Chương 5: DETECTER GHI NHẬN BỨC XẠ

Chia sẻ: Lê Huy Ba Duy | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

378
lượt xem 100
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hạt nhân phóng xạ được xác định về mặt định tính và định lượng bằng cách dựa trên sự tương tác bức xạ phát ra với vật chất dùng bởi detector bức xạ. Một hệ thống đo hoạt độ phóng xạ thông thường bao gồm 2 phần: detector bức xạ và thiết bị xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 5: DETECTER GHI NHẬN BỨC XẠ

MỤC LỤC MỤC LỤC....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ.......................................................2 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 47
Trang 2 CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ Hạt nhân phóng xạ được xác định về mặt định tính và định lượng bằng cách dựa trên sự tương tác bức xạ phát ra với vật chất dùng bởi detector bức xạ. Một hệ thống đo hoạt độ phóng xạ thông thường bao gồm 2 phần: detector bức xạ và thiết bị xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo. Một số cơ chế tương tác bức xạ được mô tả trong phần (4.3). Trong phần này chỉ có 2 loại đó là kích thích và ion hóa nó được sử dụng rộng rãi như thành phần cơ bản của detector. Hai quá trình này là phương pháp sơ cấp nhờ những hạt tích điện mất năng lượng trong vật chất. Những hạt không tích điện, như tia gamma được phát hiện nhờ sự tương tác ion của các hạt tích điện thứ cấp, những thông tin đó đã được mô tả trong phần 4.3.3. Quá trình thứ ba, sự phân ly phân tử liên quan trong hóa học và phương pháp chụp ảnh của sự phát bức xạ. Quá trình này, thông thường không được dùng cho việc đo số lượng của hạt nhân phóng xạ, mặc dầu quan trọng trong nhiều khía cạnh của việc sử dụng và duy trì bức xạ. Phần hai của bất cứ hệ thống đo bức xạ nào đều là thiết bị điện biến đổi tín hiệu từ detector sang một dạng dữ liệu phù hợp. Đối với detector dựa vào sự ion hóa của chất khí hoăc chất bán dẫn, tín hiệu gồm một điện tích. Đối với các detector nhấp nháy, tín hiệu là một lượng tử phát sáng (cái có thể được biến đổi thành điện tích). Các thiết bị điện liên kết khuếch đại điện tích vào trong dòng hoặc điện thế ngoài được đo một cách dễ dàng. Điện thế ngoài có thể được dùng để đếm số xung trong một thời gian cho trước của hệ thống đếm, đ ể chọn l ọc biên độ xung trong phổ năng lượng bức xạ hoặc để cung cấp như một tín hiệu hồi tiếp trong quá trình hệ thống điều khiển. Chương này trình bày sai số ngẫu nhiên trong sự đo lường bức xạ, mà cũng liên quan đến quá trình thống kê trong sự chuyển giao và khuếch đại năng lượng
Trang 3 bức xạ trong bất kỳ hệ thống ghi nhận nào và liên quan đến quá trình thống kê phân rã hoạt độ phóng xạ. 5.1. CÁC NGUYÊN TẮC GHI NHẬN Hiện nay, có hai phương pháp ghi nhận bức xạ chính sử dụng các detector, đó là dựa vào sự ion hóa của chất khí (detector tỉ lệ và G-M), các tinh thể được kích thích do sự phát quang (detector nhấp nháy) hoặc sự ion hóa của vật rắn (detector bán dẫn). Nguyên tắc của sự ion hóa trong chất bán dẫn thì tương tự như trong chất khí, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron và proton trong tinh thể thay vào đó là các electron và các ion dương trong nguyên tử khí. Các chất bán dẫn ngày càng được sử dụng rộng rãi nhất trong detector ghi nhận bức xạ khi công nghệ ngày càng phát triển. Các hệ thống đo hoạt độ phóng xạ dạng xung, mà đầu ra của detector được xem như một chuỗi tín hiệu điện độc lập trong thời gian ấn định. Mỗi tín hiệu đặc trưng cho sự tương tác của một đơn vị bức xạ với detector. Hệ thống không tín hiệu thì thông thường được sử dụng trong những thiết bị đo bức xạ loại khảo sát và không được sử dụng rộng rãi cho việc đo hạt nhân phóng xạ, được xem như