LUẬN văn sư PHẠM vật lý TIA x và ỨNG DỤNG TRONG kỹ THUẬT CHỤP CT

Khi một electron ở mức năng lượng thấp bị bứt ra khỏi nguyên tử thì các electron ở mức năng lượng cao hơn sẽ chuyển về lấp chỗ trống đó và năng lượng dư thừa sẽ phát dưới dạng bức xạ với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Thầy PHẠM VĂN TUẤN

Cần Thơ 2009

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài “Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT”, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn

Tuy nhiên, với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn

và thầy cô bộ môn Vật Lý đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Hữu Hậu đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Xin gởi đến thầy Vương Tấn Sĩ và thầy Phạm Văn Tuấn lời biết ơn sâu sắc vì đã đọc tài liệu và góp ý vào luận văn này

để tôi khắc phục những sai sót

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn lớp sư phạm Vật Lý – Tin Học K31 đã đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt đề tài của mình

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Diễm Phúc

TÓM TẮT

› & š

“Vật lý của hôm nay là kỹ thuật của ngày mai” Khi các nhà vật lý cho ra đời những định luật, công bố phát hiện mới thì dần dần nó có thể được ứng dụng vào cuộc sống Vào năm 1895, trong một dịp tình cờ Roentgen đã phát hiện ra tia X Sau đó tia X được ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, … đặc biệt là lĩnh vực y khoa Khoa học càng phát triển thì nhu cầu chăm sóc sức khỏe con người rất được quan tâm Việc chẩn đoán chính xác bệnh là rất cần thiết đối với người bác sĩ Một trong những phương pháp giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác đó là phương pháp chụp CT dựa trên nền tảng của việc sử dụng tia X

Tia X là một bức xạ điện từ có bước sóng ngắn Nó có khả năng đâm xuyên sâu,

có thể xuyên qua gỗ, giấy, phần mềm cơ thể, … Chùm tia X được phát ra theo hai cơ chế:

cơ chế phát bức xạ hãm và cơ chế phát bức xạ đặc trưng Phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục còn phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch Tia X được chia thành hai loại là tia X cứng và tia X mềm Để phát ra tia X người ta dùng bóng phát tia X Đó là bóng Cooligde

là một bóng thủy tinh có độ chân không cao Hai đầu bóng có hai điện cực là anode và cathode Khi cathode được nung nóng sẽ tạo ra các electron Dưới hiệu điện thế giữa anode và cathode, các electron chuyển động về phía anode Khi đến anode, electron có động năng lớn đập vào anode và phát ra tia X Để ghi nhận tia X người ta dùng thiết bị đo bức xạ đó là các detector bức xạ

Ngoài tính chất sóng được thể hiện qua hiện tượng nhiễu xạ, tia X còn có tính chất hạt được thể hiện qua sự tương tác tia X với vật chất Nếu chùm tia X đi vào vật chất thì

e o I

hấp thụ này còn phụ thuộc vào bản chất của vật chất và năng lượng của tia X

Dựa vào tính chất đâm xuyên của tia X và sự hấp thụ tia X khác nhau mà nó được ứng dụng vào phương pháp chẩn đoán hình ảnh, một trong những phương pháp đó là phương pháp chụp CT Tia X được tạo ra từ nguồn phát tia X, sau khi tia X đi ngang qua

cơ thể, do các tế bào khác nhau hấp thụ tia X cũng khác nhau nên sự suy giảm cường độ sau khi đi qua cơ thể cũng khác nhau Các bộ phận detector (bộ cảm biến điện tử) sẽ ghi nhận và truyền thông tin đến hệ thống thu nhận dữ kiện Hệ thống này sẽ xử lý và xuất ra màn hình Nhờ vào những hình ảnh thu được có thể giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác một

số bệnh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Câu hỏi nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Các bước thực hiện 2

PHẦN NỘI DUNG 3

Chương 1 TÌM HIỂU VỀ TIA ROENTGEN (TIA X) 3

1.1 Phát hiện tia X 3

1.2 Bản chất tia X 4

1.3 Cơ chế phát xạ và phổ tia X 5

1.3.1 Phổ liên tục 5

1.4.2 Phổ vạch 7

1.5 Công suất phát xạ của bóng phát tia X 11

Chương 2 NGUỒN PHÁT TIA X VÀ SỰ GHI NHẬN TIA X 13

2.1 Nguồn phát tia X 13

2.1.1 Cấu tạo 13

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14

2.1.3 Phân loại bóng phát tia X 15

2.1.3.1 Bóng phát tia có hai tiêu điểm 15

2.1.3.2 Bóng phát tia X có anode quay 17

2.2 Liều lượng bức xạ 17

2.2.1.Liều hấp thụ 17

2.2.2 Liều tương đương 18

2.2.3 Liều hiệu dụng 19

2.2.4 Liều chiếu 20

2.2.5 Liên hệ giữa liều chiếu với liều tương đương 21

2.3 Ghi nhận tia X 21

2.3.1 Detector chứa khí 21

2.3.1.1 Nguyên tắc cơ bản của detector chứa khí 21

2.3.1.3 Ống đếm tỷ lệ 24

2.3.1.4 Ống đếm Geiger-Muller 25

2.3.2 Detector chất rắn 26

2.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 26

2.3.2.2 Detector nhấp nháy 27

2.3.2.3 Detector nhiệt huỳnh quang 28

2.3.3 Detector bán dẫn 28

2.3.4 Hiệu ứng quang ảnh 29

Chương 3 MẠNG VÀ CẤU TRÚC TINH THỂ 30

3.1 Mạng tinh thể 30

3.2 Sự đối xứng mạng tinh thể 31

3.3 Hệ tinh thể và hệ mạng Bravais 32

3.4 Cấu trúc tinh thể điển hình 33

3.5 Biểu thị các nút, chiều và mặt tinh thể - chỉ số Miller 34

3.5.1 Chỉ số các nút 34

3.5.2 Chỉ số phương của tinh thể 35

3.5.3 Chỉ số của các mặt trong tinh thể 36

3.6 Mạng đảo 37

3.7 Nhiễu xạ tia X 40

3.7.1 Hiện tượng nhiễu xạ 40

3.7.2 Định luật Bragg 41

3.8 Các phương pháp xác định cấu trúc tinh thể 44

3.8.1 Phương pháp Laue 44

3.8.2 Phương pháp tinh thể quay 44

3.8.3 Phương pháp bột 45

Chương 4 TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VỚI VẬT CHẤT 46

4.1 Hiệu ứng quang điện 46

4.2 Hiệu ứng Compton 49

4.3 Hiệu ứng tạo cặp 52

4.4 Sự hấp thụ tia X 53

Chương 5 ỨNG DỤNG TIA X TRONG KỸ THUẬT CHỤP CT 55

5.1 Chẩn đoán X quang 55

5.1.1 Kỹ thuật chiếu X quang 55

5.1.2 Chụp X quang 55

5.1.2.1 Kỹ thuật 55

5.1.2.2 Phương pháp loại trừ tia thứ 56

5.2 Chẩn đoán bằng kỹ thuật chụp CT 56

5.2.1 Lịch sử 56

5.2.2 Nguyên lý cơ bản 57

5.2.2.1 Cấu tạo 57

5.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 59

5.2.3 Nguyên lý tái tạo lại hình theo ma trận Đơn vị Hounsfield 61

5.2.4 Đặc điểm hình ảnh 62

5.2.5 Nhiễu ảnh 64

5.2.6 Các thế hệ máy chụp CT 64

5.2.7 Lượng nhiễm xạ đối với chụp CT 66

5.2.8 Ứng dụng của chụp CT 66

5.3 Tác dụng sinh lý của tia X 68

5.4 Phương pháp bảo vệ để tránh tác hại của tia X 70

5.4.1 Đối với nơi đặt máy 70

5.4.2 Khi chụp và chiếu 70

PHẦN KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khi nói về vai trò của vật lý trong khoa học kỹ thật, người Nga có một nhận định:

“Vật lý học của ngày hôm nay chính là kỹ thuật của ngày mai” Đúng vậy, việc khám phá

ra hiện tượng cảm ứng điện từ của Faraday vào năm 1831 dựa trên nền tảng lý thuyết điện từ của Maxwell, tạo nên một ứng dụng quan trọng trong việc chế tạo các loại máy điện; định luật phát xạ của Albert Einstein tìm ra năm 1917 đã dẫn đến sự ra đời của máy phát lượng tử (Laser) năm 1965; …

Sau phát minh của Faraday, các nhà vật lý đổ xô tìm hiểu về phát minh mới này Vào những năm 1890, đề tài về tia điện là đề tài hấp dẫn của nhiều nhà khoa học, trong

đó có Roentgen Đến năm 1895, tại phòng thí nghiệm trường đại học Wurzburg, khi thực hiện về tia âm cực trên ống chân không Crookes, Roentgen đã tình cờ phát hiện ra tia X Ngay sau công bố của ông, tia X đã được ứng dụng trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa Sau

đó, tia X còn được ứng dụng rộng rãi như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu cấu trúc vật chất Ngoài ra tia X còn được ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học, …

Ngày nay, sự xâm nhập của công nghệ thông tin vào y học đã mang lại những bước tiến mới Điển hình là sự ra đời của nhiều phương pháp chẩn đoán hình ảnh Các phương pháp này ngày càng phát triển và giữ vai trò quan trọng trong việc giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh tốt hơn Một trong những phương pháp như vậy là phương pháp chụp cắt lớp vi tính CT Ngày nay, chụp CT đã trở nên nổi tiếng nhưng cách đây hơn 30 năm, việc nghiên cứu thành công máy chụp cắt lớp phân tầng đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa, đóng góp rất nhiều cho việc phát hiện sớm để điều trị nhiều căn bệnh nan y Máy chụp CT được phát minh dựa trên nền tảng việc sử dụng tia X Vậy tia X được tạo ra bằng cách nào? Nó có bản chất và tính chất gì và nó được ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT ra sao?

Là một sinh viên Vật Lý Trường Đại Học Cần Thơ, tôi đã được tìm hiểu về tia X ở góc độ lý thuyết Tuy nhiên, những kiến thức về y học của tôi còn hạn chế, chưa sâu rộng Do đó, việc tìm hiểu về tia X và tầm quan trọng của tia X trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh là rất cần thiết Với những lý do đó đã tạo cho tôi một động lực để tôi quyết định chọn đề tài “Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT” Tôi tin rằng những kiến thức mà tôi tìm hiểu và nghiên cứu sẽ rất có ích cho tôi trong quá trình học tập cũng như công tác giảng dạy sau này

2 Câu hỏi nghiên cứu

Với những lý do đã trình bày, luận văn này được xây dựng để trả lời những câu hỏi sau:

Tia X là gì? Tia X được phát hiện ra như thế nào?

Tia X có những bản chất và tính chất gì?

Tia X được ứng dụng như thế nào trong kỹ thuật chẩn đoán bệnh bằng phương pháp chụp CT?

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tia X dựa trên cơ sở phân tích những tài liệu, những thông tin có liên quan

Từ sự phân tích cơ sở lý thuyết đó, tiến hành nghiên cứu ứng dụng tia X trong kỹ thuật chụp CT

Cuối cùng rút ra kết luận, nêu những ưu điểm và hạn chế của đề tài

4 Các bước thực hiện

Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài

Bước 2: Lập đề cương cho đề tài

Bước 3: Sưu tầm và tìm các tài liệu có liên quan

Bước 4: Viết báo cáo và sửa chữa theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn Bước 5: Báo cáo

Năm 1895, Roentgen là hiệu trưởng của trường đại học tổng hợp Wurburg và là giáo sư vật lý giảng dạy tại đây, kiêm giám đốc một phòng thí nghiệm rất hoàn hảo do chính ông xây dựng Ngày 8 tháng 11 năm 1895, vẫn như mọi ngày Roentgen cũng về nhà trễ hơn mọi người, vô tình ông ra về mà quên ngắt cầu dao cao thế dẫn vào ống cathode nên ông đã quay trở lại phòng thí nghiệm Theo thói quen ông không cần bật đèn, đi thẳng tới bàn thí nghiệm, ông đã rất ngạc nhiên khi thấy một vệt sáng màu xanh lục trên bàn Ông nhanh chóng xác định ra được vệt sáng đó nằm trên màn phủ chất huỳnh quang Bari platinat đặt trước ống cathode Khi ngắt cầu dao cao thế thì ánh sáng

đó biến mất Ông lập lại vài lần kết quả vẫn như thế

Ông làm đi làm lại các thí nghiệm với ống cathode và màn huỳnh quang Ông thử dùng giấy đen bịt kín ống cathode nhưng kết quả vẫn làm màn huỳnh quang phát sáng Rồi ông làm thí nghiệm với những vật rắn khác nhau như giấy, gỗ, bìa cứng, … Có lần ông đặt dưới ống cathode một hộp đựng giấy ảnh, khi không đóng mạch điện, giấy ảnh tráng ra vẫn màu trắng; khi đóng mạch điện, tờ giấy ảnh khi tráng ra trở nên đen kịt Lặp lại thí nghiệm, tờ giấy vẫn ngã màu đen Bất chợt ông thấy ở mép của một tấm ảnh có vật

gì trắng trắng giống hình một đốt xương, phải chăng đó là bóng ngón tay ông đã cầm hộp giấy ảnh?

Khi lặp lại thí nghiệm, lần này ông đặt lên hộp giấy

cả bàn tay của mình Khi quan sát tờ giấy ông thấy rõ một

bàn tay gớm ghiếc có thể phân biệt được cả phần da, thịt lẫn

phần xương Như thế, tia này đâm xuyên qua các vật liệu

như giấy, gỗ, kể cả da, thịt và hiện lên giấy ảnh

Qua nhiều lần làm đi làm lại thí nghiệm ông đã rút ra

kết luận: tia đặc biệt này có khả năng đâm xuyên qua giấy,

gỗ, phần mềm cơ thể, … nhưng không qua được kim loại,

không xuyên qua được một số bộ phận của cơ thể, nhất là

Hình 1.2: Tấm phim X- quang đầu tiên

những bộ phận có chứa các nguyên tố nặng như xương Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường hay điện trường, nó ion hóa không khí và tác dụng lên kính ảnh Từ

đó ông gọi tia đặc biệt này là tia X, Roentgen đã phát hiện tia X chính là ở chỗ có chùm electron đập vào Từ đó, ông chế tạo ra được một thiết bị phát ra chùm tia X mạnh mà ngày nay người ta gọi là bóng phát tia X hay bóng phát tia Roentgen

1.2 Bản chất tia X

Qua quá trình nghiên cứu Roentgen đã nhận thấy tia X được phát ra từ vật rắn khi vật đó bị bắn bởi chùm electron có năng lượng lớn Roentgen cùng Stocker và Gongamme đã đi sâu nghiên cứu bản chất tia X và đi đến kết luận: Tia X là sóng điện từ

Sau gần 20 năm, những thí nghiệm nhằm chứng minh bản chất sóng của tia X và xác định bước sóng của nó đều thất bại và chỉ rút ra được một kết luận: Bước sóng tia X nhỏ hơn bước sóng bức xạ điện từ thông thường rất nhiều

Mãi đến năm 1913, Laue đã dùng tinh thể làm cách tử để nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của tia X và đã cho những số liệu đầu tiên về bước sóng tia X Từ đó người ta đã

đi sâu về nghiên cứu bản chất tia X và thấy rằng: Tia X là sóng điện từ, có bước sóng ngắn trong khoảng 0,01

0

A đến 100 A0 Tia X có năng lượng trong khoảng 200 eV đến 1MeV, chúng nằm giữa tia gamma (g ) và bức xạ tia cực tím (UV) trong phổ điện từ

Bảng 1.1: Các loại sóng điện từ và bước sóng tương ứng

Tia X và tia gamma tương tự nhau, chúng chỉ khác nhau ở hai tính chất quan trọng Thứ nhất, các tia g phát ra từ trong hạt nhân nguyên tử còn tia X phát ra từ những thay đổi trên quỹ đạo điện tử Thứ hai, tia g của một nguồn đồng vị xác định có năng lượng rời rạc xác định, nhưng tia X thì thường có một dãy hoặc phổ năng lượng rộng lên một giá trị cực đại đặc trưng nào đó

Ngoài tính chất sóng như ánh sáng, tia X còn có tính chất hạt được thể hiện qua các quá trình tương tác của nó với vật chất Đối với tia X ta không thể quan sát bằng mắt thường mà phải dùng màn huỳnh quang hoặc phim ảnh để quan sát Khác với bức xạ thông thường, tia X có khả năng đâm xuyên rất lớn và bị các chất hấp thụ cũng rất khác nhau tùy thuộc vào năng lượng hoặc bước sóng của tia X

1.3 Cơ chế phát xạ và phổ tia X

Chùm tia X phát ra từ anode của bóng phát tia X theo một trong hai cơ chế: Bức

xạ hãm và bức xạ đặc trưng Trong đó phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục còn phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch

1.3.1 Phổ liên tục

Phổ liên tục được tạo ra khi

chùm điện tử từ cathode bay đến

anode, qua quá trình được điện

trường gia tốc, vận tốc trước lúc

đập vào anode có giá trị rất lớn Khi

đập vào anode điện tử dừng lại đột

ngột, nghĩa là có gia tốc rất lớn

Theo điện động lực học cổ điển,

một hạt tích điện có gia tốc sẽ phát

sóng điện từ vào không gian xung

quanh Điện tử ở bóng phát tia X có gia tốc rất lớn như vậy sẽ phát sóng điện từ vào không gian xung quanh, đó là tia X Năng lượng của tia X là động năng của điện tử chuyển hóa thành Vì lúc dừng lại, các điện tử bị gia tốc rất khác nhau nên phổ tia X phát

Phổ liên tục bao gồm dãy các tần số liên tục tăng dần đến tần số cực đại ứng với bước sóng ngắn nhất lmin Đường cong chỉ có một cực đại ứng với một giá trị bước sóng nào đó, bước sóng ứng với năng lượng cực đại là lm Giá trị cực đại của năng lượng tăng theo sự tăng của hiệu điện thế giữa anode và cathode và lệch về phía sóng ngắn

Khi bước sóng giảm, cường độ bức xạ hãm giảm mạnh hơn và bị sụt đột ngột, khi cường độ giảm tới giá trị 0 ứng với một bước sóng tại đó gọi là bước sóng giới hạn

min

l

lg = , dưới giá trị bước sóng này thì phổ liên tục không tồn tại

Tần số giới hạn gn được xác định bởi điện áp gia tốc U Khi đó gn tỷ lệ với U Với một hiệu điện thế nhất định thì giới hạn của đường cong ứng với một bước sóng giới

hạn gl Nếu hiệu điện thế giữa anode và cathode càng cao thì giá trị ml và gl càng dịch chuyển dần về phương sóng ngắn đồng thời giá trị năng lượng cực đại càng tăng

Bước sóng ngắn giới hạn có thể giải thích dựa vào thuyết photon về ánh sáng

Electron sau khi vượt qua hiệu điện thế U sẽ có năng lượng E đ = eU Khi va chạm với

nguyên tử một phần năng lượng của chúng bị mất đi và được bức xạ dưới dạng photon

v

Phương trình (1.1) trở thành:

eU g

Qua nghiên cứu cho thấy: Giá trị bước sóng ml ứng với cực đại của đường cong

từ gl đến các bước sóng lớn hơn

1.4.2 Phổ vạch

Các electron trên các vỏ nguyên tử

của bia trong bóng tia Roentgen có thể bị

kích thích bởi các electron tới Ngoài ra, do

electron tới có năng lượng lớn đập vào một

nguyên tử trong bia và làm bật ra một

electron nằm sâu trong nguyên tử đó Khi

một electron ở mức năng lượng thấp bị bứt

ra khỏi nguyên tử thì các electron ở mức

năng lượng cao hơn sẽ chuyển về lấp chỗ

trống đó và năng lượng dư thừa sẽ phát dưới

dạng bức xạ với tần số n Do khoảng cách

giữa các mức năng lượng có giá trị lớn nên

bước sóng của bức xạ phát ra nằm trong vùng phổ của tia Roentgen (tia X)

Một mối tương quan rất thành công giữa mẫu nguyên tử Bohr với quan sát thực nghiệm là việc nghiên cứu phổ tia X bởi nhà vật lý người Anh là Henry G.J.Moseley

Năm 1913, Moseley đã tìm ra đặc điểm phổ đặc trưng của tia X Khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp thì nguyên tử sẽ phát ra bức

Biểu thức (1.5) có thể viết lại:

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

-

-=

2 2

2 1

n n a Z Rc

Từ biểu thức (1.7) suy ra:

T1( 1)=- 1 và

hc

W n

T2( 2) =- 2Như vậy số hạng quang phổ là một đại lượng tỷ lệ với giá trị năng lượng của các trạng thái dừng

Nếu electron bị bứt ra khỏi nguyên tử ở lớp vỏ K (n=1) sẽ để lại một lỗ trống trong lớp vỏ đó Khi các electron ở mức năng lượng cao hơn chuyển về để lấp đầy lỗ trống sẽ phát ra một dãy vạch phổ ký hiệu Ka,Kb,Kg , … theo ký hiệu của bức xạ Roentgen (Hình 1.6)

Nếu electron bứt ra là ở lớp vỏ L (n=2) thì nguyên tử sẽ phát ra dãy vạch L Tương

tự, các nguyên tử chuyển về lớp vỏ M sẽ cho dãy M,

Khi electron bị bắn ra ngoài trước kia nằm ở lớp vỏ ứng với n = 1 và electron đến thay thế ở lớp vỏ ứng với n = 2 thì tia X sẽ bức xạ số sóng:

2

2 2

2

21

a Z R a Z

2

31

a Z R a Z

2

41

a Z R a Z

như nhau và các điện tử ở bên ngoài ít ảnh hưởng đến chúng nên số hiệu chỉnh a giữ

không đổi với mọi nguyên tố nặng, nghĩa là không phụ thuộc thuộc vào số thứ tự Z Do

đó biểu thức (1.12) có thể viết dưới dạng:

2 2

2 1

2 1

2 2 2

2 2

2 2

1

2

n n a Z R n

a Z R n

a Z

-=

-

n n

-2 1

2 1

2 2 21

n

Biểu thức (1.16) đúng cho mọi nguyên tố và là nội dung của định luật Moesley Phương trình (1.16) là một đường thẳng và hoàn toàn phù hợp với số liệu thực nghiệm (Hình 1.7)

Dưới những điều kiện nhất định, đối cathode sẽ phát ra bức xạ tia X đặc trưng thường gồm hai vạch phân biệt là Ka và Kb

Từ thực nghiệm người ta thấy rằng mỗi vạch phổ tia X đặc trưng gồm nhiều vạch rất gần nhau Đó là kết quả cấu trúc tinh tế của các mức năng lượng nguyên tử (trừ vỏ K, với vỏ đó ta có n = 1 và L = 0) Trong trường hợp tồn tại nhiều mức năng lượng hơn so với trước thì trong phổ sẽ có thêm các vạch phụ Các vạch phụ này hay cấu trúc tinh tế có thể quan sát dễ dàng nhờ các phổ kế với độ phân giải cao vừa phải Lúc đó người ta thấy rằng nhiều vạch trước đây tưởng là vạch đơn nhưng thực tế mỗi vạch đó gồm nhiều vạch với bước sóng cách nhau cở vài

0

A Măc dù mẫu Bohr đã được phát triển để nghiên cứu các nguyên tử tự do ở thể khí nhưng người ta cũng có thể áp dụng mẫu đó để giải thích các tính chất của các nguyên tử trong môi trường rắn do chúng chịu tác dụng của các tương tác mạnh Nguyên nhân là do các chuyển dời tia X chỉ xảy ra giữa các electron ở mức năng lượng thấp nhất và chịu liên kết mạnh nhất với hạt nhân Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành một vật rắn thì năng lượng của các electron ở các vỏ ngoài sẽ khác với năng lượng mà chúng có, khi các nguyên tử ở trạng thái khí Năng lượng của các electron ở các vỏ trong sẽ không chịu một biến đổi nào do chúng liên kết mạnh

cR

n

Hình 1.7: Đồ thị Moseley

Z

1.5 Công suất phát xạ của bóng phát tia X

Bóng phát tia X có nhiều loại, tùy theo công việc cụ thể mà người ta sử dụng các loại bóng phát tia X khác nhau Mỗi bóng có một công suất phát xạ nhất định và được xác định Trong y học thường dùng cơ chế phát bức xạ hãm nên công suất phát xạ ở đây chỉ giới hạn cho bức xạ hãm

Giả sử có một bóng phát tia X, hiệu điện thế giữa anode và cathode là U, cường độ dòng điện chạy qua bóng là I, nguyên tử số chất làm anode là Z thì thực nghiệm đã xác định công suất phát xạ của bóng là:

IZ kU

Nếu hiệu điện thế tính bằng V, dòng điện là A và công suất là W thì hệ số tỷ lệ k=10-9 Như vậy công suất phát xạ tỷ lệ với bình phương hiệu điện thế giữa anode và cathode, tỷ lệ bậc nhất với cường độ dòng điện qua bóng và nguyên tử số Z của chất làm anode

Muốn bóng có công suất lớn thì tăng hiệu điện thế U, điều đó phù hợp với điều kiện tạo ra photon tia X có năng lượng lớn (bước sóng nhỏ) Như vậy, khi tăng hiệu điện thế giữa anode và cathode thì sẽ thu được tia X có năng lượng lớn Những tia X có bước sóng cỡ một phần trăm milimicron hoặc ngắn hơn gọi là tia X cứng, còn những tia X có bước sóng cỡ một phần mười milimicron hoặc lớn hơn gọi là tia X mềm

Ngoài ra công suất tiêu thụ còn phụ thuộc vào dòng điện I chạy qua bóng, dòng lớn hay nhỏ còn phụ thuộc vào số electron phát ra khỏi cathode nhiều hay ít Muốn điều khiển dòng electron thì điều khiển hiệu điện thế đốt nóng cathode Bên cạnh đó còn có một yếu tố ảnh hưởng đến công suất phát xạ của bóng là nguyên tử số Z của chất làm anode Người ta thường chọn chất làm anode có Z lớn, bền vững, có nhiệt độ nóng chảy cao và ít bị bào mòn khi chùm electron đập vào

Với mỗi bóng phát tia X thường có hệ số hiệu dụng h được xác định như sau:

kUZ UI

IZ kU P

TÓM TẮT CHƯƠNG I

Roentgen sinh ra ở Đức, năm 1895 ông tình cờ phát hiện ra tia X Bản chất tia X là sóng điện từ, có bước sóng ngắn trong khoảng 0,01A0 đến 100 A0 Tia X có khả năng đâm xuyên rất lớn, có thể xuyên qua giấy, gỗ, phần mềm cơ thể,

Chùm tia X được phát ra từ anode của bóng phát tia X theo hai cơ chế: bức xạ hãm

và bức xạ đặc trưng Trong đó phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục, phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch

Bước sóng giới hạn của phổ liên tục:

n n

-2 1

2 1

2 2 21

n

Bóng Coolidge là loại bóng âm cực cháy đỏ vận chuyển theo nguyên lý của hiệu ứng nhiệt điện tử

2.1.1 Cấu tạo

Tia X được phát ra khi các hạt mang điện chuyển động nhanh bị hãm đột ngột bởi vật chắn Thông thường để tạo ra tia X người ta sử dụng các electron, vì việc gia tốc electron đòi hỏi cường độ điện trường thấp hơn so với trường hợp sử dụng các hạt mang điện khác Như vậy để phát tia X thì cần phải tạo ra các quá trình sau:

- Tạo ra các electron tự do trong chân không

- Phải gia tốc các electron tự do bằng một điện trường

- Hãm các electron tự do được gia tốc bằng một vật chắn

Kết quả của tương tác giữa chùm electron có động năng lớn với các nguyên tử của vật chắn làm phát ra tia X

Để tạo ra các quá trình trên, người ta tạo ra một bóng phát tia X Đó là bóng Coolidge, là một bóng thủy tinh có độ chân không cao, dưới một phần triệu mmHg Hai đầu bóng có hai điện cực, một điện cực dương (anode), một điện cực âm (cathode)

Nước vào

Nước ra

Hình 2.1: Bóng phát tia X

Cathode bóng phát tia X

Là một sợi dây Tungsten cuốn hình xoắn ốc đốt nóng bởi một dòng điện phụ Nguồn điện phụ này là một máy giảm thế, có dòng điện sơ cấp là dòng điện có hiệu điện thế 110V và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp là dòng điện có hiệu điện thế 6 – 10V (tùy từng loại sợi làm cathode) được đưa vào cathode để đốt nó nóng đỏ Cathode được nung nóng là nơi phát ra electron tự do để bay về anode

Cathode được đặt nằm trong một cái phiễu hoặc một cái ống với mục đích để tập trung điện tử lại thành một luồng hướng thẳng về phía anode, không cho chùm electron tóe ra và giữ cho sợi dây làm cathode khỏi bị méo và tránh cho cathode mau hư hỏng do sức hút của những ion dương trong bóng Bộ phận này gọi là bộ phận tập trung, nối liền với cathode

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Muốn bóng phát làm việc thì cần phải có các điều kiện sau:

- Phải có nguồn electron

- Giữa anode và cathode phải có trường gia tốc cho electron

Khi cathode được nung nóng sẽ phát ra các electron, khả năng phát ra electron của cathode phụ thuộc vào dòng sợi đốt và diện tích bề mặt cathode Lúc này xung quanh cathode xuất hiện đám mây các electron bao quanh cathode

Dưới tác dụng của hiệu điện thế giữa anode và cathode mà các electron chuyển động về phía anode, tạo ra dòng điện trong ống Hiệu điện thế này càng cao thì vận tốc electron càng lớn, dẫn đến động năng của electron càng lớn, động năng của electron được tính theo công thức:

2

2

1

mv eU

đ

Khi đến anode, electron có động năng lớn này đập vào anode, động năng bị triệt tiêu và biến thành năng lượng bức xạ Nếu toàn bộ động năng của electron đều chuyển thành năng lượng photon tia X thì theo phần phổ tia X trình bày ở chương sau

g hv

eU =

Hay:

g

c h eU

c=2,998.108 Thay các giá trị vào ta được:

l giảm khi U tăng và ngược lại

2.1.3 Phân loại bóng phát tia X

Có nhiều cách để phân loại bóng phát tia X Tùy thuộc vào phương pháp tạo electron tự do người ta phân biệt bóng phát ion và bóng phát điện tử:

- Bóng phát ion là loại bóng có chứa khí loãng, với áp suất khoảng

mmHg

3

2 10

bị ion hóa, các ion dương bắn vào cathode tạo ra electron tự do

- Bóng phát điện tử là loại bóng tạo ra các eletron tự do bằng cách nung nóng cathode ở nhiệt độ cao Loại bóng này có nhiều ưu điểm hơn bóng phát ion nên bóng phát điện tử được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

Tùy thuộc vào phương pháp tạo và giữ chân không, người ta phân biệt bóng phát hàn kín và bóng phát lắp ráp:

- Trong bóng phát hàn kín, chân không được tạo ra khi chế tạo Bóng được hàn kín sau khi tạo chân không, độ chân không được giữ nguyên trong quá trình sử dụng

- Trong bóng phát lắp ráp chân không được tạo ra và duy trì nhờ hệ thống bơm chân không

Dựa vào hiệu suất của bóng người ta còn phân ra bóng có công suất lớn, công suất nhỏ hay công suất trung bình

Sau đây là một số loại bóng phát tia X

2.1.3.1 Bóng phát tia có hai tiêu điểm

Cathode của bóng có hai tiêu điểm, một tiêu điểm lớn và một tiêu điểm nhỏ, độ chân không của bóng rất cao Hai tiêu điểm này hình chữ nhật dài 3 10mm´ và 3 8mm´ ,

được đặt nằm nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang của phim để làm cho hình chiếu lên phim thu nhỏ lại Nếu độ nghiêng là 700 thì hình quang học của tiêu điểm thực thu nhỏ lại một phần ba, nếu độ nghiêng là 800 thì hình quang học của tiêu điểm thực thu nhỏ lại một phần sáu Hai tiêu điểm của cathode có độ nghiêng khác nhau để tăng hiệu lực lên

Tiêu điểm lớn được dùng khi nào cần một công suất cao (ví dụ như chụp X-Quang những bộ phận dày hay di động, cần chụp nhanh) Tiêu điểm nhỏ được dùng để chiếu và chụp những bộ phận tinh vi

Để đảm bảo cho bóng hoạt động ở chế độ điện áp cao mà vẫn có độ cách điện tốt, người ta đặt bóng trong vỏ kim loại chứa đầy dầu Dầu không chỉ có tác dụng cách điện

mà còn có tác dụng làm mát cho bóng

Phía trong vỏ kim loại có một lớp chì mỏng dùng để ngăn cản những tia X theo hướng không có lợi, tia X chỉ được phát ra ở cửa sổ của bóng

Loại bóng này có anode cố định Loại bóng này có ưu và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ dàng di chuyển

- Nhược điểm: Chùm electron luôn đập vào một vị trí nhất định của anode nên làm cho vị trí đó ở anode có nhiệt độ rất cao và làm giảm tuổi thọ của bóng

Diện nhiệt của tiêu điểm thường 3,3 x 9,9 m/m

Diện nhiệt của tiêu điểm dài

3 x 18 m/m

Diện quang học của tiêu điểm thường 6

KW 3,3 x 3,3 m/m

Diện quang học của

tiêu điểm dài 12

KW 3,3 x 3,3 m/m

Hình 2.2: Bóng phát tia X có hai tiêu điểm

2.1.3.2 Bóng phát tia X có anode quay

Để khắc phục nhược điểm của bóng phát tia X có anode cố định người ta chế tạo loại bóng có anode quay, bóng phát tia X có anode quay thỏa mãn được hai yêu cầu:

- Tăng được diện tích anode

- Trong quá trình quay bóng sẽ tự

động làm mát

Trong bóng phát tia X có anode

quay thì anode có dạng như một cái dĩa úp

sấp, bờ xung quanh vát nghiêng, có trục

gắn với rotor của một động cơ điện và

quay được nhờ vào từ trường quay do

cuộn stator được đặt ngoài vỏ thủy tinh

của bóng phát tia tạo nên

Lúc bóng làm việc thì anode xoay

- Ưu điểm: Có dòng phát từ vài trăm đến vài ngàn mA, dòng phát tia này được tạo

ra trong thời gian ngắn nên đảm bảo cho bóng phát tia làm việc được lâu dài

- Nhược điểm: Phải lắp đặt cố định, phải có chế độ đảm bảo an toàn cao

2.2 Liều lượng bức xạ

2.2.1.Liều hấp thụ

Tác hại của bức xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào sự hấp thụ năng lượng bức xạ

và gần đúng tỷ lệ với nồng độ năng lượng hấp thụ trong mô sinh học Do đó, đơn vị cơ bản của liều bức xạ được biểu diễn qua năng lượng hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của mô Khái niệm liều hấp thụ không chỉ dùng cho đối tượng sinh học mà dùng cho một môi trường vật chất bất kỳ Do đó liều hấp thụ được định nghĩa như sau:

Liều hấp thụ (kí hiệu là D) là tỷ số giữa năng lượng trung bình de mà bức xạ truyền qua vật chất trong thể tích nguyên tố và khối lượng vật chất dm của thể tích đó:

Hình 2.3: Sơ đồ ống phát tia X có anode quay

Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (kí hiệu là Gy) 1Gy bằng năng lượng 1 June truyền cho 1 kg vật chất

kg J

Gy 1

Do: 1J =107erg và 1kg =1000g

Nên: 1rad =0,01Gy hay 1Gy=100rad

Suất liều hấp thụ D& là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian:

dt

dD

Đơn vị suất liều hấp thụ trong hệ SI là Gy/s Đơn vị khác là rad/s hay rad/h

2.2.2 Liều tương đương

Tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau là khác nhau Đó là do sự khác nhau của độ mất mát năng lượng trên 1 đơn vị đường đi của các loại bức xạ khác nhau Chẳng hạn tác dụng sinh học của 1Gy của hạt alpha khác với hạt gamma và khác với hạt photon tia X Do điện tích và khối lượng lớn, hạt alpha gây nên độ ion hóa trên một quãng đường đơn vị lớn hơn bức xạ gamma, 1Gy của hạt alpha cho hiệu ứng sinh học lớn hơn 20 lần so với 1Gy của bức xạ gamma

Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánh giá mức

độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với trọng số bức xạ (kí hiệu là WR) khi đó:

hay rem

R chiếu vào một số mô trong cơ thể thì ta có liều tương đương hiệu dụng, hay gọi tắt là liều hiệu dụng E:

=å

ø

ö çç

2.2.5 Liên hệ giữa liều chiếu với liều tương đương

Liều chiếu 1R có thể coi tương đương với liều hấp thụ 1rad

Có thể viết gần đúng mối quan hệ giữa liều chiếu và liều hấp thụ:

Gy rad

R 1 0,01

Và mối liên quan giữa liều chiếu với liều tương đương:

R W R

R W rad rem

1100100

1

Suất liều tương đương liên hệ với suất liều chiếu như sau:

s R R W s

Sv/ 100 1 /

Đối với tia X với trọng số W R=1 thì:

1Sv = 1Gy = 100rem = 100rad = 100R

Trong thực tế các máy đo liều bức xạ thường sử dụng các thang đo mR/h và

mR/h

2.3 Ghi nhận tia X

Con người không cảm nhận được bức xạ, do đó cần có thiết bị để ghi nhận và đo chúng Bộ phận quan trọng nhất trong các thiết bị bức xạ là các detector bức xạ, đó là các dụng cụ đo đạc dựa trên sự tương tác của các hạt bức xạ với vật chất Mỗi loại bức xạ tương tác với vật chất theo một cơ chế đặc thù, do đó detector thường được thiết kế để sử dụng cho một hoặc vài loại bức xạ xác định và các thiết bị đo đạc bức xạ có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng

Thiết bị đơn giản nhất là máy đếm số hạt bức xạ trong một khoảng thời gian và trong một đơn vị thời gian Sau đây trình bày nguyên tắc hoạt động của một số detector bức xạ

2.3.1 Detector chứa khí

2.3.1.1 Nguyên tắc cơ bản của detector chứa khí

Khi bức xạ đi qua môi trường vật chất, chúng tương tác với các nguyên tử và gây nên ion hóa và kích thích các nguyên tử Detector chứa khí là dụng cụ đo mức độ ion hóa

đó trong môi trường khí

Các detector này ghi nhận bức xạ bằng cách xác định dòng điện áp gây nên do sự ion hóa Detector gồm hai điện cực hình trụ đồng trục cách điện với nhau rất tốt, điện cực

ở giữa là một dây đặc, điện cực bên ngoài là hình trụ rỗng, không gian giữa hai điện cực chứa đầy chất khí, đặt vào hai điện cực một hiệu điện thế điều chỉnh được (Hình 2.4)

Ở trạng thái bình thường, chất khí không dẫn điện và không có dòng điện chạy giữa các điện cực Khi một bức xạ đi qua môi trường khí của detector, chất khí bị ion hóa, các ion âm (electron) chuyển động tới anode còn các ion dương (nguyên tử bị ion hóa) chuyển đến cathode, tạo nên dòng điện I qua chất khí gọi là dòng điện ion hóa Khảo sát hiện tượng này với những điện thế khác nhau ta thu được những hình ảnh như hình 2.5

Chất cách điện

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động detector chứa khí

Cathode

Chất cách điện Anode

Đoạn I: điện thế giữa hai điện cực còn quá yếu để cuốn hút các ion về đó Hầu hết

các ion tái hợp với nhau để trở thành phân tử khí trung hòa Điện thế càng tăng, số lượng

và vận tốc chuyển động của các ion về điện cực càng lớn và làm tăng dòng điện I, làm giảm số lượng các nguyên tử tái hợp trở lại Cường điện lúc này còn rất nhỏ

Đoạn II: Lúc này điện thế được tăng lên nhưng cường độ dòng điện I không đổi,

ta gọi I đạt giá trị bão hòa, đồ thị có dạng thẳng ngang Vì toàn bộ cặp ion do bức xạ tạo

ra bị hút về các điện cực, không có sự tái hợp nào nữa Người ta gọi miền ion hóa và độ lớn của dòng điện chỉ còn tỷ lệ với năng lượng do bức xạ chuyển giao cho các phân tử khí Các buồng ion hóa thường làm việc ở miền này để đo liều lượng bức xạ

Đoạn III: tiếp tục tăng điện thế lên nữa thì cường độ dòng điện I tăng, vì lúc này

các ion có động năng rất lớn có thể gây nên hiện tượng ion hóa thứ cấp để tạo thêm các cặp ion mới Số ion dịch chuyển về hai điện cực càng lớn và phụ thuộc vào điện thế ở đó Miền này được gọi là miền tỷ lệ và thường được dùng để tạo ra các ống đếm tỷ lệ Độ lớn cường độ dòng điện I phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của hạt vi mô khi tương tác với phân tử khí Do vậy ống đếm tỷ lệ có thể vừa dùng đo năng lượng bức xạ vừa đo cường

độ bức xạ

Đoạn IV: đến cuối đoạn III, tất cả các ion sơ cấp và thứ cấp đều được hút về các

điện cực Một lần nữa đồ thị lại có dạnh một đường thẳng ngang Thực nghiệm cho thấy hai đường cong A và B ứng hai mức với năng lượng của bức xạ khác nhau có xu hướng trùng nhau Điều đó có nghĩa là độ lớn của cường độ dòng điện không phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của chùm tia và điện thế nữa Đây là khu vực làm việc của ống đếm Geiger – Muller và gọi là miền Geiger – Muller Tại đây số cặp ion cuối cùng đến được các điện cực ít liên quan đến số cặp ion được tạo ra lúc đầu, tức là ít liên quan đến bức xạ chiếu vào Vì vậy, ống đếm Geiger – Muller chỉ đo được cường độ mà không đo được năng lượng cửa bức xạ

2.3.1.2 Buồng ion hóa

Khi hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng 0 thì các cặp ion được sinh ra trong chất khí lại tái hợp với nhau thành nguyên tử trung hòa và như vậy không có dòng điện chạy trong mạch Tăng điện thế lên quá vùng tái hợp thì một số cặp ion sẽ bị kéo về các điện cực nên xuất hiện dòng điện Nếu hằng số thời gian RC của mạch lớn hơn nhiều so với thời gian cần thiết để tập hợp tất cả các ion do hạt bức xạ sinh ra thì tín hiệu lối ra có biên độ:

C Q

Trong đó Q là điện tích tổng cộng nạp trên tụ điện C Dạng của tín hiệu lối ra phụ thuộc vào độ lớn của hằng số RC như minh họa (Hình 2.6) Khi RC lớn thì tín hiệu trải rộng và tăng lên đến giá trị tiệm cận bằng Q/C, còn khi RC bé tín hiệu tăng và đạt cực đại rồi giảm dần theo thời gian Như vậy, việc chọn RC có ảnh hưởng đến thời gian kéo dài biên độ tín hiệu

Với mỗi giá trị RC cố định, biên độ tín hiệu ra cố định, phụ thuộc vào số cặp ion được chuyển về các điện cực Điện thế càng tăng khả năng tái hợp càng giảm, số cặp ion chuyển về các điện cực càng nhiều, biên độ càng tăng Khi điện thế đạt đến giá trị đủ lớn

để chuyển toàn bộ các cặp ion về các điện cực thì biên độ không tăng nữa (giá trị bão hòa) Buồng ion hóa hoạt động ở vùng bão hòa này sẽ đảm bảo độ nhạy cực đại đối với việc ghi đo, đồng thời đảm bảo sự ổn định của số đo khi có sự thay đổi điện thế giữa hai điện cực

2.3.1.3 Ống đếm tỷ lệ

Một trong các nhược điểm của buồng

ion hóa là tín hiệu lối ra có biên độ bé Do đó

cần một hệ khuếch đại có hệ số khuếch đại

lớn để tăng biên độ tín hiệu Để tránh nhược

điểm đó người ta dùng ống đếm tỷ lệ

Khi điện thế giữa các điện cực tăng

quá miền làm việc của buồng ion hóa thì một

số cặp ion sơ cấp được gia tốc đến vận tốc

lớn để có thể sản sinh các cặp ion thứ cấp do

quá trình va chạm của chúng với các nguyên

tử hay phân tử trung hòa, quá trình này được

gọi là khuếch đại khí Điện thế càng tăng thì số cặp ion thứ cấp càng tăng

Cặp ion ban đầu

Như vậy, một hạt hoặc một photon đơn lẻ ban đầu có thể tạo ra một xung đủ lớn

để đo được Trong vùng điện áp này, biên độ của xung tỷ lệ với số electron chuyển đến anode hay nói cách khác biên độ của xung tỷ lệ với năng lượng mà photon ban đầu truyền cho nên hệ ghi đo này được gọi là ống đếm tỷ lệ

2.3.1.4 Ống đếm Geiger-Muller

Khi tiếp tục tăng điện thế quá miền tỷ lệ, đến miền III (Hình 2.5) thì số eletron thứ cấp tăng nhanh dọc theo dây anode Khi các electron đập vào anode, chúng làm phát ra tia sáng cực tím Đến lượt mình, các tia cực tím lại giải phóng các electron bổ sung từ thành ngoài ống đếm Các electron đó được gia tốc hướng tới anode, chúng lại làm phát

ra các tia cực tím khác Quá trình thác lũ này phát triển trong thể tích khí và dọc theo dây anode (Hình 2.8) Số electron tăng rất nhanh trong ống đếm dẫn tới sự tăng biên độ tín hiệu ra Detector khi làm việc ở chế độ này gọi là ống đếm Geiger-Muller

Tuy nhiên, khi quá trình thác lũ phát triển, các electron là các hạt tương đối nhẹ, được tụ hợp lại rất nhanh tới anode, còn các ion là các hạt nặng, chuyển động đến cathode rất chậm Do đó có một ống các điện tích dương chuyển động chậm hình thành chung quanh anode Khi đó quá trình thác lũ bị chấm dứt vì các electron rơi vào đám mây các ion dương và bị bắt trước khi đến anode

Khi quá trình thác lũ kết thúc thì đám mây ion dương chuyển động đến cathode Khi đám mây này đến gần cathode thì các electron bị kéo ra khỏi điện cực để trung hòa với chúng Một số electron rơi vào quỹ đạo năng lượng thấp hơn làm bức xạ tia cực tím Các tia cực tím đập vào thành ngoài của ống đếm làm bứt electron ra và tạo nên quá trình thác lũ mới Nếu không có cách gì ngăn chặn thì một tác nhân bức xạ gây nên quá trình

Cửa sổ mỏng

cathode anode

Electron thư cấp Bức xạ cực tím

Bức xạ vào

Electron sơ cấp Ion dương

Hình 2.8: Ống đếm Geiger-Muller

phóng điện liên tục trong ống đếm Geiger-Muller Như thế ống đếm không thể đếm được bức xạ tiếp theo chiếu vào cho đến khi điện trường trong ống phục hồi lại như cũ Muốn vậy thì phải có phương pháp chấm dứt quá trình thác lũ này

Một trong các phương pháp chấm dứt quá trình thác lũ này là bổ sung một số khí

đa nguyên tử vào thể tích khí cơ bản có tác dụng tạo nên môi trường hấp thụ các bức xạ

tử ngoại làm ngăn chặn việc bứt các electron từ thành ống đếm, làm tắt quá trình thác lũ Thời gian làm tắt quá trình phóng điện của ống đếm là khoảng 50-200ms, thời gian này được gọi là thời gian chết của detector

Giống như ống đếm tỷ lệ ống đếm Geiger-Muller cũng được dùng để đếm các hạt bức xạ ion hóa Tuy nhiên, do tín hiệu ra có biên độ không đổi và không phụ thuộc vào năng lượng bức xạ vào, nên ống đếm Geiger-Muller không thể phân biệt được năng lượng của các bức xạ vào

2.3.2 Detector chất rắn

2.3.2.1 Nguyên lý hoạt động

Detector chất rắn là các detector sử dụng các loại chất có cấu trúc tinh thể Trong các chất này, các điện tử nằm trong những dải năng lượng xác định phân cách bởi dải cấm Dải năng lượng cao nhất bình thường chứa các điện tử gọi là dải hóa trị Nếu một điện tử hóa trị được bức xạ truyền năng lượng thì nó có thể nhảy từ dải hóa trị qua dải cấm rồi vào dải dẫn hay dải excitor Chỗ trống điện tử để lại trong dải hóa trị được gọi là một lỗ trống có vai trò như một ion dương

Sự nhảy của một điện tử lên vùng dẫn được gọi là sự ion hóa Điện tử và lỗ trống

di chuyển độc lập và bị hút về hai phía ngược nhau trong một điện trường, do đó sẽ làm cho vật liệu dẫn điện Nếu một điện tử được chuyển lên vùng excitor thì quá trình này được gọi là sự kích thích Trong trường hợp này điện tử vẫn còn liên kết với lỗ trống bằng các lực điện từ nên chúng không làm cho vật liệu dẫn điện Quá trình thứ ba có thể xảy ra là bắt điện tử Các bẫy là những khuyết tật hoặc các nguyên tử tạp chất trong cấu trúc của tinh thể làm cho điện tử bị bắt vào trong dải cấm (Hình 2.9)

Mức năng lượng

Cặp điện

tử-lỗ trống

Dải dẫn Dải exciton

Dải cấm Dải hóa trị

e- bị bẫy

e- bị kích thích

Hình 2.9: Nguyên tắc hoạt động của

detector chất rắn

Sự tồn tại của ba trạng thái này có thể là vĩnh viễn hoặc có thể mất đi sau một thời gian rất ngắn tùy thuộc vào vật liệu và nhiệt độ Khi điện tử nhảy trở lại dải hóa trị, sự chênh lệch về năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ huỳnh quang, thường là một photon ánh sáng nhìn thấy được Trong trường hợp các điện tử bị bẫy, trước hết cần phải cung cấp năng lượng cho điện tử để nó thoát khỏi bẫy và nhảy lên dải excitor, rồi nhảy về dải hóa trị Năng lượng để giải phóng các điện tử này thường được cung cấp bằng cách tăng nhiệt độ của vật liệu đó, do vậy được gọi là hiện tượng nhiệt huỳnh quang

2.3.2.2 Detector nhấp nháy

Các detector chứa khí có hiệu suất gần 100% khi ghi đo các hạt alpha, bêta Còn với các bức xạ gamma, roentgen thì các detector chứa khí cho hiệu suất rất thấp, chỉ hơn 1% Trong khi đó detector với tinh thể nhấp nháy rắn có hiệu suất rất cao, do vậy mà người ta sử dụng detector nhấp nháy để đo các bức xạ gamma, roentgen

Các detector nhấp nháy dựa trên hiệu ứng phát các bức xạ huỳnh quang khi một điện tử từ một trạng thái kích thích quay về dải dẫn Detector nhấp nháy gồm chất nhấp nháy và ống nhân quang điện Khi một tia bức xạ đi đến tinh thể nhấp nháy, nó bị tinh thể này hấp thụ và một phần năng lượng hấp thụ biến thành chớp sáng Ánh sáng này từ bản tinh thể nhấp nháy đi vào ống nhân quang điện, từ đó nó biến thành dòng điện Cũng như trong mạch điện lối ra của detector chứa khí, tín hiệu lối ra của detector nhấp nháy cũng được lấy ra qua mạch RC như hình 2.10

Hình 2.10 là sơ đồ của một detector nhấp nháy dùng chất NaI (Ti) Tinh thể này dễ hút ẩm nên được đặt trong một vỏ nhôm, có một mặt dán vào cửa sổ của ống nhân quang điện để tia sáng từ chất nhấp nháy đi vào ống nhân quang điện

Ống nhân quang điện tạo xung điện khi có ánh sáng yếu vào nó, chẳng hạn đó là các nhấp nháy sáng sinh ra do bức xạ Roentgen tác dụng lên tinh thể nhấp nháy Nó gồm

một photocathode quay về phía cửa sổ đón nhấp nháy sáng, một số điện cực kim loại gọi

là dynode được bố trí theo một dạng hình học đặc biệt, một anode, tất cả được đặt trong một ống thủy tinh chân không Trong ống nhân quang điện, tia sáng chiếu vào các photocathode làm bắn ra các electron năng lượng thấp (0,1eV – 1eV) Sau đó các electron này được gia tốc bắn vào các dynode dưới tác dụng của điện thế cỡ 50V - 100V và do va chạm với các dynode các electron này có thể sinh ra các electron các thứ cấp Các electron đó lại được gia tốc hướng tới dynode thứ hai và sinh ra các electron thứ cấp khác Quá trình cứ tiếp diễn, xuất phát từ một quang electron ban đầu các electron thứ cấp tăng theo hệ số nhân đến cuối cùng có khoảng (105 – 108) electron sinh ra Tại anode, các electron này tạo một xung điện với biên độ cỡ vài mA, ở lối ra ống nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu điện trên điện trở R

2.3.2.3 Detector nhiệt huỳnh quang

Các detector nhiệt huỳnh quang sử dụng hiệu ứng bẫy điện tử Vật liệu chế tạo detector nhiệt huỳnh quang được chọn sao cho các điện tử bị bắt do chiếu bức xạ ion hóa

sẽ bền ở nhiệt độ thường Sau khi bị chiếu xạ, chất đó được nung nóng đến một nhiệt độ thích hợp, thường khoảng2000C, các điện tử bị bẫy sẽ được giải phóng và quay trở lại dải hóa trị, đồng thời phát ra một lượng tử ánh sáng Như vậy, nếu chất đó được nung nóng trong bóng tối dưới một ống nhân quang điện thì lượng ánh sáng phát ra có thể đo được và nó tỷ lệ với liều bức xạ mà detector đã nhận Chất liệu thường được dùng nhiều nhất là (LiF)

Phương pháp này thích hợp cho việc đo cường độ bức xạ (suất liều), các detector nhiệt huỳnh quang đo tổng liều tích lũy trong thời gian bị chiếu xạ

2.3.3 Detector bán dẫn

Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn cũng giống như buồng ion hóa, trong đó môi trường được thay bằng chất rắn có độ dẫn điện thấp Các bức xạ chiếu vào tương tác với các nguyên tử trong miền nhạy của detector sinh ra các electron do hiệu ứng ion hóa

và do đó tạo ra tín hiệu lối ra Vật liệu thường dùng trong detector bán dẫn là Si, Ge Bức

xạ vào với năng lượng cỡ 3,5eV có thể tạo

nên một cặp ion trong chất bán dẫn

Các nguyên tố Si, Ge có 4 electron

hóa trị, trong tinh thể các nguyên tử nối

với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị nên

khi tinh thể hấp thụ năng lượng, các mối

liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ, electron

hóa trị bị bứt ra ngoài tạo nên một cặp ion

Lớp tiếp giáp p-n

Miền nghèo

Miền n

Miền p

Electron tự do và lỗ trống dễ dàng chuyển động trong tinh thể Sự hoạt động của detector bán dẫn phụ thuộc vào tính chất của nó là thừa electron (chất bán dẫn loại n) hay thừa lỗ trống ( chất bán dẫn loại p)

Miền p trong silicon đặt tiếp xúc với miền n tạo nên lớp tiếp giáp n - p Nếu đặt một điện thế phân cực thuận vào miền tiếp giáp (cực dương nối với miền p còn cực âm nối với miền n) thì trở kháng tiếp giáp ấy rất bé và có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp Nếu đặt điện áp phân cực ngược thì không có dòng điện qua lớp tiếp giáp, trừ dòng điện

rò rất bé do sự chuyển động nhiệt của các electron và lỗ trống Miền này gọi là miền nghèo và là miền nhạy của detector bán dẫn Một bức xạ đi qua miền nhạy này sẽ tạo ra một cặp electron - lỗ trống Dưới tác dụng của điện trường cao thế, các electron và lỗ trống chuyển động về các điện cực, tạo nên tín hiệu điện lối ra

2.3.4 Hiệu ứng quang ảnh

Bức xạ ion hóa tác động lên phim ảnh giống như ánh sáng Một tấm phim ảnh chứa một lớp tinh thể nhũ tương bromide trên một nền nhựa trong suốt Một hạt bromide bạc hấp thụ năng lượng từ bức xạ ion hóa sẽ giải phóng một chùm nhỏ các hạt bạc kim loại Chùm nguyên tử bạc này được gọi là ảnh ẩn Khi phim này được tráng, lượng bạc nhỏ dạng bạc kim loại bám trên nền nhựa Sau khi tráng phim đó sẽ được định hình bằng cách rửa trong dung dịch thiosulphite (hypo) natri để tẩy đi mọi phân tử bromide bạc chưa bị hoán đổi Để thu được hình ảnh tốt thì điều quan trọng là phải kiểm soát chặt chẽ cường độ dung dịch tráng, nhiệt độ và thời gian xử lý

Các phim ảnh dùng trong kiểm xạ thường có kích thước 30 40mm´ được bao kín không cho ánh sáng lọt vào Sau khi xử lý, phim được đọc bằng cách cho ánh sáng đi qua

và đo mật độ quang học của nó Mật độ quang học đo được sẽ được chuyển đổi thành liều bức xạ qua một đường cong chuẩn được thiết lập bằng cách rọi một số phim với các liều

đã biết và xây dựng đồ thị liều - mật độ quang học Độ nhạy của phim phụ thuộc vào kích thước của hạt nhũ tương

Để ghi nhận và đo các bức xạ thì người ta dùng các detector bức xạ Các detector này ghi nhận và truyền tín hiệu ra ngoài

có độ dài bằng ba vector cơ sở đó Hình hộp này chỉ có các điểm mạng ở trên các đỉnh và được gọi là ô mạng cơ sở (có thể tích nhỏ nhất) Ta tịnh tiến ô mạng này theo các phép

tịnh R n với mọi giá trị của n1,n2,n3 ta sẽ thu được toàn mạng Với cùng một mạng có thể

có nhiều kiểu ô cơ sở khác nhau Tuy nhiên cách chọn ô cơ sở phải tuân theo các điều sau đây:

- Ô cơ sở phải giữ được tính đối xứng của toàn mạng

- Các đỉnh của ô cơ sở phải trùng với vị trí các hạt cấu thành tinh thể

- Thể tích ô cơ sở phải nhỏ nhất, diện tích các mặt bên của nó cũng phải nhỏ nhất Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bằng 3 cạnh a b c, , và 3 góc a,b,g là góc giữa các mặt bên

ab

3.2 Sự đối xứng mạng tinh thể

Phép biến đổi không gian làm cho mạng tinh thể trùng lại với chính nó được gọi là yếu tố đối xứng

Đối xứng tịnh tiến

Do cấu trúc tinh thể có tính tuần hoàn nên mạng tinh thể cũng có tính chất đối

xứng tịnh tiến Khi tịnh tiến mạng tinh thể đi một vector ®R n n a1® n b2® n c3®

tinh thể lại trùng với chính nó

Đối xứng trục

Nếu ta quay tinh thể quanh một trục nào đó mà tinh thể lại trùng với chính nó thì

ta nói tinh thể thỏa mãn phép đối xứng quay

Mỗi loại tinh thể có thể có đồng thời nhiều trục đối xứng với các bậc khác nhau

3.3 Hệ tinh thể và hệ mạng Bravais

Hệ tinh thể là một nhóm điểm của các mạng tinh thể Hệ tinh thể không có các

nguyên tử trong các ô đơn vị Nó chỉ là những biểu diễn hình học mà thôi

Có nhiều cách để chọn ô đơn vị để biểu diễn sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên

tử trong tinh thể Ta đã biết kích thước và hình dạng của ô đơn vị có thể được biểu diễn bằng ba vector cơ sở ®a

ta xuất phát từ trường hợp hai chiều với hai vector a®

và ®b

Ta thấy có thể có 5 trường hợp như sau:

Hệ tinh thể Đặc điểm của ô

Hệ ba phương a= =b c; a =b =g ¹ 900

Bảng 3.2: Loại mạng Bravais ba chiều

Ở những ô đơn vị có thể có những nút mạng ngoài các đỉnh Bởi vậy, từ những ô đơn vị nguyên thủy này có thể thêm các điểm nút mạng vào tâm của hai đáy, vào tâm của các mặt bên hay vào tâm của ô đơn vị Khi đó ta được các ô gọi là tâm đáy, tâm mặt và tâm khối Nhưng chỉ có thể thêm các điểm nút mạng vào các vị trí kể trên thì các điểm nút mạng này mới kết hợp với các điểm nút mạng cũ để tạo thành một mạng tinh thể thống nhất theo biểu thức (3.1) Tuy nhiên không phải bất cứ loại mạng nào ta cũng có thể thêm được các điểm nút mạng Sự thêm vào phải sao cho mạng mới có đối xứng cao hơn mạng ban đầu Trong không gian ba chiều tồn tại 14 mạng Bravais, tất các các vật liệu có cấu trúc tinh thể đều thuộc vào một trong các mạng Bravais

3.4 Cấu trúc tinh thể điển hình

Bảng dưới đây là 14 mạng tinh thể của mạng Bravais

Bảng 3.3: 14 mạng tinh thể của mạng Bravais được nhóm theo hệ tinh thể

Kích thước của ô đơn vị là vô cùng nhỏ Thí dụ như cạnh lập phương của ô đơn vị của Fe lập phương tâm khối ở nhiệt độ phòng là 0,287´10-9m Do đó, trong 1mm thì sẽ