là biến hoán nội và điện tử sẽ mang năng lượng này Năng lượng của điện

tử biến hoán nội sẽ là sự khác nhau của hai mức năng lượng hạt nhân trừ đi năng

Decay





11 22

11 Na





1.27 MeV



1.27MeV ray

12 22

27 Co

2.50 MeV Excited Level

Ground State





32 60

28 Ni

ray MeV 17

ray MeV 33

1.33 MeV Excited Level

Số hạt nhân phóng xạ còn lại sau một thời gian t được tính như sau

N = No* e- λt

Ở đây No là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t bằng zero Đây có mối quan hệ hàm mũ, Thời gian bán huỷ là đoạn thời gian mà trong đó để cho ½ hoạt độ bị phân rã và xác định bằng công thức sau

Nơtron có từ lò phản ứng, máy gia tốc và các nguồn đồng vị

Các đặc trưng chính của nơtron: Khối lượng gần bằng proton, nơtron không mang điện, nơtron là một phóng xạ có thời gian sống 10,6 phút, năng lượng nơtron từ 0,001eV đến 20 MeV, thiết diện (xác suất) tương tác có thể rất bé hoặc rất lớn phụ thuộc năng lượng nơtron và hạt nhân tương tác

90 Th

143 234

91 Pa

142 234

92 U

Nơtron có thể phân thành ba loại sau: Nhiệt, trên nhiệt và nhanh Xác suất hấp thụ nơtron nhiệt tỷ lệ 1/v, nơtron càng chậm chuyển động càng lâu trong hạt nhân thì khả năng bị hấp thụ càng lớn Nơtron trên nhiệt, trừ trường hợp cộng hưởng, tiết

diện tương tác rất bé, vùng cộng hưởng rất hẹp vài eV tăng đột ngột từ không lên hàng chục nghìn barns rồi giảm đột ngột về không; vùng còn lại là nơtron nhanh, thiết diện tương tác vài barn

Các tia vũ trụ đến trái đất theo mọi hướng, với cường độ khoảng 1000 hạt trên mét vuông trên giây Câu hỏi về nguồn gốc tia vũ trụ và cơ chế gia tốc thế nào để có hạt năng lượng siêu cao như vậy

Các tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn 1020eV có quảng chạy tự do trung bình khoảng 100Mpc (1 pc = 3 x 1018 cm xấp xỉ 3 năm ánh sáng) Các tia vũ trụ là các hạt tích điện nên quỹ đạo của nó rất phức tạp do ảnh hưởng của từ trường yếu của

vũ trụ khi đi đến quả đất 1.1.5.1 Phổ năng lượng của tia vũ trụ sơ cấp

Phổ có khoảng biến đổi rộng, thông lượng giảm nhanh khi năng lượng của chúng tăng Hạt có năng lượng 1GeV có thông lượng 104 hạt trên 1m vuông trong một giây; khi năng lượng lớn hơn 1019eV thông lượng một hạt trên một km2 trên năm 1.1.5.2 Mưa rào khí quyển

Mưa rào khí quyển là một hiện tượng một số lượng lớn các bức xạ điện từ, điện tử, các hạt nhân nhẹ và các hạt cơ bản như muon, pion, kaon sinh ra trong quá trình tương tác của tia vũ trụ sơ cấp có năng lượng cao ( vài GeV trở lên) với các hạt nhân nguyên tử của khí quyển Năng lượng hạt sơ cấp càng cao thì kích thước của mưa rào khí quyển càng rộng Chẳng hạn như tia vũ trụ sơ cấp khoảng 1014eV thì khoảng cách các hạt tạo ra hàng trăm mét

Small (few barns)

E n > 10 keV Fast

Small with resonances

1 eV < E n < 10 keV Epithermal

σ a ~ 1/v

E n < 1 eV Thermal

Cross Section Barns (10-24 cm2 ) Neutron

Energy

13

Trong trường hợp hạt tới là proton tác dụng với các nucleon của hạt nhân môi trường theo thứ tự sau

P + N  P* + N* + n - + n + + m 0  tạo ra , -,+, ,+ e-, e+, các hạt cơ bản như kaon, lambda Gồm ba thành phần: Thành phần điện từ (điện tử, gamma), thành phần muon và thành phần ion nặng (gồm các nucleon, kaon, pion)

1.2 Sự tương tác của bức xạ với vật chất [2]

Chúng ta sẽ quan tâm đến hai loại bức xạ: Hạt mang điện và hạt trung hoà Hạt mang điện chia làm hai nhóm: Hạt mang điện nặng và hạt mang điện nhẹ Hạt mang điện nặng là hạt có khối lượng lớn hơn nhiều so với khối lượng điện tử Ví

dụ hạt prô-ton có khối lượng gấp 2000 lần khối lượng điện tử; hat alpha với khối lương gấp 8000 lần khối lượng điện tử còn mảnh phân hạch thì nặng hơn nhiều Hạt mang điện nhẹ như là điện tử và pôsi-tron Nhóm hạt trung hoà cũng chia làm hai nhóm phô-ton và nơ-tron Phô-ton gồm tia X, tia gamma, tia huỷ cặp, tia bức

xạ hãm; nơ-tron tương tác qua va chạm đàn hồi, va chạm không đàn hồi và gây phản ứng hạt nhân

Chúng ta bắt đầu khảo sát tương tác của hạt mang điện với vật chất Có ba cơ chế mất năng lượng: Cơ chế thứ nhất mất năng lượng do tương tác với điện tử của nguyên tử; cơ chế thứ hai do bức xạ hãm và cơ chế thứ ba do va chạm với hạt nhân nguyên tử Cơ chế thứ nhất hạt mang điện có thể truyền cả năng lượng và momen xung lượng cho điện tử nguyên tử Điện tử có thể bắn ra khỏi nguyên tử hoặc chuyển lên mức năng lượng cao hơn và kết quả hoặc nguyên tử bị ion hoá hoặc bị kích thích Trong trường hợp thứ hai năng lượng bị mất do bức xạ hãm, hạt mang điện này thường là hạt mang điện nhẹ như điện tử, tương tác trong điện trường của hạt nhân Đường đi của hạt mang điện bị thay đổi và phát ra bức xạ phô-ton gọi là bức xạ hãm Năng lương của phô-ton có thể từ zero đến giá trị động năng toàn phần của hạt mang điện Trường hợp thứ ba năng lượng bị mất bởi sự va chạm với hạt nhân nguyên tử Hạt mang điện nặng sau khi mất phần lớn động năng cho điện

tử nguyên tử có thể tuơng tác với hạt nhân nguyên tử của bia Trong trường hợp

này một lượng lớn momen động lượng và năng lượng của hạt chuyển cho hạt nhân

nguyên tử và kết quả hạt mang điện bị tán xạ trên một gốc lớn 1.2.1 Tương tác của hạt mang điện nặng

Vì nguyên tử tạo thành bởi hạt nhân vô cùng nhỏ được bao quanh bởi các điện tử,

khi một hạt mang điện chuyển động qua vật chất nó được xem đa phần là điện tử

Khối lượng của hạt alpha gấp 7294 lần khối lượng điện tử Khi một hạt alpha gặp

một điện tử nó có thể truyền cả năng lượng và momen động lượng cho điện tử hoặc

là đẩy điện tử ra khỏi nguyên tử hoặc đưa lến mức năng lượng cao hơn Tuy nhiên

sự quá khác nhau về khối lượng của hai hạt, hạt alpha chỉ mất một phần nhỏ năng

lượng và momen động lượng của mình do đó hướng đi của hạt alpha không thay

đổi Sau nhiều lần tương tác như vậy khi hạt alpha mất gần hết năng lượng và

của các hạt có cùng bậc khối lượng do đó mất mát năng lượng và momen động

lượng khá nhiều do đó mà hướng đi của hạt alpha thay đổi Khoảng chạy của hạt

alpha trong không khí có thể xác định gần đúng bởi phương trình sau :

R (trong không khí) = 0,309 To3/2

Ở đây To là năng lượng ban đầu của hạt alpha tính theo Mev, hạt alpha thông

thường có năng lượng khoảng 5±1 Mev Quảng chạy của hạt alpha trong không khí

ở áp suất khí quyển là 3,5 cm Trong vật rắn hay trong vật liệu có mật độ cao

khoảng chạy ngắn hơn nhiều Trong thực tế hạt alpha năng lượng 5 Mev sẽ bị chặn

lại bởi một tờ giấy viết

1.2.2 Tương tác của điện tử với vật chất

Hạt beta gồm điện tử và posi-tron đều mất năng lượng trước nhất là tương tác với

điện tử của nguyên tử Cũng như trên tương tác này hoặc bứt điện tử khỏi nguyên

tử hoặc đưa nó lên mức cao hơn Tuy nhiên trong trường hợp này hạt tới và điện tử

nguyên tử có cùng khối lượng nên sau một va chạm hạt tới mất một lượng lớn

năng lượng và momen xung lượng nên sau một va chạm hướng đi thay đổi lớn Hạt

beta có tốc độ lớn hơn nhiều so với hạt mang điện nặng nên khoảng cách hai va

chạm khá dài kết quả quảng chạy của hạt beta lớn hơn nhiều so với hạt mang điện

nặng

1.2.3 Phát bức xạ hãm

Điện tử và posi-tron ngoài mất năng lượng do va chạm còn mất do bức xạ hãm

Khi điện tử đi gần đến hạt nhân lực Culom sẽ làm điện tử đổi hướng và phát ra

phô-ton gọi là bức xạ hãm Quảng chạy của tia beta trong vật chất có thể xác định

theo phương trình sau

Ro( gm/cm2) = 0,52 T (Mev)-0.09

Năng lượng điển hình của điện tử khoảng 1 Mev, quảng chạy trong không khí

Sự huỷ posi-tron: Cũng gíống như điện tử, Posi-tron mất năng lượng thông qua va

chạm với điện tử nguyên tử và bức xạ hãm Sau khi mất đa phần năng lượng của

mình, posi-tron tìm thấy điện tử và tương tác huỷ cặp và tạo ra hai phô-ton với

năng lượng mổi phô-ton khoảng 0,511 Mev

15

1.2.4 Tương tác của phôton

Về phương diện lý thuyết, tồn tại 12 loại tương tác Tuy nhiên có ba loại tương tác phổ biến nhất trong giải năng lượng của phô-ton từ zero đến 10 Mev là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và sự tạo cặp

1.2.4.1 Hiệu ứng quang điện

Phô-ton tới tác dụng với nguyên tử, toàn bộ năng lương của phô-ton truyền cho một điện tử của nguyên tử (thường là điện tử ở vành liên kết mạnh nhất như lớp k) Năng lượng của điện tử bay ra Te = Eγ- Be, kết quả có một điên tử bay ra và một nguyên tử bị ion hoá, trong nguyên tử ion hoá này điện tử ở mức cao chuyển xuống mức trống ở dưới và phát ra tia X Quá trình này tiếp tục cho đến khi bắt được một điện tử tự do để đi đến nguyên tử trung hoà

X-Photoelectron

Auger Incoming

xạ

Scattered



 E

Đôi khi thay cho phát tia X, năng lượng này truyền cho điện tử khác của nguyên

tử, tạo ra nguyên tử bị ion hoá bậc hai Điện tử bắn ra là đơn năng goi là điện tử Auger Các quá trình này trình bày trong giản đồ trên

1.2.4.2 Tán xạ Compton

Trong tán xạ Compton phô-ton tới tương tác với điện tử vòng ngoài cùng của nguyên tử Vì điện tử này gắn yếu ớt với hạt nhân, do đó phô-ton không chuyển hết năng lượng và xung lượng cho điện tử Như vậy cùng với điện tử bắn ra còn có phô-ton tán xạ Phô-ton thứ cấp này là phô-ton mới tạo ra của quá trình và có năng lượng E’γ Năng lượng của tia gamma tới chia cho điện tử bắn ra và phô-ton thứ cấp Năng lượng điện tử mang tuỳ thuộc gốc bắn ra của phô-ton thứ cấp Khi gốc tán xạ so với tia tới bằng 180 độ thì năng lượng truyền cho điện tử là cực đại Ví dụ đối với phô-ton tới năng lượng 1 Mev thì năng lượng phô-ton có thể truyền cho điện tử có thể từ zero đến giá trị cực đại là 0.796 Mev

1.2.4.3 Hiệu ứng tạo cặp

Phô-ton tới tương tác với trường hạt nhân tạo ra cặp điện tử và posi-tron Năng lượng tối thiểu của phô-ton tới để gây ra tạo cặp là 1.022 Mev

1.2.4.4 Xác suất của tương tác phôton

Khác với hạt mang điện, nó có thể tương tác nhiều lần và mất dần năng lượng Phô-ton chỉ tương tác một lần và biến mất Ngay cả tán xạ Compton phô-ton tới biến mất, cái gọi là phô-ton tán xạ cũng là mới được tạo ra sau tương tác Vì vậy chung ta không quan tâm đến quảng chạy của phô-ton mà thay vào đó quan tâm khả năng (xác suất) phô-ton đi qua lớp dày x của vật liệu mà không bị tương tác Xác suất của tương tác và loại tương tác phụ thuộc vào năng lượng phô-ton, điện tích của hạt nhân bia Z, mật độ N của bia tức là số hạt nhân trên một đơn vị thể tich và NZ số điên tử trên một đơn vị thể tích

Xác suất tương tác quang điện gần như một hàm tỷ lệ với N, Z5 và Eγ-7/2 Xác suất tương tác Compton gần như một hàm tỷ lệ với N, Z và 1/Eγ

17

Xác suất tạo cặp bằng zero khi năng lượng phô-ton bé hơn 1.022Mev và trên năng lượng này nó gần như một hàm tỷ lệ với N, Z2 và log của năng lượng Eγ Xác suất toàn bộ là tổng của các xác suất thành phần Trong vùng năng lượng thấp hiệu ứng quang điện nổi trội; trong vùng năng lượng từ 0.5 Mev đến 2-3 Mev tán xạ Compton nổi trội và khoảng năng lượng lớn hơn 3 Mev tạo cặp là chủ yếu đặc biệt khi Z lớn

Hệ số suy giảm tuyến tính còn gọi là xác suất trên chiều dài đơn vị μ là tổng của các xác suất trên chiều dài đơn vị cho mỗi một thành phần kể trên Hệ số suy giảm khối μo được xác định như là hệ số suy giảm tuyến tính chia cho mật độ ρ Hệ số suy giảm khối μo là một hàm của năng lượng đối với không khí, nhôm và chì Xác suất phô-ton đi qua một bia dày x cho bởi phương trình sau

N (x) = No x e-μx

Ở đây No là số phô-ton tới do đó tỷ số N(x)/No là xác suất phô-ton có thể đi qua bia dày x mà không bị tương tác Vì đây có mối tương quan hàm mũ, ta đưa ra khái niệm độ dày ½ hay còn gọi là độ dày lớp vật chất để chắn được ½ số phô-ton Trong vùng năng lượng 1 Mev, độ dày này đối với chì là 0.95 cm, đối vơi nhôm là 3,7 cm và đối với không khí là 83 mét

1.2.5 Tương tác của nơtron

Nơtron là hạt không mang điện, không tương tác với điện tử của nguyên tử mà chỉ tương tác với các nuclon của hạt nhân Có mấy loại tương tác sau: tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ các hạt mang điện hoặc gamma và phân hạch hạt nhân

Theo năng lượng nơtron chia làm bốn loại, nơtron nhanh (vài Mev), chậm (từ 10 đến 100keV), trên nhiệt (1ev đến 1 keV) và nhiệt (khoảng 0,03 ev) Nơtron từ các nguồn đồng vị thường là nơtron nhanh

1.2.5.1 Nơtron nhanh tán xạ đàn hồi và không đàn hồi

Nơtron nhanh đi qua vật chất thường tán xạ với các nuclon qua tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, qua nhiều va chạm nơtron mất dần năng lượng Phần năng lượng bị mất trên một va chạm càng lớn nếu khối lượng hạt nhân càng bé Giá trị năng lượng trung bình mất mát trên một va chạm không phụ thuộc năng lượng nơtron trước khi va chạm Nơtron với năng lượng 2 MeV sau 18 lần va chạm với nguyên

tử hydro hoặc 115 lần với nguyên tử oxy hoặc 2172 lần với nguyên tử uran thì nơtron bị nhiệt hoá đến năng lượng 0,025 eV

1.2.5.2 Nơtron gây ra phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ

Tương tác nơtron gây ra phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ các hạt mang điện hoặc gamma sử dụng trong các bài toán phân tích thành phần nguyên tố bằng phương pháp phân tích kích hoạt nơtron, đặc biệt là chế tạo các đầu dò nơtron

CHƯƠNG II Các đầu dò bức xạ

2.1 Đầu dò chứa khí (Gaz detector) [3]

Mục đích của phần này là tổng quan lý thuyết và hoạt động của đầu dò chứa khí,

đó là đầu dò ion hoá, đầu dò tỷ lệ và đầu dò Geiger- Muller G-M; Các thiết bị sử dụng đầu dò loại này và các vấn đề cần lưu ý khi sử dụng đầu dò này

2.1.1 Nguyên lý đầu dò chứa khí

Các đầu dò này dùng khí làm môi trường làm việc của đầu dò, môi trường khí này

có hai tính chất cần thoả mãn: tính cách ly (khi hai điện cực được tích điện có một hiệu điện thế dược đặt trong môi trường khí này thì chất khí bảo vệ để không xảy

ra hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực); tính dẫn điện (nếu có những hạt mang điện tự do điện tử hoặc ion thì các hạt mang điện này chuyển động tự do trong chất khí, nếu giữa hai điện cực có hiệu điện thế thì dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử chuyển động đến điện cực dương còn các ion dương chuyển động đến điện cực âm) Có ba loại đầu dò chứa khí: Đầu dò ion hoá, đầu dò tỷ lệ và đầu dò G-M

Có bốn khái niệm chi phối hoạt động của đầu dò chứa khí: Sự ion hoá chất khí, chuyển động của điện tích và sự tụ tập các điện tích trong chất khí, sự nhân điện tích và cuối cùng là hiệu ứng tắt

Sự ion hoá chất khí: Hạt mang điện (như , ) hoặc điện tử, từ tương tác của các photon khi đi qua lớp khí sẽ tương tác với các điện tử của nguyên tử và đẩy điện tử

ra ngoài nguyên tử tạo ra điện tử tự do và ion dương Năng lượng gần đúng trung bình để tạo ra một cặp điện tử ion khoảng 326 ev Nếu áp lên hai điện cực một điện thế, điện tử có xu thế chuyển động đến điện cực dương và ion đến điện cực

âm Trong đầu dò ion hóa đơn giản hai điện cực xem như hai má của tụ điện được tích với một điện lượng Q, điện tử và ion tạo ra một dòng điện, phóng điện tích của

tụ điện này ∆Q là lượng điện tích tích lũy sẽ bằng nXe ở đây n là số điện tích và ion tạo ra do phóng xạ; e là điện tích của điện tử bằng 1,6X 10-19Culong Nếu ta gắn hai đầu tụ đến hai đầu đo của điện kế và chiếu một bức xạ ion hóa thì điện kế sẽ phóng điện và mức độ phóng điện này tỷ lệ với cường độ bức xạ chiếu, liều kế cá nhân đầu tiên cho công chúng sử dụng nguyên tắc này Còn có nhiều thiết bị khác như duy trì một điện thế không đổi trên hai điện cực và đo dòng điên hoặc số xung điện tạo ra Ví dụ nếu như hạt  có năng lượng 5 MeV mất hết năng lượng trong ống đếm ion hóa nó sẽ tạo ra 1,6X 105 cặp điện tử và ion (giả sử năng lượng trung bình để tạo cặp là 32ev) nó sẽ tạo ra một điện lượng là ∆Q =2,56X 10-14 C nếu dòng hạt  có cường độ 40 hạt/gy thì có dòng điện 1,02X 10-12 Amp Khi nói về năng lượng bức xạ mất mát trong đầu dò cần lưu ý kích thước đầu dò và quảng chạy của tia bức xạ Ví dụ nếu hạt  có năng lượng 5 Mev có quảng chạy 3,5 cm trong không khí, khoảng cách này lớn hơn kích thước của đầu dò khí vì thế năng lượng hat  bị mất một phần trong chất khí và phần còn lại mất trên thành đầu dò Tình trạng này càng tồi tệ hơn đối với hạt  vì hạt này với năng lượng 1 Mev sẽ đi được

3 mét trong không khí nên chỉ một phần nhỏ năng lượng hạt  mất trong chất khí 3,33 Kev/1cm, còn phần lớn năng lượng mất trên thành đầu dò

19

Nhân điện tích (khuếch đại điện tích): Các điên tử chuyển động trong điên trường thì năng lượng nó tăng dần, tuy nhiên đường đi của nó không phải là một đường thẳng Trong quá trình chuyển động chúng sẽ tương tác và va chạm với các điện tử của nguyên tử chất khí làm thay đổi hướng đi và mất mát năng lượng của nó Như vậy chúng liên tục tăng và mất mát năng lượng trong quá trình đi đến điện cực dương Tuy nhiên nếu điện trường đủ lớn, điện tử có thể thu được một động năng

đủ lớn giữa hai va chạm để ion hóa nguyên tử chúng gặp phải tiếp sau, để xảy ra điều này cần một năng lượng lớn hơn 1ev Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là chỉ

có điện tử mới có khả năng nhân điện tích Các ion dương cũng tăng năng lượng trong điện trường giữa hai va chạm tuy nhiên do khối lượng của ion lớn nên năng lượng thu được giữa hai va chạm rất nhỏ không đủ lớn để nhân điện tích chất khí

Ở áp suất không khí (1 at) nhân điện tích chỉ xảy ra khi điện trường lớn hơn 3x104von/cm

Khi đặt một điện trường giữa hai điện cực, điện trường này gây ra một lực tác dụng lên điện tử làm cho nó chuyển động đến điện cực dương Khi đi qua điện trường, động năng của điện tử tăng lên, khi động năng này lớn hơn 1eV nó có khả năng ion hóa nguyên tử mà nó bắt gặp và như vậy có hai điện tử tự do chuyển động đến điện cực dương, hai điện tử này lại lặp lại quá trình nhân điện tích như vậy kết quả làm tăng lượng điện tử và ion tự do làm tăng lựợng điện tích và dòng đi qua đầu dò Quá trình nhân điện tích chỉ xảy ra khi khi điện trường khoảng 30.000V/cm Đối với hai bản điện cực phẳng cường độ điện trường được tính theo công thức V/d ở đây d là khoảng cách hai bản điện cực Ở áp suất khí quyển cần đặt một điện thế 30.000 von trên khoảng cách 1cm, điều này khó thực hiện được trong đa số các trường hợp Do đó để có hiện tượng nhân điện tích cần thay đổi cấu hình hình học của đầu dò chẳng hạn như hình trụ hoặc hình cầu Đối với đầu dò dạng hình trụ cường độ điện trường được tính như sau: E = V/[r2Ln(a/b)], ở đây r

là vị trí trong hình trụ, a là bán kính của dây cực ở tâm, b là bán kính điện cực hình trụ vỏ ngoài, thường nếu a khoảng 0,03mm, b khoảng 1cm thì có thể thu được điện trường rất lớn khi giá trị V khoảng 1.000von

nhân điện tích xảy ra

Giản đồ đầu dò hình trụ ở hình vẽ trên, ở đây điện cực dương là một sợi dây nhỏ ở tâm, điện cực âm là vỏ dẫn điện bên ngoài Nếu điện trường đặt vào hai điện cực,

có sự ion hóa xảy ra trong đầu dò, điện tử sẽ chuyển động về dây ở tâm (điện cực dương) nó sẽ đi qua vùng điện trường vô cùng lớn, đối với đầu dò hình trụ cường

độ điện trường tại các vị trí thay đổi theo qui luật 1/ r2 vì vậy vùng càng gần tâm cường độ điện trường càng lớn, tại đây cường độ điện trường đủ xảy ra hiện tượng nhân điện tích, tín hiệu ra cuối cùng tỷ lệ với điện tích ban đầu tạo ra bởi bức xạ Nếu như điện thế V đặt vào hai điện cực tăng lên thì vùng nhân điện tích rộng ra, tuy nhiên do một số lớn ion và điện tử tạo ra tập trung xung quanh điện cực dương tạo ra ở đây một vùng plasma dẫn điện, điều này làm tăng đường kính hiệu dụng của điện cực dương, dẫn đến làm giảm cường độ điện trường, giảm hiệu ứng nhân điện tích, khi plasma bao phủ hết điện cực dương

Trên giản đồ sau chúng ta lưu ý mức tín hiệu ra của một đầu dò chứa khí điển hình Sẽ vẽ lại sự tương quan biên độ xung và thế áp lên điện cực Bắt đầu từ bên trái cùng ở vùng này ta thấy biên độ xung ra thay đổi rất nhanh khi tăng điện áp, trong vùng này tất cả các hạt mang điện sinh ra do tia bức xạ không tập trung hết đến các điện cực, ở đây một số ion dương và điện tử có thể bị tái hợp làm giảm tổng số điện tích tích tụ đến các điện cực; tiếp tục tăng điện áp dòng điện tích lũy liên tục tăng lên, khi đi đến vùng I ở đây 100% điện tích được tích tụ hết đến các điện cực; nếu tiếp tục tăng điên áp trong vùng I chúng ta thấy biên độ xung ra tăng lên rất ít Tuy nhiên nếu chúng ta tiếp tục tăng điện áp quá trình nhân điên tích bắt đầu xuất hiện, bắt đầu đi vào vùng II gọi là vùng tỷ lệ, tại đây mức tín hiệu ra sẽ tăng liên tục khi tăng điên áp nhưng biên độ tín hiệu vẫn tỷ lệ với năng lượng tia bức xạ mất mát trong đầu dò Nếu tiếp tục tăng thế chúng ta đi vào vùng III, ở đây plasma điện tử và ion bắt đầu bao phủ điện cực dương ở tâm đầu dò nó hạn chế hiện tượng nhân điện tích Mặc dù biên độ tín hiệu ra vẫn tăng theo thế tuy nhiên không còn tỷ lệ với năng lượng bức xạ mất mát trong đầu dò đặc biệt đối với hạt năng lượng cao

Và cuối cùng ta đi vào vùng IV ở đây biên độ xung không tăng, bị chặn lại một giá trị peak cố định đó là vùng G-M Nếu chúng ta tiếp tục tăng điện áp vượt ra ngoài vùng IV sẽ đi đến điểm ở đây có sự đánh thũng chất khí, phóng điện tự lập trong đầu dò, nếu vận hành duy trì trong vùng này đầu dò sẽ bị cháy hỏng

Khái niệm tắt, có hai cơ chế giải thoát điện tử bổ sung trong đầu dò, trước tiên quan tâm đến vùng plasma gần với dây tâm của đầu dò, ở đây mật độ điện tử và ion cao nên một số điện tử và ion dương có thể tái hợp thành nguyên tử trung hòa

và phát ra tia x năng lượng thấp, cơ chế thứ hai khi các ion dương chuyển động ra ngoài đến điện cực âm và bắt điện tử trở nên nguyên tử trung hòa quá trình này cũng giải phóng năng lượng làm giải phóng điện tử khỏi điện cực âm Điện tử giải phóng của hai quá trình này chuyển động đến điện cực dương tại vùng nhân điện tích Các điên tử thứ cấp này có thể sinh ra các xung bổ sung có thể nhầm với xung thứ nhất Khí tắt thường là khí nặng, phân tử hữu cơ hoặc phân tử của nguyên tử kép nó sẽ hấp thụ tia x hoặc trong quá trình va chạm chúng bắt điện tích dương từ các ion mà không giải thoát hoặc bổ sung điện tử

21

2.1.2 Buồng ion hoá

Buồng ion hoá là buồng chứa khí sử dụng vùng điện áp thấp- điện áp tỷ lệ vùng I

ở đây 100% điện tích được tích tụ hết đến các điện cực, dòng điện thu được chính

là dòng ion hoá Các đầu dò ion hóa có thể vận hành theo hai chế độ: chế độ xung

và chế độ dòng; trong chế độ dòng sẽ ghi dòng trung bình của các sự kiện Đa số các đầu dò tỷ lệ hoặc đầu dò G-M vận hành theo kiểu xung, đếm các sự cố riêng biệt

Với đầu dò ion hóa kiểu xung và ống đếm tỷ lệ tín hiệu ra sẽ tỷ lệ với năng lượng bức xạ mất mát trong đầu dò và biên độ các xung này có thể được sử dụng để phân biệt năng lượng hoặc sự kiện phong và sự kiện cần đo Buồng ion hoá thường được

sử dụng để chuẩn liều các dược chất phóng xạ sử dụng trong các khoa y học hạt nhân

2.1.3 Ống đếm tỷ lệ

Vùng II gọi là vùng tỷ lệ, có quá trình nhân điên tích sinh ra do ion hoá nhưng biên

độ tín hiệu vẫn tỷ lệ với năng lượng tia bức xạ mất mát trong đầu dò Ống đếm tỷ

lệ thường sử dụng trong các máy phân tích huỳnh quang tia X hiện trường, các ống đếm nơtron

Giản đồ khối cần thiết cho hệ đếm xung từ đầu dò tỷ lệ trình bày trên hình sau

Hệ này cũng có thể làm việc với đầu dò ion hóa trong chế độ xung Tất cả các loại đầu dò đều cần có cao thế, đối với ống đếm tỷ lệ thế này nằm trong khoảng từ 1000v đến 3000v hoặc cao hơn, cao thế thường ghép đến đầu dò qua tiền khuếch đại Tín hiệu từ đầu dò thường được tách khỏi cao áp và được khuếch đại và tạo dạng trong tiền khuếch đại và đựơc đưa đến khối khuếch đại chính Tại khuếch đại chính tín hiệu lại được khuếch đại và tao dạng một lần nữa và được đưa đến bộ phân biệt biên độ Bộ phân biệt biên độ ở đây là bộ phân biệt tích phân nhằm tách biệt xung bức xạ và tạp âm, đồng thời chuẩn hóa tín hiệu ra để cung cấp cho bộ đếm; bộ đếm chịu trách nhiệm đếm, tích lũy và biểu diễn nội dung dưới sự điều khiển bộ tạo thời gian

Nếu ta dùng đầu dò tỷ lệ với hệ tích phân với hai nguồn phóng xạ alpha và beta có thể xây dựng được đường cong đếm tương quan giữa tốc độ đếm và cao thế

Bắt đầu từ thế thấp tất cả các xung ra đều rất nhỏ không vượt qua ngưỡng phân biệt, không đếm xung nào; ta tăng cao thế hệ bắt đầu đếm xung alpha, tăng cao thế đến vùng plateau của alpha, ở đây tất cả các xung alpha đều được đếm, tại đây tất

cả các xung beta đều nhỏ hơn ngưỡng phân biệt nên không được đếm; tiếp tục tăng cao thế biên độ xung ra tăng lên và một số hạt beta được đếm; liên tục tăng cao áp đến vùng plateau của beta, tại đây tẩt cả các xung alpha và beta đều được đếm; nếu tiếp tục tăng cao thế liên tục đến điểm ta thấy có hiện tượng nhân xung sự kiện thì tốc độ đếm bắt đầu lại tăng; nếu tiếp tục tăng điện áp hiện tượng đánh thũng chất khí và phóng điện có thể xảy ra làm ảnh hương hoạt động bình thường của hệ;

Proportional

Detector

Bias H.V

23

trong nhiều trường hợp có thể cháy ống đếm Bình thường trong trường hợp như vậy các điện cực bị che phủ bởi các điện tích tĩnh điện cần phải để đầu dò trong trạng thái không làm việc hơn 24 h để tự phục hồi, các điện tích tĩnh điện tự tiêu tán hệ thống lại có thể vận hành lại bình thuờng

2.1.4 Ống đếm GM

Ống đếm GM sử dụng vùng IV ở đây biên độ xung không tăng, bị chặn lại một giá trị peak cố định đó là vùng G-M Đối với đầu dò G-M vì biên độ tín hiệu ra đủ lớn nên không cần khối khuếch đại bổ sung mà chỉ cần bộ tạo dạng trước khi vào

bộ đếm

Sử dụng hệ đếm này vẽ lại giản đồ phụ thuộc tốc độ đếm và điện áp cao thế của

đầu dò

G-M Detector

Bias Voltag

Pulse

Ở vùng thế thấp các xung quá bé so với ngưỡng phân biệt trong bộ tạo dạng; khi

cao áp tăng lên độ cao của các xung cũng tăng, một số xung vượt ngưỡng bộ đếm bắt đầu làm việc; tiếp tục tăng điện áp cho đến khi đường cong trở nên bằng phẳng,

đó là bắt đầu vùng plateau, ở đây có điểm gấp (đầu gối), trong vùng plateau số đếm hầu như không đổi khi điện áp tiếp tục tăng Tiếp tục tăng điện áp đến điểm ta thấy bắt đầu đếm xung thứ cấp, bội sự kiện và tốc độ đếm tăng đột ngột; nếu tiếp tục tăng cao thế hiện tượng đánh thũng xuất hiện hệ thống bị sự cố các điện cực bị cách ly bởi đám mây tĩnh điện, trong trường hợp này cần cắt cao thế để đầu dò tự hồi phục khoảng 24h, sau đó hệ thống có thể làm việc lại bình thường, trong nhiều trường hợp đầu dò bị cháy

Đầu dò loại tốt có vùng plateau dài vài trăm von Đầu dò làm việc trong vùng cao hơn plateau khí tắt bị mất dần làm cho vùng plateau hẹp lại Nếu đầu dò mất hết khí tắt, sẽ không có vùng plateau

Chất lượng của hệ đếm G-M được xác định bởi độ bằng của vùng plateau

Độ phẳng của plateau được định nghĩa như là phần trăm sự thay đổi của tốc độ đếm khi cao thế thay đổi khoảng 100 von trong vùng plateau, và được xác định công thức sau:

Một hệ thống đếm G-M tốt giá trị này khoảng 1 đến 2, còn các hệ thống bình thường khác giá trị này có từ 8 đến 10

Thời gian chết là khoảng thời gian bé nhất giữa hai sự cố mà hệ đếm có thể đếm

dược nó là một thông số quan trọng trong hệ đếm, đặc biệt đối hệ đếm G-M có thời

(CR 4 - CR 2 ) / CR 3 (V 4 - V 2 ) /100

100 Plateau slope =

25

gian chết lớn cở 100 s Thời gian chết nó hạn chế tốc độ đếm tối đa mà hệ có thể đếm được vì vậy nó yêu cầu có sự bổ chính Khi tốc độ đếm thấp tốc độ đếm CR là tổng số đếm N chia cho đoạn thời gian T Tuy nhiên khi tốc độ đếm cao hệ sẽ chết trong một đoạn thời gian (hệ không nhận tín hiệu) N, ở đây  là thời gian chết Như vậy số đếm thực N chỉ được ghi trong đoạn thời gian T-N do đó tốc độ đếm thực đươc xác định theo công thức sau: CR= N/(T-N)

Nhiều loại khí khác nhau sử dụng trong các đầu dò chứa khí khác nhau, đa số là các khí tinh khiết như Hê li, Cripton, Xenon Trong ống đếm tỷ lệ chế độ dòng sử dụng không khí khô để tránh dòng dò do hơi nước Nếu đầu dò dùng trong chế độ xung cần phải rút hết Ô xy vì Ô xy sẽ bắt điện tử tự do biến thành ion âm và đi đến điện cực dương Trong ống đếm ion hóa nó có thể ảnh hưởng đến cường độ điện tích tích lũy và thời gian tăng của xung Trong ống đếm tỷ lệ và ống đếm G-M các ion này không gom đủ năng lượng để gây hiệu ứng nhân điện tích

Trong ống đếm tỷ lệ thường dùng 90% khí Argon và 10% khí tắt Metal, trong ống đếm G-M dùng khí Xenon và khí tắt là rượu

2.2 Đầu dò bán dẫn ( Semiconductor detector)[3]

Đầu dò bán dẫn có cấu trúc tương tự đầu dò chứa khí ion hóa Trong đầu dò chứa khí ion hóa, chất khí có khả năng dẫn các điện tử tự do, tính cách ly có thể đặt điện

áp cao thế vào hai điện cực có dòng dò thấp Nhược điểm của đầu dò chứa khí ion hóa là: Năng lượng dừng thấp (năng lượng mất mát, để lại trong đầu dò bé); năng lượng tạo cặp điện tử, ion tương đối lớn (phân giải năng lượng kém); Thời gian tích tụ điện tử và ion quá khác biệt (dạng xung có đuôi dài)

Vật chất rắn nào có thể thay thế chất khí? Chất dẫn điện, điện tử tự do có thể chuyển động tự do, ion dương không chuyển động tự do, tuy nhiên không thể duy trì điện thế cao với dòng dò bé; chất cách điện có thể duy trì điện thế cao với dòng

dò bé nhưng các điện tích tự do không chuyển động được vì vậy chỉ có chất bán dẫn mới sử dụng để làm đầu dò bức xạ

Dưới đây là giản đồ mức năng lượng của điện tử trong chất rắn của Fermi Trục tung là các mức năng lượng của điện tử, băng thấp là băng hoá trị, vùng này chứa

điện tử vành ngoài của nguyên tử Các băng thấp hơn băng hoá trị đều bị lấp đầy Trên băng hoá trị là các băng dẫn, nếu điện tử ở trong vùng dẫn nói chung là chúng

tự do chuyển động nếu có điện trường áp vào lớp vật chất Phân biệt giữa hai băng

Giản đồ mức năng lượng điện tử Fermi

là một khe cấm hoặc vùng cấm Trong tinh thể không có các mức năng lượng và điện tử không tồn tại trong vùng này

Xem giản đồ chất dẫn điện, tại vùng dẫn có một số điện tử tự do Điện tử tự do này sẽ chuyển động định hướng khi có một điện trường áp đặt lên vật liệu

Trong chất cách điện không có điện tử tự do trong vùng dẫn và có khe cấm lớn, nó giữ điện tử ở vùng hóa trị không cho nhảy lên vùng dẫn

Chất bán dẫn được xem như chất cách điện có khe cấm hẹp, ở nhiệt độ rất thấp hầu như không có điện tử tự do trong vùng dẫn Ở nhiệt độ phòng một số điện tử

có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn thành điện tử có thể chuyển động tự do Dưới tác dụng của điện trường áp đặt vào vật liệu có thể tạo ra dòng điện

Đầu dò bán đẫn sử dụng các vật liệu bán dẫn loại n hoặc loại p Để tạo ra vật liệu bán dẫn loại n cần dùng các vật liệu siêu tinh khiết như silíc hoặc Germani, sau đó tiêm vào nó các nguyên tử cho (dono), một nguyên tử của chất cho có từ 1 đến 2 điện tử vành điện tử ngoài ( ví dụ như Liti có 1 điện tử vành L phía ngoài vành K) các nguyên tử này cho vùng dẫn một điện tử, tạo ra chất bán dẫn loại n

Chất bán dẫn

27

Bán dẫn thứ hai là loại bán dẫn loại p, để tạo ra chất bán dẫn loại p ta cũng chọn chất bán dẫn siêu tinh khiết như Silic hoặc Germani nhưng vật liệu tiêm vào là nguyên tử chất thu (acceptor) Những nguyên tử chất này còn thiếu một hoặc hai điện tử để lấp đầy vành điện tử, vật liệu này có thể như Arsen hay Boric Trong trường hợp này nguyên tử thu lấy hoặc liên kết với điện tử chất bán dẫn, kết quả nó

để lại chổ khuyết hay lỗ trống trong vùng hoá trị của chất bán đẫn đó là bán dẫn loại p Nếu áp một điện trường lên chất bán dẫn này thì điện tử của nguyên tử bên cạnh lỗ sẽ chiếm chổ lỗ trống và lỗ trống như là chuyển vị trí, hướng chuyển của lỗ trống theo chiều điện cực âm

Hai vật liệu bán dẫn phổ biến nhất là Si và Ge, các tính chất cơ bản của nó cho ở bảng dưới đây

Hai nguyên tố này có các thông số cơ bản sau

Mức năng lượng điện

tử

Vùng dẫn Khe cấm Vùng hóa trị

Chất bán dẫn loại n

e e e e

D D D D

Mức năng lượng điện

tử

Vùng dẫn Khe cấm Vùng hóa trị

Chất bán dẫn loại p

A A A A

Silicon Germanium

Electron Mobility 2.1E+04 3.5E+04

Hole Mobility 1.1E+04 4.2E+04

Energy / Electron-Hole Pair 3.76 2.96 eV

Chất bán dẫn Si Ge

Số nguyên tử 14 32

Độ rộng khe cấm 1,115 ev 0,665 ev

Độ linh động của điện tử 2,1E+04 3,5E+04

Độ linh động của lỗ trống 1,1E+04 4,2E+04

Năng lượng tạo cặp điện tử-lỗ trống 3,76ev 2,97ev

Khi chế tạo đầu dò bán dẫn vật liệu ban đầu có thể là bán dẫn loại n hoặc loai p Trên hình sau vật liệu bán dẫn nền loại n

Nếu áp một điện áp ngược lên đầu dò này cụ thể là thế âm lên phía trái, thế dương lên phía phải Các lỗ trống dương sẽ chuyển động về phía điện cực âm còn các điện tử trong chất bán dẫn n sẽ chuyển động về điện cực dương Kết quả sẽ có một vùng giữa hai vùng nghèo các phần tử mang điện

Nếu như bây giờ có một bức xạ đi vào vùng nghèo và tương tác tạo ra trong vùng nghèo một cặp điện tử và lỗ trống Lỗ trống dương sẽ bị hút đến điện cực âm còn điện tử sẽ chạy đến điện cực dương Kết quả tạo một xung dòng điện

Đầu dò loại này gọi là đầu dò tiếp giáp P-N, có hai loại phổ biến nhất loại đầu dò P-N là đầu dò hàng rào mặt và đầu dò điot cấy ion Đầu dò cấy ion là mới và nhanh chóng thay thế đầu dò hàng rào mặt Cả hai loại đầu dò đều dùng Si líc làm chất nền Ứng dụng đầu tiên các đầu dò này là phát hiện các hạt mang điện như hạt Alpha Tuy nhiên khi chiều dày và diện tích vùng nghèo tăng lên có thể ứng dụng

Tiếp giáp p-n Diode thiên áp ngược

Diode thiên áp ngược

e

Tia bức xạ tương

đi ra

29

đầu dò này để phát hiện điện tử và hạt Beta Các đầu dò này có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và có độ phân giải rất cao Tuy nhiên như tất cả các loại đầu dò chất rắn khác nó yêu cầu có tiền khuếch đại rất tốt, bởi vì trong các đầu dò này không có khuếch đại ngay tại đầu dò như ở các loại đầu dò tỷ lệ và đầu dò nhầp nháy

Diện tích của đầu dò cỡ từ 25 đến 7000mm2, độ dày lớp nghèo thay đổi từ 100 đến 1000m Vùng nghèo mỏng thuận lợi cho các phép đo hạt mang điện nặng như hạt Alpha, trong khi đó vùng nghèo dày thuận lợi đo hạt Beta

Độ dày vùng chết tùy thuộc phương pháp tạo ra nó Sử dung phương pháp cấy Bo

có độ dày khoảng 0,02m; sử dụng phương pháp khuếch tán Li có được độ dày đến 300m

Một điều cần quan tâm nữa là lớp tiếp giáp dẫn điện bổ sung, nếu dùng vàng có độ

cũng có độ dày 40g/cm2 nhưng có Z bé Sau đây là một vài cấu hình của đầu dò

Trang sau đưa vào bảng các loại đầu dò bán dẫn từ Catalog hãng EG&G Một số tính chất về độ phân giải và diện tích đầu dò

Cột bên trái cùng là diện tích đầu dò, cột thứ hai là độ phân giải của đầu dò Độ phân giải của đầu dò như là một hàm của diện tích đầu dò, cho thấy rằng nếu diện tích tăng thì độ phân giải xấu đi, điều này được giải thích như sau khi diện tích tăng, tụ điện của đầu dò tăng, tăng tạp âm vào tiền khuếch đại, làm xấu độ phân giải Tăng độ dày của đầu dò cũng ảnh hưởng đến độ phân giải vì rằng làm thay đổi (tăng) thời gian tích tụ các điện tích trong đầu dò, tuy nhiên ảnh hưởng này rất nhỏ so với khi tăng diên tích

2.2.1 Đầu dò photon ( Đầu dò Si(Li), Đầu dò bán dẫn Ge)

Các đầu dò kiểu tiếp xúc diot P-N đo được các hạt Alpha, Beta mà không thể phát hiện và đo năng lượng hạt photon vì bề dày quá mỏng Để đo photon cần đàu dò lớn trên Silic siêu tinh khiết hoặc Ge Cần vật liệu siêu tinh khiết để giảm thiểu phần tử mang điện đóng góp vào dòng dò làm xấu độ phân giải Trong trường hợp Silíc không thể có Silic siêu tinh khiết đủ tối thiểu phần tử mang điện, trong trường hợp này người ta thường Drift Liti vào đầu dò để bù trừ

Chế tạo đầu dò này như sau, lấy miếng Ge siêu tinh khiết hoặc Si-Li, tạo điot bằng cách bổ sung các lớp tiếp xúc ở hai phía đối diện của đầu dò Ngay cả như vậy ở nhiệt độ phòng dòng dò của đầu dò Ge siêu tinh khiết hoặc Si-Li khá lớn làm xấu

độ phân giải Để giảm dòng dò cần làm lạnh đầu dò đến nhiệt độ Nitơ lỏng khoảng –196oC

Có ba loại đầu dò photon điển hình là đầu dò Silic Drift Liti, đầu dò Ge phẳng và đầu dò Ge đồng trục Hai loại đầu thường sử dụng đo photon mềm, loại sau cùng

để đo photon cứng đến năng lượng 10 MeV

Ưu điểm của đàu dò Si(Li) là độ phân giải tốt, trên hình ở trang sau cho ta kết quả lấy phổ năng lượng của K trong bạc (Ag) vùng 25 KeV lấy bằng đầu dò nhấp nháy, đầu dò tỷ lệ và đầu dò bán dẫn Si(Li)

Đối với đầu dò nhấp nháy ta chỉ thấy một đỉnh đó là đỉnh K , đối với đầu dò tỷ lệ ngoài đỉnh K còn thấy một bướu tại K, còn đối với đầu dò bán dẫn Si(Li) ta thấy hai đỉnh K và K phân biệt rõ ràng Điều này được giải thích như sau, vì để tạo ra một cặp mang điện tự do các loại đầu dò này rất khác nhau Cho đầu dò nhấp nháy cần khoảng 300eV, đối ống đếm tỷ lệ khoảng 32 eV còn đối đầu dò Si(Li) là 3,7ev

31

Kết quả tương tự cũng thu được khi sử dụng đầu dò Ge siêu tinh khiết ở vùng

năng lượng cao; đây là so sánh hai phổ thu được từ đầu dò nhấp nháy và Ge siêu

tinh khiết

Đầu dò bán dẫn Ge thể tích lớn điển hình được chế tạo từ thanh bán dẫn Ge hình

trụ loại P Bước đầu tiên khoan một lỗ tại tâm tạo ra tiếp giáp loại p, khuếch tán Li

vào Ge trên lớp vỏ ngoài của đầu dò tạo ra tiếp giáp n, lớp tiếp giáp này có độ dày

khoảng 300m Cấu trúc như vậy làm giảm hiệu suất của đầu dò vùng năng lượng

thấp, vì các photon năng lượng thấp không đi qua được lớp tiếp giáp này Trong

loại đầu dò hở có một bề mặt giữa hai lớp tiếp xúc p và n do đó có thể đo được

photon năng lượng thấp

Dòng dò trong các loại đầu dò loại này có hai thành phần, thành phần thứ nhất là

dòng dò khối, dòng này chạy qua khối vật liệu đầu dò độ lớn tuỳ thuộc độ tinh

khiết của Ge Thành phần thứ hai là dòng dò do rạn nứt cấu trúc gần bề mặt đầu

dò, thánh phần này là lớn nhất và gây khó khăn rất nhiều cho công việc nâng cao

độ phân giải của đầu dò Một trở ngại nữa, ở loại đầu dò này là vùng cuối đầu dò

khá lớn tại đây điện trường không đồng nhất, do đó thời gian tập hợp các phần tử

γ γ γ

Ge loại p Tiếp giáp n Ge Ge Tiếp giáp n Ge loại n Tiếp giáp p

(300m) loại p loại p (0,3m)

Tiếp giáp p Tiếp giáp p Tiếp giáp n

Đầu dò Ge-p đồng trục kín Đầu dò Ge-p đồng trục hở Đầu dò Ge-n đồng trục kín

mang điện trong đầu dò đến các điện cực thay đổi phụ thuộc vào vị trí của bức xạ

đi vào đầu dò làm cho mặt tăng tín hiệu thay đổi Tại các vị trí cuối đầu dò điện trường thường yếu nên mặt tăng xung lớn điều này làm xấu cả phân giải biên độ và

cả phân giải thời gian

Để tránh tính không đồng nhất các đầu cuối đầu dò loại Ge-p kín dùng loại Ge-p

hở tuy nhiên ta bị mất phần thể tích nhạy của đầu dò Để cải thiện vùng phổ photon năng lượng thấp ta dùng đầu dò loại Ge-n kín, sử dụng đơn tinh thể Ge loại n lúc này tại lỗ ở tâm tạo ra tiếp giáp loại n bằng cách khuếch tán Li còn vành ngoài tạo

ra tiếp giáp loại p bằng cách bắn ion Bo lớp tiếp giáp loại p này chỉ dày 0,3m, do

đó các photon năng lượng thấp có thể đi qua khoảng 10 KeV

Vì các đầu dò bán dẫn loại này cần phải làm việc trong nhiệt độ nitơ lỏng, hệ đầu

dò đặt trong buồng lạnh gọi là dewar như ở hình dưới

Thông thường dùng một thanh đồng tròn đường kính từ 2-3 cm để dẫn lạnh từ phần chứa nitơ lỏng đến đầu dò; trên chóp thanh đồng gắn với đầu dò qua bộ chống rung để bảo vệ đầu dò Thanh dẫn lạnh được bao một lớp thép không rỉ

hoặc một ống thép không rỉ để tạo ra buồng chân không tách khỏi môi trường Trên chóp của ống thép không rỉ có gờ để gắn mũ của đầu dò với các phần khác của bộ làm lạnh