một hệ thống phát hiện ở mức trung bình. Các phương pháp đo hoạt độ phóng xạ hiện đại không chỉ xác định số bức xạ ghi nhận được trên đơn vị thời gian (tốc độ đếm) nhưng ngoài ra chúng còn cho phép tách các bức xạ theo loại và năng lượng ở những mức độ khác nhau. Các hệ thống với sự phân giải năng lượng được gọi là phổ kế và có thể dùng đo bức xạ tia alpha, beta và gamma, phổ kế tia gamma thì sử dụng đặc biệt cho sự phân tích hạt nhân phóng xạ. Trong phổ kế tia gamma, sự khuếch đại của mỗi tín hiệu điện thì tương ứng với năng lượng tia gamma còn lại trong detector. Thiết bị phân lo ại (kỹ thuật phân tích biên độ xung) có thể tách các loại xung nhờ biên độ và tần số. Kỹ thuật phân tích biên độ xung đa kênh, hoạt động trong sự liên kết với thiết bị biến đổi số tương tự (ADC), một thiết bị lưu trữ phù hợp (bộ nhớ) và sự cung cấp thiết bị dữ liệu thông thường được sử dụng để phân tích hỗn hợp phức
Trang 4 tạp của hạt nhân phóng xạ phát tia gamma mà không cần sự phân tích hóa học của hỗn hợp nguyên tố. Khi được yêu cầu phân tích nhiều loại nguyên tố cùng lúc, thông tin trong bộ nhớ được máy tính xử lý dữ liệu một cách hoàn chỉnh. Sự ghi nhận đặc tính điện của các bức xạ đặc biệt từ nhiều hạt nhân phóng xạ riêng biệt cũng có thể được thực hiện nhờ sử dụng phép đo trùng hợp ngẫu nhiên. Đ ối với một sự kiện được thu nhận khi một hạt nhân phóng xạ riêng biệt phân rã. Sự ảnh hưởng của hai bức xạ liên tiếp và đồng thời phải được khảo sát trong một thời gian xác định trước. Thông thường hai ghi nhận có thể là một tia beta và tia gamma theo sau như trong 2.3-m Al, hai tia gamma liên tiếp như trong 60Co hoặc hai 28 photon phân rã xảy ra trong bất kỳ sự phát positron nào. Vì vậy, hạt nhân phóng xạ phù hợp nhất cho sự đo lường bằng phương pháp ngẫu nhiên thì thông thường cũng được sử dụng cho sự phân rã hóa học phức tạp hơn. Hệ thống này được bàn luận trong chương 6. 5.2. DETECTOR CHỨA KHÍ Detector ghi nhận bức xạ chứa khí là một trong những loại cũ nhất của detector ghi nhận bức xạ có thể sử dụng được và vẫn được sử dụng một cách rộng rãi. Các loại detector bao gồm buồng ion hóa, buồng tỉ lệ, ống G-M. Các loại detector này có đặc điểm chung là một buồng chứa khí với điện cực ở giữa, cách nhiệt với thành buồng. Một điện thế cung cấp cho điện cực ở giữa tạo ra một trường tĩnh điện ngang qua buồng. Do đó, các cặp ion là kết quả từ sự bức xạ ion hóa được gia tốc hướng về các điện cực. Sơ đồ hệ thống của cửa sổ cuối đ ặc trưng cho detector G-M và ống tỉ lệ được trình bày trong hình 5.1. Sự tập trung các ion đã gây ra sự ion hóa các nguyên tử khí trong buồng tạo ra một tín hiệu điện. Tín hiệu này có thể gồm các electron tự do hoặc các cặp ion, đó là các electron và các ion dương. Trạng thái của các electron tự do và các ion dương phụ thuộc vào tính chất của khí trong buồng và điện thế cung cấp. Vì thậm chí sự dịch chuyển ion trong chất khí tương đối chậm so với sự dịch chuyển các electron, các detector thu nhận tín hiệu ion để cho sự tập trung nhanh của các electron.
Trang 5 Hình 5.1: Sơ đồ hệ thông cua cac Detector ion hoa khi: (a) Buông tỉ lệ dong ́ ̉ ́ ́ ́ ̀ ̀ khi. (b) Ông G-M cửa sổ cuôi [From Bernard G. Harvey, Introduction to ́ ́ ́ Nuclear Physic and Chemistry, 2nd Ed (Prentice-Hall Inc, Englwood Cliffs, N. J, 1969) By permission of the publisher] Điều đó được ghi chú trong phần 4.3.2, rằng độ hụt trung bình theo năng lượng của một hạt tích điện trong sự ion hóa nguyên tử khí khoảng 34 eV/ip. Vì vậy, nếu tổng năng lượng của một hạt beta được dùng cho sự ion hóa kích thích trong detector chứa khí thì số hạt electron tạo ra sẽ là: Eβ (ev) n= 34 Nếu tổng các hạt electron này được tích tụ tại điện cực ở giữa thì điện tích sẽ là: Q = en = 1.6. 10-19n (C) Nếu N(hạt/giây) được dừng lại hoàn toàn trong detector dẫn đến cường độ dòng sẽ là: I = QN = 1.6.10-19nN (A)
Trang 6 Ví dụ, một nguồn beta có N=100 (hạt/giây) đi vào detecter với năng lượng trung bình là 1 MeV. Sẽ tạo ra một cường độ dòng là I = 1,6.10-19.106/34.102 = 4,7.10-13 A. Như vậy, cường độ dòng dễ dàng được đo nhờ một thiết bị đo điện. Thiết bị đo điện gồm nhiều loại có thể đo cường độ dòng trong phạm vi từ 10 -8 đến 10-14 (A) và là những thiết bị đọc thông thường cho buồng ion hóa loại dòng trung bình. Giả sử, số hạt electron đã tập trung trong buồng ion hóa thì tương ứng với số hạt như thế đã dừng trong buồng trên một đơn vị thời gian . Tuy nhiên, số hạt electron tồn tại đã tập trung nhiều với điện thế cung cấp cho buồng. Tại điện thế thấp sự tích điện tại điện cực đối lập với sự mất dần của các cặp ion bằng sự kết hợp, biến thành nguyên tử trung hòa. Tại điện thế cao, sự ion hóa sơ cấp các electron tự do là nguyên nhân để bức xạ đạt động năng đủ trong suốt quá trình gia tốc chúng hướng tới điện cực làm phát sinh những hạt electron thứ cấp (cái thêm vào để tích điện) quá trình này được gọi là khuếch đại khí. Mối quan hệ giữa số hạt electron đã tập trung trên sự kiện hoặc biên độ xung và điện thế cung cấp trong một buồng đặc trưng hình trụ được mô tả trong hình 5.2 cho hạt alpha và hạt beta. Giới hạn điện thế thích hợp được chia thành 5 miền. Biên độ xung tương đôi ́ Hai miền đầu thiết lập phạm vi của sự ion hóa sơ cấp hoặc ion hóa đơn. Trái lại, miền cuối thứ 3 bao phủ vùng khuếch đại khí mà các electron thứ cấp thêm vào điện tích tập trung. Điên thế cung câp ̣ ́ Hinh 5.2: Kich thước tương đôi cua biên độ xung trong buông ion hoa như môt ̀ ́ ́̉ ̀ ́ ̣ ham đăc trưng cua điên ap cung câp cho hat alpha và beta ̀ ̣ ̉ ̣́ ́ ̣
Trang 7 Trong miền tái hợp, vận tốc trung bình của các ion đã gia tốc hướng về điện cực tăng lên cùng với điện thế, thời gian sử dụng cho sự tái hợp giảm và hiệu suất của điện tích tăng. Do vậy, chiều cao tín hiệu đi ra tăng với điện thế cung cấp. Trong miền bão hòa, sự tái hợp yếu hơn trở nên không đáng kể vì thời gian cần thiết cho sự tập trung của tất cả các ion trong buồng trở nên rất ngắn. Điện tích tập trung được xác định bởi (2) và độ cao xung tỉ lệ với năng lượng bức xạ đã sử dụng trong buồng. Vì sự còn lại của năng lượng đàn hồi cùng số cặp ion được tích tụ. Do vậy, độ cao tín hiệu không phụ thuộc vào điện thế cung cấp. Ngoài ra, miền này được gọi là miền buồng ion hóa, do tại điện thế này, dòng bão hòa tương ứng với năng lượng trung bình còn lại trong buồng ion hóa. Buồng ion hóa hoạt động như một hệ thống detector ghi nhận bức xạ mức trung bình. Cũng thế, do quãng đường hạt alpha tương đối ngắn, thậm chí trong chất khí buồng ion hóa có thể được sử dụng kết hợp với một kỹ thuật phân tích độ cao xung như phổ kế hạt alpha. Điều đó cũng không liên quan đến sự đo lường của những hạt nhân phóng xạ vì thế buồng ion hóa thường không được sử dụng trong kỹ thuật phân tích kích hoạt. Hai miền đầu này được trình bày trong hình 5.2 là các miền ion hóa đơn giản. Khi điện thế cung cấp một trường vượt quá mức trong khoảng 200V/cm, điện tích tích tụ được tăng lên nhờ quá trình khuếch đại khí, trong đó, các electron gia tốc đạt động năng phù hợp để tạo ra sự ion hóa nhờ va chạm. Hệ số nhân trong miền tỉ lệ tăng nhanh với điện thế cung cấp tăng. Do đó, nó không phụ thuộc vào sự ion hóa ban đầu, kích thước xung vẫn tương ứng với cường độ còn lại ban đầu. Tuy nhiên, khi điện thế tiếp tục được tăng sang miền giới hạn tỉ lệ, mật đ ộ của điện tích thứ cấp làm cản trở quá trình khuếch đại. Sự khác nhau trong độ cao tín hiệu ra không còn tỉ lệ với sự ion hóa ban đầu nữa. Mối quan hệ giữa độ cao xung và năng lượng bị khử chậm.
Trang 8 Trong miền G-M, detector tạo ra một xung liên tục vì độ lớn của điện tích tích tụ trở nên độc lập với sự ion hóa sơ cấp. Một hạt anpha và một hạt beta phát ra cùng một kích thước xung cuối, bất chấp số ion hóa sơ cấp đã tạo ra trong ống G-M. Vì vậy, ống G-M không hiệu quả cho kỹ thuật phân tích biên độ xung nhưng bởi vì nó tương đối đơn giản và tín hiệu ra với biên độ lớn, nó vẫn là một detector có ích cho kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố hóa học riêng lẻ. Khi điện thế qua một detector chứa khí được tăng lên đều, buồng hoạt đ ộng như một ống tiếp tục phóng điện có thể sử dụng cho sự ghi nhận bức xạ. Sự hoạt động kéo dài của buồng chứa khí trong miền phóng điện có thể nguy hiểm, ảnh hưởng đến tính hiệu quả của buồng như một thiết bị ghi nhận bức xạ. 5.2.a. Buồng Tỉ Lệ: Buồng tỉ lệ đã trở thành loại thông dụng nhất của detector cho việc đo hoạt độ phóng xạ beta trong mẫu chất rắn hoặc khí. Buồng tỉ lệ kết hợp ưu thế của buồng ion hóa trong sự duy trì tỉ lệ giữa tín hiệu ra và sự ion hóa sơ cấp và ống G- M trong sự đạt được một xung đủ mạnh khuếch đại khi cho mỗi sự kiện đã tìm ra. Nhiều ống đếm tỉ lệ thương mại có thể dùng được. Chúng thông thường chứa một ống detector dạng hình chuông, đã mô tả trong hình 5.1a, thông qua một máy đếm dòng khí. Thông thường khí được coi là hỗn hợp của 10% methane và 90% Argon. Hỗn hợp khí đặc biệt này được xem như một sự trung hòa tốt giữa khí Argon tinh khiết và khí Mathane tinh khiết. Khí Argon tinh khiết không thích hợp với hệ đếm khí vì sự tồn tại của một trạng thái kích thích lâu dài của các ion mà nó gây ra xung sau và nồng độ cao hơn của Methane yêu cầu sự hoạt động ở điện thế lên tới 4000V. Tất cả những điều trên được trình bày trong hình 5.2. Những khí khác đều tốt nhưng đắt hơn. Các mẫu đếm thông thường được đặt trong một vài dạng hình đĩa hoặc mảnh kim loại tròn và được đặt dưới cửa mỏng của ống đếm. Các detector có thể dùng được với độ dày cửa phía cuối mỏng bằng 80 µg/cm2. Như thế những cửa siêu mỏng (theo hình 4.6) cho phép hạt beta năng
Trang 9 lượng xấp xỉ 0.1 MeV đi vào với một sự giảm cường độ chỉ 50% vì sự phát hạt beta năng lượng rất thấp như 14C (Eβmax = 0.156 MeV) và 3H (Eβmax = 0.018MeV). Buồng tỉ lệ không cửa (ví dụ mẫu được đặt trực tiếp trong buồng đ ếm) có thể được sử dụng. Nhiều vấn đề liên quan tới cửa sổ cuối của các mẫu đếm chất rắn trong mảnh kim loại tròn được ôn lại trong phần 6.32. Ống đếm tỉ lệ được sử dụng cho việc đo hoạt độ phóng xạ của các mức rất thấp. Điều đó đã tìm trong các mẫu môi trường hoặc trong các mẫu hoạt độ phóng xạ gần giới hạn nhạy cảm. Thuật ngữ đếm “phông thấp” thường ám chỉ các hệ thống mà mức đếm phông bình thường được giảm đáng kể. Các nguồn đếm phông sơ khai phù hợp đến từ bức xạ vũ trụ bao gồm sự bức xạ hạt mang điện, tia gamma thứ cấp và neutron và đến từ các bức xạ gamma và beta từ những nguyên vật liệu có tính phóng xạ trưng bày trong phòng thí nghiệm và detector và các vật che chắn. Những nguồn này được giảm trong các hệ thống đếm tỉ lệ phông thấp nhờ vật liệu che chắn phóng xạ tự do dày bao quanh detector và quanh lớp bảo vệ bên trong c ủa detector, mà hoạt động trong bộ phận đối trùng phùng của detector chuẩn, một tia vũ trụ năng lượng cao mà xuyên qua vật che chắn và gây ra sự ion hóa trong Tôc độ đêm detector mẫu cũng sẽ gây ra sự ion hóa trong một detector chắn. Các xung đ ược ́ tạo ra nhờ hai detector, khử lẫn nhau và sự kiện trong detector chính thì không ́ được ghi nhận. Chỉ các sự kiện đó mà xảy ra độc lập với detector chính đ ược đếm. Điên thế cung ̣ ́ câp(V) Hinh 5.3:Đường cong plateau cho hat alpha và hat beta trong ̣ ̣ ̀ ông đêm tỉ lệ dong khí ́ ́ ̀
Trang 10 Một ưu thế thêm của buồng tỉ lệ là nó có khả năng đo các bức xạ anpha và beta một cách độc lập, thậm chí, khi các bức xạ đến từ cùng mẫu. Khả năng này là kết quả từ sự khác nhau trong sự ion hóa đặc biệt của hạt anpha và beta, như trình bày trong hình 5.2. Trong miền tỉ lệ, kích thước xung phụ thuộc đáng kể vào điện thế cung cấp, nhờ sự phân biệt kích thước xung, tốc độ đếm của một loại bức xạ đã cho có thể được tạo ra không phụ thuộc điện thế cung cấp trên vùng điện thế nhỏ (∼ 200-300V). Vùng điện thế này được gọi là vùng plateau của detector (xảy ra ở khoảng 1000V cho bức xạ anpha và khoảng 2000V cho bức xạ beta). Điện thế hoạt động của máy đếm được đặt tại một giá trị thích hợp trong vùng này. Với việc điều chỉnh điện thế, tốc độ đếm của một mẫu có tính phóng xạ được tạo ra không phụ thuộc sự thay đổi nhỏ trong đường hiệu điện thế. Một đường cong plateau đặc trưng cho một ống đếm tỉ lệ loại dòng được nhìn thấy trong hình 5.3. Để đếm bức xạ hạt anpha, máy đếm này sẽ được hoạt đ ộng tại một điện thế khoảng 1000V. Tổng số đếm tại 1600V gồm có sự đóng góp từ cả bức xạ anpha và beta. Để đạt được tốc độ đếm của hoạt độ riêng của beta, tốc độ đếm của bức xạ anpha (được xác định nhờ sự mở rộng miền plateau anpha tới 1600V với việc sử dụng sự phát hạt anpha) sẽ được trừ từ tổng số đếm. 5.2.b. Ống Đếm G-M Ống G-M được sử dụng nhiều nhờ sự đơn giản của detector ghi nhận bức xạ. Một số sự điều chỉnh hệ thống đếm cần thiết cho sự hoạt động ổn đ ịnh của detector. Tuy nhiên, ống G-M đã dần dần được thay thế bởi các loại detector khác vì giới hạn bên trong của nó thường quá tải, lợi thế của sự đơn giản trong quá trình hoạt động, đặc biệt cho sự ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ. Ấy thế mà, các ống đếm G-M tiếp tục tồn tại trong nhiều phòng thí nghiệm và cho
Trang 11 dù sự hiệu chỉnh máy đếm đã cần thiết đối với chúng, sẽ tiếp tục cung cấp những phép đo chính xác cho nhiều thiết bị đo hoạt độ phóng xạ, đặc biệt khi phân ly hóa học là một phần của quá trình. Lợi thế của ống G-M là nó có độ nhạy cao, nó có thể phản hồi với nhiều loại bức xạ, đa dạng cả về kích thước lẫn hình dạng, tín hiệu của đầu ra lớn, và chi phí thấp về lĩnh vực điện từ học. Mẫu phổ biến nhất được sử dụng trong các phòng thí nghiệm kích hoạt phóng xạ và hóa học phóng xạ là ống G-M cửa sổ cuối với tính kinh tế sử dụng một cái giá để giữ những mẫu với những khoảng cách cố định với cửa sổ, trình bày trong hình 5.1b. Chúng thường được đặt ở trong một lõi chì hoặc lõi thép với một cửa để đưa mẫu vào sắp xếp trong một cái giá. Hệ thống điện gồm có một nguồn điện áp cao, một bộ tách sóng, một bộ phận đếm và một đồng hồ đo thời gian. Toàn bộ hệ thống này được gọi là ống đếm G- M. Đặc trưng tốc độ đếm của ống đếm G-M đơn giản hơn so với đặc trưng này của ống đếm tỷ lệ, vì xung của ống G-M về bản chất là độc lập với sự ion hóa sơ cấp là tác nhân gây ra các xung. Miền plateau của một ống G-M tốt là khoảng 300V và sự tăng tốc độ đếm với điện áp được cung cấp thường tăng ít h ơn 3%/100V. Một trong những đặc trưng giới hạn tổng quát của ống đếm G-M là thời gian khôi phục tương đối dài phụ thuộc vào máy đếm để phân biệt được khoảng thời gian giữa hai lần phóng điện liên tiếp bên trong ống. Thời gian “chết” này (khoảng 250.10-6 giây so với khoảng 0,5.10-6 giây cho một máy đếm tỉ lệ) dẫn đến sự chồng chéo đáng kể các sự kiện ion hóa (sự trùng hợp ngẫu nhiên) nó lần lượt dẫn đến sự giảm tốc độ đếm đáng kể đối với những mẫu phóng xạ mạnh hơn. Ảnh hưởng này trở nên quan trọng hơn khi tốc độ đếm vượt quá 10 4 cpm. Sự hiệu chỉnh để giảm “thời gian chết” có thể được quyết định từ thời gian phân giải τ. Nếu n là tốc độ đếm thực với τ = 0 và m là tốc độ đếm quan sát được, khi đó: m n= 1 − mτ
Trang 12 Ví dụ, cho một ống đếm có thời gian phân giải của nó là 250.10 -6 giây một mẫu với tốc độ đếm thu được m = 525 cps sẽ có một tốc độ đếm thực 5.25 ×102 n= = 605 cps 1 − (5.25 × 102 × 250 ×10−6 ) Tốc độ đếm thu được thấp hơn 13%. Trong ống đếm tỉ lệ, độ hụt tương ứng sẽ nhỏ hơn 0.03%. Ống đếm G-M có điểm chung với ống đếm tỉ lệ cần để xác định toàn bộ hiệu suất cho mẫu đếm dưới ống đếm cửa số cuối để thay đ ổi tốc độ đếm đo được thành tốc độ phân hủy tuyệt đối cho nuclit phóng xạ. Toàn b ộ hiệu suất của hệ thống detector cửa sổ cuối phụ thuộc vào nhiều nhân tố trong đó bao gồm detector, một vài linh kiện máy đếm và chính nguồn của nó. 5.3. DETECTOR NHẤP NHÁY Điểm chú ý của Detector nhấp nháy là nó đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, nó cũng là một trong những loại Detector cũ nhất được dùng trong đo lường bức xạ. Kính nhấp nháy đ ược phát triển năm 1908, là dựa trên sự phát huỳnh quang khi hạt alpha tác đ ộng vào một màng mỏng tinh thể kẽm sunfua. Sự tương tác được quan sát với một kính hiển vi trong một phòng tối bằng “máy đếm nhân tạo” tốc độ đếm của máy này bị giới hạn, khoảng 60 nhấp nháy trên một phút. Sự phát triển của máy đếm điện tử hoặc những máy đếm gộp trong những năm 1930 đã làm cho máy đ ếm bằng hình ảnh lỗi thời. Ống nhân quang xuất hiện trong những năm 1940 khởi đầu cho máy đếm nhấp nháy hiện đại. Detector nhấp nháy đã trở nên quan trọng cho việc đo phổ tia gamma, đặc biệt trong phân tích kích hoạt phóng xạ, với việc phát hiện ra những tinh thể với mật độ cao đặc trưng nhạy với bức xạ Gamma và sự phát triển đồng thời các thiết bị đo điện tử, các thiết bị này nó có thể tách và chọn xung điện bằng biên độ (chiều cao xung). 5.3.a. Nguyên Tắc Ghi Nhận Nhấp Nháy Detector nhấp nháy phụ thuộc vào đặc tính của những tinh thể rắn, nó có thể tiêu hao năng lượng bởi sự ion hóa và sự kích thích dưới dạng phát quang. Sự phát xạ của ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại nói chung là dưới dạng huỳnh quang
Trang 13 (với thời gian sống khoảng 10-8 giây) hoặc hiện tượng lân quang (có bước sóng dài hơn với thời gian sống khoảng 10-4 giây). Tinh thể nhấp nháy có thể bao gồm những hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ. Sự phát sáng của hợp chất hữu cơ (ví dụ như antraxen) là một đặc tính cố hữu của phân tử hữu cơ, trong khi hợp chất vô cơ, sự phát sáng là một đặc tính của trạng thái kết tinh. Vì hầu hết các detector nhấp nháy được dùng cho quang phổ bức xạ được làm bằng tinh thể vô cơ, sự tìm hiểu c ủa chúng ta bị giới hạn trong những tinh thể như vậy. Lý thuyết dải bước sóng trong giới hạn nhất định của chất rắn được phát biểu năm 1928 được áp dụng cho tính dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện kết tinh. Sự phân loại này nói chung được tạo bởi sự khác biệt về điện trở suất. các giá trị gần đúng được cho trong bảng 5.1. Bảng 5.1: Điện trở của vật rắn Chất Điện trở suất Vật dẫn. ~10–5 Chất bán dẫn. 10–2 tới 109 Chất cách điện. 1014 tới 1022 Lý thuyết về chất rắn coi sự phân chia cơ lượng tử trong một mạng tinh thể về các mức năng lượng điện bên trong và bên ngoài của nguyên tử liên kết. Mặc dù các electron bên trong liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử, các electron phía ngoài (electron hóa trị) chịu ảnh hưởng của các nguyên tử ở gần đ ủ đ ể tạo thành một dãy các dải năng lượng “chấp nhận” liên tục bị tách bởi vùng giá trị năng lượng “lượng tử bị cấm”. Một sơ đồ biểu diễn sự phân loại vùng năng lượng điện tử trong một chất cách điện tinh thể ion được trình bày trong hình 5.4. Ở trạng thái cơ bản của tinh thể, vùng hóa trị bị lấp đầy hoàn toàn bởi các electron, trong khi đó vùng dẫn điện thì trống. Sự phân chia lượng tử về mặt năng lượng giữa hai vùng được gọi là vùng năng lượng trống EG và về mặt lý thuyết, nó
Trang 14 là năng lượng tối thiểu cần cho sự ion hóa của một electron từ vùng hóa tr ị tới vùng dẫn điện. Trong tinh thể của vật liệu cách điện thì khoảng cách năng l ượng là khá lớn nghĩa là số electron trong vùng dẫn điện ở nhiệt độ phòng là không đáng kể. Sự di chuyển của một electron từ vùng hóa trị đến vùng bán dẫn tạo ra một “lỗ trống” trong vùng hóa trị và tạo ra cặp electron-lỗ trống. Khi electron và lỗ trống không còn liên kết với nguyên tử, cả hai có thể di chuyển tự do qua mạng tinh thể và tạo nên tính dẫn điện trong tinh thể. Hình 5.4. Vùng năng lượng điện tử trong ion tinh thể cách điện. Một electron cũng có thể bị kích thích xuống một trạng thái năng l ượng thấp hơn so với vùng dẫn trong đó nó vẫn còn liên kết tĩnh điện với lỗ trống trong vùng hóa trị. quá trình này của sự kích thích dẫn đến một cặp electron-lỗ trống (sự kích thích) nó không có điện tích thực nhưng vẫn có thể di chuyển thông quang mạng tinh thể. Hình 5.4 cho ta thấy một vùng năng lượng kích thích riêng biệt với một giá trị cực đại ở dưới đáy của vùng dẫn điện và một vùng tối thiểu phù hợp với sự kích thích ở trạng thái cơ bản. bức xạ bị hấp thụ bởi một tinh thể cách điện có thể tạo ra cả sự ion hóa và kích thích. Sự tái tổ hợp của electron từ vùng dẫn điện với lỗ trống trong vùng hóa trị có thể dẫn đến sự kích thích nữa.
Trang 15 Sự xuất hiện hàng rào lỗ trống và những tạp chất (chất kích hoạt) trong tinh thể ion tạo ra mức năng lượng địa phương (trung tâm và bẫy) trong vùng bị cấm của biểu đồ vùng năng lượng, bên dưới vùng dẫn. Một ion kích hoạt có thể tồn tại trong cả hai trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, chứng tỏ bằng G- và E= trong hình 5.4. Sự hủy của một kích thích có thể xảy ra 3 trường hợp: 1. Sự phát sáng, một sự chuyển về trạng thái cơ bản nhờ sự phát sáng. 2. Sự dập tắt, một sự chuyển về trạng thái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạ nhiệt của năng lượng kích thích. 3. Bẫy, một dịch chuyển về vùng dẫn bằng việc thu nhiệt lượng hoặc về trạng thái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạ nhiệt. Hình 5.5. Sơ đồ mức năng lượng của một tâm kích hoạt của nhiều trạng thái kích thích. Điều kiện cho sự phát sáng của một mẫu được xác định bởi thế năng của trạng thái cơ bản và kích thích của phân tử như một chức năng c ủa một số c ấu
Trang 16 hình không gian tọa độ r, như hình 5.5. Một mẫu tạp chất có thể đạt tới trạng thái kích thích bằng việc hấp thụ bức xạ (hoặc bởi việc hấp thụ một năng lượng ε). Quá trình hấp thụ chứng tỏ là có sự dịch chuyển A → B , nó tuân theo nguyên tắc Franck-Condon xảy ra trong một thời gian ngắn so với sự dịch chuyển của nguyên tử. Trạng thái kích thích này nhằm tìm ra thế năng cực tiểu để có thể di chuyển về vị trí C bằng việc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư. Photon phát quang được phát ra khi có sự dịch chuyển C → D , sau đó mẫu quay về năng lượng tối thiểu trong trạng thái cơ bản bằng việc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư. Phổ phát quang là một dải chứ không phải là một đường rõ nét vì nhiệt dao động quanh thế năng tối thiểu ở mức C. Sự kích thích dọc theo một đường C → E → A trong đó năng lượng C → E được cung cấp bằng sự kích thích nhiệt. Trong trường hợp này, sự dập tắt bên trong không xảy ra bức xạ. Khả năng có thể xảy ra K i phụ thuộc vào nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa E = ∆E (C → A) bằng K i = ae − E / kT và hiệu suất lượng tử phát quang q0 có thể định nghĩa như sau kf 1 q0 = = 1 + be − E / kT k f + ki kf là khả năng có thể xảy ra cho sự phát xạ. trong đó: ki là khả năng có thể xảy ra cho cạnh tranh bên trong của sự dập tắt. k là hằng số Boltzmann; a và b là hằng số. Sự phát quang bằng một tinh thể nhấp nháy kèm theo sự kích thích bằng việc hấp thụ bức xạ nói chung là phân rã theo thời gian: I = I 0 e − t /τ ở đó τ là thời gian phân rã.
Trang 17 Tinh thể vô cơ có những tính nhấp nháy được gọi là phốt-pho, một trong số đó xuất hiện tinh thể tinh khiết (như kim cương, hợp chất halogen và muối uranyl). Một số khác thì tự kích hoạt; đó là sự xử lý nhiệt tạo nên sự quá mức của một trong những ion trong vị trí khe trong mạng tinh thể cái hoạt động như chất kích hoạt phát sáng. Tinh thể như thế bao gồm ZnS với Zn dư, CdS với Cd d ư và ZnO với Zn dư. Hầu hết tinh thể nhấp nháy được dùng cho việc dò tìm bức xạ được hoạt hóa và nói chung hợp chất halogen hoạt động bằng những kim loại nặng như thallium, europi, và chì. Mặc dù việc ghi nhận bức xạ bằng tinh thể nhấp nháy đã trở thành phương pháp đo lường chủ yếu cho bức xạ gamma, phương pháp ghi nhận bức xạ bằng tinh thể nhấp nháy cũng hữu ích cho việc đ ếm hạt alpha (s ử dụng các chât nhấp nháy đầu tiên như ZnS) hoặc hạt bê-ta (đặc biệt là thiếu s ự trùng khớp bức xạ gamma) bằng chất lỏng hay bằng những hợp chất hữu cơ bằng nhựa mỏng. Phương pháp khí nhấp nháy đã từng được phát triển cho việc đ ếm những hạt mang điện nặng. Khí hiếm như Xe và Kr thì thông thường được dùng như khí nhấp nháy nhưng máy dò này cho đến nay chưa tỏ ra hữu ích cho s ự đo lường các hạt nhân phóng xạ. Chức năng cơ bản của detector nhấp nháy hợp chất vô cơ (bao gồm một tinh thể nhấp nháy về phương diện quang học ghép đôi với một ống nhân quang) trình bày ở hình 5.6. Hoạt động của hệ đo có thể được xem xét đên năm giai đoạn: 1. Sự hấp thụ năng lượng tia gamma của chất phát sáng. 2. Sự chuyển đổi của năng lượng hấp thụ thành các photon của sự phát sáng. Sự di chuyển các photon trực tiếp và phản xạ tới quang catot của ống 3. nhân quang. 4. Sự phát ra của một vài quang electron được gia tốc tới diode đầu tiên.
Trang 18 5. Nhân electron tạo ra một xung có thể đo được tại cực dương của ống nhân quang.
Trang 19 Hình 5.6: Sự hấp thụ tia Gamma trong Detector nhấp nháy dẫn đến điện áp tăng với tỷ lệ năng lượng tới. Năng lượng của photon đặt trong tinh thể được biến đổi thành photon ánh sáng với bước sóng đặc biệt. Những photon này bị phản xạ từ các vách của bình chứa tinh thể, nói chung được làm bằng Al2O3 hoặc MgO, cho đến khi chúng đi qua vật nối quang học và đánh bật quang catot, lúc đó nó sẽ tạo ra quang electron. Quang catot được làm bằng vật liệu bán dẫn như là SbCs3 hoặc BiCs3, chúng có hiệu suất quang điện cao khoảng 0.2 electron trên một phôton. Ống nhân quang được thiết kế hội tụ và gia tốc quang electron sơ cấp thông qua bộ điện cực của máy nhân (các điôt). Mỗi điôt được duy trì ở một điện áp từ 75 đến 150V lớn hơn trước và đối với mỗi electron phát ra từ quang catot phép nhân trung bình trên mỗi điôt là thừa số của 4. Như vậy với 1 ống nhân quang 10 điôt, sự khuếch đ ại dòng của các quang electron từ quang catot là khoảng (4) 10 hoặc khoảng 106. Dòng ra tại anot lưu thông qua một điện trở tải RL, nó tạo ra điện áp âm giảm xung trình bày ở hình 5.6. Xung này được ghép cặp thông qua sự cản trở của tụ điện C tới điện cực.
Trang 20 5.3.b. Detector Nhấp Nháy NaI (Tl) Hầu hết các chất vô cơ được dùng làm chất nhấp nháy cho đo lường bức xạ tia x và bức xạ gamma có hợp chất halogen kiềm. Hỗn hợp phổ biến nhất, có giá trị kinh tế cao với nhiều hình dạng và kích thước, đó là tinh thể NaI hoạt động với khoảng 0.1% thalium. Thalium được thêm vào dưới dạng ion thallous(Tl+) làm tăng hiệu suất nhấp nháy ở nhiệt độ phòng và di chuyển với bước sóng của các 0 photon phát quang khoảng 4200 A , thích hợp với sự phản hồi của bộ nhân quang chuẩn. CsI thỉnh thoảng được dùng với mục đích đặc biệt. NaI(Tl) có vài thuộc tính cần chú ý. Tinh thể có mật độ cao (3.67 g/cm3) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma. Iot cung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn vị của hấp thụ bức xạ gamma. Hệ số suy giảm gamma cho NaI được trình bày ở hình 5.7. Hệ số suy giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên cân bằng tại năng lượng 0.3 MeV và tạo ra hiệu ứng c ặp không quan trọng cho tia gamma với năng lượng nhỏ hơn 2 MeV. NaI(Tl) có thể dần dần thành các tinh thể lớn (> đường kính 8 in) và rất trong suốt với ánh sáng huỳnh quang của chính nó. Những tinh thể này có thêm một thuận lợi thời gian phân rã phát quang rất ngắn (~0.25 μsec), nó cho phép đếm được những mẫu hoạt đ ộng mạnh với thời gian chết nhỏ bỏ qua. NaI thì hút ẩm (nó có thể hấp thụ hơi nước từ không khí) và vì vậy tinh thể (và bề mặt phản xạ ánh sáng) phải được bọc kín trong một bình kín với cặp kính quang tạo thành ống nhân quang. hạn chế quan trọng khác trong việc chuẩn bị lắp ráp hệ thống tinh thể pin quang điện là tránh kali, nó chứa đồng vị phóng xạ K-40 tạo ra tự nhiên và các nguyên tố phóng xạ khác trong bất cứ vật liệu xây dựng nào dẫn đến làm giảm phông đầu dò.