Kĩ thuật đo đạc bức xạ hạt nhân 1

Kĩ thuật đo đạc bức xạ hạt nhân 1,tài liệu cơ sở cho sinh viên,nghiên cứu trong ngành hạt nhân +kĩ thuật đo đạc bức xạ×+các buỗng ion hoa×+chế độ của buồng ion hoa×+đặc trưng đầu dò bức xạ×+các loại đầu dò bức xạ×

V.T NGUYEN PhD

Nuclear Safety Lab

School of Nuclear Engineering and Environmental Physics

Hanoi University of Science and Technology

 Chương 0 : CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)

(OTHER RADIATION DETECTORS)

(NEUTRON DETECTION METHODS)

GIÁO TRÌNH (BOOKS)

 G.F Knoll Radiation Detection and Measurement 3 rd edition, John Wiley & Sons, 2000

 K.N Mukhin Experimental Nuclear Physics, Vol 1: Physics of Atomic Nucleus Mir Publisher, Moscow, 1987

 Yu.M Shirokov, N.P Yudin Nuclear Physics, Vol 2 Mir

Publisher, Moscow, 1982

ĐIỂM QUÁ TRÌNH (0,3)

 THI CUỐI KỲ(0.7) (FINAL EXAM)

Buồng ion hóa (Frisch Grid Chamber-1959)

Buồng ion hóa (SNEEP-2004)

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

IV ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU

(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)

V ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

nhanh…

electron quỹ đạo trong nguyên tử vật chất

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

 Một vài ns trong môi trường khí

 Một vài ps trong môi trường rắn

vật chất có thể được coi như là xảy ra tức thời

lượng điện tích xuất hiện trong vùng hoạt của đầu ghi ở thời điểm t = 0 là kết quả của tương tác giữa bức xạ và vật chất cấu thành vùng hoạt

điện  đặt một điện trường tác dụng lên vùng hoạt của đầu ghi  tạo nên dòng điện

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

yếu vào loại đầu ghi bức xạ

ms, trong đầu ghi bán dẫn, thời gian này khoảng vài ns

 Độ linh động của hạt điện tích trong vùng hoạt của đầu ghi

 Khoảng cách trung bình mà các điện tích phải di chuyển trước khi được thu nhận bởi các điện cực

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

gian thu nhân điện tích

 Chú ý: Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp nhiều hạt bức xạ tương tác với vùng hoạt đầu ghi trong một khoảng thời gian rất ngắn (số hạt bức xạ chiếu vào vùng hoạt/đơn

vị thời gian là lớn) Trường hợp này dòng điện sinh ra bởi các hạt điện tích sẽ lớn hơn so với trường hợp chỉ xảy ra tương tác của một hạt vì lượng điện tích sinh ra trong vùng hoạt lớn do tương tác của nhiều hạt bức xạ cùng một lúc

Radiation Measurement Technique - I

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

rằng tốc độ chiếu xạ đủ nhỏ để có thể ghi nhận từng tương tác riêng lẻ

ghi

tác với phần tử vật chất trong môi trường vùng hoạt là sự kiện ngẫu nhiên tuân theo phân bố Poisson, vì vậy khoảng thời gian giữa hai tín hiệu xung dòng điện liên tiếp cũng có giá trị ngẫu nhiên

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

IV ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU

(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)

V ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

Có 3 chế độ hoạt động của đầu ghi bức xạ

(Pulse Mode)

 Ứng dụng rộng rãi nhất

 Khả năng ghi nhận từng tương tác đơn lẻ

 Năng lượng tiêu hao của bức xạ trong vùng hoạt (E) tỉ lệ với

lượng điện tích sinh ra (Q)  Ứng dụng trong các phổ kế bức xạ (Radiation Spectroscopy)

(Current Mode)

 Ứng dụng trong trường hợp tần suất bức xạ đến vùng hoạt là rất lớn

(Mean Square Voltage Mode, MSV)

 Ứng dụng trong một số trường hợp đặc biệt

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Current Mode)

 Thiết bị đo dòng điện: Ammeter, Pico Ammeter

 Thời gian đáp ứng của thiết bị đo dòng (T) được thiết lập cố

định sao cho giá trị của T là lớn hơn rất nhiều so với khoảng thời gian trung bình giữa hai tương tác bức xạ liên tiếp với vùng hoạt đầu ghi