Mũ đầu dò thường được chế tạo bởi nguyên tố có Z nhỏ như nhôm Al để tối thiểu khả năng hấp thụ photon, và nếu để đo các photon mềm có năng lượng  100 KeV

33

cần có cửa sổ mỏng ở mũ đầu dò Thông thường dùng cửa sổ Berili, trong nhiều trường hợp dùng chất dẻo Để tạo chân không trong hệ đầu dò cần hệ thống bơm ở ngoài, trong quá trình khai thác cắt hệ bơm chân không, để tiếp tục duy trì chân không cần dùng màng lọc phân tử( thường dùng than hoạt tính) Nếu hệ đầu dò được chế tạo cẩn thận (các mối hàn tốt, gắn kết tốt các chi tiết) màng lọc phân tử

có thể duy trì chân không trong thời gian dài, trong thực tế trên hàng chục năm Tiền khuếch đại thường gắn trực tiếp với (cryostat), tầng đầu nằm trong cryostat tại vùng nhiệt độ trung gian nitơ lỏng và môi trường Làm lạnh tầng đầu tiên của tiền khuếch đại nhằm giảm tạp âm và giảm giá trị tụ nối giữa đầu dò và tầng đầu hai yếu tố này cải thiện độ phân giải của đầu dò

2.2.2 Các đặc trưng của đầu dò bán dẫn

Có nhiều nhân tố sử dụng để đánh giá chất lượng đầu dò và lựa chọn cho các ứng dụng cụ thể

Độ phân giải: Độ phân giải được định nghĩa là độ rộng trên nửa chiều cao của

đỉnh, đối với đầu dò nhấp nháy thường tính theo năng lượng (KeV), đỉnh lựa chọn tùy theo loại đầu dò Dưới đây là độ phân giải các đầu dò khác nhau

Dạng của đỉnh phổ: Đây là đặc tính thứ hai để đánh giá chất lượng của đầu dò, so

sánh phân bố số đếm trên các kênh trên đỉnh thu được với phân bố Gauss lý tưởng Trên hình sau là phổ của 60Co vùng đỉnh 1332 keV và hai giá trị FWHM = 7,3 keV

và FWTM=13,8 keV So sánh với phân bố lý tưởng ta có các kết quả sau

Đối phân bố Gauss tỷ số FWTM/ FWHM là 1,82; FWFM/ FWHM là 2,38; đối với đỉnh thực thu được ta có FWTM/ FWHM là 1,85 rất gần với phân bố lý tưởng

Hiệu suất đo: Là đặc tính thứ ba của đầu dò, có hai cách đánh giá hiệu suất của đầu

dò: cách tương đối và cách tuyệt đối

Cách tương đối so sánh hiệu suất ghi (tỷ số hai số đếm) của đầu dò bán dẫn với đầu dò nhấp nháy Na(Tl) kích thước 7,6 cm X 7,6 Cm trên cùng một đỉnh phổ Cách đo tuyệt đối lấy tỷ số số đếm được trên số tia bức xạ đi vào đầu dò (tính toán theo cấu trúc hình học)

Tỷ số thu được tính ra phần trăm Hiệu suất cao nhất của các đầu dò loại này cỡ 15% ở vùng năng lượng 100 keV, và suy giảm về cả hai chiều năng lượng Nguyên nhân giảm hiệu suất đột ngột khi năng lượng photon thấp hơn 100keV vì chiều dày lớp khuyếch tán của đầu dò Ge kín loại p khoảng 300m ngăn cản các tia mềm; vùng năng lượng cao giảm hiệu suất do thể tích đầu dò chưa đủ để hứng hết các photon năng lượng cao có quảng chạy lớn

Có nhiều giải pháp kỹ thuật để khắc phục vùng năng lượng thấp và vùng năng lượng cao Đối vùng năng lượng thấp dùng đầu dò loại Ge kín loại n có lớp tiếp giáp p vành ngoài đầu dò mỏng khoảng 0,3 m cải thiện được rất nhiều về hiệu suất đo vùng năng lượng thấp; để cải thiện vùng năng lượng cao thường cải thiện cấu hình đo thường dùng cấu hình 2 hoặc 4 mẫu đo bao bọc đầu dò hoặc đầu dò bao bọc mẫu đo

Sau đây đưa ra hiệu suất ghi của một số loại đầu dò trên bán dẫn Ge

Vùng năng lượng thấp sử dụng hai loại đầu dò loại Silic Liti và loại planar Ge, với các cửa sổ khác nhau Berili hoặc polymer, đường cong hiệu suất như hình sau

From Debertin & Helmer

35

Vùng năng lượng thấp có thể đạt tới 2 keV đối cửa sổ Berili, cửa sổ bằng polymer đạt đến 1keV; vùng năng lượng cao đầu dò Si(Li) đến 50 keV còn đầu dò planar đến 100keV

Các loại đầu dò này thường sử dụng trong thiết bị phân tích huỳnh quang tia X Các đầu dò này cần làm việc ở nhiệt độ nitơ lỏng, tuy nhiên không phải ở đâu cũng có thể cấp thường xuyên Nitơ lỏng, do đó người ta đã chế tạo ra thiết bị làm lạnh cơ, gần nhiệt độ nitơ lỏng

2.3 Đầu dò Gamma bán dẫn nhiệt độ phòng [3]

Không phải tất các đầu dò bán dẫn khi vận hành đều phải ở nhiệt độ nitơ lỏng, có một vài loại có khả năng vận hành ở nhiệt độ phòng

Hiện nay đã có các loại đầu dò như: Cadmium Telluride (CdTl), Cadmium Zinc Telluride (CZT), Mercuric Iodide (HgI2) hoặc một vài loại đầu dò silic nhỏ, trừ đầu

dò iôt thuỷ ngân các đầu dò trên làm việc thấp hơn nhiệt độ phòng khoảng 200C thường dùng pin Peltier để đạt được nhiệt độ này

Kích thước các đầu dò bị hạn chế bởi độ linh động kém của các phần tử mang điện, độ rộng tín hiệu cỡ 20 s, trong khi các đầu dò khác có độ rộng xung từ 2 đến

5 s

Kích thước Đầu dò CaTl 3mm x 3mm x 1mm

Đầu dò CZT 5mm x 5mm x 5 mm

Ở hình trên là đầu dò của hãng Amptek có đầu dò, bộ làm lạnh, tầng đầu tiền khuếch đại trên FET và các mạch phản hồi

kế; 25mmx25mmx5mm cho hệ đếm); có Z lớn và mật độ cao làm tăng hiệu suất; làm việc tại nhiệt độ phòng, ngay cả khi cao Nhược điểm là độ linh động phần tử mang điện kém, cần có hệ tiền khuếch đại phức tạp

Kết luận: Đầu dò bán dẫn có độ phân giải tốt nhất; một số đầu dò đo hạt mang điện cần buồng chân không; đa số các đầu dò làm việc tại vùng nhiệt độ nitơ lỏng; một vài đầu dò làm việc ở nhiệt độ phòng; một số đầu dò photon kích thước nhỏ sử dụng để đo các photon năng lượng thấp

2.4 Đầu dò nhấp nháy[3]

Đầu dò nhấp nháy gồm tinh thể nhấp nháy, tại đây khi bức xạ đi vào gây ra nháy sáng; ánh sáng này được truyền sang ống nhân quang điện, bề mặt phẳng nối ghép với tinh thể nhấp nháy gọi là photocathode tại đây ánh sáng kích thích phát điện tử; chùm điện tử này được hội tụ và khuếch đại trong ống nhân điện tích; tiếp theo là

bộ phận tạo ra một xung điện Độ lớn của xung điện tỷ lệ với cường độ phát sáng

và cũng chính là tỷ lệ với năng lượng của bức xạ mất trong tinh thể nhấp nháy

2 Để tách ống nhân điện tích khỏi môi trường phóng xạ (Ống nhân điện tích rất nhạy với điện, từ trường và không bền với phóng xạ)

3 Làm tốt khả năng phân giải của đầu dò (tăng tính đồng nhất của độ nhạy của photocathode)

Cũng như các đầu dò khác đầu dò nhấp nháy cũng cần có hệ cao áp để nuôi ống nhân điện tích, tùy theo yêu cầu của bài toán và ống nhân điện tích, giá trị này có thể từ 1000 đến 3000 V (Ống nhân điện tích cần nhiều giá trị điện áp khác nhau để cung cấp cho anod, các đinod, hội tụ, cathod do đó cần có bộ chia thế) và cần tiền khuếch đại để khuếch đại, tạo xung và gửi đi xa đến hệ xử lý trung tâm

2.4.2 Tinh thể nhấp nháy (Nhấp nháy vô cơ, nhấp nháy hữu cơ, chất nhấp nháy từ chất dẻo (plastic), tinh thể nhấp nháy lỏng;

2.4.2.1 Các tính chất của tinh thể nhấp nháy

a Biến đổi năng lượng của tia bức xạ để lại trong tinh thể thành ánh sáng; ống nhân quang điện có độ nhạy tốt nhất đối với ánh sáng có bước sóng vùng 440 nm;

b Tinh thể nhấp nháy cần trong suốt với ánh sáng

2.4.2.2 Bốn loại chất nhấp nháy nhấp nháy vô cơ, nhấp nháy hữu cơ, nhấp nháy bằng chất dẻo và nhấp nháy lỏng

a Nhấp nháy vô cơ, có năm loại điển hình: NaI(Tl)-Thallium activated sodium iodide, CsI(Tl)- Thallium activated cesium iodide, LiI(Tl)-Thallium activated lithium iodide, BGO-bismuth germinate và ZnS(Ag)- zinc sulfide activated with silver Ba loại đầu là đơn tinh thể nên kích thước hạn chế và giá thành cao, rất háo

Scintillation Crystal

Photomultiplier Tube

Scintillation Crystal

Photomultiplier Tube Light Pipe

nước cần bọc bịt cẩn thận nếu hấp thụ nước sẽ giảm chất lượng hoặc mất tính chất nhấp nháy và đổi màu

b Nhấp nháy hữu cơ: Điển hình nhất là Anthracene và stilbene các nhấp nháy này có nguyên tử số Z bé nên thích hợp dùng làm đầu dò các hạt mang điện Phần nhấp nháy không phải đơn tinh thể mà là tổ hợp các miếng đơn tinh thể nhỏ, ánh sáng bị phản xạ trên bề mặt các tinh thể hạn chế sự truyền qua của ánh sáng, do đó đầu dò có kích thước bé từ 1 đến 2 cm Mặt khác Anthracene là chất gây ung thư

c Chất nhấp nháy từ chất dẻo (plastic): Có thể là polystyrene bổ sung

tetraphenylbutadene hoặc các chất khác có được các tính chất nhấp nháy khác nhau, kích thước đầu dò có thể từ vài cm3 đến vài m 3

d Tinh thể nhấp nháy lỏng: Trước đây thường dùngtoluene bổ sung một vài

trong những năm gần đây người ta thay thế bằng dầu khoáng Ngoài ra nước cũng

là chất nhấp nháy lỏng sử dụng trong vật lý năng lượng cao Trong phòng thí nghiệm thường dùng lọ nhấp nháy kích thước 10 hoặc 20 ml đến hàng lít

Như một ví dụ xét quá trình nhấp nháy xảy ra trong tinh thể nhấp nháy vô cơ NaI Trong giản đồ mức năng lượng Fermi ở đơn tinh thể các điện tử nằm ở các mức năng lượng rất xác định (hình dưới) Các điện tử ngoài cùng nhất cũng nằm trong lớp hóa trị Trong vùng cấm không có mức năng lượng Vùng trên cùng là vùng dẫn Nếu điện tử đi lên được vùng dẫn nó sẽ chuyển động tự do trong tinh thể Nếu bức xạ đi vào trong tinh thể sẽ kích thích điện tử và nâng nó lên từ vùng hóa trị sang vùng dẫn Tuy nhiên bản chất tự nhiên các điện tử không thích ở vùng kích thích nó sẽ chuyển động loanh quanh trong vùng dẫn, cho đến khi nó đến đáy vùng dẫn và khi đó thoát khỏi trạng thái kích thích bằng cách rơi xuống vùng hóa trị

Conduction Band Forbidden Gap

Valence Band

Atom is excited by interaction with radiation, moving an electron from the valence band to the conduction band

is too short

Photon

39

Khi điện tử rơi xuống vùng hóa trị nó sẽ phát ra một photon ánh sáng Tuy nhiên

đa số các tinh thể các photon ánh sáng này năng lượng cao có bước sóng rất ngắn

Do đó để tăng bước sóng của photon cần bổ sung cho tinh thể một chất nào đó để tạo ra trong vùng cấm những mức năng lượng phụ, trong trường hợp NaI bổ sung Thallium Khi này điện tử khi quay về vùng hóa trị đi qua mức trung gian trong vùng cấm, điều này có nghĩa rằng các photon giảm năng lượng, bước sóng dài hơn

vào vùng bước sóng mong muốn khoảng 440 nm

Các tính chất khác của tinh thể nhấp nháy cần quan tâm khi lựa chọn đầu dò nhấp nháy là hiệu suất biến đổi, là một lượng bao nhiêu năng lượng của bức xạ để lại trong đầu dò để tạo ra photon sáng có lợi Cho NaI(Tl) là 13%, khoảng 26 eV tạo

lỏng khoảng 2% và BGO khoảng 3% Một đặc trưng khác là mật độ, mật độ lớn hay nguyên tử số Z lớn thuận lợi để đo tia gamma hoặc photon năng lượng cao, ngược lại muốn đo các hạt mang điện hoặc điện tử cần mật độ thấp tức Z thấp Dặc trưng cuối cùng là thời gian sống của quá trình biến đổi, thông thường cỡ s hoặc

ít hơn

2.4.3 Ống nhân quang điện (a15)

Ống nhân quang điện gồm một ống hình trụ chân không và photocathod ở lối vào Ánh sáng đi vào tác động lên photocathod tạo ra một xung điện tích Một đầu của ống nhân quang phẳng để gắn tốt với chất nhấp nháy hoặc ống dẫn quang, mặt phía trong là photocathod khi ánh sáng đập vào photocathod thì các điện tử được bật ra Photocathod từ các vật liệu dễ giải phóng điện tử như là Antimon, Kali, Xezi và Natri Có độ nhạy cao trong vùng ánh sáng khoảng 440nm40nm, ví dụ cho loại S11 có hiệu suất 10% có nghĩa rằng có 10 photon đập vào Photocathod thì bật ra được một điện tử

Atom De-excites Emitting Light Photon

Atom de-excites in two-step process, emitting lower energy, longer wavelength photons

Conduction Band

Forbidden Gap

Valence Band Energy

Photon

Khi điện tử bắn ra khỏi photocathod gặp ngay lưới hội tụ, điện thế của lưới hội tụ khoảng 100V dương so với photocathod nên điện tử được gia tốc và hướng đến điện cực đặc biệt gọi là dynode điện thế dương hơn lưới hội tụ khoảng 100V, như vậy mỗi một điện tử bắn vào dynod đã được bổ sung năng lượng khoảng 200eV Dynod làm bằng vật liệu đặc biệt có công thoát điện tử thấp, nên cứ một điện tử sơ cấp đập vào thì làm thoát 3 hay 4 điện tử thứ cấp Điện tử thứ cấp này lại được hội

tụ và gia tốc hướng đến dynod thứ hai, và quá trình nhân điện tử này tiếp tục Thường có từ 10 dynod trở lên

Như vậy hệ số khuếch đại rất lớn, nếu có 10 dynod và mỗi dynod tăng 4 lần thì hệ

số khuếch đại toàn bộ là 410 hay tương đương 106 tức khoảng 1 triệu lần, lưu ý rất nhạy với sự thay đổi cao thế bậc lũy thừa bảy Khi các điện tử này tụ tập đến Anod tạo ra một xung điện ở lối ra

Như vậy để nuôi ống nhân quang có nhiều giá trị điện thế khác nhau, thường cần các bộ chia, đơn giản nhất là bộ chia điện trở, gắn dưới chân đế ống nhân quang Xung ra từ ống nhân quang là xung điện tích, mặt tăng của xung điện tích xác định bởi quá trình kích hoạt trong tinh thể khoảng ns, mặt giảm xác định bởi thời gian sống ở mức kích thích khoảng s cho chất vô cơ đến ns cho các chất dẻo hoặc nhấp nháy lỏng Thường xung điện tích này biến thành xung thế trong tiền khuếch đại và thời gian giảm của xung điện tích biến thành mặt tăng xung thế

2.4.4 Các đặc trưng của đầu dò nhấp nháy

EpResolution =