LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về DETECTOR NHẤP NHÁY

1.1.3 Bản nhấp nháy Quá trình phát sáng có thể xảy ra theo hai cách: - Trong những trường hợp các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phần tử chấtnhấp nháy về trạng thái cơ bản là n

KHOA SƯ PHẠM -    -

TÌM HIỂU VỀ DETECTOR NHẤP

NHÁY

Luận văn Tốt nghiệpNgành: SƯ PHẠM VẬT LÝ-TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên: Nguyễn Phúc An Tim

Mã số SV: 1062641

Cần Thơ, 2010

xạ ion hóa này bằng bất ký một giác quan nào nên chúng ta phải dựa vào khả năng tương táccủa các hạt bức xạ với các vật chất khác nhau.

Trước đây để thu nhận cường độ của chùm sáng người ta dùng kính ảnh hay phimảnh sau đó là tế bào quang điện Đó là các dụng cụ có độ nhạy kém, nhất là phương phápkính ảnh Kính ảnh có nhiều nhược điểm như khó bảo quản, dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm,nhiệt độ, thời tiết… mặt khác nó còn là dụng cụ trung gian để thu nhân chùm sáng và sau đóphải xử lý tiếp mới được cường độ vạch phổ Tức là đo độ đen của kính ảnh đã bị chùm sángtác dụng vào

Với sự phát triển của khoa học, kỷ thuật Ngày nay người ta chế tạo ra rất nhiều dụng

cụ để đo các loại bức xạ khác nhau và detector là một dụng cụ quang học dùng để thu nhận

và phát tín hiệu được sử dụng hiệu quả hiện nay Mỗi loại bức xạ tương tác với vật chất theomột cơ chế đặc thù, do đó detector được thiết kế để sử dụng cho một hay vài loại bức xạ xácđịnh Loại detector quang học kiểu ống có thể khuếch đại tín hiệu lên hàng triệu lần Đó làống nhân quang điện của detector, đây là một loại dụng cụ để thu nhận tín hiệu quang học cótính chất vạn năng, có độ nhạy và độ chọn lọc cao

Trong các loại detector ghi bức xạ ion hóa thì loại detector nhấp nháy với ống đếmnhấp nháy có thể đo các bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh như tia X, gamma… thìdetector nhấp nháy đo với hiệu suất rất cao Đây là một đề tài rất mới mẽ và có rất ít sách đềcập đến vấn đề này Vì thế em chọn Đề tài “ TÌM HIỂU DETECTOR NHẤP NHÁY” đểtìm hiểu rõ hơn về lợi ích cũng như ứng dụng của nó trong thực tiển

Đề tài “Tìm hiểu Detector nhấp nháy” là một đề tài chỉ nghiên cứu về một loại máyghi bức xạ ion hóa Tài liệu về vật lý rất nhiều nhưng đề cập đến đề tài này không nhiều Vớithời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và cácđặc tính kỹ thuật của detector nhấp nháy

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Biết được trạng thái nguyên tắc hoạt động cơ bản của detector nhấp nháy

- Khả năng và thời gian phân giải của detector nhấp nháy

- Mô tả được chức năng của ống nhân quang điện

- Hiểu được tính chất của các tinh thể nhấp nháy

- Biết ưu và nhược điểm của các chất nhấp nháy dùng trong detector

- Khả năng ứng dụng của detector trong thực tế

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Đề tài đi sâu nghiên cứu về một loại dụng cụ kiểm tra bức xạ và có liên quan trực tiếp

liệu trên internet Từ các tư liệu trên chọn lọc ra các thông tin cần thiết để thực hiện bài luậnvăn.

Trong khi trình bày đề tài tôi đã cố gắng lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất và sắpxếp chúng theo một trình tự, nhằm nêu lên được tính cơ bản và tính hệ thống của vấn đề

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài luận văn tốt nghiệp từ giáo viên hướng dẫn

- Tìm và nghiên cứu tài liệu

- Chọn lọc thông tin và thực hiện đề tài

- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn nhận xét, chỉnh sửa

- Hoàn tất đề tài

- Báo cáo luận văn tốt nghiệp

5 CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI

Anode: điện cực tích điện dương

Cathode: điện cực tích điên âm

Dynode: là một điện cực tích điện dương mà

làm tăng nhiều lần số electron trong

ống nhân quang điện

Phân giải năng lượng: là khả năng để phân biệt những phép

đo của các hạt hoặc các photon có các

mức năng lượng khác nhau

Sự ion hóa: là quá trình các electron dịch khỏi

nguyên tử

Photocathode: là một điện cực được phủ bằng một chất

nhạy ánh sáng từ đó mà các electron

được phát ra

Phân giải thời gian: là lượng thời gian nhỏ nhất mà phải phân

biệt hai sự kiện để đảm bảo rằng chúng được

ghi nhận như hai quá trình riêng biệt

Sự nhấp nháy: là quá trình tạo ra ánh sáng kèm theo sự

dịch chuyển các electron từ quỷ đạo năng

lượng cao tới mức năng lượng thấp trong

một chất hấp thụ

Thời gian chết: là khoảng thời gian cực tiểu do detector quy định

PHẦN NỘI DUNGChương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ DETECTOR NHẤP NHÁY 1.1 Detector nhấp nháy

1.1.1 Sự nhấp nháy

Hiện tượng phát quang hay hiện tượng nhấp nháy là hiện tượng một số chất phát rađốm sáng nhìn thấy được dưới tác dụng của bức xạ ion hóa hoặc bức xạ lượng tử Chất bịphát quang khi bị bức xạ tới kích thích gọi là chất nhấp nháy Sự nhấp nháy là quá trình tạo

ra ánh sáng khi các electron chuyển động từ quỷ đạo cao xuống các mức năng lượng thấp,ánh sáng được giải phóng có thể bị biến đổi thành một tín hiệu điện Kích thước của một tínhiệu điện phụ thuộc số electron dịch chuyển và gắn liền tới lượng bức xạ gây ra sự nhấpnháy Sự nhấp nháy là kỹ thuật ghi đo rất quan trọng để kiểm tra bức xạ và các detector mà

sử dụng kỹ thuật này được gọi là các detector nhấp nháy

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Các detector nhấp nháy dựa trên một vài chất thực tế (được gọi là các phosphor)chúng sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng và cácelectron này không duy trì ở mức năng lượng cao trong một thời gian dài Thay vì thế, chúngtrở lại mức ban đầu của chúng và khi chúng di chuyển như vậy thì chúng phát xạ các photondưới dạng ánh sáng nhìn thấy

Do đó ánh sáng của các photon được phát xạ và cường độ ánh sáng này tỉ lệ với nănglượng của bức xạ tới Sơ đồ của một detector nhấp nháy nối với các bộ phận cần thiết đượccho trong hình 2:

Máy phân tíchNguồn cao thế

Hình 2: Sơ đồ khối một hệ đo dung detector nhấp nháy.

Hình 1: Quá trình tạo sự nhấp nháy

nháy, đó là các photon ánh sáng Qua một lớp dẫn sáng, các photon đập vào photocatode củanhân quang điện và ở lối ra của nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khálớn Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại, thiết bị này có tác dụng hòa hợptổng trở ở lối ra của detector và lối vào của tiền khuếch đại.

Xung điện tạo thành sau khi đi qua các bộ khuếch đại sẽ được tăng biên độ lên mấybậc trước khi đưa vào bộ phận tích và ghi nhận

Rất hiếm thấy những vật liệu có tính chất phát quang lớn, ở đa số các chất, nănglượng kích thích của nguyên tử biến thành động năng của các nguyên tử, phân tử, hay tỏa radưới dạng nhiệt do tương tác của chúng với các phân tử hay nguyên tử bên cạnh

1.1.3 Bản nhấp nháy

Quá trình phát sáng có thể xảy ra theo hai cách:

- Trong những trường hợp các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phần tử chấtnhấp nháy về trạng thái cơ bản là những dịch chuyển cho phép, nháy sáng thường phát ra rấtnhanh (tương ứng với thời gian sống của các trạng thái này, cỡ 10-5 đến 10-9s sau khi bức xạđập vào), quá trình phát sáng như vậy gọi là quá trình huỳnh quang (còn gọi là dịch quang)

- Trong trường hợp các dịch chuyển bị cấm vì nguyên tắc lượng tử nào đó, thì cáctrạng thái kích thích này gọi là các mức giả bền có thời gian sống lớn và nháy sáng xảy rachậm so với thời điểm bức xạ đập vào, đây là quá trình lân quang, chính quá trình này đónggóp vào sự kéo dài của tín hiệu Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể được thựchiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó rơi vềtrạng thái cơ bản Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độcàng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn Đa số các chất lân quang cóthời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây Tuy nhiên thời gian này ở một

số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ Vì vậy, tốt nhất là chọn chất nhấp nháy

mà sự đóng góp của thành phần lân quang nhỏ

Có thể thay hiệu suất biến đổi Cbđ bởi hiệu suất phát sáng Cps

(2)

Hiệu suất phát sáng của của tinh thể NaI(Tl) khoảng 10%

Cbđ =Năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy Năng lượng nháy sáng (nhv)

Cps =Năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy Số photon phat ra (n) = Cbđ/(hv)

Hiệu suất biến đổi chưa quyết định hoàn toàn phẩm chất bản nhấp nháy, vì không phảitất cả photon sinh ra đều đến được nhân bộ quang điện Vì vậy, một chất nhấp nháy tốt cầnphải trong suốt (không hấp thụ) với ánh sáng phát ra bên trong nó (ánh sáng riêng), hay nóitổng quát hơn, chất nhấp nháy cần phải có hiệu suất kỹ thuật cao.

(3)

Để hiệu suất kỹ thuật Ckt cao thì phần chồng chất giữa phổ phát xạ riêng và phổ hấpthụ của nó càng nhỏ càng tốt Trong các chất nhấp nháy lý tưởng, có độ trong suốt tuyệt đốivới bức xạ riêng, hiệu suất kỹ thuật bằng hiệu suất biến đổi

Khi sử dụng ống nhân quang điện, chúng ta lưu ý rằng mọi loại nhân quang điện chỉnhạy đối với một vùng của ánh sáng tới Vì vậy, để tín hiệu xung điện lớn (nghĩa là hiệu suất

kỹ thuật cao) nhân quang điện phải chọn sao cho phổ nhạy của nhân quang điện và phổ sángcủa bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt

t

t

o e I

Ở đây t tính từ thời điểm t = to Đại lượng t đặc trưng cho thời gian kéo dài của lóesáng và được gọi là thời gian phát sáng của bản nhấp nháy Thời gian kéo dài xung điện củanhân quang điện quyết định bởi tín hiệu sáng của bản nhấp nháy Như vậy, để khả năng phângiải thời gian cao, thời gian phát sáng của bản nhấp nháy càng phải nhỏ

1.2.3 Hiệu ứng ion hóa

1.2.3.1 Đối với hạt nặng tích điện

Khi đi qua môi trường vật chất các hạt tích điện tương tác với các electron môi trườngbằng trường điện từ của mình và đưa các electron này đến mức năng lượng cao hơn ( kíchthích nguyên tử) hoặc bức các electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử (ion hóa) Trong mỗi lầntương tác không đàn hồi như vậy hạt sẽ mất một phần nhỏ năng lượng của mình và tạo ramột cặp ion dương – electron Số lượng cặp ion do hạt điện tích tạo ra xác định mật độ ionhóa ban đầu

Năng lượng trung bình mà hạt mất đi để ion hóa và kích thích nguyên tử trên 1cmđường đi của môi trường cho trước được gọi là độ mất năng lượng ion hóa riêng (dE/dx) chobởi biểu thức sau (công thức Bethe):

þ ý

ü î

í

ì

- -

-=

2

4 2

) 1 ln(

2 ln

I

v m v

m

n e z dx

ne: số electron trên một đơn vị thể tích của môi trường,

A

N Z

n= r a .

Na: số Avogadro

r: mật độ của môi trường vật chất

A, Z: lần lượt là số khối và bậc số nguyên tử của môi trường

mo: khối lượng electron

v: vận tốc của hạt

I: năng lượng ion hóa trung bình

c v

=

b

Công thức Bethe không còn đúng khi hạt có năng lượng thấp, vì sự trao đổi điện tíchgiữa hạt và môi trường làm thay đổi điện tích của hạt Các ion dương có xu hương bắtelectron của môi trường do vậy điện tích của nó giảm xuống Tại cuối quãng đường các iondương bắt đủ electron và trở thành nguyên tử trung hòa Tỷ số giữa bậc số nguyên tử và sốkhối A là (Z/A) trong các nguyên tố khác nhau gần như hằng số, nên (dE/dx) phụ thuộc thực

tế vào mật độ môi trường Trong trường hợp hạt tới truyền trực tiếp một năng lượng lớn chomột electron nào đó của lớp vỏ nguyên tử môi trường, electron bị bức ra với một động nănglớn có khả năng ion hóa (hoặc kích thích) các nguyên tử khác của môi trường và tạo nên sựion hóa thứ cấp

Sự mất năng lượng toàn bộ của hạt tích điện khi đi qua một lớp vật chất là tổng củacác năng lượng mất mát do kích thích và ion hóa các nguyên tử Do quá trình kích thíchkhông đóng góp vào sự tạo cặp ion, nên năng lượng trung bình w của hạt tới mất đi để tạothành một cặp ion thường lớn hơn năng lượng ion hóa

1.2.3.2 Đối với các hạt nhẹ tích điện

Sự mất năng lượng của các hạt nhẹ tích điện để ion hóa và kích thích nguyên tửthường gọi chung là sự mất năng lượng ion hóa và xảy ra do va chạm không đàn hồi của cáchạt với các electron của lớp vỏ nguyên tử Đối với các hạt nhẹ sự mất năng lượng do ion hóađược biểu diễn bởi biểu thức sau:

þ ý

ü î

í

ì

- + - + + - - -

-=

÷ ø

ö ç

è

2 2

2 2

2 2

2 2

4

1 1 8

1 ) 1 ( 1

1 2 2 ln ) 1 ( 2 ln

m

n e dx

o

e ion

(6)Trong vùng năng lượng không tương đối b <<1, công thức (6) có dạng:

þ ý

ü î

í

ì

+ -

=

÷ ø

ö ç

è

æ-2

1 2 ln 2

1 2 ln

m

n e dx

dE o

o

e ion

Trong vùng năng lượng không tương đối b >>1, công thức (6) có dạng:

ïþ

ï ý

ü ïî

ï í

ì

+ -

=

÷ ø

ö ç

è

æ-8

1 ) 1 ( 2 ln

2

2 2

m

n e dx

dE

o

e ion

(8)Trong đó E là động năng tương đối của electron

2 2

2

)1

c m

ne: số electron trên một đơn vị thể tích của môi trường,

A

N Z

n a e

r

=Na: số Avogadro

r: mật độ của môi trường vật chất

A, Z: lần lượt là số khối và bậc số nguyên tử của môi trường

mo: khối lượng electron

v: vận tốc của hạt

I: năng lượng ion hóa trung bình

c v

=

b

Khác với hạt nặng, cả hai trường hợp không tương đối và tương đối đều quan trọngđối với electron vì năng lượng giới hạn moc2 tương đương 0,5MeV , do vậy đối với cácelectron có năng lượng vài MeV chúng là hạt tương đối

1.2.4 Thiết lập công thức đo liều chiếu theo cơ chế nhấp nháy

Khi qua chất nhấp nháy, năng lượng của bức xạ sơ cấp E bị hấp thụ toàn bộ hay chỉmột phần a nào đó aE Năng lượng bức xạ bị hấp thụ aE trong chất nhấp nháy phụ thuộcvào bề dày d của chất nhấp nháy, quãng đường cực đại của hạt và năng suất hãm của chấtnhấp nháy Sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của hạt mang điện trong tinh thể nhấp nháy, tức

là a = 1 và hiệu suất ghi các hạt là 100% chỉ có thể có được nế độ dày tinh thể lớn hơnquãng đường cực đại của hạt Hiệu ứng biên và hiệu ứng tán xạ ngược bị loại trừ bằng cáchđặt nguồn bức xạ bên trong chất nhấp nháy (dạng hình học 4p )

Năng lượng hấp thụ E sc =a.E của tinh thể nhấp nháy đối với bức xạ ion hóa đi vàochủ yếu được dùng cho sự ion hóa và kích thích mà trong đó một phần năng lượng chuyểnthành nhiệt năng Các phần tử và nguyên tử của tinh thể lại bức xạ năng lượng dưới dạngphoton ánh sáng với năng lượng toàn phần Ef (Ef < Esc) Đồng thời phổ bức xạ của nhữngchất nhấp nháy không phụ thuộc vào bản chất của tác nhân bức xạ ion hóa

h là hiệu suất biến hoán (hiệu suất ánh sáng vật lý) Nếu gọi p là sốphoton phát ra có năng lượng trung bình hn , ta có:

Do đó

w

h p E

h E

h p

sc sc

nn

Quá trình năng lượng ánh sáng thoát ra khỏi chất nhấp nháy được gọi là sự huỳnhquang Huỳnh quang không phải là quá trình tức thời, cường độ huỳnh quang biến đổi theo

t o

t I e

-Io là cường độ bức xạ cực đại khi t = 0;

t là hằng số thời gian huỳnh quang (của thành phần nhanh nhất) các chất nhấpnháy có t =10-9 -10-5s Do đó, số photon pt thoát ra sau khoảng thời gian t là:

e p

ø

öç

Độ trong suốt quang học của chất nhấp nháy đối với bức xạ riêng của nó Tp phụ thuộcvào hệ số hấp thụ quang học m' và độ dài quãng đường x của photon trong tinh thể

Như vậy, khi p nháy sáng tạo ra chỉ có p’ nháy sáng đến được quang photocathode :

T p

p'= p.s (14)Đối với các chất nhấp nháy riêng lẻ trong phòng thí nghiệm ta có thể lấy Tp=l và s=l

Để mở rộng vùng độ nhạy phổ trong vùng bức xạ tử ngoại, người ta chế tạo cửa sổ thu của

bộ nhân quang điện bằng thạch anh, khi đó độ phân giải thời gian cao và biên độ xung tăng30% so với bộ nhân quang điện dùng thủy tinh thường (quaterphenyl) Số photon p’ này điđến cathode của nhân quang điện, ở đây xảy ra hiệu ứng quang điện

Gọi g (10 – 20%) là hiệu suất thoát lượng tử của photocathode ống nhân quang điện

Ta có :

h

g T E

N

p g N

p sc

'

= Þ

N k N

e e

A

sh

k g T

)(10.6,1 '

.Q

(C).1,6.10N

Q

19 A

-19 A

e A

n

s

-=Þ

=

(17)

Nếu có bố trí thích hợp ta có Tp=l và s=l, khi đó ta có :

C h

k g

E sc

)(10.6,1 '

.Q

19 A

A

A =Bây giờ chúng ta đi tính năng lượng bị hấp thụ trong khối nhấp nháy Ta gọi Pz làsuất liều hấp thụ của nguồn phóng xạ trong chất nhấp nháy dEsc là năng lượng hấp thụ trongđơn vị thời gian, trong khối lượng dM của chất nhấp nháy, theo định nghĩa ta có:

o z m x

E

dx e S I

E

z

d z

z m o sc

d x z

z m o sc

z

mr

g

rg

m

m

1

.

.

) ( 0

) (

-= Þ

d

k g T d e

S I

Q

z p d

z z m o

.

10 6 , 1 '.

1

.

19 )

(

nm

shr

kk I

( )

k g T M

P i

z

p kk

m

z m kk

.

10 6 , 1 '.

.

.

19

nm

shg

Khi sử dụng chất nhấp nháy mỏng (mz.d<<1) có hệ số truyền năng lượng tươngđương không khí ( )gm z=( )gm kk thì hiệu ứng dạng cứng có thể bỏ qua Khi đo suất liều lượngbằng các chất nhấp nháy hiện hành, cần phải tính tới dạng cứng tức là tỉ số các hệ số truyềnnăng lượng và hệ số suy giảm của bức xạ gamma trong chất nhấp nháy Khi bề dày của khốinhấp nháy tăng, dạng cứng tăng lên nhất là trong vùng năng lượng thấp

Ta có đồ thị dạng cứng của NaI(Tl) (Zhd=50) đường cong (2) của Antraxen (Zhd=5,8)đường cong (1) Cực đại của đường cong dạng cứng của NaI(Tl) là do ảnh hưởng của hiệuứng quang điện Ở vùng năng lượng nhỏ, đường cong (2) đi trên giá trị =1

2

KK

A

P i

(1)

(2)

NaI(Tl)(3)

0,61,6

Hình 4 : Phương pháp khử dạng cứng

Để hiệu chỉnh dạng cứng, cần kết hợp hai chất sao cho ảnh hưởng tương hỗ của

chúng trong vùng hiệu ứng quang điện là bù trừ nhau Thí dụ như kết hợp chất nhấp nháyhữu cơ và vô cơ, hòa tan chất phát quang hữu cơ trong dung môi chính (n-terphenyl trongbenzene), trộn hai chất nhấp nháy hữu cơ có Zhd khác nhau Trên hình…

1.2.6 Sự phát bức xạ hãm

Khi một hạt tích điện chuyển động có gia tốc sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng bức xạđiện từ Do vậy, khi một hạt tích điện đi vào môi trường vật chất, hạt bị trường coulomb củanhân 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 tỉ lệ thuận với bình phương gia tốc, tức tỉ lệ với 1/m2(m là khối lượng của hạt), vì vậy đối với các hạt nặng, sự phát bức xạ hãm rất nhỏ, khôngđáng kể, thậm chí ngay trong môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z lớn Nhưng đối vớicác hạt nhẹ tích điện có năng lượng cao thì hiệu ứng phát bức xạ hãm rất lớn, thậm chí cònlớn hơn hiệu ứng ion hóa Sự mất năng lượng do phát bức xạ hãm được tính theo biểu thứcsau:

þ ý

ü î

ö ç

è

æ-3

4 2 ln 4 137

) 1 (

2 4

2

4

c m

E c

m

e Z nZE dx

dE

o o

(24)Với ne= nZ (n là mật độ nguyên tử của môi trường vật chất)

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 sau:

800

)

(MeV

ZE dx

ö ç

è

æ-÷ ø

ö ç

n= r a : số hạt nhân nguyên tử trong một đơn vị thể tích.

mo: khối lượng của electron

Z: bậc số nguyên tử của môi trường

Như vậy, với các hạt nhẹ năng lượng cao thì hiệu ứng phát xạ hãm xảy ra rõ rệt vànếu không chú ý có thể gây nên nhầm lẫn đáng kể khi đo năng lượng theo hiệu ứng ion hóa

Đó là điều cần lưu ý khi sử dụng các detector để xác định năng lượng của bức xạ

1.2.7 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử(l<<a, với a có giá trị khoảng 10-8 cm), bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được hìnhdung như dòng hạt nên gọi là lượng tử gamma Giới hạn năng lượng thấp nhất của lượng tửgamma là 10 keV Công thức liên hệ giữa năng lượng và bước sóng của lượng tử gamma códạng:

l

p c

E =2 h (26)

Các máy gia tốc hiện đại tạo được lượng tử gamma với năng lượng trên 20 GeV Tuyvậy, giá trị năng lượng khoảng từ 2 - 30 MeV là thích hợp nhất cho các ứng dụng trong thực

tế Giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ bởi môi trường, chủ yếu dotương tác điện từ Tuy nhiên, cơ chế của loại hấp thụ này khá đặc biệt vì hai lý do:

- Lượng tử gamma không mang điện tích do đó không chịu tác động dưới trường lựccoulomb Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong vùng có bán kính khoảng

10-11cm (kích thước này nhỏ hơn cở 3 bậc so với khoảng cách a giữa các nguyên tử) Từ đó,

va chạm giữa lượng tử gamma (dịch chuyển qua môi trường vật chất) với electron và nhânkhá hiếm, những va chạm như thế thường dẫn đến sự lệch hướng đột ngột của lượng tửgamma khỏi hướng đi ban đầu của nó Nghĩa là lượng tử gamma tách ra khỏi chùm tia

- Lượng tử không có khối lượng nghỉ, do đó không thể chuyển động với vận tốc khácvận tốc ánh sáng Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không thể bị chia nhỏ Chúng cũng

bị hấp thụ và tán xạ, thường ở các góc lớn Do vậy, cường độ ban đầu của chùm bức xạ giảmdần

Khi xét đến cơ chế tương tác của bức xạ gamma với môi trường ta phải xét đến tínhlượng tử, nghĩa là tính chất sóng – hạt của bức xạ gamma Tính lượng tử của bức xạ gammarất rõ nét vì bức sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn khoảng cách giữa nguyên tử và electron.Theo cơ học lượng tử, bài toán tương tác giữa lượng tử gamma và nguyên tử chỉ có thể giảiđược dựa trên cơ sở điện động lực học lượng tử Tương tác của bức xạ gamma với môitrường vật chất xảy ra theo ba cơ chế chính:

+ Hiệu ứng quang điện

+ Hiệu ứng Compton

+ Hiệu ứng tạo cặp

1.2.5.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải thoát các electron từ bề mặt kim loại khi cócác bức xạ điện từ thích hợp chiếu vào nó Các electron bật ra từ bề mặt kim loại gọi làquang electron Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớnhơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loạinày), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòngquang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quangđiện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức

xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt

ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ đượcgọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần sốngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trởthành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứngquang điện trong (external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tínhchất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượngcủa mình cho electron liên kết của nguyên tử Một phần năng lượng này giúp electron thắnglực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron Theo định luật bảo toàn nănglượng:

o

e I T

E= - + (27) với Io: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Te-: động năng của electron

Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử Do điều kiện bảo toànnăng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ một photon Do đó,hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử gamma có năng lượng cùng bậc vớinăng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Đối với các electron nằm ở các lớp vỏnguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn, năng lượng liên kết của electroncàng lớn Vì vậy, với khoảng năng lượng của bức xạ gamma cao hơn tia X, hiệu ứng quangđiện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%) Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môitrường vật chất có bậc số nguyên tử lớn

Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của lượng tửgamma và loại nguyên tử Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỷ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanhđối với các nguyên tố nặng Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới chỉ lớn hơn năng lượngliên kết của e- thì tiết diện hấp thụ, sf (E), tỷ lệ với 1/E3,5, nghĩa là nó giảm rất nhanh khităng năng lượng Khi năng lượng bức xạ gamma tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liênkết, sf (E) giảm chậm hơn, theo quy luật E-1 Trong khoảng năng lượng liên kết củaelectron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián đoạn, nghĩa là xuất hiện các đỉnh hấp thụ tại các giátrị năng lượng hơi cao hơn năng lượng liên kết của electron trong các lớp Bởi vì theo địnhluật bảo toàn năng lượng, ở năng lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron lượng tửgamma không đáng thể tham gia hiệu ứng quang điện Trên hình 5 đã biểu diễn sự phụ thuộccủa hệ số hấp thụ khối toàn phần mm(đường liền nét), hệ số hấp thụ khối quang điện t(đường nét đứt có ký hiệu t ) của chì theo năng lượng Ở miền năng lượng thấp, hệ số hấpthụ khối toàn phần xắp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện, t , hai đườngbiểu diễn trùng lên nhau Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:

( )

r

s

n là số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích

r là khối lượng riêng

Do vậy, t tỷ lệ thuận vớisf( )E và sự xuất hiện các cạnh trên đường biểu diễn t ởcác năng lượng hơi lớn hơn năng lượng liên kết của electron cho thấy sự thay đổi gián đoạncủa sf( )E

Hình 5: Hệ số khối hấp thụ của chì m

INC COH s

xạ Compton kết hợp và không kết hợp.

Trong khoảng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ

( )E

f

s rất lớn hơn so với tiết diện của các quá trình khác, như được biểu diễn trên hình 5.Khi tăng năng lượng, tiết diện hấp thụ sf( )E giảm mạnh, vì khi đó electron trong nguyên tửđược xem như electron tự do, với Al ta có:

2 18

10

10

Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai trò của

nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao

1.2.5.2 Hiệu ứng Compton

Tán xạ Compton hay hiệu ứng Compton là sự thay đổi bước sóng của bức xạ điện từ

và lệch phương (bị tán xạ) khi va chạm vào hạt điện tích (electric charge)

Hiệu ứng mang tên nhà Vật lý Mỹ Arthur Holly Compton (1892-1962) Ông đã thựchiện thành công năm 1923 khi cho photon của bức xạ Roentgen có bước sóng l tới va vàoelectron đứng yên (bia graphit) Compton đã sử dụng tia X với bước sóng λ = 0,7A0 tán xạtrên bia Graphít Vì năng lượng tia X tương ứng với giá trị cỡ 1,8 104 eV, giá trị này lớnhơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron ở các lớp bên ngoài của nguyên tửCácbon là thành phần chính của Graphít Chính vì vậy mà có thể xem các electron ở lớpngoài của nguyên tử là tự do so với năng lượng chùm tia X dọi tới Graphít

Trong phổ tia X thông thường, ngoài vạch phổ ứng với giá trị bước sóng tới λ cònxuất hiện vạch phổ ứng với bước sóng λ’ có giá trị lớn hơn λ (tức là (λ’ > λ ) Các kết quảthực nghiệm cho thấy bước sóng λ’ không phụ thuộc vào cấu tạo của chất bị dọi bởi tia X

mà chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ θ (Xem hình 6) Độ tăng của bước sóng do kết quả tán xạđược xác định:

Trong quá trình va chạm, photon nhường một phần năng lượng cho electron và biếnphoton khác có bước sóng l' >l

Với electron, ta có :

Trước khi va chạm : năng lượng là moc2; xung lượng là 0 (vì đứng yên)

Sau khi va chạm : năng lượng là mc2; xung lượng là mv

c p c m

E = + oTheo định luật bảo toàn năng lượng (conservation of ennergy) :

2 h ' mc

c m

hn + o = n + (29)Theo định luật bảo toàn động lượng

'

'

p p p

p p p

e

e

-=Þ

+

=Vận dụng hệ thức lượng trong tam giác:

qnnn

n

q

cos

'2'

cos.' 2'

2 2

2 2

2 2 2

c

h c

h c

h c

h v m

p p p

p

p e

-÷ø

öçè

æ+

÷ø

öçè

æ

=Û

+

'2'

'2

'''

2 4

2 2

2 2 2 2

2 4

2 2 2

2 2 4

2

2 2

c hm c

m v v h v h v h

c hm c

m h

c m h

c m

c m h

mc

o o

o o

o o

nn

nnn

n

nn

nn

+

-+-

+

=

+

-+-

=

+-

=

+-

=

Lấy (31) trừ (30) vế theo vế và làm gọn:

4 2 2

2 2

2 4

2 1 2h vv' ( 1 cos ) 2hm c (v v' ) m c

c

v c

m ÷÷= - - + o - + o

ø

ö çç

è

æ-

=Þ-

1)

'(2)cos1('21

2

2

2 4 2 2

2 2

2 4 2

q

q-

=-Þ

÷÷

ø

öçç

è

æ-+

+

-

-=

÷÷

ø

öçç

è

æ-

hvv v

v c m

c

v c m v v c hm vv

h c

v c m

1 '

cos 1 '

2qq

ll

q

c m

h c

m h

c m

h v

c v c

o o

o

= -

= - Û

-= -

10.3.10.1,9

10.625,6

8 31

34

o o

c m

Gọi Dl =l' -l là độ biến thiên của bước sóng của tia sau khi bị tán xạ (độ dịchcompton)

q gọi là góc tán xạ

Biểu thức dưới đây, viết dưới dạng tinh giản phản ánh qui luật tán xạ compton :

(1 cosq) 2l sin 2ql

Nhận thấy rằng độ dịch chuyển compton chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ chứ không phụthuộc gì vào năng lượng của photon tới.

1.2.5.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn rất nhiều so với 2moc2 bằng 1,022MeVthì quá trình tương tác chính của gamma lên vật chất là sự tạo cặp electron – positron Cặp e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân, khi đó lượng tử gamma biến mất (hấp thụ hoàntoàn) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e-, e+ và nhân giật lùi Năng lượng giật lùi củanhân không đáng kể, do đó biểu thức định luật bảo toàn năng lượng được viết như sau:

2

2 c m T

T

E = -+ ++ oVới T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron

Mo là khối lượng của electron

Các e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+sẽ bay đi khỏi hạt nhân,còn e- bị hãm lại (do lực hút coulomb) Do đó phổ năng lượng đo được khác nhau đối với hailoại này Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Z lớn Do khối lượng nghỉ củagamma bằng 0, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng lượng của nó lớn hơn tổng năng lượngnghỉ của electron và positron (2moc2 = 1,022MeV) Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ quakhi năng lượng của lượng tử gamma nhỏ hơn 1,022MeV Trên ngưỡng năng lượng này, tiếtdiện tương tác tăng dần và đạt đến một giá trị không đổi ở năng lượng rất cao ( khoảng1000moc2) Giá trị này bằng sp » 0 , 08Z2r o2, với ro là bán kính cổ điển của electron

Vì cả hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton có tiết diện tán xạ giảm đến 0 ởkhoảng năng lượng rất cao, nên sự tạo cặp ở vùng này là cơ chế chủ yếu hấp thụ bức xạgamma Ở mọi năng lượng, tiết diện tán xạ đều tỷ lệ với Z2

1.2.5.4 Hệ số hấp thụ

Chiếu một chùm tia gamma đơn năng, song song tới một lớp vật chất có bề dày t,chùm tia có cường độ ban đầu Io Cường độ chùm tia qua lớp vật chất bề dày t là I, phụthuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ, t, theo quy luật:

t

o e I

I = m (33)

m: gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính Hệ số hấp thụ tuyến tính hoàn toàn mô tả sự suygiảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường vật chất Nó phụ thuộc vào tính chất của môitrường và năng lượng của lượng tử gamma

Hình 6: Tán xạ Compton.

Khi đi vào môi trường vật chất, bức xạ gamma có thể tương tác với môi trường vậtchất theo cơ chế hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp Do đó, hệ số hấp thụ tuyếntính toàn phần m của vật chất là tổng các hệ số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ:

p

mmm

Với n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của môi trường Số hạng thứ nhấttrong (35) chiếm ưu thế trong miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm ưu thế trongmiền năng lượng trung bình (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền năng lượngcao Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần có cực tiểu trong khoảng mà hiệu ứngCompton chiếm ưu thế Cực tiểu này càng rõ nét đối với các nguyên tố nặng vì mf, mp lầnlượt tỷ lệ với Z5và Z2, trong khi mc tỷ lệ với Z

Hệ số hấp thụ tuyến tính tỷ lệ với mật độ r của môi trường vật chất Nghĩa là hệ sốhấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường khác nhau

Để tránh sự phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất, người ta sử dụng hệ

số hấp thụ khối:

r

m

Khi đó, bề dày lớp vật chất hấp thụ được tính bằng đơn vị g/cm2

Trong các ứng dụng thực tế, ta thường sử dụng khoảng năng lượng từ 2 – 5MeV Khi

đó, hiệu ứng Compton là cơ sở tương tác chiếm ưu thế, tức là hệ số hấp thụ khối toàn phầnxấp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tán xạ Compton bằng nhau đối với các chấtkhác nhau và bức tường bảo vệ tạo bởi mọi chất đều tương đương nhau nếu bề dày củachúng tính bằng g/cm2 như nhau

Hệ số hấp thụ khối của môi trường vật chất cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau cho bởi:

i i

i c

÷÷

ø

ö çç è

æ åw mrr

è

æ

r

m: lần lượt là tỉ lệ khối lượng trong môi trường và hệ số hấp thụ khối củathành phần i

Chương 2: BỘ NHÂN QUANG ĐIỆN

2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Các ống nhân quang điện (hoặc PM) là rất cần thiết

trong các mạch nhấp nháy để biến đổi các photon ánh sáng từ

chất nhấp nháy sang thành các xung điện

Bộ nhân quang điện được cấu tạo gồm khối nhấp nháy

để hấp thụ các bức xạ, photocathode, các điện trở phân cực,

dynode, anode, bộ ghi

Trước tiên, bức xạ tới tương tác với phosphor để tạo ra

ánh sáng photon Sau đó các photon phát ra đập vào bề mặt

được phủ một chất nhấp nháy được gọi là photocathode K của

nhân quang điện Năng lượng từ ánh sáng photon này bị hấp

thụ bởi một electron trong chất nhấp nháy sáng, khi electron

này nhận thêm đủ năng lượng thì chúng bật ra tạo thành một dòng tín hiệu electron nhưngtrong điều kiện thực hành tín hiệu này được khuếch đại lên bằng một dãy dynode Dưới tácdụng của điện trường, chúng được tăng tốc rồi đập vào dynode thứ nhất (d1) Từ d1 phát ra

số electron nhiều hơn số electron đập vào nó Quá trình này xảy ra liên tục trên các dynodethứ hai (d2), thứ ba (d3)… cứ như vậy tới anod A sẽ thu được một dòng electron rất lớn sovới dòng phát ra từ photocathode Kết quả, do tương tác của một hạt mang điện, một tín hiệuánh sáng phát ra từ bản nhấp nháy (N) và ở lối ra của nhân quang điện xuất hiện một tín hiệuđiện có biên độ khá lớn

2.2 Hệ thống dynode – hệ số khuếch đại

Khi bức xạ ion hóa đi đến đầu dò nhấp nháy thì khối nhấp nháy hấp thụ các bức xạ đó

và ion hóa, kích thích các nguyên tử và phân tử của chất nhấp nháy bởi các hạt mang điện vàbức xạ photon Tiếp theo các photon được góp về về photocathode sau khi hấp thụ photon ởphotocathode của bộ nhân quang điện thì giải phóng các quang electron

Các electron phát ra từ photocathode (3), nhờ một màn hội tụ (4), tập trung vàodynode thứ nhất Điện thế từ dynode đầu tiên đến cuối tăng và được cung cấp bằng mộtnguồn điện một chiều vài KV qua một bộ chhia thế Số dynode tổng cộng của nhân quangkhoảng từ 10 đến 12

Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất có hệ số phát xạ thứ cấp s (đo bằng

tỉ số số electron phát ra trên số electron đập vào) lớn hơn đơn vị Để chế tạo lớp này có thể

sử dụng hợp chất Mg – Al – Si, Cu – Al – Mg hay Sb – Cs và bề mặt phải được gia công đặcbiệt để tăng hệ số s

Ngoài sự phụ thuộc của vật liệu, hệ số phát xạ thứ cấp s phụ thuộc mạnh vào nănglượng electron tới, tức phụ thuộc vào hiệu điện thế các dynode liên tiếp Tuy nhiên, khi sốelectron tới có năng lượng đủ lớn, nó sẽ xuyên sâu vào dynode và nếu độ sâu này lớn quá thì

số electron bật ra khỏi dynode lại giảm Vì vậy, cần phải chọn hiệu điện thế giữa các dynodeứng với các giá trị cực đại của hệ số s

Cũng như hệ số phát xạ thứ cấp s , hệ số khuếch đại M cũng phụ thuộc vào bản chấtlớp dynode, vào hiệu điện thế trên các dynode Ngoài ra M phụ thuộc vào số lượng dynodecủa bộ nhân quang điện Giả sử bộ nhân quang điện có n dynode và mỗi dynode i có hệ sốkhuếch đại là si Hệ số khuếch đại của nhân quang điện có thể được xác định như sau:

s

Yêu cầu sử dụng detector trong phổ kế hạt nhân đòi hỏi hệ số khuếch đại M phải rất

ổn định Sự ổn định này phải quyết định nhiều yếu tố, trước hết là nhiệt độ môi trường bênngoài Ngoài ra, từ trường trái đất cũng ảnh hưởng đến quỹ đạo của electron trong nhânquang điện Để tránh tác động của từ trương bân ngoài nhất là khi nó thăng giáng, nhânquang điện cần phải được bao bọc bởi lớp vỏ ngăn cản từ trường Cuối cùng, sự thăng giángđiện thế nguồn nuôi là nguồn gốc chủ yếu dẫn đến sự không ổn định hệ số khuếch đại M.Thật vậy một cách gần đúng ta xem hệ số khuếch đại phụ thuộc tuyến tính vào hiệu điện thế

V của nguồn nuôi:

Độ thăng giáng tương đối gây ra bởi sự thăng giáng hiệu điện thế DV sẽ là:

V

V n M

M D

=

D

(43)Như vậy một sự thăng giáng nhỏ DV của nguồn nuôi sẽ dẫn đến độ thăng giáng của

hệ số khuếch đại n lần lớn hơn Vì vậy phẩm chất của nguồn nuôi và bộ chia thế có vai tròrất quang trọng

Chương 3: CƠ CHẾ PHÁT SÁNG CỦA TINH THỂ NHẤP NHÁY

Theo cơ chế kích thích và phát sáng, có thể chia chất nhấp nháy thành hai loại cơ bản:chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ Số chất vô cơ dùng làm nhấp nháy khôngnhiều Thành phần cơ bản của các chất nhấp nháy này thường là muối halogen của kim loạikiềm được chế tạo ở dạng đơn tinh thể Trái lại nhiều hợp chất nhấp nháy hữu cơ có thểdùng làm khối nhấp nháy Phần lớn các chất này thuộc nhóm hydrocarbon thơm, chúng cóthể ở dạng đơn tinh thể tinh khiết, hay pha với chất hoạt tính nào đó hoặc có thể nằm trongdung dịch lỏng hay rắn Hai loại môi trường nhấp nháy nói trên có những cơ chế phát sángriêng khác nhau

3.1 Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ

Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ được mô tả trên hình 8 và được giải thích trên cơ

sở lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn Theo đó, các mức năng lượng trong tinh thể cóthể sắp xếp thành ba vùng: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm Ở nhiệt độ bình thường(nhiệt độ phòng) và trong trạng thái cơ bản, các mức năng lượng khả dĩ ở vùng hóa trị hoàntoàn bị chiếm đầy bởi electron, còn ở vùng dẫn thì còn nhiều mức chưa đầy

Khi một bức xạ hạt nhân đi vào bản nhấp nháy, do tương tác có thể truyền năng lượngcho electron nào đó để nó nhảy từ vùng hóa trị (V) lên vùng dẫn (C) (quá trình 1) Trongmột tinh thể tinh khiết, quá trình phát sáng tiếp theo có thể xảy khi có sự dịch chuyển ngượccủa electron từ trạng thái kích thích ở vùng dẫn về ngay lỗ trống mà nó vừa giải phóng trongvùng hóa trị (quá trình 2) Rõ ràng, đây là quá trình chậm tìm kiếm lỗ trống Ngoài ra, donăng lượng photon phát ra trong dịch chuyển đó được xác định bởi chiều rộng của vùng cấmnên phổ phát xạ trùng lên phổ hấp thụ Nói cách khác, photon phát ra bị hấp thụ ngay trongtinh thể nhấp nháy Do đó, các tinh thể vô cơ tinh khiết ở nhiệt độ phòng không có tính chấtnhấp nháy Trong thực tế sự sai hỏng mạng tinh thể sinh ra các mức địa phương tạo thànhnhững tâm tắt Ở tại các tâm tắt này các electron mất năng lượng kích thích bằng các quátrình không phát xạ và do đó, toàn bộ năng lượng của hạt đã mất trong tinh thể biến thànhnăng lượng chuyển động nhiệt

Bức xạ

tới

Bức xạ phátra

Hình 8: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vô cơ.

Do sự tồn tại tự nhiên một số tạp chất trong tinh thể, hoặc nếu đưa vào một lượng nhỏchất hoạt tính (khoảng 0.1 %), trong tinh thể sẽ xuất hiện các mức năng lượng địa phươngloại khác hay mức tạp chất gọi là tâm phát sáng Ta xét trường hợp môt tinh thể ion (bán dẫnloại p) Ở đây các mức địa phương là các lỗ trống đối với electron và nằm gần ở đáy vùngcấm Các electron kích thích do phát sáng nằm gần tâm phát sáng sẽ bị bắt bởi các lỗ trốngnày và năng lượng kích thích thừa sẽ phát ra dưới dạng photon ánh sáng (quá trình 3) Dịchchuyển các electron này từ dạng địa phương về vùng hóa trị có thể theo đường không phátsáng (quá trình 4) Photon phát ra trong quá trình 3 không bị hấp thụ trong khối tinh thể vìnăng lượng của nó nhỏ hơn bề rộng vùng cấm Ta nói tinh thể “trong suốt” với photon phát

ra hay phổ phát xạ nằm ngoài phổ hấp thụ Quá trình 3 là quá trình phát sáng huỳnh quangvới thời gian xảy ra cở 10-8s, tức là cở thời gian sống của trạng thái kích thích của nguyên tử

Quá trình phát sáng chậm (lân quang) có thể xảy ra do sự tồn tại các mức địa phươngrất nông trong vùng cấm do sai hỏng mạng tinh thể Đó là những mức giả bền, các electronkích thích có thể bị bắt giử ở đây (quá trình 5) đến khi có thể chuyển ngược được về vùngdẫn (quá trinh 6) nhờ thu thêm năng lượng, chẳng hạn, do dao động nhiệt của mạng Từvùng dẫn, electron có thể trở về được vùng hóa trị theo các quá trình 3 và 4 và phát raphoton Đó là quá trình lân quang Rõ ràng quá trình này chậm hơn nhiều so với thời điểmbức xạ tác dụng với bản nhấp nháy, thời gian chậm cỡ chừng vài micro giây đến vài giờ

Các chất hoạt tính pha vào tinh thể gồm nhiều loại Chẳng hạn có thể thêm Tl vào NaIhoặc Ag vào ZnS Tuy nhiên, không thể pha tạp chất với nồng độ tùy ý, mà phải pha vớinồng độ thích hợp nhất trong từng trường hợp cụ thể Nồng độ Tl trong NaI thường khoảng1% - 2% Nếu nồng độ lớn hơn nồng độ tối ưu thì chính tạp chất lại gây tác dụng xấu, chẳnghạn xác suất hấp thụ các photon riêng sẽ tăng

3.2 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ.

Nếu trong tinh thể vô cơ đã xét ở mục 3.1 các quá trình phát photon liên quan đến sựdịch chuyển của các electron giữa các vùng năng lượng, thì ngược lại, trong tinh thể nhấpnháy hữu cơ, quá trình có tính chất phân tử, tức là liên quan đến sự dịch chuyển các electrontrong từng phân tử và của phân tử từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản của nó Ở đây,

ta có thể xét các quá trình trong một phân tử cô lập Thực vậy, trong các tinh thể hữu cơ vớiliên kết phân tử yếu, các mức electron của phân tử thực tế không bị nhiễu loạn bởi phân tửbên cạnh Khi một bức xạ ion hóa đi vào bản nhấp nháy, nó sẽ tương tác với các phân tử,đưa các phân tử này lên trạng thái kích thích electron rất cao Sau thời gian rất ngắn cỡ 10-12giây, các phân tử này trở về trạng thái kích thích thứ nhất bằng cách chuyển trực tiếp nănglượng kích thích electron thành năng lượng dao động Có thể giảm năng lượng kích thíchcao bằng cách khác nữa Do xác suất trở về trạng thái cơ bản tỷ lệ với năng lượng kích thíchnên chỉ sau 10-12 đến 10-11 giây tất cả các phân tử kích thích mất năng lượng và phát raphoton năng lượng cao Các photon này bị hấp thụ bởi các phân tử xung quanh và các phân

tử kích thích này trở về trạng thái cơ bản để phát photon Quá trình này tiếp diễn nhiều lầnvới năng lượng photon thế hệ sau bé hơn thế hệ trước, và photon cuối cùng có năng lượngbằng năng lượng trạng thái kích thích thứ nhất của phân tử Như vậy, do hai quá trình trên,sau một thời gian rất ngắn 10-12 đến 10-11 giây, phần lớn năng lượng mà hạt bức xạ mất trongtinh thể đã chuyển thành năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử, còn một phần nhỏ giửcho phân tử nằm ở mức năng lượng kích thích thứ nhất Chính từ trạng thái này, phân tử trở

Cơ chế phát sáng của tinh thể hữu cơ tinh khiết trình bày vừa rồi có thể áp dụng cho

cả dung dịch nhấp nháy (rắn hay lỏng) Trong dung dịch nhấp nháy bao gồm dung môi vàchất nhấp nháy hòa tan Ở đây, ta cần lưu ý rằng, trong dung dịch, bản thân các dung môikhông phát sáng hoặc phát sáng rất yếu Do nồng độ chất nhấp nháy hòa tan (hay chất hoạttính) rất bé so với dung môi (hoặc tinh thể), nên hạt ion hóa đi vào chất nhấp nháy chủ yếutương tác với các phân tử dung môi Vì vậy, phải chọn các hợp chất (dung môi và chất hòatan) sao cho mức kích thích thứ nhất của chất hòa tan nằm thấp hơn mức kích thích thứ nhấtcủa dung môi để dễ dàng xảy ra quá trình truyền năng lượng kích thích từ phân tử dung môisang phân tử nhấp nháy của chất hòa tan Trong trường hợp tốt nhất là phổ phát xạ của chấtdung môi gần trùng khít với phổ hấp thụ của chất hòa tan Cơ cấu truyền năng lượng có thểtrực tiếp từ phân tử dung môi bị kích thích sang phân tử nhấp nháy hoặc truyền nhiều lầnqua các phân tử dung môi kế cận khác và cuối cùng ánh sáng được phát ra từ các phân tửnhấp nháy Trong trường hợp sau, một phần năng lượng biến thành nhiệt lượng dao động

Do nồng độ chất nhấp nháy bé nên môi trường nên gần như trong suốt với ánh sáng đó Một

ưu điểm của dung dịch nhấp nháy so với tinh thể hữu cơ tinh khiết là quá trình truyền nănglượng từ phân tử dung môi bị kích thích sang phân tử nhấp nháy khá nhanh, nên thời gianphát sáng của dung dịch lớn hơn không nhiều so với thời gian phát sáng t của phân tử riêngbiệt

Trong những điều kiện xác định như nhau, cường độ nháy sáng phụ thuộc vào nồng

độ chất nhấp nháy như mô tả ở hình 9

Dĩ nhiên trong giai đoạn đầu, khi tăng dần nồng độ chất nhấp nháy, xác suất truyềnnăng lượng từ các phân tử dung môi sang các phân tử nhấp nháy để phát sáng lớn và do đócường độ sáng cũng tăng theo Sự phụ thuộc tỉ lệ thuận này xảy ra chừng nào còn có thể bỏqua sự hấp thụ ánh sáng của bản thân các phân tử nhấp nháy trong dung dịch Tiếp tục tăngnồng độ chất nhấp nháy sẽ làm tăng sự hấp thụ nhiều lần ánh sáng và do đó sẽ làm tăng thêm

sự mất mát năng lượng cho dao động nhiệt Kết quả là cường độ nháy sáng tăng chậm dần

và cuối cùng sẽ bắt đầu giảm khi tăng nồng độ chất nhấp nháy Đối với phần lớn chất nhấpnháy lỏng, nồng độ tối ưu nằm trong khoảng 3-5g/l, còn trong dung dịch rắn nồng độ nàybằng 1-2% Cần phải lưu ý đến một nguyên nhân khác làm tắt ánh sáng nhấp nháy liên quan

I

C(g/I)

Hình 9: Sự phụ thuộc cường độ nháy sáng vào nồng độ chất nhấp nháy

đến sự có mặt của oxi trong dung dịch Do vậy, khi chế tạo chất nhấp nháy lỏng cần phảikhử hàm lượng oxi (oxygen) này bằng cách thổi nitơ (nitrogen) hoặc argon qua dung môi.

Trong dung dịch nhấp nháy ngoài dung môi và chất nhấp nháy thường có thêm thànhphần thứ ba gọi là chất dịch phổ Phổ phát xạ từ chất nhấp nháy thường tương ứng với sóngngắn và nằm trong vùng cực tím, ánh sáng đó không thích hợp với vùng nhạy của nhânquang điện Do đó, cần có chất dịch phổ chuyển ánh sáng từ vùng cực tím sang vùng nhìnthấy để hòa hợp phổ phát xạ và phổ hấp thụ của nhân quang điện Cơ chế truyền năng lượngsang dịch phổ cũng tương tự như cơ chế truyền năng lượng ở hai thành phần đầu

Chương 4: TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA MỘT SỐ CHẤT NHẤP NHÁY

Đối với chất nhấp nháy dùng để đo liều lượng bức xạ ion hóa có một số yêu cầuchính sau:

- Độ trong suốt đối với bức xạ riêng phải cao

- Dạng cứng nhỏ trong một khoảng năng lượng rộng

- Tính tỷ lệ của chớp sáng nhấp nháy và suất liều lượng trong một khoảng năng lượngđáng kể

- Tính bền vững đối với bức xạ ion hóa

- Giá trị hiệu suất biến đổi cao

- Thời gian huỳnh quang nhỏ

- Phổ phát quang phù hợp với độ nhạy phổ của photocathode của nhân quang điện.Chất nhấp nháy được phân loại thành chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ(tinh thể), chất nhấp nháy dẽo hữu cơ (dung dịch rắn), chất nhấp nháy hữu cơ lỏng và khí.Trong phần này sẽ điểm qua một số chất nhấp nháy thường dùng trong phòng thí nghiệmhay trong ứng dụng kỹ thuật và các tính chất cơ bản của chúng Để dễ so sánh, trên bảng 5.1ghi các đặc trưng quan trọng của một số loại chất nhấp nháy

4.1 Chất nhấp nháy vô cơ

Chất nhấp nháy vô cơ dùng để đo liều và để đo phổ bức xạ ion hóa gồm những tinhthể pha chất hoạt tính như ZnS(Ag), NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Sn), CdS(Ag) và có một số tinhthể không pha chất hoạt tính như CaF2, ZnS, CaWO4… Tính chất cơ bản của một số tinh thể

vô cơ thường dung được ghi theo các thứ tự 1, 2, 3, 4 và 5 của bảng 1 Một điểm rõ nét thấy

từ bảng 1 là thời gian phát sáng của các chất nhấp nháy vô cơ khá lớn Nhược điểm này kèmtheo sự xuất hiện các ánh sáng lân quang mà cường độ của nó đôi khi gần bằng cường độánh sáng huỳnh quang làm ảnh hưởng đến khả năng phân giải thời gian của các tinh thể vôcơ

Mặt khác khả năng khuếch tán ngược của electron phụ thuộc vào nguyên tử số mànguyên tử số của các thành phần cơ bản trong tinh thể vô cơ khá lớn điều này làm tăng khảnăng khuếch tán ngược các electron Chẳng hạn, hiệu suất khuếch tán ngược trên mặt tinhthể NaI(Tl) có thể đạt tới 80-90% Do đó, các tinh thể vô cơ nói chung ít được dùng làmdetector ghi electron Tuy vậy, do hệ số hấp thụ gamma tỷ lệ với mật độ và nguyên tử số Znên các tinh thể vô cơ như NaI(Tl) và CsI(Tl) (Z bằng 32 và 54) với Z lớn và mật độ cao rấtthích hợp dùng làm detector ghi gamma Do vậy, hiệu suất ghi gamma của detector rất lớn,nếu bố trí hình học tốt và kích thước lớn có thể đạt tới 80-90% và thậm chí 100%