 Giá trị tín hiệu dòng điện ghi nhận bởi thiết bị đo là một đại

lượng phụ thuộc vào thời gian

( ) = ∫ ( ) ′ ′

−

t

T t

t d t

i T

1 t

I

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Current Mode)

 Giá trị trung bình của dòng điện trong khoảng thời gian T

q W

E r rQ

I0 = =

r = Tốc độ hạt bức xạ tương tác với vùng hoạt

Q = Eq/W = Điện tích sinh ra do một tương tác

E = Năng lượng trung bình tiêu hao trong vùng hoạt của

một hạt bức xạ

W = Năng lượng trung bình cần tiêu tốn để sinh ra một cặp

đơn vị điện tích (electron – ion)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Current Mode)

 Chú ý : Tồn tại sai số thống kê đối với giá trị dòng điện thu được

do thời điểm các hạt bức xạ đến tương tác với vùng hoạt là ngẫu nhiên Vì vậy việc lựa chọn giá trị T đủ lớn sẽ làm giảm sai số thống kê, đồng thời làm chậm lại quá trình đáp ứng của hệ đối với những thay đổi mạnh về tần suất bức xạ hoặc bản chất của tương tác bức xạ

 Công thức dòng điện theo phân bố thống kê

( ) t I ( ) t

I = 0 + σI

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Current Mode)

 Độ lệch quân phương

 Trung bình theo thời gian của độ lệch chuẩn

 Chú ý rằng trong phân bố Poisson, độ lệch chuẩn đối với việc n

sự kiện ghi nhận được trong khoảng thời gian là

2 I

t

T t

2 0

2

T

1 t

d I

t

I T

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

I

n 0

T = σ =

σ

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Mean Square Voltage Mode)

 Việc tính toán các giá trị thống kê đối với tín hiệu dòng điện

trong chế độ dòng dẫn đến hình thành chế độ bình phương trung bình điện thế MSV

 Giả thiết rằng tín hiệu dòng điện được xử lý qua một bộ lọc giá trị trung bình I 0 và chỉ cho giá trị biến thiên σ i (t) truyền qua Tín hiệu biến thiên này được đưa qua các khối xử lý tín hiệu để tính toán giá trị trung bình của bình phương σI (t)

t

2 2

2 0

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Mean Square Voltage Mode)

 Trung bình bình phương tín hiệu tỉ lệ với tần suất bức xạ tương tác với vùng hoạt đầu ghi và bình phương lượng điện tích Q sinh

ra đối với mỗi tương tác bức xạ

 Phân tích này được thực hiện đầu tiên bởi Campbell, do đó thuật ngữ “chế độ Campbell” được sử dụng thay thế cho “chế độ MSV” trong một số trường hợp

 Chế độ MSV được sử dụng hiệu quả nhất khi thực hiện đo lường với môi trường bức xạ hỗn hợp trong đó sự chênh lệch lượng điện tích sinh ra bởi các loại bức xạ khác nhau có giá trị lớn

 Trong chế độ dòng, giá trị dòng sẽ phản ánh sự đóng góp của các loại bức xạ khác nhau một cách tuyến tính

 Tuy nhiên trong chế độ MSV, tín hiệu thu được tỉ lệ với bình

phương lượng điện tích sinh ra sau mỗi sự kiện tương tác Do vậy trong chế độ hoạt động này, nếu bức xạ có lượng điện tích trung bình sinh ra sau mỗi tương tác là lớn thì trọng số đóng góp đối với đáp ứng đầu ghi càng lớn

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Các đầu ghi sử dụng trong đo lường liều lượng bức xạ thường hoạt động ở chế độ dòng (lý do được thảo luận trong chương Buồng Ion hóa)

 Chế độ MSV thích hợp sử dụng trong các ứng dụng muốn cải

thiện độ đáp ứng tương đối, đặc biệt đối với những sự kiện có biên độ tín hiệu lớn Chế độ này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đo lường lò phản ứng

 Tuy nhiên chỉ có chế độ xung mới cung cấp đầy đủ thông tin về giá trị biên độ và thời gian của các tương tác bức xạ riêng lẻ

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Dạng tín hiệu xung điện sinh ra từ một tương tác bức xạ phụ thuộc vào đặc tính của mạch xử lý ghép với đầu ghi (Tiền khuếch đai:TKĐ)

 R: Điện trở vào tương đương của mạch tiền khuếch đại

 C: Điện dung tương đương của mạch tiền khuếch đại cũng như đầu ghi

 Ví dụ, nếu tiền khuếch đại được ghép nối với đầu ghi, R là điện trở lối vào của TKĐ và C là tổng điện dung của đầu ghi, cáp nối đầu ghi với TKĐ và điện dung lối vào của TKĐ

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Giá trị điện áp V(t) là đại lượng cơ bản trong chế độ dòng

 Dựa vào giá trị hằng số thời gian τ = RC, có thể xác định hai

trường hợp biên sau

 Trường hợp 1 (τ << RC): Hằng số thời gian của mạch ngoài nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian thu nạp điện tích, vì vậy dòng điện chạy qua điện trở tải R về cơ bản bằng giá trị tức thời của dòng điện chạy qua đầu ghi Tín hiệu điện thế V(t) sinh ra trong trường hợp này gần như đồng dạng với tín hiệu dòng điện sinh

ra trong đầu ghi Đầu ghi bức xạ hoạt động dưới điều kiện này trong trường hợp tần xuất tương tác bức xạ lớn hoặc thông tin

về thời gian quan trọng hơn thông tin chính xác về năng lượng

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Trường hợp 2 (τ >> RC): Hằng số thời gian của mạch ngoài lớn hơn rất nhiều so với thời gian thu nạp điện tích, vì vậy dòng điện chạy qua điện trở tải R rất nhỏ trong khoảng thời gian thu nạp điện tích và dòng điện tích trong đầu ghi được tích ngay trong tụ điện C Nếu giả thiết rằng khoảng thời gian giữa hai xung điện liên tiếp là đủ lớn, tụ điện sẽ phóng điện qua điện trở

R cho đến khi điện áp trên điện trở tải R bằng 0

 Về ý nghĩa hoạt động của chế độ xung, trường hợp 2 không đáp ứng được các yêu cầu cơ bản

 Thời gian tín hiệu xung đạt giá trị lớn nhất được xác định bởi thời gian thu nạp điện tích của đầu ghi Các thông số mạch ngoài không ảnh hưởng thời gian nạp (rise time) của xung điện Mặt khác thời gian phóng (decay time) của xung điện chỉ được xác định bằng hằng số thời gian của mạch tải

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Biên độ của tín hiệu xung V max được xác định một cách đơn giản bằng tỉ số giữa tổng điện tích Q sinh ra trong đầu ghi bởi một tương tác bức xạ và điện dung tương đương C của mạch tải Do giá trị điện dung này là không đổi nên giá trị biên độ của tín hiệu xung tỉ lệ với lượng điện tích sinh ra trong đầu ghi

 Như vậy giá trị tín hiệu ra ở đầu ghi hoạt động ở chế độ xung thông thường gồm các tín hiệu xung đơn lẻ, mỗi xung biểu thị kết quả của một tương tác bức xạ với đầu ghi Đo tần suất xuất hiện của từng xung đơn lẻ sẽ xác định được tần suất tương tác của bức xạ đối với đầu ghi Hơn nữa biên độ của mỗi tín hiệu xung riêng lẻ thể hiện lượng điện tích sinh ra do mỗi tương tác bức xạ đơn lẻ

C / Q

Vmax =

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

(Pulse Mode)

 Phương pháp phân tích phổ biến trong kỹ thuật hạt nhân là ghi nhận phân bố của biên độ tín hiệu xung, từ phân bố này có thể xác định một số thông số đặc trưng của bức xạ tới Ví dụ, lượng điện tích sinh ra do từng tương tác bức xạ đơn lẻ tỉ lệ với năng lượng của hạt bức xạ tới, vì vậy phân bố biên độ xung tín hiệu biểu thị phân bố năng lượng của bức xạ tới

 V max tỉ lệ thuận với Q chỉ khi điện dung C bằng hằng số Hầu hết trong các đầu ghi, giá trị C được xác định dựa trên kích thước, hình dạng của đầu ghi Giả thiết điện dung C bằng hằng số hoàn toàn được đảm bảo

 Với đầu ghi bán dẫn, giá trị điện dung C có thể thay đổi theo các thông số hoạt động Trong trường hợp này, để bảo toàn các

thông tin cơ bản trên Q, mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích (charge-sensitive) được sử dụng Mạch này dùng hồi tiếp để loại trừ sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào sự thay đổi của giá trị điện dung C và khôi phục sự phụ thuộc tỉ lệ của giá trị điện áp theo điện tích Q

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

 Quan trọng nhất là thông tin của từng xung điện (biên độ,

khoảng cách giữa các xung liên tiếp) được ghi nhận Trong chế

độ dòng hoặc MSV, thông tin này không thể ghi nhận được, chỉ

có giá trị dòng trung bình biểu thị sự đóng góp của tất cả các tương tác bức xạ được ghi nhận

 Phụ thuộc vào kỹ thuật mạch và xử lý tín hiệu xung

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

IV ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU

(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)

V ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

lẻ mang thông tin liên quan đến lượng điện tích sinh ra bởi một tương tác bức xạ trong vùng hoạt đầu ghi Khi ghi nhận một số lượng lớn xung trong thời gian T, không phải tất cả các xung đều có cùng giá trị biên độ

hạt bức xạ tới vùng hoạt là khác nhau hoặc do đáp ứng nội tại của đầu ghi đối với các hạt bức xạ đơn năng (năng lượng như nhau)

thông thường được sử dụng để đưa ra thông tin về bức xạ tới hoặc về chất lượng hoạt động của bản thân đầu ghi

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung vi phân

(Differential pulse height distribution)

dH, dH là gia số biên độ xung lấy tại biên độ xung H nào

đó Phân bố xung vi phân là biểu diễn sự phụ thuộc của

tỉ số (dN/dH) theo biên độ xung H trên dải đo năng lượng tương ứng

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung vi phân

(Differential pulse height distribution)

(a)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung vi phân

(Differential pulse height distribution)

được tính bằng cách tích phân hàm phân bố xung vi phân

chéo trên hình (a)

bố xung vi phân như hình (a) được xác định bằng cách tích phân phần diện tích trên toàn phổ (từ biên độ 0 đến

dH

dN N

∫

= ∞ dN dH N

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung vi phân

(Differential pulse height distribution)

nhân đều quen với việc xem hình dạng phổ phân bố biên

độ xung vi phân để phân tích những đặc tính quan trọng

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung tích phân

(Integral pulse height distribution)

tin biên độ xung, tuy nhiên ít được sử dụng hơn

biên độ H nào đó Phân bố xung tích phân là biểu diễn

sự phụ thuộc của số xung N theo biên độ xung H trên dải

đo năng lượng tương ứng

nào đó có dạng như hình vẽ (b)

– Trục tung biểu diễn giá trị N, đơn vị là số xung

– Trục hoành biểu diễn giá trị biên độ xung theo tỷ lệ tuyến tính từ giá trị 0 cho đến giá trị có độ lớn lớn hơn bất cứ biên

độ xung nào được ghi nhận, đơn vị là điện áp (volts)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung tích phân

(Integral pulse height distribution)

(b)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

 Phân bố xung tích phân

(Integral pulse height distribution)

dạng giảm đơn điệu do số xung ghi nhận có biên độ lớn hơn giá trị H khi H tăng dần là giảm dần

ghi nhận bởi đầu ghi

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

chính xác một lượng thông tin như nhau và có thể từ phân

bố này dẫn ra phân bố kia

xung H được xác định bằng giá trị tuyệt đối của độ dốc

đường phân bố biên độ xung tích phân tại biên độ xung H

bố biên độ xung vi phân thể hiện giá trị cực đại cục bộ của

độ dốc đường cong phân bố biên độ xung tích phân tại giá

nhỏ nhất của độ dốc đường cong phân bố biên độ xung tích

I MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

II CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(MODES OF DETECTOR OPERATION)

III PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG

(PULSE HEIGHT SPECTRA)

IV ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU

(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)

V ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG