Chuyên đề nghiên cứu sinh: Các Đetectơ liên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Chia sẻ: Minh Van Thuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

218
lượt xem 46
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chuyên đề nghiên cứu sinh: Các Đetectơ liên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt tiến hành tìm hiểu và trình bày các kiểu Đetectơ cơ bản như các Đetectơ khí, các Đetectơ nhấp nháy, các Đetectơ bán dẫn và một số kiểu hệ đo được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng dựa trên các kiểu Đetectơ này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề nghiên cứu sinh: Các Đetectơ liên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM _____________________ NGUYỄN XUÂN HẢI CÁC ĐETECTƠ LIÊN QUAN ĐẾN GHI ĐO BỨC XẠ TRÊN KÊNH NGANG SỐ 3 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN 2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG ĐÀ LẠT – 2007 1
MỞ ĐẦU Ghi đo bức xạ là một trong những mắt xích quan trọng nhất của vật lý hạt nhân thực nghiệm. Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, địa chất, môi trường,… tất cả ít nhiều đều liên quan đến đo ghi bức xạ. Các kết quả này là cơ sở để đưa ra các đánh giá khuyến cáo hay các điều chỉnh cần thiết trong từng lĩnh vực. Chính vì vậy, các kiến thức hiểu biết về các loại đetectơ, các phương pháp đo ghi bức xạ, các hệ đo là những kiến thức căn bản không thể thiếu đối với người làm vật lý hạt nhân thực nghiệm. Mỗi đối tượng nghiên cứu thường phát ra một hay vài loại bức xạ đặc trưng, mỗi loại bức xạ có những kiểu tương tác khác nhau với môi trường vật chất vì vậy cần phải có các phương pháp đo ghi thích hợp với từng loại bức xạ và từng đối tượng nghiên cứu cụ thể. Trong tài liệu này nghiên cứu sinh (NCS) tiến hành tìm hiểu và trình bày các kiểu đetectơ cơ bản như: các đetectơ khí, các đetectơ nhấp nháy, các đetectơ bán dẫn và một số kiểu hệ đo được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng dựa trên các kiểu đetectơ này. Hy vọng các kiến thức được NCS tìm hiểu và trình bày trong tài liệu sẽ giúp cho NCS có thêm kiến thức bổ sung cho quá trình thực hiện luận án của mình. 2
A. CÁC ĐETECTƠ Trong đo ghi bức xạ, thành phần cơ bản và quan trọng nhất của thiết bị đo là các đetectơ. Đây là thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành các tín hiệu điện để các thiết bị điện tử có thể ghi nhận và phân tích. Mỗi loại bức xạ khác nhau có các cơ chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, do đó để ghi nhận được chúng cần có các loại đetectơ khác nhau như: đetectơ chứa khí, đetectơ nhấp nháy, đetectơ bán dẫn. I. Các đetectơ chứa khí Đetectơ chứa khí, có lẽ đây là kiểu đetectơ ra đời sớm nhất trong các kiểu đetectơ dùng trong đo ghi bức xạ và vẫn còn được sử dụng đến ngày nay. Các đetectơ này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì nó hoạt động khá tin cậy, hiệu quả trong khi giá cả lại không đắt, dễ chế tạo theo nhiều kiểu hình học và kích thước khác nhau, dễ bảo quản và sử dụng. Sự thay đổi của một số loại khí nguyên chất hoặc hỗn hợp khi nạp vào đetectơ cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử hứa hẹn tạo ra những kiểu thiết bị ghi đo bức xạ mới trong tương lai. Các kiểu đetectơ khí ngày nay đang được phát triển mạnh theo chiều hướng mảng các đetectơ để phục vụ cho các nghiên cứu chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV. Nguyên tắc hoạt động của đetectơ chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hoá các phân tử chất khí dọc theo đường đi của nó - tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là cặp ion-electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ quá trình ion hoá sơ cấp. Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ. 3
Một đetectơ chứa khí đơn giản chỉ gồm một ống chứa khí và hai điện cực, thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi có thể đi được vào phía bên trong. Các kiểu đetectơ chứa khí đầu tiên vẫn còn được sử dụng đến ngày nay là: (i) Buồng ion hoá, (ii) Ống đếm tỉ lệ, (iii) Ống đến Geiger Muller (GM). Hình 1 minh hoạ một đetectơ được nạp đầy khí và mạch điện tử. Cao áp được đặt vào catốt (vỏ đetectơ) và anốt (dây ở tâm đetectơ được cách điện với vỏ). Điện tích tạo ra do quá trình ion hoá được thu góp ở các điện cực của đetectơ. Khi không có sự ion hoá, chất khi giống như một chất cách điện và không có dòng điện ở mạch ngoài. Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong đetectơ phụ thuộc vào điện trường trong đetectơ, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của đetectơ,… Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của một đetectơ chứa khí. Hình 2 là các đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ đối với hạt beta. Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa 4
anốt và catốt của đetectơ. Hình 2. Đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ. Vùng I: Vùng tái hợp Trong vùng I có sự cạnh tranh giữa quá trình mất các cặp ion-electron do sự tái kết hợp và sự ion hoá do hạt mang điện tạo ra. Khi tăng điện trường, vận tốc của các ion tăng do đó xác suất tái hợp giảm và lượng điện tích thu góp được trở nên lớn hơn. Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của các đetectơ chứa khí. Vùng II: Vùng ion hoá Khi điện trường đủ lớn, quá trình tái hợp giảm, do đó có nhiều cặp ion chuyển động và được thu góp tại các điện cực. Trong vùng này dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào số ion do bức xạ gây ra, nó hầu như không phụ thuộc vào giá trị điện áp ở các điện cực. Vùng này được xem như vùng làm việc của buồng ion hoá. 5
Vùng III: Vùng Tỉ lệ Trong vùng III, các electron được gia tốc đến vận tốc cao, nó va chạm với các phân tử khí gây ion hoá chúng và làm tạo ra các ion thứ cấp do đó lượng điện tích bên trong ống đếm được nhân lên. Lượng điện tích thu góp được sẽ tỉ lệ với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hoá tạo ra, ống đếm làm việc trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Ở cuối vùng tỉ lệ, lượng điện tích thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Hệ số nhân 3 5 trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~10 -10 . Vùng IV: Vùng Geiger Trong vùng IV, hiệu điện thế giữa các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất hiện tiếp tục được tăng tốc. Do trường lớn nên chúng có thể thu được năng lượng lớn hơn trước khi va chạm với các phân tử khí trong ống đếm. Trong trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự tạo thành ion của phân tử. Sau khi được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, v.v…, trong chất khí sự ion hoá kiểu thác phát triển. Khả năng phân biệt các hạt sơ cấp không còn, xung lượng của các hạt khác nhau đều giống nhau do đó hầu như không có sự khác nhau giữa loại bức xạ hoặc năng lượng của hạt tới trong vùng này. Các ống đếm hoạt động trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger Muller. Vùng V: Vùng phóng điện liên tục Trong vùng V quá trình ion hoá xảy ra trong toàn bộ vùng thể tích khí giữa hai điện cực, sự phóng điện xảy ra trong thể tích khí của ống đếm. Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của các đetectơ chứa khí. I. 1. Các tiêu chuẩn chung để chọn vật liệu cho các đetectơ khí Áp suất và loại khí nạp cho các buồng ion hoá phụ thuộc vào mục đích ứng dụng của nó và có thể thay đổi trong dải khá rộng. Với ống đếm tỉ lệ và ống đếm GM thì lựa chọn áp suất và loại khí trở nên quan trọng. Độ tinh khiết của 6
khí giữ vai trò quan trọng quyết định chất lượng của các đetectơ này. Dưới đây là một số các tiêu chuẩn chọn khí: - Điện áp làm việc thấp, - Hệ số khuếch đại khí cao, - Tỉ lệ tốt, - Tốc độ cao, - Thời gian làm việc dài, - Phục hồi nhanh. Vật liệu làm catốt và độ dày: Mọi kim loại dẫn điện có thể chế tạo thành các ống có hình dạng phù hợp với kiểu đetectơ đều có thể sử dụng được để làm catốt. Tuy nhiên cần chú ý đến kiểu bức xạ cần ghi để chọn loại vật liệu mà bức xạ đó có thể đi xuyên qua được. Độ dày của cửa sổ và vỏ đetectơ thường chỉ được chế tạo với độ dày từ vài micron đến vài mm. Vật liệu làm anốt và đường kính: Bất kỳ một dây dẫn hình trụ nào cũng có thể sử dụng làm anốt. Tuy nhiên, để tạo điện trường rất cao ở gần dây anốt, đường kính của dây cần có kích thước khoảng vài chục micron. Đáp ứng yêu cầu đó chỉ có Vonfam là tốt hơn cả để đáp ứng được các yêu cầu về mặt cơ học. Nếu sử dụng trong các ứng dụng đo liều cần sử dụng các vật liệu có Z thấp để tránh tán xạ với anốt. I.2. Buồng ion hoá Hoạt động của buồng ion hoá phụ thuộc vào sự thu góp các ion do bức xạ ion hoá tạo ra trong buồng. Các đetectơ này vận hành trong vùng II của đường đặc trưng. Dưới tác dụng của điện trường, các electron và ion sẽ chuyển động về các cực. Nếu thể tích khí được chiếu xạ là không thay đổi thì tốc độ hình thành các cặp ion-electron là hằng số. Ví dụ khi sử dụng một thể tích khí nhỏ 7
để kiểm tra, tốc độ hình thành sẽ được xác định chính xác bằng sự cân bằng giữa tốc độ mất của các cặp ion khỏi thể tích khí, tái kết hợp, bị khuếch tán hoặc di chuyển khỏi thể tích. Giả thuyết điều kiện tái kết hợp là không đáng kể, tất cả các hạt mang điện tạo ra đều được thu góp khi đó dòng tạo ra là ổn định và có thể đo chính xác tốc độ tạo thành các ion trong thể tích. 3 Gọi I(C) là lượng điện tích được tạo ra trong một đơn vị thể tích khí V(m ), 0 tốc độ thay đổi của điện tích ở nhiệt độ T( K) và áp suất 760 mm Hg được xác định theo công thức sau: dx 273 p I ( Amp ) = 359.4 V (m 3 ) 0 × 10 −6 (1) dt T ( K ) 760( mmHg ) Một số yếu tố có thể làm giảm quá trình thu góp các điện tích trong buồng ion hoá. Quan trọng nhất trong các yếu tố này là quá trình tái hợp. (i) Tái hợp dọc theo đường đi của hạt: Trong kiểu này, các cặp ion-electron vừa được tạo ra dọc theo đường đi của hạt mang điện (hạt anpha, vết phân hạch) tái hợp lại với nhau ngay sau khi được tạo thành. Để giảm hiệu ứng này cần tăng điện áp đặt vào các điện cực. (ii) Tái hợp trong thể tích khí: Hiệu ứng này là quan trọng khi bức xạ có cường độ lớn (tạo ra nhiều ion, electron và tái hợp trong vùng hoạt của đetectơ). Một kiểu mất điện tích khác trong quá trình thu góp đó là mất do quá trình di chuyển của các điện tích dương về catốt và các điện tích âm về anốt tạo ra một sự không cân bằng về số lượng điện tích ở các điện cực. Sự mất cân bằng làm xuất hiện một gradient làm các electron ở bề mặt của điện cực bị bứt ra và chuyển động theo một hướng, các electron này sẽ tái hợp với các phần tử mang điện do bức xạ ion hoá tạo nên. Để làm giảm hiệu ứng này cần tạo ra phân cực ngược với điện trường do sự mất cân bằng điện tích tạo ra để bù trừ. 8
