Bài 2.3: Detector nhấp nháy

Chia sẻ: Le Duoc | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

308
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nguyên lý hoạt động của detector nhấp nháy, hình thành xung, sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với detector nhấp nháy là những nội dung chính trong Bài 2.3 "Detector nhấp nháy". Mời các bạn cùng tham khảo để có thêm tài liệu học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài 2.3: Detector nhấp nháy

§2.3. DETECTOR NHẤP NHÁY 1.Nguyên lý hoạt động của detector nhấp nháy Tương tác của các bức xạ với vật chất ngoài gây ion hoá nguyên tử và phân tử còn dẫn tới sự kích thích chúng. Kết quả của sự kích thích làm phát sáng. Detector nhấp nháy hoạt động dựa trên cơ sở biến đổi các photon phát ra từ chất nhấp nháy do sự kích thích của bức xạ thành tín hiệu điện. Chất nhấp nháy có thể là vô cơ hoặc hữu cơ. Dưới đây sẽ trình bày vắn tắt một số ưu, nhược điểm của một số chất nhấp nháy phổ biến được sử dụng trong chế tạo detector nhấp nháy. Chất nhấp nháy vô cơ: NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất là khả năng phát sáng rất tốt. Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các electron (và các tia gamma). Hạn chế là tinh thể dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt. Thời gian phân rã của xung nhấp nháy vào khoảng 230 ns, nên không phù hợp với các ứng dụng cần thời gian phân giải hoặc tốc độ đếm cao, CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn so với Sodium iodide, được sử dụng trong các ứng dụng cần các detector có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn, LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác định neutron dựa trên phản ứng 6 Li(n, α), Bismuth Germanate (BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ rất cao (7,3 g/cm3 ) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng quang điện rất lớn. Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra chỉ bằng 10 ÷ 20% so với NaI(Tl) còn độ phân giải thì kém hơn hai lần so với NaI (Tl), Barium Fluoride (BaF2): Có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns, thích hợp dùng cho các detector nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh. Chất nhấp nháy hữu cơ:
Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao nhất còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh thể nhấp nháy hữu cơ. Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích thước lớn, Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng dung dịch hoà tan. Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như C14 và Tritium. Hoặc sử dụng ở những nơi đòi hỏi thể tích detector lớn, trong trường hợp này, tỉ lệ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau). Các chất nhấp nháy này còn được sử dụng để đo neutron. Đôi khi sự dịch chuyển bước sóng 42 xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân quang, Chất nhấp nháy dẻo: là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong dung môi, sau đó polymer hoá và tạo dạng cần thiết. Các detector này không đắt, được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như hình trụ, tấm phẳng,… chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây) do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng nhanh, Chất nhấp nháy pha tạp: chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện cho việc xác định trực tiếp các hạt anpha hoặc beta. Chúng cũng có thể được sử dụng để xác định các neutron nhanh thông qua các proton giật lùi. Vì các chất nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện với các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ. Để cải thiện tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha thêm vào trong chất nhấp nháy (~ 10% trọng lượng chì hoặc thiếc). Tuy nhiên sự bổ sung này lại làm giảm cường độ sáng. Do ánh sáng phát từ các chất nhấp nháy là rất yếu, nên phải dùng một dụng cụ đặc biệt gọi là bộ nhân quang điện (PMT).
Hình 2.6: Cấu tạo của bộ nhân quang điện. Nguyên tắc hoạt động của detector nhấp nháy như sau: khi một bức xạ đi vào bản nhấp nháy, chúng sẽ làm kích thích các nguyên tử hay phân tử. Khi dịch chuyển về trạng thái cơ bản thì sẽ phát ra một ánh sáng nhấp nháy, đó là các photon ánh sáng. Qua lớp dẫn sáng, các photon đi vào ống nhân quang điện, ở đó tín hiệu được nhân lên nhiều lần tạo ra một tín hiệu điện khá lớn ở lối ra của ống nhân quang điện. Biên độ xung lối ra: Trong đó E là điện tích electron, là số photon/1 đơn vị năng lượng W, ( ) là phổ phát xạ của tinh thể nhấp nháy, như vậy ( ) cho ta số photon phát ra trong một đơn vị chiều dài song. ( ) được chuẩn hoá bởi: d( )=1. Pmax ( ) xác định xác suất giải phóng của một photon electron từ catod. Như vậy ( max ) =1; là hệ số nhân của nhân quang điện trên một photon electron. C là điện dung của tải ở anod của ống nhân quang điện, là số e đạt được của bộ nhân. Như vậy năng lượng để tạo ra một photon electron là ω =, như vậy, đối với detector NaI(Tl) năng lượng này vào cỡ 300 eV đến 1000 eV đối với
lượng tử gamma. Hệ số khuếch đại A của bộ nhân quang bằng tích của các hệ số phát thứ cấp: = n với n là số dinod. Thông thường 106108. 2. Hình thành xung Các phân tử hoặc nguyên tử của chất nhấp nháy được kích thích ở thời điểm t = 0, chúng có một thời gian sống nhất định, bởi vậy cường độ của ánh sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ: τ là thời gian loé sáng của chất nhấp nháy, * H t( ) là hàm Heaviside. Như vậy giữa va chạm của photon và sự giải phóng các electron không có tính trễ, thì tốc độ phát electron từ photo catod theo quy luật. Sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng: với ttg là thăng giáng của thời gian bay. Theo điều kiện chuẩn hoá suy ra với photo electron:
3. Sơ đồ tiền khuếch đại ghép nối với detector nhấp nháy Trong detector nhấp nháy, biên độ xung của tín hiệu thường có giá trị lớn hơn mức tạp âm của tiền khuếch đại. Bởi vậy các tiền khuếch đại thường mắc theo kiểu lặp lại emiter. Trên hình vẽ là sơ đồ nguyên lý mạch ra của một tiền khuếch đại dùng với tín hiệu ở lối ra của ống nhân quang điện. Hình 2.7: Sơ đồ P.Amp ghép nối với detector nhấp nháy. Nếu điện thế catod bằng thế đất, thì tất cả điện áp ra cỡ 1 kV là điện áp ra trên anod. Vì vậy tiền khuếch đại cần nối qua tụ chia C1, còn Ca và Cb nối song song trên lối ra của bộ nhân quang điện. Một cách tương ứng trên lối vào của tiền khuếch đại: Cs = Ca + Cb là điện dung toàn phần mắc song song. Ra là điện trở anod, và Rb là điện trở vào của tiền khuếch đại, thường Ca Cb 10 pF. Khi , Ra ,Rb , ta có:
Hằng số thời gian của mạch: Khi thoả mãn điều kiện a , a là thời gian loé sáng của bộ nhấp nháy thì: Hàm Heaviside: H(t) = 1 với t > 0 và bằng 0 với t < 0. Thực tế độ lệch căn bậc hai trung bình của điện áp ra khỏi đường cơ bản (0 V) được xác định: trong đó R là giá trị trung bình của xung, R = 20H(t), 2. Hình thành xung Các phân tử hoặc nguyên tử của chất nhấp nháy được kích thích ở thời điểm t = 0, chúng có một thời gian sống nhất định, bởi vậy cường độ của ánh sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ:
τ0 là thời gian loé sáng của chất nhấp nháy, * H t( ) là hàm Heaviside. Như vậy giữa va chạm của photon và sự giải phóng các electron không có tính trễ, thì tốc độ phát electron từ photo catod theo quy luật: Sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng: