Phổ kế nhấp nháy

Đầu dò nhấp nháy đã được sử dụng từ rất lâu và ngày nay vẫn còn được sử dụng rất rộng rãi. Chúng được sử dụng để đo bức xạ alpha, bêta, gamma, neutron và cả các lepton và meson lạ. Trong chương này, các kiến thức mà tôi trình bày sẽ chỉ tập trung vào các loại đầu dò nhấp nháy được sử dụng trong ghi đo bức xạ gamma. Trước khi đầu dò bán dẫn xuất hiện, các đầu dò nhấp nháy, chủ yếu là loại sử dụng sodium iốt NaI(Tl), là đầu dò tiêu chuẩn cho các hệ phổ kế gamma. Thực tế, mặc dù ngày nay ảnh hưởng của đầu dò nhấp nháy tới các hệ phổ kế gamma vẫn còn xuất hiện, thể hiện trong việc độ phân giải của các đầu dò bán dẫn vẫn được so sánh với đầu dò nhấp nháy dùng sodium iốt, thì nhìn chung, cảm giác chung của chúng ta vẫn là đầu dò nhấp nháy đã lạc hậu. Thực tiễn cho thấy, cảm giác này hoàn toàn không đúng. Hiển nhiên với các hệ phổ kế đòi hỏi đo bức xạ gamma với khả năng phân tách các đỉnh cao thì các đầu dò bán dẫn tốt hơn đầu dò nhấp nháy rất nhiều. Tuy nhiên, đầu dò nhấp nháy vẫn có những vai trò quan trọng trong các phép đo gamma, và với sự phát triển gần đây của đầu dò sử dụng hỗn hợp halogen và Lantan, khả năng ứng dụng của đầu dò nhấp nháy còn có thể được mở rộng. Trong một số tình huống, ta có thể bị giới hạn về mặt không gian hoặc môi trường không thích hợp để sử dụng đầu dò bán dẫn (chẳng hạn như với các phép đo độ cháy của nhiên liệu hạt nhân, đầu dò phải đặt ở dưới đáy của thùng chứa và khi đó người ta phải sử dụng đầu dò nhấp nháy sodium iốt). Ngoài khả năng ứng dụng trong các trường hợp đặc biệt như trên, các đầu dò nhấp nháy còn là một thành phần rất quan trọng để xây dựng hệ thống che chắn chủ động cho các đầu dò độ phân giải cao (xem Chương 13, Phần 13.5.5)

CHƯƠNG 10 Phổ kế nhấp nháy

10.1 GIỚI THIỆU

Đầu dò nhấp nháy đã được sử dụng từ rất lâu và ngày nay vẫn còn được sử dụng rất rộngrãi Chúng được sử dụng để đo bức xạ alpha, bêta, gamma, neutron và cả các lepton vàmeson lạ Trong chương này, các kiến thức mà tôi trình bày sẽ chỉ tập trung vào các loạiđầu dò nhấp nháy được sử dụng trong ghi đo bức xạ gamma

Trước khi đầu dò bán dẫn xuất hiện, các đầu dò nhấp nháy, chủ yếu là loại sử dụngsodium iốt - NaI(Tl), là đầu dò tiêu chuẩn cho các hệ phổ kế gamma Thực tế, mặc dùngày nay ảnh hưởng của đầu dò nhấp nháy tới các hệ phổ kế gamma vẫn còn xuất hiện,thể hiện trong việc độ phân giải của các đầu dò bán dẫn vẫn được so sánh với đầu dò nhấpnháy dùng sodium iốt, thì nhìn chung, cảm giác chung của chúng ta vẫn là đầu dò nhấpnháy đã lạc hậu Thực tiễn cho thấy, cảm giác này hoàn toàn không đúng Hiển nhiên vớicác hệ phổ kế đòi hỏi đo bức xạ gamma với khả năng phân tách các đỉnh cao thì các đầu

dò bán dẫn tốt hơn đầu dò nhấp nháy rất nhiều Tuy nhiên, đầu dò nhấp nháy vẫn cónhững vai trò quan trọng trong các phép đo gamma, và với sự phát triển gần đây của đầu

dò sử dụng hỗn hợp halogen và Lantan, khả năng ứng dụng của đầu dò nhấp nháy còn cóthể được mở rộng Trong một số tình huống, ta có thể bị giới hạn về mặt không gian hoặcmôi trường không thích hợp để sử dụng đầu dò bán dẫn (chẳng hạn như với các phép đo

độ cháy của nhiên liệu hạt nhân, đầu dò phải đặt ở dưới đáy của thùng chứa và khi đóngười ta phải sử dụng đầu dò nhấp nháy sodium iốt) Ngoài khả năng ứng dụng trong cáctrường hợp đặc biệt như trên, các đầu dò nhấp nháy còn là một thành phần rất quan trọng

để xây dựng hệ thống che chắn chủ động cho các đầu dò độ phân giải cao (xem Chương

13, Phần 13.5.5)

