Các phương pháp ghi đo hạt nhân

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂNPHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ PHẦN 3: ỨNG DỤNG... • Hiệu ứng quang điện: + Là quá trình tương tác giữa p

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT

NHÂN

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂN

PHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ

PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

PHẦN 3: ỨNG DỤNG

I Tương tác cơ bản giữa bức xạ với vật chất

1 Tương tác của bức xạ điện từ:

 Hiệu ứng quang điện

1 Tương tác của bức xạ điện từ

• Phân bố phổ bức xạ điện từ

• Hiệu ứng quang điện:

+ Là quá trình tương tác giữa photon và các electron liên kết trong nguyên tử, năng lượng photon tới bị electron hấp thụ hoàn toàn và bứt 1 electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử  e quang điện

+ Phát xạ kèm các tia X đặc trưng

+ Động năng của quang điện tử:

Te= Eγ – B.Ee

+ Tiết diện hấp thụ quang điện: σ ~

•  

1 Tương tác của bức xạ điện từ

1 Tương tác của bức xạ điện từ

• Tán xạ Compton:

+ Photon tương tác với một điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử, truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện tử bật ra khỏi nguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc θ

+ Khi tăng góc tán xạ θ thì đỉnh tán xạ ngược (tán xạ mộ tlần) tăng cao và nền phông tán xạ (tán xạ nhiều lần) giảm xuống

+ Năng lượng photon bị tán xạ:

hν’ =

+ Động năng lùi của e (Năng lượng truyền cho e bị tán xạ):

Te = hν’ – hν  

1 Tương tác của bức xạ điện từ

• Tán xạ Rayleigh (tán xạ kết hợp)

+ Là quá trình photon tới tương tác với toàn bộ nguyên tử, chỉ xảy ra tán xạ theo một góc rất nhỏ mà không gây nên sự ion hóa hay kích thích nguyên

tử nên gần như không mất năng lượng

+ Chủ yếu xảy ra trong vùng năng lượng thấp, vật chất có số Z lớn

+ Tiết diện tán xạ: ~ Z.E2

• Tán xạ Thomson (tán xạ không kết hợp)

+ Photon tới tương tác với một e tự do (e-liên kết yếu nhất của nguyên tử) có thể bị đổi hướng nhưng hầu như không mất năng lượng

1 Tương tác của bức xạ điện từ

môi trường

 phản ứng hủy cặp:

e- + e+  γ + γ  

Phản ứng hủy cặp của positron

1 Tương tác của bức xạ điện từ

• Sự suy giảm bức xạ:

+ Photon tới: chuyển động thẳng tới khi gặp và tương tác với 1 nguyên tử chất

Photon không tương tác: tiếp tục truyền thẳng

Photon tương tác: bị hấp thụ, tán xạ,…

 Cường độ chùm bức xạ suy giảm

+ Hệ số suy giảm tuyến tính:

μ = τ (photoelectric) + σ(compton) + κ(pair) [cm-1]

+Hệ số suy giảm khối:

μ’= μ/ρ [cm2/g]

+ Cường độ bức xạ suy giảm theo quy luật:

I = I0

2 Tương tác của hạt mang điện

2.1 Tương tác của hạt mang điện nặng (α,p,d…)

• Tương tác với vật chất chủ yếu thông qua lực Culong giữa chúng với các e quỹ đạo trong nguyên tử chất hấp thụ

• Hạt tới truyền 1 phần nhỏ năng lượng cho e và chỉ bị tán xạ bởi góc nhỏ

• Năng lượng cực đại e có thể nhận được sau mỗi lần va chạm

Qmax= 4Em0/M (M: khối lượng hạt tới)

 Hạt mang điện mất dần năng lượng đến khi hết và dừng lại

• Trong mỗi tương tác, năng lượng truyền có thể đủ lớn để đánh bật e khỏi nguyên tử hoặc đẩy e lên mức năng lượng cao hơn

• Quãng chạy:

0.56E E< 4 MeV

R (cm) = 1.24E – 2.62 4 MeV< E <8MeV

2 Tương tác của hạt mang điện

2.1 Tương tác của hạt mang điện nặng (α,p,d…)

• Đường cong Bragg

+ Trên phần lớn quãng đường, -dE/dx thay đổi gần đúng tỷ lệ nghịch với 1/E

+ Cuối đường đi, tổn hao năng lượng riêng giảm rất nhanh

• Tốc độ mất năng lượng của hạt:

S = -dE/dx

2 Tương tác của hạt mang điện

2.1 Tương tác của hạt mang điện nhẹ (e-, β)

• Năng lượng của hạt có thể mất mát do quá trình bức xạ cũng như tương tác Coulomb

• Điện tử tới bị gia tốc mạnh nên phát bức xạ dưới dạng bức xạ hãm hoặc sóng điện từ

• Tương tác Coulomb với e-nguyên tử chất:

Điên tử tới có thể va chạm đàn hồi với e

Điện tử tới truyền cho e một phần động năng, có thể lớn và bị tán xạ mạnh  ion hóa hoặc kích thích nguyên tử chất

• Độ tiêu hao năng lượng trong quá trình phát bức xạ:

• Độ tiêu hao năng lượng toàn phần

II Tính chất chung của đầu dò bức xạ

1 Các chế độ hoạt động của đầu dò bức xạ

2 Phổ biên độ xung

3 Độ phân giải năng lượng

4 Hiệu suất ghi nhận

5 Thời gian chết

1 Các chế độ hoạt động của đầu ghi bức xạ

• Chế độ xung

- Dạng tín hiệu xung điện sinh ra từ một tương tác bức xạ phụ thuộc đặc tính của TKĐ

- Đại lượng cơ bản: U(t), τ = RC

- Dựa vào hằng số thời gian: 2 trường hợp

+ RC << tc: U(t) = R.i(t)

+ RC >> tc: Umax=Q/C

• Chế độ dòng

- Thiết bị đo dòng: Ammeter, Pico Ammeter

- Giá trị tín hiệu dòng điện ghi nhận bởi thiết bị đo là một đại lượng phụ thuộc thời gian

2 Phổ biên độ xung

• Phân bô biên độ xung là thuộc tính cơ bản của đầu ghi, được sử dụng để đưa ra thông tin về bức xạ tới hoặc về chất lượng hoạt động của bản thân đầu ghi.

• Phân bố xung vi phân: biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ số dN/dH theo biên độ xung H

Click to edit Master text styles

3 Độ phân giải năng lượng

• Độ phân giải năng lượng: R =

• FWHM: độ rộng nửa chiều cao

• Hệ số Fano(F): phản ánh mức độ thông tin về các hạt bức xạ tới thông qua số lượng của các hạt mang điện tạo ra trong đầu ghi

R= 2.35 

• Giả thiết điện tích hình thành tuân theo phân bố Poisson, hàm đáp ứng có dạng Gauusian:

4 Hiệu suất ghi nhận

• Bức xạ mang điện cơ bản (α, β): tương tác xảy ra ngay khi đi chúng đi vào vùng hoạt  hiệu suất ghi: 100%

• Bức xạ không mang điện (γ, n): phải thực hiện một tương tác đủ mạnh trước ghi có thể ghi nhận được  hiệu suất ghi < 100%

• Hiệu suất ghi toàn phần:

5 Thời gian chết

• Thời gian chết là khoảng thời gian tối thiểu để phân biệt được hai sự kiện tương tác bức xạ ghi nhận bởi hai xung riêng lẻ

 Mất mát xung đếm do thời gian chết càng lớn khi tần suất bức xạ tới đầu ghi càng lớn  hiệu chỉnh thời gian chết để nâng cao độ chính xác của phép đo

• Mô hình đáp ứng thời gian chết:

 Paralyzable response (đáp ứng liệt) : tương tác xảy ra trong khoảng thời gian chết của tương tác trước đó sẽ không được ghi nhận Khoảng thời gian chết của đầu ghi sẽ được tiếp tục tính từ

tương tác bị mất này Nếu tương tác tiếp theo cũng nằm trong khoảng thời gian chết này thì không được ghi nhận bởi đầu ghi.

Tần suất đếm:

m = ne- nτ ≈ n(1 – nτ)

5 Thời gian chết

• Mô hình đáp ứng thời gian chết:

 Non-Paralyzable response (đáp ứng không liệt): tương tác xảy ra trong khoảng thời gian chết của tương tác trước đó sẽ không được ghi nhận Tuy nhiên tương tác bị mất này không có bất kỳ

ảnh hưởng gì tới đáp ứng của đầu ghi Nghĩa là thời gian chết chỉ được tính đối với những tương tác được ghi nhận.

Tần suất đếm:

m = ≈ n (1 – nτ)

5 Thời gian chết

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂN

PHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ

PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

PHẦN 3: ỨNG DỤNG

PHẦN II: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

I Đầu dò chứa khí

II Đầu dò nhấp nháy

III Đầu dò bán dẫn

I ĐẦU DÒ CHỨA KHÍ

1 Giới thiệu

• Là loại cảm biến điện tử đầu tiên sử dụng để đo bức xạ ion hoá

• Phát triển từ nửa đầu thế kỷ 20

• Thích hợp để đo bất kỳ loại bức xạ ion hoá nào (α, β, γ)

• Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

• Phân loại:

+ Buồng ion hoá

+ Ống đếm tỷ lệ

+ Ống đếm Geiger Muller

2 Cấu tạo

Tín hiệu ra trên Anode

3 Nguyên lý – các quá trình tương tác

3.1 Ion hoá và kích thích khí đếm

Biểu đồ: Năng lượng ion hoá nguyên tử của các loại khí

+ Hạt bức xạ: truyền 1 năng lượng tối thiểu bằng

năng lượng ion hoá của nguyên tử khí -> quá trình

ion hoá xảy ra

+ Số cặp ion trung bình sinh ra: có sự thăng

giáng thống kê

3 Nguyên lý – các quá trình tương tác

3.2 Quá trình trao đổi điện tích - tái hợp – góp điện tích

+ Tốc độ tái hợp:

+ Trao đổi điện tích: Xảy ra khi ion dương va chạm với phân tử khí.

+ Thời gian góp: - Ion: 10ms

- Electrons: 1-2ϻs

+ Tái hợp: Khi e tự do va chạm với ion dương

3 Nguyên lý – các quá trình tương tác

4 Các loại đầu dò chứa khí phổ biến

Biểu đồ: Miền làm việc của các loại đầu dò chứa khí

4 Các loại đầu dò chứa khí phổ biến

4.1 Buồng ion hoá

a) Buồng ion hoá

+ Ghi các hạt tích điện riêng biệt khi chúng tạo ra hiệu

4 Các loại đầu dò chứa khí phổ biến

4.1 Buồng ion hoá

b) Buồng ion hóa có lưới

+ Tín hiệu thu được không phụ thuộc vị trí ion hóa

+ Chỉ ghi nhận e -> thời gian ghi nhận tín hiệu giảm

4 Các loại đầu dò chứa khí phổ biến

4 Các loại đầu dò chứa khí phổ biến

4.3 Ống đếm Geiger Muller

Sự phóng điện Geiger

+ Tăng điện áp -> Hệ số nhân điện tích rất lớn (106 -108)

+ Các bức xạ rơi vào với năng lượng khác nhau nhưng tín hiệu điện thu

được có biên độ như nhau

=> Dùng để đếm bức xạ

+ Cần có sự dập tắt phóng điện khi số lượng ion quá lớn

+ Tốc độ đếm lớn 500 cps

II ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY

Detector nhấp nháy

• Một số yêu cầu của vật liệu làm chất nhấp nháy:

- Có thể chế tạo với kích thước lớn

- Hiệu suất phát quang cao

- Thời gian phát quang nhanh

• Chất vô cơ, hữu cơ, chất lỏng, chất khí.

Cấu tạo chung của D nhấp nháy và nguyên lý ghi đo hạt nhân

Chất nhấp nháy vô cơ

Chất nhấp nháy vô cơ

• Tính chất một số chất nhấp nháy hữu cơ

• NaI(Tl) được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm vượt trội

Chất nhấp nháy vô cơ

• Phổ Co60 sử dụng NaI(Tl)

Chất nhấp nháy hữu cơ

• Nguyên lý phát quang

Chất nhấp nháy hữu cơ

III ĐẦU DÒ BÁN DẪN

1 Đặc điểm khái quát của đầu dò bán dẫn

• Sử dụng vật liệu rắn để làm đầu ghi bức xạ có các ưu điểm:

 Kích thước đầu ghi “rắn” thường nhỏ hơn đầu ghi khí nếu cùng đo một năng lượng bức xạ.

 Dễ thoái hóa khi làm việc lâu trong môi trường bức xạ hoặc khi bị rọi bởi cường độ bức lớn trong một thời gian dài.

 Giá thành cao.

 Độ phân giải năng lượng cao

 Các đặc trưng về thời gian tương đối tốt, đáp ứng yêu cầu làm việc với cường độ bức xạ lớn, thời gian phản

hồi ngắn ~ns

Cấu trúc dải năng lượng trong chất rắn

Cấu trúc cơ bản của detector bán dẫn

2 Hoạt động của đầu dò bán dẫn

• Nếu có hạt bức xạ rơi vào vùng nghèo, do ion hóa của bức xạ mà tạo ra một số lớn các e và lỗ trống

Các hạt dẫn chuyển động có hướng do tác dụng của điện trường về điện cực tạo lên tín hiệu điện Đo tín hiệu điện ta sẽ xác định được năng lượng bức xạ rơi

Tính chất tổng quát của detector bán dẫn

• Kích thích nhiệt

• Cần phải làm mát

• Nhiệt độ Nito lỏng: T = 92K

• Thời gian thu góp: 10-7 – 10-8 s

• Thời gian sống trung bình của hạt mang điện: 10-5 s

3 Một số Detector bán dẫn

Cấu trúc của detector bán dẫn Si(Li)

Cấu trúc của detector bán dẫn HPGe làm mát với LN2

4 Phổ Co60 sử dụng đầu dò HPGE

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂN

PHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ

PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

PHẦN 3: ỨNG DỤNG

Chụp X – Quang với gamma và tia X

• Sự suy giảm gamma và tia X trong môi trường :

• Cung cấp thông tin chiếu hai chiều trên lớp chiếu sáng

trong các đối tượng

( ) 0

( , , ) 0

Chụp X- Quang

• Ảnh nhũ tương: Hạt bạc trong gelatin

• , bề dày

• Bức xạ gamma hoặc tia X chiếu vào

=> biến đổi hóa học.

Chụp X-Quang

Các ứng dụng y tế của CT

Phát hiện notron trong lò phản ứng

• Tự trang bị máy dò notron

• Mặt cắt ngang để chụp notron => bức xạ

• 103Rh(100%),

• Hạt => đo lường dòng điện.

• Bức xạ gamma => hiệu ứng quang điện và tán xạ compton=> electrons

• Độ nhạy để phát hiện notron=10-21 A/(n/cm2s)

,

β γ 103

, 139 , 1/2 42 , max 2.44

β

• Phương trình kích hoạt:

64Zn(n,p)64Cu 12.7h 54Fe(n,p)54Mn 312d

58Na(n,p)58Co 71.3d 56Fe(n,p) 58Mn 2.6h

24Mg(n,p)24Na 15h 197Au (n,2n)196Au 6.2d

Phản ứng sử dụng để phát hiện notron nhiệt

Nhận biết notron nhanh

• Ống đếm tỉ lệ để nhận biết notron (E>1eV)

• 6Li(n, )3h+4.8 MeV=>LiF nằm giữa hai tấm Si-PIPS det

• Đo sự trùng hợp của các cặp( ,3H) => biên độ của tín hiệu tỷ lệ thuật với năng lượng notron.

• Quả cầu nhấp nháy 6Li(Eu)

• Lớp môi trường polyme

• Ống đếm tỷ lệ 3H(n,p)3H 4-10 bar,3-5kV

• Buồng phân hạch :Bức tường bên trong được phủ một lớp U,Th

• Notron nhanh:238U,232Th.Notron nhiệt :235U

• Khi đo thông lượng notron,thời gian sống có hạn

α

α

Ứng dụng đầu dò nhấp nháy trong Công nghiệp và y tế

Ứng dụng đầu dò nhấp nháy trong chụp ảnh PET

Ứng dụng đầu dò bán dẫn

• Đo năng lượng của các hạt mang điện

 Đầu dò bán dẫn diode bằng sillic có chiều dày lớp nghèo dưới 1mm rất thích hợp để đo năng lượng hạt mang điện nặng như α, p hay mảnh phân hạch.

 Để đo năng lượng các bức xạ β hoặc e-, các đầu dò Si(Li) tỏ ra có ưu thế mạnh, nguyên tử số của Si nhỏ (Z=14) giúp giảm thiểu sự tán xạ ngược của e trên

bề mặt đầu dò.

• Đo tổn hao năng lượng riêng dE/dx

• Đo năng lượng tia X và tia Gamma

 Đầu dò Si(Li) dùng rộng rãi trong hệ đo phổ photon năng lượng thấp, thích hợp đo năng lượng tia X dưới 50 keV.

 Đầu do HPGe có ưu thế đặc biệt trong phép đo phổ gamma phức tạp ghi nhận photon năng lượng trên 100keV, đầu dò HPGe mỏng cỡ vài mm sẽ thích hợp hơn.