TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN

TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN TỔNG QUAN về máy đo CHUẨN HOẠT độ PHÓNG xạ TRONG y học hạt NHÂN

KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

Khóa luận được thực hiện với sự giúp đỡ của các thầy cô, gia đình và bạn bè Thông qua khóa luận này, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:

 Các Thầy Cô bộ môn Vật Lý Hạt Nhân trường đại học Khoa Học Tự Nhiên thành phố Hồ Chí Minh

 Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Hòa đã tận tình dạy bảo, gợi ý, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa khóa luận cho em

 Em cũng xin đặc biệt cảm ơn anh Nguyễn Hoàng Tùng (bệnh viện Chợ Rẫy)

đã rất tận tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu, hướng dẫn thực nghiệm và giúp

đỡ em hoàn thành khóa luận này

 Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Lê Công Hảo đã đọc và góp ý cho khóa luận của em hoàn chỉnh hơn

 Em cũng xin gửi lời tri ân đến thầy PGS.TS Châu Văn Tạo đã động viên em rất chân thành trong lúc gặp khó khăn nhất

 Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, người thân và gia đình

đã động viên, chia sẻ với em trong suốt khóa học

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012

Huỳnh Nguyễn Phong Thu

MỤC LỤC

Trang

Mục lục 1

Danh mục các từ viết tắt 3

Danh mục các bảng 4

Danh mục các hình vẽ 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I : CƠ SỞ VẬT LÝ 7

1.1 Vật lý YHHN cơ bản 7

1.1.1 Hạt nhân 7

1.1.1.1 Cấu trúc hạt nhân 7

1.1.1.2 Hạt nhân bền 7

1.1.1.3 Đồng vị 7

1.1.2 Phân rã phóng xạ 8

1.1.2.1 Hạt nhân không bền và phân rã phóng xạ 8

1.1.2.2 Phân rã alpha () 8

1.1.2.3 Phân rã beta trừ (-) 8

1.1.2.4 Phân rã beta cộng (+) và bắt electron 9

1.1.2.5 Sự phát gamma () 10

1.1.2.6 Các sơ đồ phân rã 10

1.1.2.7 Hoạt độ phóng xạ 12

1.1.3 Tương tác của hạt tích điện với vật chất 13

1.1.3.1 Sự ion hóa và kích thích 13

1.1.3.2 Sự phát bức xạ hãm 13

1.1.4 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 14

1.1.4.1 Hiệu ứng quang điện 14

1.1.4.2 Tán xạ Compton 15

1.1.5 Sự hủy cặp 17

1.2 Detector chứa khí 17

1.2.1 Ghi nhận bức xạ ion hóa 17

1.2.2 Hai chế độ hoạt động của detector 18

1.2.3 Detector chứa khí 18

CHƯƠNG II: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ 23

2.1 Buồng ion hóa 24

2.2 Mạch khuếch đại 26

2.3 Mạch chọn đồng vị 28

2.4 Bộ cung cấp nguồn 31

2.5 Bộ hiển thị 31

2.6 Đảm bảo độ chính xác phép đo 31

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY 34

3.1 Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ tại khoa YHHN 34

3.1.1 Đo hoạt độ Tc-99m vừa chiết ra và xác định độ sạch phóng xạ Tc-99m 35

3.1.2 Đo – phân liều DCPX trước khi chẩn đoán, điều trị cho bệnh nhân 38

3.1.2.1 Đo – phân liều Tc-99m 38

3.1.2.2 Đo – phân liều I-131 39

3.2 Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ cho máy PET 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

YHHN Y Học Hạt Nhân

ĐVPX Đồng Vị Phóng Xạ

DCPX Dƣợc Chất Phóng Xạ

LED Diode phát quang (Light Emitting Diode)

USP Cơ quan quy định một số mức liều của thuốc dùng trong y tế ở

Mỹ (United States Pharmacopeial Convention)

MDP Methylene Dyphosphonate

DTPA axit Diethylene-Triamine-Penta-Acetic

DMSA axit Dimercaptosuccinic

MIBI Methoxyisobutylisonitrile

PET Positron Emission Tomography

SPECT Single Photon Emission Computed Tomography

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Năng lƣợng trung bình để tạo ra một cặp ion của một số khí 20 Bảng 2.2: Hệ số đồng vị một số ĐVPX của máy CRC-25 PET 30

Bảng 2.3: Hệ số đồng vị một số ĐVPX của máy Searle 30

Bảng 2.4: Một số nguồn chuẩn để hiệu chỉnh phép đo trong máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ 32 Bảng 3.1: Kiểm tra độ sạch phóng xạ Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 38 Bảng 3.2: Đo - phân liều Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 39 Bảng 3.3: Đo - phân liều I-131 tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 41 Bảng 3.4: Đo - phân liều F-18 tại khu vực PET – Cyclotron, bệnh viện Chợ Rẫy 44

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các sơ đồ phân rã 11

Hình 1.2: Sơ đồ phân rã chỉ một số biến đổi cơ bản của Tc-99m, I-131 12

Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện 15

Hình 1.4: Tán xạ Compton 16

Hình 1.5: Sự hủy cặp 17

Hình 1.6: Sơ đồ detector chứa khí nối với mạch ngoài 19

Hình 1.7: Đường cong đáp ứng cho detector khí 22

Hình 2.1: Sơ đồ khối máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ 23

Hình 2.2: Sơ đồ nối buồng ion hóa chế độ dòng với mạch khuếch đại 25

Hình 2.3: Một số mạch khuếch đại hồi tiếp đảo dùng trong máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ 27

Hình 2.4: Mạch chọn đồng vị trong máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ 28

Hình 2.5: Một số nguồn chuẩn dùng để hiệu chỉnh phép đo trong máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ 33

Hình 3.1: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ VICTOREEN Model 34 – 061 34

Hình 3.2: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ PTW CURIEMENTOR 3 34

Hình 3.3: Cấu tạo bình sinh Tc-99m và hai loại bình sinh tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 36

Hình 3.4: Kiểm tra độ sạch phóng xạ Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 37

Hình 3.5: Đo - phân liều Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 39

Hình 3.6: Đo - phân liều I-131 tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy 40

Hình 3.7: Máy gia tốc Cyclotron Eclipse HP 42

Hình 3.8: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ CRC-25 PET 42

LỜI MỞ ĐẦU

YHHN là một ngành mới của y học chuyên sử dụng các ĐVPX hay các DCPX

để chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu y học [1]

Việc ứng dụng các ĐVPX, DCPX chủ yếu dựa trên hai kỹ thuật cơ bản là đánh dấu phóng xạ và dùng bức xạ phát ra để thu thập thông tin về chức năng, chuyển hoá để chẩn đoán bệnh hoặc tạo ra các hiệu ứng sinh học để điều trị bệnh Hoạt độ phóng xạ các ĐVPX hoặc DCPX là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả chẩn đoán, điều trị Nếu hoạt độ cao hơn mức quy định sẽ gây những hậu quả đáng tiếc cho bệnh nhân Ngược lại, nếu hoạt độ quá thấp so với mức cần thiết, mục đích chẩn đoán, điều trị có thể không thực hiện được hoặc kém chất lượng [6] Hơn nữa, hiện nay, một số ĐVPX như Tc-99m, F-18, O-15, N-13, C-11, Ga-68,… đã

có thể được sản xuất tại chính các cơ sở chẩn đoán, điều trị bằng YHHN càng đòi hỏi phương pháp đo nhanh chóng, chính xác hoạt độ các ĐVPX khi vừa được sản xuất cũng như trước khi sử dụng để chẩn đoán, điều trị cho bệnh nhân, việc này được thực hiện bằng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ

Các khóa luận trước đây thường nghiên cứu về các thiết bị chẩn đoán, điều trị bằng cách dùng ĐVPX, DCPX và chưa đề cập đến vấn đề đảm bảo hoạt độ các ĐVPX, DCPX ở các mức cho phép Vì vậy, tôi chọn đề tài này để tìm hiểu kỹ hơn về thiết bị đảm bảo hoạt độ phóng xạ an toàn và hiệu quả trong chẩn đoán, điều trị đồng thời cũng để giới thiệu về một thiết bị đo tương đối mới tại Việt Nam trong lĩnh vực YHHN Khóa luận gồm ba chương:

Chương 1: Cơ sở vật lý

Chương 2: Nguyên tắc hoạt động của máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ

Chương 3: Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ tại bệnh viện Chợ Rẫy

Các proton cùng tích điện dương nên sẽ đẩy nhau bằng lực đẩy Coulomb, tuy nhiên, có một lực liên kết mạnh mẽ gọi là lực hạt nhân thắng được lực đẩy này và liên kết chặt chẽ các nucleon lại với nhau

Số proton trong một hạt nhân được gọi là số hiệu nguyên tử, kí hiệu là Z Tổng số proton và neutron trong hạt nhân được gọi là số khối, kí hiệu là A

1.1.1.2 Hạt nhân bền [5]

Không phải tất cả các nguyên tố đều có hạt nhân bền Chúng tồn tại đa số trong các nguyên tố có trọng lượng trung bình và nhẹ, tức các hạt nhân có Z  83, ngoại trừ technetium (Z=43) và promethium (Z=61) Tất cả các hạt nhân có Z > 83 là các hạt nhân không bền Các hạt nhân bền có tỷ số giữa số neutron và proton ổn định trong khoảng 1- 1.5

1.1.1.3 Đồng vị [5]

Mỗi nguyên tử của bất kì mẫu nào của một nguyên tố đều có số proton như nhau trong hạt nhân Tuy nhiên, số neutron trong hạt nhân không phải lúc nào cũng

không đổi Đồng vị là các dạng của cùng một nguyên tố có cùng số proton trong hạt nhân nguyên tử nhưng khác nhau số neutron

1.1.2 Phân rã phóng xạ

1.1.2.1 Hạt nhân không bền và phân rã phóng xạ [5]

Như trên ta đã biết technetium, promethium và các hạt nhân có Z>83 là các hạt nhân không bền Một hạt nhân không bền sẽ tự điều chỉnh để trở thành hạt nhân bền bằng cách phát ra các thành phần trong hạt nhân (nucleon) hoặc phát năng lượng dưới dạng các photon (các tia gamma) Các tiến trình này được gọi là sự phân rã phóng xạ

Vậy sự phân rã phóng xạ là sự biến đổi của một đồng vị không bền để trở thành một đồng vị khác bằng cách phát ra một hoặc vài bức xạ ion hóa như proton (p), neutron (n), alpha (), beta (-,+) gamma ()…

1.1.2.2 Phân rã alpha () [4], [5]

Các hạt nhân không bền có số khối cao (thường vào khoảng A>150) có thể phân

rã thành các mảnh vỡ hạt nhân Mảnh vỡ hạt nhân bền nhỏ nhất được phát ra có hai proton và hai neutron, tương ứng với hạt nhân nguyên tử Heli Phân rã phóng xạ phát

ra Heli được gọi là phóng xạ  và hạt Heli phát ra được gọi là hạt 

1.1.2.4 Phân rã beta cộng (+ )và bắt electron [4], [5]

Đối với các hạt nhân có nhiều proton, để đạt được trạng thái bền, hạt nhân có

xu hướng chuyển proton thành neutron Có hai khả năng có thể xảy ra là phân rã positron (+) hoặc bắt electron

- Một proton có thể được chuyển thành một neutron và một positron – tức một electron tích điện dương thay vì tích điện âm Neutron vẫn tồn tại trong hạt nhân, chỉ có positron phát ra Trong phân rã còn có thêm một neutrino ()

1.1.2.5 Sự phát gamma () [4], [5]

Nếu hạt nhân có số nucleon và tỷ số giữa neutron với proton nằm trong vùng bền nhưng năng lượng của hạt nhân lớn hơn năng lượng nghỉ – tức hạt nhân ở trạng thái kích thích ( A

Z X e), phần năng lượng thừa sẽ được phát ra dưới dạng tia  để trở thành hạt nhân bền (A

bốn kiểu phân rã được mô tả trong hình 1.1 Mức cao nhất của sơ đồ (A

Z X) là trạng thái có năng lượng cao nhất Khi hạt nhân này phân rã bằng cách giảm năng lượng hoặc số hạt, tạo ra các hạt nhân ở hàng thấp hơn có năng lượng thấp hơn Mũi tên có hướng từ một mức đến mức tiếp theo chỉ loại phân rã Các mũi tên hướng

về bên trái chỉ sự phát alpha, phát positron hoặc bắt điện tử, tương ứng với các quá trình này, số hiệu nguyên tử giảm Mũi tên hướng bên phải chỉ sự phát -

, tương ứng với quá trình này, số hiệu nguyên tử tăng Mũi tên thẳng đứng chỉ sự phát

, số hiệu nguyên tử không thay đổi Hình 1.2 mô tả các sơ đồ phân rã chi tiết của

Tc-99m và I-131 là hai ĐVPX thường dùng trong YHHN

Hình 1.1: Các sơ đồ phân rã [4]

Trong đó, dN là số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian dt

Hoạt độ phóng xạ đặc trƣng cho tốc độ phân rã, có đơn vị là Bq (Becquerel) 1Bq = 1 phân rã/s

Ngoài ra, người ta còn sử dụng các đơn vị đặc biệt là Ci, mCi, Ci…

1Ci = 3,7x1010Bq

1.1.3 Tương tác của hạt tích điện với vật chất [4]

Khi đi qua môi trường vật chất, các hạt tích điện tương tác với vật chất qua tương tác Coulomb với lớp vỏ và nhân nguyên tử Hạt tích điện bị mất năng lượng thông qua các hiệu ứng:

Ngược lại, nếu năng lượng của hạt tích điện không đủ lớn để thắng được lực liên kết của electron trong nguyên tử mà chỉ có thể đưa các electron lên một mức năng lượng cao hơn, quá trình này gọi là sự kích thích

1.1.3.2 Sự phát bức xạ hãm [2]

Khi một hạt tích điện chuyển động có gia tốc sẽ bứt xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ Do vậy khi hạt tích điện đi vào môi trường vật chất, hạt bị trường Coulomb của nhân làm lệch hướng, chuyển động có gia tốc và phát ra bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm Năng lượng phát ra trong quá trình này tỷ lệ thuận với bình phương gia tốc, tức tỷ lệ với 1/m2 (m là khối lượng của hạt), vì vậy đối với các hạt nặng, sự phát bức xạ hãm rất nhỏ, không đáng kể, ngay cả trong môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z lớn Nhưng đối với các hạt nhẹ tích điện có năng lượng cao thì hiệu ứng phát bức xạ hãm rất lớn, có thể lớn hơn hiệu ứng ion hóa

Sự tương quan giữa hai loại mất mát năng lượng, do ion hóa và do phát bức xạ hãm, được tính theo hệ thức gần đúng:

( )800

rad

ion

dE

ZE MeV dx

dE dx

E: là năng lượng của electron (MeV)

Z: là bậc số nguyên tử của môi trường

Như vậy, với các hạt nhẹ năng lượng cao thì hiệu ứng phát bức xạ hãm xảy ra rõ rệt và nếu không chú ý có thể gây nên nhằm lẫn đáng kể khi đo năng lượng theo hiệu ứng ion hóa Đó là điều cần chú ý khi sử dụng các detector để đo năng lượng bức xạ

1.1.4 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất [5]

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất thường xảy ra theo ba cơ chế chính:

- Hiệu ứng quang điện

- Tán xạ Compton

- Hiệu ứng tạo cặp

Các ĐVPX dùng trong YHHN thường phát năng lượng nhỏ hơn 1MeV, vì vậy chỉ có hai tương tác xảy ra là hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton, nên ta không quan tâm đến hiệu ứng tạo cặp

1.1.4.1 Hiệu ứng quang điện

Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng E của mình cho electron liên kết của nguyên tử Một phần năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành năng lượng của electron [2]:

EE eI0 (1.16)

Với I0: là năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Ee: là năng lượng của electron

Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện [5]

Mức năng lượng electron giải phóng ra phụ thuộc vào năng lượng gamma Hiệu ứng quang điện đối với các lượng tử gamma có năng lượng cùng bậc với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Đối với các electron nằm ở các lớp

vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn, năng lượng liên kết của electron càng lớn Vì vậy, với khoảng năng lượng của bức xạ gamma cao hơn tia X, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%) Trong trường hợp năng lượng gamma không đủ để bứt electron lớp K, thì sẽ bứt các electron ở các lớp ngoài chẳng hạn như lớp L hoặc M Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện [2], [3]:

m n

Z k E

electron, electron này đƣợc gọi là electron Compton, photon tán xạ bị lệch đi một góc

so với photon ban đầu Góc tán xạ phụ thuộc vào tổng năng lƣợng photon truyền cho electron Compton [2]

'

2 0

E E

1.1.5 Sự hủy cặp [5]

Một số ĐVPX phân rã +

như F-18, O-15, N-13, C-11…Sau khi một positron đã mất động năng do sự ion hóa hoặc sự kích thích, positron có thể kết hợp với một electron tự do hoặc liên kết lỏng lẻo với nguyên tử Positron và electron có khối lượng bằng nhau và điện tích trái dấu Khi tương tác xảy ra, khối lượng kết hợp của hai hạt lập tức chuyển thành năng lượng dưới hình thức hai photon chuyển động ngược chiều nhau, năng lượng mỗi photon là 511keV

Hình 1.5: Sự hủy cặp

1.2 DETECTOR CHỨA KHÍ

1.2.1 Ghi nhận bức xạ ion hóa [2], [4]

Kết quả của các tương tác giữa hạt tích điện với vật chất là gây ra sự ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử, phân tử vật chất Đối với các bức xạ , quá trình đầu tiên xảy ra là sự tạo thành electron qua các tương tác quang điện, Compton

Sau đó, các electron lại gây ra sự ion hóa hoặc đưa nguyên tử, phân tử lên trạng thái kích thích, từ đó gây ra các hiệu ứng khác nhau Dựa vào các hiệu ứng đó, người ta thiết kế ra các detector để ghi đo bức xạ

Vật liệu sử dụng làm detector có thể là chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn tùy theo mục đích sử dụng Có ba loại detector cơ bản là detector chứa khí, detector nhấp nháy

và detector bán dẫn

Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ dùng trong YHHN được thiết kế dựa trên nguyên lý của detector chứa khí Vì vậy, ta sẽ đi sâu tìm hiểu về loại detector này

trong phần 1.2.3

1.1.2 Hai chế độ hoạt động của detector [2]

Detector ghi nhận bức xạ ion hóa có hai chế độ hoạt động phổ biến là chế độ dòng và chế độ xung

Trong hoạt động kiểu xung, detector được thiết kế để ghi từng lượng tử bức xạ tương tác với đầu dò Trong các detector hoạt động theo kiểu xung, có một khoảng thời gian cực tiểu mà khoảng thời gian hai bức xạ đến detector phải lớn hơn khoảng thời gian cực tiểu này thì detector mới ghi nhận như hai xung riêng biệt Thời gian này gọi là thời gian chết của detector

Khi cường độ bức xạ cao, hoạt động kiểu xung là không phù hợp, vì thời gian xuất hiện giữa các bức xạ kế tiếp nhau quá ngắn (ngắn hơn thời gian chết của detector)

để có thể phân tích riêng rẽ từng bức xạ, các xung dòng điện xuất hiện trong detector

do các bức xạ khác nhau có thể phủ lên nhau Trong những trường hợp như thế, người ta chuyển sang kỹ thuật đo khác tương ứng với thời gian trung bình được lấy trên nhiều bức xạ riêng rẽ Kiểu hoạt động này là kiểu dòng Ưu điểm của kiểu hoạt động dòng là không bị ảnh hưởng bởi thời gian chết của detector

1.1.2 Detector chứa khí

Một detector chứa khí đơn giản gồm hai phần chính là một buồng kín chứa khí

và hai tấm điện thế được gọi là các điện cực Điện cực dương được gọi là anode,

điện cực âm gọi là cathode Đối với buồng phẳng, hai điện cực đặt song song cách nhau một khoảng và được cách điện với nhau bằng không khí hoặc khí hiếm Đối với buồng hình trụ, anode thường nằm ở trung tâm của buồng đo, cách điện với lớp vỏ

bọc bên ngoài Lớp vỏ bọc bên ngoài là cathode Hình 1.6 chỉ một sơ đồ đơn giản của

detector chứa khí hoạt động ở chế độ dòng được nối với mạch ngoài [4], [5]

Hình 1.6: Sơ đồ detector chứa khí nối với mạch ngoài [4]

Khi không có bức xạ tương tác, khí giữa anode và cathode hoạt động như một chất cách điện và không có sự dịch chuyển của các hạt tích điện Khi bức xạ (tia gamma, tia X hoặc các hạt tích điện) đi qua lớp khí trong buồng, sẽ ion hóa các nguyên tử, phân tử khí sinh ra các electron tự do và các ion dương Năng lượng trung bình để tạo ra một cặp ion (W) phụ thuộc vào loại khí sử dụng trong buồng nhưng thường có giá trị từ 20 đến 45eV/một cặp ion

Bảng 1.1: Năng lượng trung bình để tạo ra một cặp ion của một số khí [1], [3]

số yếu tố như số photon đến tương tác với đầu dò (tức cường độ bức xạ của nguồn), năng lượng bức xạ, dạng hình học của detector, thành phần khí trong buồng, thể tích,

áp suất, nhiệt độ của khí, điện thế áp vào hai điện cực… [2], [4]

Điện thế áp vào hai điện cực là yếu tố quan trọng quyết định phản ứng của mỗi hạt tích điện hoặc photon khi đến tương tác với chất khí trong detector [4]

Khi điện thế giữa các điện cực của buồng khí còn thấp, điện trường giữa hai điện cực còn nhỏ, lực tác dụng lên các ion để hút chúng về các điện cực cũng nhỏ nên tốc độ trôi của các electron nhỏ trong khi mật độ của chúng lại lớn dẫn đến chúng có thể kết hợp với các phân tử khí bị ion hóa và do đó không đến được hai điện cực, sự tái hợp xảy ra mạnh mẽ và số hạt tích điện về các điện cực rất nhỏ Miền điện thế thấp này được gọi là miền tái hợp Các detector chứa khí thường không được hoạt động trong miền này vì sự tái hợp giữa các ion làm cho detector rất khó ghi nhận được lượng bức xạ tới [4]

Tại điện thế đủ lớn, hầu hết các electron sinh ra đều đi đến điện cực và các ion

bị mất do sự tái hợp là không đáng kể Trong miền điện thế này, hầu như tất cả các electron đều được thu nhận và kích thước xung hoặc dòng điện mạch ngoài không tăng nữa theo điện thế được áp vào, dòng điện này gọi là dòng bão hòa và miền điện thế này được gọi là miền ion hóa Dòng bão hòa tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ được tăng lên thì dòng bão hòa cũng được tăng lên Detector hoạt động trong miền điện thế bão hòa được gọi là buồng ion hóa [4]

Tại thế cao hơn, các electron không những nhận đủ năng lượng để đi đến các điện cực mà còn nhận thêm năng lượng để được gia tốc nhanh hơn Sự gia tốc này sinh ra nhiều cặp ion hơn, chúng được tạo ra do sự ion hóa thứ cấp của các hạt trong chất khí, do đó tạo thành một số lượng lớn các điện tử, quá trình này được gọi là sự khuếch đại khí và miền điện thế này được gọi là miền tỷ lệ Detector hoạt động trong miền điện thế này gọi là ống đếm tỷ lệ [4], [5]

Tiếp theo là miền không tỷ lệ Tại miền này, ta bắt đầu quan tâm đến các ion dương tạo ra do tương tác giữa bức xạ với các phân tử khí Ion dương có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với electron, do đó chúng trôi rất chậm về phía cathode, trong quá trình trôi về cathode, chúng di chuyển cùng nhau, mỗi tương tác sinh ra một đám mây các ion dương và phải mất một thời gian chúng mới phân tán [4], [5]

Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự khuếch đại khí lớn đến mức một hạt ion hóa đơn lẻ có thể tạo ra nhiều thác electron dọc theo chiều dài anode dẫn đến kích thước xung rất rộng, miền điện thế này được gọi là miền Geiger-Muller Detector hoạt động trong miền điện thế này gọi là ống đếm Geiger-Muller [4]

Nếu điện thế được tăng lên vượt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng Geiger-Muller, thì điện thế là đủ cao để ion hóa trực tiếp các phân tử khí Miền này được gọi là miền phóng điện liên tục và trong miền điện thế này, kết quả ghi đo có thể không đúng nên các detector ghi bức xạ sẽ không được hoạt động trong miền này [4]

Hình 1.7: Đường cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí [5]

Hình 1.7 diễn tả đường cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí Trong đó,

miền (I) là miền tái hợp, miền (II) là miền ion hóa, miền (III) là miền tỷ lệ, miền (IV)

là miền không tỷ lệ, miền (V) là miền Geiger-Muller và miền (VI) là miền phóng điện liên tục