10.2 QUÁ TRÌNH NHẤP NHÁY

Trong chương 3, tôi đã trình bày về hiện tượng các electron sơ cấp được tạo ra do tươngtác của gamma với môi trường bị mất năng lượng để tạo thành các cặp electron – lỗ trốngthứ cấp và chức năng của đầu dò là thu thập các phần tử tải điện được tạo ra và hình thànhtín hiệu điện Đối với các đầu dò bán dẫn, sự thu thập điện tích được thực hiện bằng cách

sử dụng một điện trường Đối với các đầu dò nhấp nháy, sự ion hóa sơ cấp của môi trườngđầu dò hầu như không khác biệt so với trong đầu đò bán dẫn, tuy nhiên quá trình thu thậpđiện tích thì không giống nhau do các chất nhấp nháy không dẫn điện

Theo mô hình cấu trúc dải (Chương 3, Phần 3.2), các electron sơ cấp được tạo ra do tươngtác của gamma với môi trường đầu dò sẽ đẩy các electron thứ cấp lên dải dẫn, để lại các

lỗ trong trong dải hóa trị Trong một vài trường hợp, năng lượng cấp cho một electron có

thể không đủ để đẩy nó lên dải dẫn mà lên 1 vùng các trạng thái kích thích có tên gọi làcác trạng thái exciton Theo mô hình cấu trúc dải, chúng đại diện cho một vùng ngay phíadưới và liền kề với dải dẫn, như minh họa trong Hình 10.1

Hình 10.1 Cấu trúc dải trong chất nhấp

nháy

Nếu các electron này được cho phép giải kích thích để quay trở về dải hóa trị, chúng sẽphát ra bức xạ điện từ Nếu bức xạ này nằm trong, hoặc gần, dải bước sóng quang học,chúng có thể được ghi nhận bởi một ống nhân quang hoặc một thiết bị cảm quang để tạothành tín hiệu Đó chính là cơ sở của các đầu dò nhấp nháy Để có thể sử dụng để pháthiện gamma cũng như làm các hệ phổ kế gamma, vật liệu nhấp nháy cần phải có một sốcác đặc tính sau:

• Số lượng cặp electron-lỗ trống được tạo ra tương ứng với một năng lượng gamma

bị hấp thụ phải đủ lớn;

• Vật liệu nên có khả năng hãm bức xạ gamma tốt (tức là có mật độ cao và số khốilớn);

• Nếu sử dụng để ghi phổ, tín hiệu được tạo ra phải tỷ lệ với năng lượng;

• Chất nhấp nháy phải trong suốt để có thể truyền ánh sáng;

• Thời gian phân rã của trạng thái kích thích phải ngắn để cho phép hoạt động ở tốc

độ đếm cao;

• Vật liệu cần phải có đặc tính quang học đủ tốt trong khoảng giá thành hợp lý;

• Chiết xuất của vật liệu cần phải gần với chiết xuất của kính (tức là khoảng 1.5) đểkết hợp hiệu quả với ống nhân quang

Các vật liệu thường được sử dụng trong các hệ phổ kế gamma dùng đầu dò nhấp nháy đều

là các tinh thể vô cơ: sodium iốt (NaI), caesium iốt (CsI), calcium fluorít (CaF2), bítmútgermanate (BGO) và gần đây nhất là halogen lantan Trong các vật liệu kể trên, loại thứnhất là loại có ứng dụng nhiều nhất và loại cuối cùng là loại đang được phát triển rấtmạnh

10.3 CÁC CHẤT KÍCH HOẠT NHẤP NHÁY

Độ rộng các dải trong sơ đồ cấu trúc dải của sodium iốt lớn, do vậy các photon phát ra do

sự giải kích thích của các electron từ vùng dẫn sẽ có bước sóng nhỏ hơn nhiều so vớibước sóng của dải ánh sáng nhìn thấy được Điều này khiến cho việc ghi nhận ánh sánggặp khó khăn Ngoài ra, một số phần trong vật liệu cũng hấp thụ các photon được phát ratrước khi nó tới được ống nhân quang Cả hai vấn đề này đều được giải quyết bằng cách

sử dụng chất kích hoạt Chất kích hoạt được sử dụng cho nhấp nháy NaI là thallium vàcho CsI là thallium hoặc sodium Để mô tả được thành phần chất kích hoạt, tên gọi củachúng được viết tắt như sau: NaI(Tl), CsI(Tl) và CsI(Na)

Sự xuất hiện của tạp chất với tỷ lệ 10-3 mol trong chất nhấp nháy có thể tạo ra các vị trímạng tinh thể bị khuyết Các vị trí khuyết này sẽ tạo ra các mức kích thích bổ sung nằmtrong vùng cấm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn (xem Hình 10.1) Trạng thái kích thích củacác vị trí kích hoạt nằm ngay phía trên dải hóa trị và các trạng thái kích thích nằm ở ngayphía dưới dải dẫn

Khi một cặp electron-lỗ trống được tạo ra, lỗ trống có thể di chuyển tới gần vị trí kíchthích Các electron trong vùng dẫn và vùng exciton sẽ có xu hướng bị bắt bởi các trạngthái kích hoạt bị kích thích Điều này có nghĩa rằng năng lượng của photon phát ra khi có

sự giải kích thích sẽ thấp hơn và bức xạ điện từ phát ra sẽ có bước sóng dài hơn, có thểnằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy được Bước sóng dài hơn đồng nghĩa với việc bức xạphát ra khi giải kích thích không còn nằm trong vùng đặc trưng hấp thụ của chất nhấpnhảy và do đó lượng ảnh sáng bị mất trước khi truyền được tới ống nhân quang giảm điđáng kể Quá trình vật lý diễn ra bên trong đầu dò nhấp nháy có thể được tổng hợp lại nhưsau:

• Tia gamma bị hấp thụ và electron sơ cấp được tạo ra;

• Electron sơ cấp di chuyển và kích thích các phân tử tạo nên các cặp electron-lỗtrống;

• Các exciton được tạo thành và các electron nhảy lên vùng các trạng thái exciton, đểlại các lỗ trống trong vùng hóa trị;

• Các mức kích hoạt bắt các electrons, lỗ trống, và exciton;

• Các mức kích hoạt giải kích thích và phát ra ánh sáng;

• Ánh sáng được thu thập về ống nhân quang và tạo thành tín hiệu điện

Không phải toàn bộ năng lượng gamma bị hấp thụ bên trong đầu dò đều được chuyển hóathành các photon NaI(Tl) là loại nhấp nháy có hiệu quả chuyển hóa năng lượng thành ánhsáng tốt nhất Tuy nhiên hiệu quả chuyển đổi năng lượng ra ánh sáng của nhấp nháyNaI(Tl) cũng chỉ đạt 12% Phần năng lượng còn lại của bức xạ được chuyển hóa thànhcác rung động của mạng tinh thể hoặc nhiệt Độ lớn của tín hiệu lối ra từ đầu dò cũng phụthuộc vào việc đáp ứng của đầu dò ghi ánh sáng với phổ ánh sáng nhấp nháy ở mức nào 10.4 THỜI GIAN SỐNG CỦA CÁC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH

Thời gian sống của một trạng thái kích hoạt bị kích thích là rất ngắn – vào cỡ 0.1 Thờigian phân rã ngắn có nghĩa rằng ta có thể tạo ra các xung lối ra của đầu dò ngắn (Hình10.2 mô tả dạng của xung ánh sáng.) Trong phần lớn các trường hợp, hầu hết các bức xạphát ra đều chủ yếu từ một mức kích thích nào đó, tuy nhiên, trong một số trường hợp, sơ

đồ phân rã có thể phức tạp hơn Ví dụ, đối với nhấp nháy BGO, ánh sáng phát ra được đặctrưng bởi hai mức kích thích có thời gian sống lần lượt là 60 ns và 300 ns

Hình 10.2 Độ ra ánh sáng trong nhấp nháy NaI(Tl) theo thời gian

Các chuyển dời từ một số mức kích thích về trạng thái cơ bản có thể bị cấm Một electronnằm trong các mức cấm đầu tiên sẽ phải chuyển tới các mức không bị cấm nhờ vào các

kích thích nhiệt, rồi sau đó mới có thể giải kích thích Thời gian sống của các trạng tháinày có thể dài hơn các trạng thái kích thích thông thường Thành phần của các phân rãchậm của ánh sáng phát ra do sự giải kích thích từ các trạng thái có thời gian sống dàiđược gọi là sự phát huỳnh quang Hiện tượng này gây ra sự tăng nên phông của các xungthông thường Ví dụ, đối với nhấp nháy NaI(Tl), trong khi thời gian sống của trạng tháikích thích chủ yếu là 230 ns, 9% trong tổng số ánh sáng phát ra là do sự phát huỳnhquang với thời gian phân rã bằng 0.15 s

10.5 THĂNG GIÁNG NHIỆT CỦA TÍN HIỆU ĐÁP ỨNG CỦA ĐẦU DÒ NHẤPNHÁY

Ưu điểm của các đầu dò nhấp nháy so với đầu dò bán dẫn HPGe là chúng có thể hoạtđộng ở nhiệt độ phòng, và trong thực tế, độ ra ánh sáng của NaI(Tl) đạt cực đại ở nhiệt độphòng Độ ra ánh sáng của nhấp nháy NaI(Tl) hầu như không đổi trong dải nhiệt độphòng nhưng giảm khi ra ngoài dải Các vật liệu nhấp nháy khác cũng có đặc trưng tương

tự, tuy nhiên nhiệt độ tương ứng với độ ra ánh sáng cực đại thay đổi tùy theo loại vật liệu.Mặc dù sự đáp ứng của tinh thể đầu dò có thể hầu như không đổi trong dải nhiệt độ làmviệc thông thường, thì sự thăng giáng đáng kể của tín hiệu vẫn có thể xảy ra do độ ốn địnhcủa hệ thống điện tử không cao

10.6 CÁC VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY

Thông số vật lý của một số vật liệu được sử dụng để làm đầu dò gamma được liệt kê trongBảng 10.1 Ở đây chúng ta sẽ cần phải giải thích một chút về mặt thuật ngữ đối với cácphép đo sự phát ánh sáng được đưa ra trong tài liệu này Nếu xét trên một đại lượng tuyệtđối, độ ra ánh sáng của một chất nhấp nháy có thể được biểu diễn dưới dạng số photon mà

nó phát ra ứng với mỗi đơn vị năng lượng bức xạ gamma mà nó hấp thụ Với nhấp nháyNaI(Tl), loại nhấp nháy mà cho tới gần đây vẫn là loại nhấp nháy vô cơ hiệu quả nhất, giátrị độ ra ánh sáng vào khoảng 38000 photon/MeV Thông thường, giá trị hiệu suất của cácnhấp nháy được đưa ra dưới dạng giá trị hiệu suất tương đối so với hiệu suất của NaI(Tl).Chẳng hạn, giá trị của CsI(Na) là 85% Hệ số này có thể là “hiệu suất biến đổi tương đối”,hiệu suất biến đổi nhấp nháy”, “hiệu suất nhấp nháy tương đối”, “xuất ra electron quangđiện”, hoặc thậm chí “độ ra sáng tương đối” Điều quan trọng là ta cần phải biết các loạihiệu suất tương đối kể trên khác nhau ra sao Hệ số chỉ ra mức độ đáp ứng của đầu dò, vớigiả thiết rằng đầu dò sử dụng một loại quang catốt đặc trưng, thường là loại bialkali, được

sử dụng với các đầu dò nhấp nháy Hệ số đáp ứng của đầu dò bao gồm hiệu suất biến đổinăng lượng gamma ra ánh sáng của chất nhấp nháy và hiệu suất biến đổi ánh sáng đượctạo ra thành electron quang điện của quang catốt Hệ số này chỉ có thể được cung cấptương ứng với một tổ hợp nhấp nháy/quang catốt cụ thể Do số lượng electron quang điện

được tạo ra liên hệ trực tiếp với tín hiệu lối ra của đầu dò, nó có thể được sử dụng để đo tỷ

số độ cao xung lối ra Khái niệm được tác giả sử dụng trong phần này là hiệu suất biến

đổi tương đối, vì khái niệm này chứa đựng nhiều thông tin nhất và ít gây nhầm lẫn

Do phổ phát xạ của các nhấp nháy giống với NaI(Tl) nên sự so sánh giữa các loại nhấp

nháy được chấp nhận Đối với CsI(Tl), giá trị độ ra sáng bằng 45% được đưa ra trong

Bảng 10.1 có thể gây ra sự nhầm lẫn Trên thực tế, lượng photon phát ra bởi CsI(Tl) ứng

với 1 MeV năng lượng gamma hấp thụ được là 52000 photon, lớn hơn so với 38000 của

NaI(Tl) Như vậy, không phải NaI(Tl), CsI(Tl) mới là loại nhấp nháy vô cơ truyền thống

có độ ra sáng cao nhất Chỉ có suất ra ánh sáng của halogen lantan là cao hơn của CsI(Tl)

Tuy nhiên, phổ ánh sáng của CsI(Tl), với đỉnh ở 550 nm, không kết hợp tốt với quang

catốt loại bialkali Do vậy nếu xét cả hiệu suất biến đổi của quang catốt thì độ ra sáng của

CsI(Tl) chỉ bằng 45% so với NaI(Tl) như thông số trong Bảng 10.1 Hình 10.3 so sánh

phổ phát xạ của một số loại vật liệu nhấp nháy, hàm đáp ứng theo bước sóng của hai loại

quang catốt phổ biến Trong một số trường hợp, chất nhấp nháy có thể phát ra nhiều hơn

một thành phần ánh sáng (có nhiều mức kích thích) Trong Bảng 10.1 các dữ liệu về bước

sóng cực đại và thời gian phân rã tương ứng với thành phần đóng góp nhiều nhất

Bảng 10.1 Đặc tính của một số loại vật liệu nhấp nháy trong ghi đo gamma

Yttrium aluminium perovskite

a Dữ liệu lấy từ Harshaw QS Scintillation Detector Catalogue (March 1992) and Saint-Gobain Ceramics and Plastics Inc Internet sources.

b Bước sóng phát cực đại

c Thời gian phân rã.

d Chiết suất

e Hiệu suất biến đổi tương đối (so với NaI(Te)), nói cách khác là suất ra thực của đầu dò sử dụng ông nhân quang loại bialkali

f Tỷ số ánh sáng phát ra trễ hơn 6 ms so với thời điểm phát lần đầu tiên.

g Hút ẩm?: Y, có; N, không; S:một chút.

h Giá trị độ phân giải đo tại 661.6 keV

10.6.1 Sodium iốt – NaI(Tl)

Đây là loại vật liệu nhấp nháy phổ biến nhất Nó rẻ và sẵn có Loại vật liệu này cho phép

chế tạo đầu dò với kích thước lớn Đầu dò NaI(Tl) đường kính 0.75 m đã từng được chế

tạo Hơn nữa, trong nhiều năm đầu dò NaI(Tl) dạng trụ có đường kính 76 mm và cao 76

mm được lấy làm loại đầu dò tiêu chuẩn của các hệ phổ kế gamma (một tên gọi khác làđầu dò 3x3 hay 3 in x 3 in)

Nguyên tử iốt trong NaI(Tl) có hệ số hấp thụ gamma cao, do đó làm tăng hiệu suất nộicủa loại nhấp nháy này Ở năng lượng thấp, xác suất gamma bị hấp thụ toàn phần rất cao(xem Hình 10.4) Do NaI(Tl) là vật liệu có độ ra sáng cao nhất trong số các nhấp nháy vô

cơ truyền thống sử dụng ống nhân quang tiêu chuẩn, loại nhấp nháy này cũng có độ phângiải năng lượng tốt nhất (xem phần 10.12)

Ngoài các ưu điểm tuyệt vời ở trên, NaI(Tl) cũng có một vài nhược điểm Loại nhấp nháynày rất giòn, nhạy với sự biến đổi nhiệt và sốc nhiệt Nó cũng hút ẩm mạnh và cần phảiluôn luôn được bọc kín Loại nhấp nháy này cũng có thành phần ánh sáng chậm lớn Ởtốc độ đếm thấp, thành phần ánh sáng chậm không gây ra vấn đề do các xung chậm có thểđược loại bỏ bằng hệ thống điện tử, nhưng ở tốc độ đếm cao nó sẽ gây ra hiện tượngchồng chập xung và làm giới hạn tốc độ đếm Potassium là một chất có tính chất hóatương tự với sodium và là tạp chất xuất hiện nhiều trong muối sodium Do một lượng nhỏpotassium tự nhiên có phát phóng xạ, do vậy sodium iốt sử dụng để chế tạo đầu dò cầnphải có độ tinh khiết cao Thông thường, độ tinh khiết của sodium iốt dùng để chế tạo đầu

dò phải nhỏ hơn 0.5 ppm potassium

10.6.2 Bismuth germanate – BGO

BGO, với công thức hóa học là Bi4(GeO4)3, là loại vật liệu nhấp nháy tương đối mới Loạivật liệu này được tạo lên bằng cách trộn bismút và oxít germanium ở nhiệt độ nóng chảy.Mặc dù độ ra sáng của nó thấp so với NaI(Tl), nhưng BGO lại có mật độ lớn và do đótăng khả năng hãm bức xạ, do đó giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng để xây dựng các hệche chắn chủ động Hình 10.4 so sánh hiệu suất nội của hai loại vật liệu Hiệu suất nàyđương nhiên không tính tới các tương tác hấp thụ không toàn phần Nếu tính tới cả cáctương tác hấp thụ không toàn phần, hiệu suất loại trừ phông của BGO sẽ cao hơn nữa.Photon 150 keV sẽ có tới 90% khả năng bị hấp thụ bởi một lớp BGO có bề dày 2.3 mm.Nói một cách đơn giản, hai đầu dò BGO và NaI(Tl) có cùng hiệu suất ghi thì đầu dò BGO

có kích thước chỉ bằng 1/16 đầu dò NaI(Tl) Tuy nhiên, do độ ra ánh sáng của BGO nhỏhơn nhiều so với NaI(Tl), độ phân giải của BGO tệ hơn, và do đó nó không được dùng đểchế tạo đầu dò ghi phổ, mà thường được dùng để chế tạo đầu dò phát hiện bức xạ

Không giống như NaI(Tl), BGO không có chất kích hoạt Do phổ phát xạ của trạng thái

Bi3+ có độ lệch lớn so với phổ quang học, sự tự hấp thụ xảy ra rất ít, và tinh thể BGOtrong suốt với bức xạ của nó Mặc dù vậy, hiệu suất tương đối của BGO chỉ đạt 15-20%

so với NaI(Tl) BGO là vật liệu trơ và không hút ẩm, do đó nó không cần được bọc kín

Hình 10.3 (a) phổ phát xạ từ của các chất nhấp nháy phổ biến, (b) Độ nhạy của các hai loại ống nhân quang phổ biến theo bước sóng

Hình 10.4 Hiệu suất ghi

10.6.3 Caesium iốt – CsI(Tl) và CsI(Na)

Mật độ của CsI lớn hơn một chút so với mật độ của NaI và do đó nó có hệ số hấp thụ lớnhơn Loại vật liệu này không giòn như NaI và có độ bề nhiệt cũng như độ bền cơ học caohơn Và vì lý do này nó thường được sử dụng trong các thiết bị nghiên cứu ngoài khônggian Nó cũng ít hút ẩm ơn NaI nhưng ta vẫn cần phải bọc nó bằng một lớp vỏ

Phổ ánh sáng phát ra của CsI(Tl) có đỉnh tại 565 nm, ngay phía sau độ nhạy tối ưu của cácống nhân quang điện thông thường Vì lý do này, độ ra sáng của nó thấp Để giải quyếtvấn đề này, người ta chế tạo các đầu dò sử dụng điốt quang vì chúng có cho độ ra sáng

cao hơn Các đầu dò CsI(Tl) gắn trên các điốt quang ngày nay được sản xuất thương mạinhưng kích thước của chúng bị hạn chế bởi kích thước của điốt quang Nhờ kích thướcnhỏ và độ bền cao, các đầu dò loại này thích hợp để ứng dụng trong y tế và các ứng dụngkhác chẳng hạn như các thiết bị nghiên cứu ngoài không gian

Một loại vật liệu khác, kích hoạt bởi Na, CsI(Na), cũng có phổ phát quang tương tự nhưNaI(Tl) và có hiệu suất tương tự với ưu điểm là hệ số hấp thụ cao hơn Vấn đề chính củaloại vật liệu này là thời gian phân rã dài, và giống như với NaI(Tl), hiện tượng lân quangcũng được ghi nhận

10.6.4 Caesium iodide không dùng chất kích hoạt – CsI

CsI cũng có thể được dùng mà không cần bổ sung chất kích hoạt nhưng nó sẽ làm giảmhiệu suất biến đổi tương đối – 4-6% so với 45% và 85% đối với các vật liệu có bổ sungchất kích hoạt Phổ phát quang có đỉnh nằm ở bước sóng 315 nm cho thấy độ ra sáng sẽtốt hơn nếu chúng được sử dụng cùng với các ống nhân quang cửa sổ thạch anh Ưu điểmcủa vật liệu không dùng chất kích hoạt là thời gian phân rã của thành phần nhanh (16 ns)ngắn hơn nhiều so với phần lớn các chất nhấp nháy khác Yếu tố này giúp cho loại nhấpnháy này có khả năng sử dụng trong các ứng dụng liên quan tới thời gian Tuy nhiên,thành phần ánh sáng phát ra từ các mức có thời gian sống dài – 1000 ns – lên tới 15-20%

10.6.5 Barium fluoride – BaF2

Tương tự như BGO, BaF2 không cần tới chất kích hoạt Nhìn chung, ưu điểm của loại vậtliệu này so với các loại nhấp nháy khác là không rõ rệt Độ ra sáng nhỏ khiến cho đầu dò

sử dụng BaF2 có độ phân giải kém Ưu điểm lớn nhất của loại nhấp nháy là sơ đồ phân rãánh sáng của nó bao gồm hai thành phần, thành phần chậm với thời gian phân rã dài, 630

ns, và thành phần nhanh với thời gian phân rã chỉ 0.6 ns Thành phần nhanh phát ra ánhsáng có bước trong vùng cực tím và cần được sử dụng kèm theo một đầu ghi ánh sángtương thích BaF2 là loại vật liệu duy nhất có thời gian sống của mức phát quang nhỏ hơn

1 ns và được sử dụng trong các ứng dụng mà yếu tố thời gian quan trọng hơn độ phân giảinăng lượng

10.6.6 Caesium fluoride – CsF

Tương tự như với BaF2, vật liệu CsF có ít ưu điểm khi so sánh với các loại nhấp nháy phổbiến khác, ngoại trừ thời sống ngắn của anh sáng mà nó phát ra Mặc dù thời gian sốngnày thấp hơn so với của BaF2, nhưng thời gian sống cỡ 4.4 ns vẫn ngắn hơn nhiều so vớicác thời gian sống của ánh sáng phát ra từ các vật liệu nhấp nháy truyền thống Một lầnnữa, độ ra sáng thấp làm cho độ phân giải của loại vật liệu này kém

10.6.7 Halogen Lantan – LaCl 3 (Ce) và LaBr 3 (Ce)

LaCl3 và LaBr3 là hai loại vật liệu đã được nhắc tới trong lần xuất bản đầu tiên của cuốnsách này Tại thời điểm đó, công nghệ chưa cho phép sản xuất chúng với kích thước đủlớn để làm đầu dò nhưng ngày nay điều đó đã có thể được thực hiện Cả hai loại vật liệunày đều được kích hoạt bởi Ce, và tên viết tắt của chúng LaCl3(Ce) và LaBr3(Ce)

Cả hai loại vật liệu này đều có ưu điểm so với NaI(Tl) và có thể sẽ thay thế nhấp nháyNaI(Tl) hiện đang được sử dụng trong một số ứng dụng LaCl3(Ce) có mật độ, chiết xuất

và hiệu suất hấp thụ tương đối bằng với NaI(Tl) nhưng có thời gian phân rã ngắn hơnnhiều, và do đó có thể chế tạo ra các hệ phổ kế có độ phân giải thời gian tốt hơn Hơnnữa, để chế tạo hệ phổ kế, đầu dò sử dụng nhấp nháy LaCl3(Ce) với kích thước 1 in x 1 incho độ phân giải bằng 3.8% ở 661.6 keV, trong khi đó đầu dò NaI(Tl) có kích thướctương tự lại có độ phân giải tới 7% ở 661.6 keV Độ ra sáng theo năng lượng bị hấp thụcủa loại nhấp nháy này lớn hơn so với NaI(Tl) 25% nhưng bước sóng của ánh sáng mà nóphát ra nhỏ hơn, do đó hiệu suất biến đổi tương đối của hai loại vật liệu này giống nhau Vào đầu năm 2007, nhà sản xuất độc quyền, Saint-Gobain, đã thông báo về sự ra đời củacác thiết bị nhấp nháy sử dụng lantan với tên thương mại là BriLanCe®; B350 là LaCl3

(10% Ce) và B380 là LaBr3 (5% Ce) Tại thời điểm viết cuốn sách này, kỹ thuật sản xuấtcủa họ đã có nhiều tiến bộ, các tinh thể kích thước 3x3 đã đang được sản xuất Ưu điểmcủa B380 được đưa trên website của hãng là:

• Độ ra sáng cao hơn 60% so với NaI(Tl)

• Độ phân giải tốt hơn – 2.9% so với 7% của NaI(Tl) Phổ 60Co thể hiện độ phân giảitoàn phần của hai đỉnh 1173 keV và 1332 keV Ở 1332 keV, độ phân giải đạt 28keV với đầu dò kích thước 3x3

• Hiệu suất ghi cao hơn so với NaI(Tl) do có mật độ lớn hơn, tức là nhiều số đếmhơn trong đỉnh hấp thụ toàn phần

• Thời gian phân rã nhấp nháy ngắn hơn so với NaI(Tl), tức là nó có thể được sửdụng với tốc độ đếm cao hơn Thời gian phân rã là 16 ns với B380 và 28 ns vớiB350

Một nhược điểm của loại vật liệu này là nó có chứa các thành phần phát ra phóng xạ.Đồng vị phóng xạ 138La có trong La phân rã bắt electron về 138Ba (66.4%), và phát ragamma năng lượng 1435.8 keV và các tia X đặc trưng của Ba hoặc phân rã về 138Cs, vàphát ra gamma 788.74 keV Phổ phông của các đầu dò này cho thấy thành phần phôngliên tục do bức xạ hãm kéo dài đến điểm điểm kết thúc của năng lượng beta là 225 keV(Hình 10.5) Do 138La phân rã bên trong đầu dò, các đỉnh tương ứng với cũng được quan

sát thấy; Đó là các đỉnh 788.74 keV tương ứng với phân rã và 1435.80 keV tương ứngvới phân rã bắt electron Ở năng lượng cao, 227Ac nhiễm bẩn phát bức xạ alpha Nếu nhưảnh hưởng của 227Ac có thể được kiểm soát thì ảnh hưởng của 138La là không thể tránhkhỏi Hoạt độ phông, vào khoảng 1 Bq/cm-3 không cho phép sử dụng đầu dò loại nàytrong các ứng dụng phông thấp Về nguyên lý, ta có thể loại bỏ thành phần phông trongphổ bằng cách so sánh phổ đo được với phổ phông Tuy nhiên, như tôi đã trình bạy, việcnày sẽ làm biến dạng mối quan hệ giữa số đếm kênh và độ bất định của nó

Hình 10 Phổ phông của đầu dò BriLanCe 380 kích thước 3 in x 3 in tốc độ đếm được ghi

ở phía trên đỉnh là diện tích phần phổ tương ứng chia cho thể tích đầu dò

10.6.8 Các loại nhấp nháy mới khác

Có một số loại vật liệu nhấp nháy mới hiện đang được nghiên cứu Đặc tính của một sốvật liệu trong số đó như GSO, LSA và YAP được đưa ra trong Bảng 10.2 Nhiều trong sốcác vật liệu kể trên có ứng dụng trong các lĩnh vực riêng biệt, chẳng hạn như các nghiêncứu ngoài không gian hoặc chụp ảnh y tế, chứ không thích hợp để làm phổ kế gamma 10.7 ỐNG NHÂN QUANG ĐIỆN

Bức xạ tương tác với tinh thể nhấp nháy sẽ tạo ra các lượng tử ánh sáng, nên để ghi đo,chúng cần phải được biến đổi thành tín hiệu điện Quá trình này được thực hiện bởi một

ống nhân quang (PMT) Cấu hình chung của một ống nhân quang được đưa ra trong

Hình 10.6 Quá trình diễn ra trong ống nhân quang như sau:

• Các lượng tử ánh sáng đập vào một lớp nhạy sáng, gọi là catốt quang, và làm cho

chúng phát ra các electron quang điện

• Các electron quang điện được lái cho đi vào đi-nốt đầu tiên trong chuỗi các đi-nốt

được sắp xếp thích hợp Đặc điểm của đi-nốt là mỗi khi có electron quang điện đậpvào đi-nốt, thì số electron bật ra khỏi đi-nốt lại nhiều hơn số electron tới

• Số electron được nhân lên mỗi khi đi qua một đi-nốt

• Sau khi đi qua hết chuỗi đi-nốt, tín hiệu đã được khuếch đại được tập trung vàomột a-nốt và truyền sang mạch đo

Thiết kế của ống nhân quang thay đổi tùy theo thứ chúng được thiết kế để đo Với các ốngnhân quang được thiết kế để đo gamma, chúng luôn được thiết kế dưới dạng cửa sổ đóngvới catốt quang nằm phía mặt trong của ống Toàn bộ hệ thống được bao kín trong môitrường chân không và kết nối với bên ngoài thông qua giắc cắm nhiều chân

Hình 10.6 Giản đồ cơ chế của đầu dò nhấp nháy bao gồm tinh thể nhấp nháy kết hợp với

ống nhân quang

10.8 CATỐT QUANG

Catốt quang, là thành phần được sử dụng để ghi nhận ánh sáng trong ống nhân quang,được chế tạo bằng vật liệu có ngưỡng năng lượng để phát ra electron quang điện từ bềmặt của nó thấp Vật liệu thường được sử dụng để chế catốt quang là Na2KSb, được gọi là

lớp phủ multiakali, hoặc K2CsSb kích hoạt với Oxy và Cs, có tên gọi là lớp phủ bialkali.

Đôi khi các vật liệu làm catốt quang được ký hiệu bởi các mã số để chỉ rõ mức đáp ứngvới phổ ánh sáng của nó, ví dụ như S-11, S-13 Catốt quang trong các kệ phổ kế nhấpnháy thường là loại bialkali

Không phải tất cả các photon đi tới catốt quang đều tạo ra electron quang điện Nănglượng của của một photon nhấp nháy trong vùng ánh sáng xanh nước biển của phổ là vàokhoảng 3 eV Các electron bị kích thích bởi các photon này sẽ phải di chuyển ra bề mặtcủa catốt quang và còn đủ năng lượng để thoát ra ngoài, khoảng 1.5 đến 2 eV đối với cácloại catốt quang mà ta đã nhắc tới ở trên Điều này khiến cho bề dày của catốt quang bịgiới hạn ở khoảng một vài chục nano mét Ở bề dày này, catốt quang sẽ chỉ bán trong suốtngay cả với anh sáng nhấp nháy và do đó một phần ánh sáng sẽ xuyên qua catốt quang màkhông tương tác để sinh ra electron quang điện, do vậy xuất ra electrong quang điện giảmxuống

Hiệu suất lượng tử của vật liệu dùng để chế tạo catốt quang, tức là số lượng electronquang điện phát ra ứng với mỗi photon tới, vào khoảng 20-30% ở năng lượng photon tối

ưu Hiện nay, trong NaI(Tl), đầu dò cần phải hấp thụ được 26 eV để tạo ra một photon.Xét tới cả hiệu suất lượng tử, ta thấy rằng để tạo ra được một tín hiệu điện sơ cấp ở catốtquang, tinh thể phải hấp thụ lượng năng lượng bằng 100 eV Giá trị này lớn hơn rất nhiều

so với giá trị tương ứng đối với đầu dò bán dẫn, 2.96 eV Như ta sẽ thấy trong các phầnsau, đây chính là lý do giải thích tại sao độ phân giải của đầu dò nhấp nháy tồi hơn nhiều

so với đầu dò bán dẫn

10.9 CHUỖI NHÂN ELECTRON QUA CÁC ĐI-NỐT

Các điện cực này được phủ một lớp vật liệu có khả năng phát ra một vài electron thứ cấpsau khi hấp thụ một electron Lớp phủ của đi-nốt có thể là beryli, các ô-xit của Mg hoặc

Cs3Sb Một số vật liệu hiện đại hơn, chẳng hạn như galli phốt-phát, được mô tả là có áilực electron âm Do bản chất của cấu trúc dải, các loại vật liệu này hầu như không cóhàng rào năng lượng bề mặt Do đó, số electron được tạo ra ứng với mỗi electron tới sẽtăng lên

Hệ số nhân - tỷ số giữa số electron thứ cấp với số electron sơ cấp, phụ thuộc vào chênhlệch điện thế giữa các cặp đi-nốt liền kề nhau Thông thường chênh lệch điện thế giữa cácđi-nốt là khoảng 80-120 V và số lượng đi-nốt là từ 10-12 Electron tới sẽ phải có đủ nănglượng để giải phóng các electron thứ cấp ra khỏi đi-nốt Năng lượng để giải phóng mộtelectron thường vào khoảng 2-3 eV với các lớp phủ đi-nốt thông thường, Như vậy, ta cóthể ước lượng được số electron thoát ra ứng với một electron tới là vào khoảng 30 nếunhư chênh lệch điện thế là 100 V Trong thực thế, hệ số nhân nhỏ hơn như vậy rất nhiều.Không phải tất cả các electron bị kích thích đều thoát ra ngoài theo hướng đi ra khỏi bềmặt của đi-nốt, và không phải tất cả đều có đủ năng lượng để vượt qua hàng rào thế bềmặt và thoát ra ngoài Trong thực tế, hệ số nhân vào khoảng 4-6 lần với mỗi tầng đi-ốt ởmức chênh lệch điện thế thông thường Sau khi thoát ra khỏi đi-nốt, không phải tất cả các

electron thứ cấp đều sẽ đi tới được tầng đi-nốt tiếp theo Do vậy không phải electron nàođược tạo ra cũng tiếp tục tham gia vào quá trình tạo electron thứ cấp tiếp theo Nếu ta gọi

hệ số nhân ứng với mỗi tầng đi-nốt là , trong đó là hệ số nhân và k là tỷ lệ electron bị mất

vì các lý do vừa nhắc tới, thì khi đó hệ số khuếch đại của ống nhân quang với N tầng nốt sẽ là:

đi-Nếu ta lấy m bằng 5 và giả sử rằng k xấp xỉ 1, thì hệ số nhân tổng sẽ bằng khoảng với sốtầng bằng 10 Hệ số nhân sẽ lớn hơn rất nhiều nếu lớp phủ trên đi-nốt có ái lực electron

âm Với lớp phủ loại này, hệ số nhân ứng với một tầng đi-nốt là khoảng 55 hoặc hơn Cấuhình vật lý thực tế của chuỗi đi-nốt không cố định Thời điểm ban đầu các đi-nốt được bốtrí theo dạng tuyến tính như trong Hình 10.6 Thiết kế dạng này được gọi thế là “thiết kếlưới hộp” Các ống nhân quang dùng cho các hệ phổ kế gamma có thiết kế theo dạng này Ngoài ra còn có một số các cấu hình sắp xếp đi-nốt khác, chẳng hạn như dạng nhânelectron theo kênh liên tục, hay dạng đĩa nhân electron siêu nhỏ Tuy nhiên các cấu hìnhnày ít được sử dụng trong các hệ phổ kế gamma ở thời điểm hiện nay

10.10 CÁC ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY ĐI-ỐT QUANG

Ống nhân quang bị giới hạn bởi độ nhạy với phổ ánh sáng tới của catốt quang ở nănglượng thấp (bước sóng dài) và bởi sự hấp thụ quang học của ánh sáng nhấp nháy ở nănglượng cao Một lựa chọn khác là sử dụng các điốt bán dẫn được gọi là điốt quang Ốngnhân quang sử dụng điốt silic có ưu điểm là chúng có dải độ nhạy rộng (xem Hình 10.7)

và có hiệu suất lượng tử cao hơn (lên tới 70% so với 25% của các vật liệu dùng làm catốtquang)