Kiểu xung là kiểu vận hành chính được sử dụng để xác định các hạt và các bức xạ tương tự khác. Nhờ đặc trưng tạo ra một lượng lớn ion, các thiết bị này được cải tiến bằng cách đặt thêm các điện cực dưới dạng lưới giữa anốt và catốt nên có thể xác định phân bố năng lượng, hoạt độ tuyệt đối, quãng chạy và mức độ ion hoá. I.3. Các ống đếm tỉ lệ Đetectơ làm việc trong vùng giữa vùng ion hoá và vùng GM được gọi là các ống đếm tỉ lệ. Các ứng dụng kiểu xung là phổ biến trong ống đếm tỉ lệ. Trong phép đo năng lượng của các electron năng lượng thấp, ống đếm tỉ lệ có khả năng cho độ phân giải tốt hơn các đetectơ nhấp nháy. Khoảng năng lượng phù hợp nhất để sử dụng ống đếm tỉ lệ là từ 250 eV đến 200 keV. Nguyên lý vận hành của ống đếm tỉ lệ: Khi điện trường đủ cao, xảy ra sự nhân các phần tử mang điện trong chất khí. Ở điện trường này, các electron hoàn toàn có đủ động năng để ion hoá các phân tử khí trung hoà, các electron thứ cấp được tạo ra lại tiếp tục gây ion hoá các phân tử trung khí hoà khác. Quá trình thác lũ xảy ra và số lượng các electron tăng nhanh chóng trong ống đếm tỉ lệ. Khi tất cả các electron tự do đã được thu góp ở anốt quá trình nhân các hạt mang điện cũng ngừng. Sự khuếch đại điện tích bên trong ống đếm làm tăng biên độ tín hiệu thu góp được do đó giảm bớt yêu cầu khuếch đại bên ngoài. 6 Ống đếm tỉ lệ đòi hỏi một điện trường lớn (~10 V/m). Cường độ điện trường tại một điểm cách tâm anốt một khoảng r được xác định theo biểu thức sau: E(r) = V/ r ln (b/a) (2) Trong đó V = cao áp đặt vào ống đếm, b, a là bán kính của catốt và anốt. I.4. Các kiểu thiết kế khác nhau của ống đếm tỉ lệ 9
Ống đếm dạng bản mỏng: Kiểu ống đếm này được sử dụng thay cho các đetectơ rắn để đo các hạt mang điện nặng ở những chỗ mà các đetectơ rắn không sử dụng được do bị bức xạ phá hỏng hoặc do đặc trưng phân giải thời gian của nó. Ống đếm tỉ lệ nhạy vị trí: Với các ống đếm dài, do sự giới hạn của vị trí và kích thước của anốt và catốt, phương pháp chia điện tích hoặc nhân tương đối được sử dụng để cung cấp thêm thông tin về vị trí mà cặp ion được tạo ra. Ống đếm tỉ lệ nhiều dây (Multi-wire): Một trong những kiểu đetectơ đặc sắc nhất của ống đếm tỉ lệ đang được phát triển mạnh sử dụng trong vật lý hạt là ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Nguyên tắc hoạt động của ống đếm như sau: Hình 3. Cấu hình của một đetectơ tỉ lệ nhiều dây. Các lưới anốt được đặt ở giữa hai bản catốt. Khoảng cách giữa các dây anốt vào khoảng 2mm và khoảng cách giữa các cặp anốt-catốt vào khoảng 7-8mm (minh hoạ trên hình 3). Nếu một điện áp âm được đặt vào các bản catốt thì điện trường có dạng như trong hình 4. Ngoại trừ những vùng rất gần với dây các dây anốt, các đường sức của điện trường là song song và không đổi. 10
Hình 4. Điện trường trong ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Nếu chúng ta giả thuyết rằng đĩa anốt là bản phẳng vô hạn so với các dây thì cường độ điện trường được xác định theo công thức: CV ⎡ ⎛ 2 πx πy ⎞⎤ V ( x, y ) = − ln ⎢4⎜ sin + sinh 2 ⎟⎥ (3) 4πε ⎣ ⎝ s s ⎠⎦ trong đó: V là cao áp, s là khoảng cách giữa các dây và C là điện dung giữa anốt và catốt. Nếu khoảng cách giữa anốt và catốt L>>s>>d thì C được xác định như sau: 2πε C= (4) πL πd − ln s s trong đó d là đường kính của dây anốt. Giả thuyết này cho ta kết quả khá chính xác đối với hầu hết các ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Ở gần các dây anốt điện trường phụ thuộc vào khoảng cách 1/r với tâm của dây anốt. Nếu các electron và ion tự do ở trong vùng có điện trường không đổi chúng sẽ di chuyển theo hướng tác động của điện trường và đến dây anốt gần nhất và vị trí catốt đối diện. Ở vùng có cường độ điện trường cao hơn các electron tạo ra quá trình thác lũ. Các ion dương tự do được tạo ra trong quá trình nhân tạo ra một tín hiệu âm trên dây anốt giống như trong ống đếm tỉ lệ bình thường. Các dây bên cạnh cũng bị tác động, tuy nhiên tín hiệu tạo ra ở đây là khá bé do đó cần được khuếch đại lên. 11
Hình 5. Sơ đồ khối của một ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Tín hiệu từ một mặt của anốt chỉ cho biết thông tin về một chiều của sự kiện gây ion hoá, để có thêm thông tin về chiều thứ hai cần phải sử dụng phương pháp quét hai chiều XY (đọc theo hai hướng) khi đó ta sẽ thu được đầy đủ các thông tin về hạt gây ion hoá. Hình 6. Sơ đồ của lưới anốt và mạng điện trở. Ngày nay kiểu đetectơ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu hoặc trong vật lý năng lượng cao. I.5. Ống đếm Geiger Muller (GM) Từ lâu ống đếm GM đã được sử dụng phổ biến trong đo ghi bức xạ. Các ưu 12
điểm chính của ống đếm GM là độ nhạy cao, sử dụng được cho nhiều loại bức xạ, có nhiều dạng hình học và cửa sổ, tín hiệu ra lớn và giá cả hợp lý. Ống đếm GM thường được chế tạo dưới dạng hình trụ, dây điện cực Vonfam đồng trục và nạp đầy các khí trơ như helium, argon, neon. Ngoài ra còn có một phần nhỏ các khí khác được thêm vào để dập tắt hiện tượng phóng điện. Mặc dù có thể có cấu trúc khác nhau song tất cả các ống đếm GM đều được thiết kế để vận hành trong vùng IV của hình 2. Nguyên lý hoạt động của ống đếm GM: Nếu điện áp đặt vào ống đếm phù hợp thì các electron trong chất khí ở gần anốt và các ion mang điện dương ở gần catốt được thu góp gần như đồng thời. Các electron và ion còn lại sẽ chuyển động nhanh về các điện cực đồng thời nhân thêm các electron và ion trên đường đi. Các xung tạo ra dòng điện gây một điện áp tăng nhanh trên hệ thống điện trở ở mạch ngoài, nhờ đó các xung này được xác định bằng các thiết bị đếm hoặc các thiết bị đồng hồ đo. Trong quá trình ion hoá sơ cấp, các ion dương ở gần catốt cùng với các electron trên bề mặt catốt gây ra một điện trường yếu tạm thời làm giảm độ nhạy của ống đếm trong một thời gian ngắn sau khi phóng điện. Sự va chạm của các ion dương năng lượng cao vào catốt làm bật ra các electron thứ cấp. Các electron này lại được gia tốc đến năng lượng cao và chuyển động hướng đến anốt, chúng tiếp tục va chạm gây ion hoá các nguyên tử khí tạo ra một quá trình phóng điện mới. Quá trình này được lặp lại một hoặc nhiều lần gây ra sự phóng điện liên tục trong ống đếm. Quá trình phóng điện liên tục như vậy cần phải được dập tắt bằng cách thêm một số khí vào bên trong ống đếm hoặc bằng mạch điện tử bên ngoài. Dập tắt quá trình phóng điện bằng mạch ngoài: Các ion dương khi chuyển động về cực âm sẽ chắn trường ngoài, tạo điều kiện làm tắt sự phóng điện kiểu thác. Tuy nhiên để dập tắt nó, cần phải hạ thấp đột ngột hiệu điện thế trong ống đếm, việc này đạt được bằng những sơ đồ điện tử khác nhau. 13
Phương pháp đơn giản nhất là trong mạch của điện cực âm có mắc một điện trở cỡ lớn (cỡ 108Ω). Dòng điện xung dẫn đến hiệu điện thế xung trên điện trở đó, xung này làm giảm đột ngột điện trường giữa các điện cực, do đó sự phóng điện bị dập tắt và ống đếm sẵn sàng để ghi hạt tiếp sau. Tuy nhiên kiểu dập tắt sử dụng thời gian phân giải này không phù hợp với các ống đếm làm việc ở tốc độ cao. Do đó phương pháp này không được sử dụng nhiều so với phương pháp tự dập tắt. Dập tắt quá trình phóng điện bằng chất khí: Để dập tắt quá trình phóng điện, một lượng nhỏ chất khí có tác dụng làm tắt quá trình phóng điện được thêm vào bên trong ống đếm. Căn cứ vào loại khí được sử dụng người ta chia ống đếm tự tắt thành hai loại: (i) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất hữu cơ, (ii) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất vô cơ. Trong cả hai trường hợp quá trình dập tắt là tương tự như nhau. Khí tự làm tắt quá trình phóng điện có thế năng ion hoá thấp hơn khí được sử dụng chính trong đetectơ khí. Quá trình ion hoá của khí chính được dập tắt nhanh chóng nhờ quá trình di chuyển chậm của các ion còn lại do khí sử dụng chính tạo ra kết hợp với các electron của khí dập tắt. Các ion dương mới được tạo ra từ khí tự dập tắt sẽ di chuyển hướng đến catốt nhưng chúng không đủ năng lượng để làm bứt các electron ra khỏi catốt vì thế quá trình phóng điện bị dập tắt. I.6. Đặc trưng của ống đếm GM Hình 3 là đường đặc trưng của một ống đếm GM, đồ thị vẽ sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào điện áp trong điều kiện tác động của trường bức xạ không đổi (cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ ~100÷300 cps ở vùng làm việc). Điện áp bắt đầu làm việc Vs được định nghĩa là điện áp thấp nhất đặt vào ống 14
đếm để một ống đếm có thể làm việc được với đầy đủ các đặc trưng của nó. Ở điện áp cao hơn Vs đến VT tốc độ đếm tăng nhanh. Ở điện áp cao hơn VT tất cả các sự kiện ion hoá khác nhau đều tạo ra các xung giống nhau, quá trình thu góp các hạt mang điện ở anốt về thực chất không còn phụ thuộc vào số ion hoá ban đầu được tạo ra. Điện áp ngưỡng đánh dấu điểm bắt đầu plateau của ống đếm Geiger Muller. Khoảng điện áp của plateau rất rộng, độ dốc của đường đặc trưng rất thấp do đó cho phép đo chính xác cường độ bức xạ mà không bị sự tác động của cao áp. Hình 7. Đường đặc trưng của một ống đếm GM dưới tác động của trường bức xạ không đổi (cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ ~100÷300 cps ở vùng làm việc). Độ rộng Plateau = (V2 -V1) vôn (5) ( N 2 − N1 ) × 100 Độ dốc Plateau = % /V (6) 0.5( N 2 + N1 )(V2 − V1 ) 15
I.7. Thời gian chết và hồi phục Khả năng đếm cực đại của ống đếm được xác định bằng hai đặc điểm đó là “thời gian chết” và “thời gian hồi phục” cả hai đặc điểm này đều liên quan trực tiếp đến thời gian phóng điện của ống đếm. Hình 8 là minh hoạ thời gian chết và hồi phục của ống đếm GM ứng với một xung. Hình 8. Minh hoạ đặc trưng thời gian chết và hồi phục ứng với một xung của ống đếm GM. “Thời gian chết” của ống đếm GM là một giai đoạn rất ngắn, sau khi quá trình phóng điện xảy ra, ống đếm không thể phản ứng với bất kỳ bức xạ ion hoá nào đến ngay sau đó. Thời gian bắt đầu từ khi thời gian chết kết thúc cho đến khi điện tích được phóng hết (đuôi xung) gọi là “thời gian hồi phục” của ống đếm. Thời gian chết và tốc độ đếm: Thời gian chết của mỗi quá trình phóng điện sẽ giới hạn tốc độ đếm cực đại vì các sự kiện bức xạ gây ion hoá có thể xảy ra trong khoảng thời gian chết sẽ không thể tạo được một xung ở lối ra. Quan hệ giữa thời gian chết ‘t’, tốc độ bức xạ N và tốc độ đếm ghi được N1 là: N1 = N/(1-Nt) (7) Số đếm N1 thu được chỉ có ý nghĩa khi Nt
Bảng 1. Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí. Tham số Buồng ion hoá Ống đếm tỉ lệ Ống đếm GM Chế Xung Có thể Chủ yếu Chủ yếu độ vận Không tỉ lệ với liều Dòng Chủ yếu Có thể hành của bức xạ. Có thể đo các Không thể vì biên Khả năng đo phổ Alpha gamma lên đến 200 độ xung không phụ keV. thuộc năng lượng. Hệ số khuếch đại 1 103 ÷ 105 >106 khí Kiểu bức xạ có α, β, γ, X, ghi α khi α, β, γ, X, n α, β, γ, X, n thể ghi nhận dùng cửa sổ mỏng Phụ thuộc khí dập Phụ thuộc khí làm Không khí hoặc tắt quá trình phóng tắt quá trình phóng Kiểu khí/ áp suất khí bất kỳ / ≥ áp điện/ Tuỳ vào ứng điện/ Bé hơn áp suất suất khí quyển. dụng. khí quyển. Độ lớn của tín < 10 mV ≤ 100 mV ≈ hàng chục vôn hiệu ra Khuếch đại các Thiết bị điện tử đơn Khối ổn định EHT, Thiết bị điện tử xung nhỏ và đo giản, các điều kiện điều chỉnh phức tạp. dòng. vận hành đơn giản. Chuẩn nguồn, Cửa sổ bé để đo quan trắc, đo nhiễm bẩn bề mặt Quan trắc, đo liều cá liều beta/ với các bức xạ nhân, dùng trong các Các ứng dụng gamma, đo hoạt không xuyên sâu, hệ đếm, đo nhiễm độ phóng xạ các ứng dụng nhạy bẩn bề mặt,… khí,… điện tích,… II. Đetectơ nhấp nháy Ngày nay, các đetectơ nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc khi vật liệu bị hạt hoặc bức xạ kích thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy. Vật liệu được xác định có tính nhấp nháy sớm nhất được Crookes phát hiện ra vào 1903 và sử dụng để xác định các hạt. Sự phát minh ra các ống đếm chứa khí sau đó làm cho các thiết bị nhấp nháy ít được sử dụng và bị rơi vào quên lãng cho đến năm 1944 17
Curran và Baker sử dụng ống nhân quang để thay sự quan sát bằng mắt thì các thiết bị nhấp nháy đã trở nên có hiệu quả và tin cậy giống như các ống đếm chứa khí. Các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo phổ bức xạ trong một dải rộng. Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới các dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với chất lượng cao đã cho phép tạo ra các đetectơ nhấp nháy rắn đo photon cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã làm cho các đetectơ nhấp nháy trở nên được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng. Dưới đây là các quá trình xảy ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng đetectơ nhấp nháy: Hình 9. Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy. - Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion hoá chất nhấp nháy. - Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua quá trình phát quang. - Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang. - Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron được phát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang. - Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các 18
xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ nhiều kênh. Nhìn chung, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều thông tin khác nhau về bức xạ. Một trong những đặc điểm nổi bật của các đetectơ này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung phân biệt rõ ràng. Chất nhấp nháy lý tưởng cần có các đặc trưng sau: 1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hạt mang điện thành ánh sáng cao. 2. Sự chuyển đổi này là tuyến tính, ví dụ ánh sáng tạo ra tỉ lệ với năng lượng được hấp thụ trên một khoảng rộng. 3. Chất nhấp nháy cần phải trong suốt với ánh sáng do nó tạo ra. 4. Thời gian phân rã của quá trình phát quang cần ngắn và xung tạo ra phải nhanh để có thể sử dụng cho các phép đếm tốc độ cao. 5. Vật liệu cần dễ tìm, dễ chế tạo theo các hình học và kích thước khác nhau. 6. Hệ số khúc xạ gần với thuỷ tinh (~1.5) để ánh sáng phát ra không bị khúc xạ tại điểm nối giữa chất nhấp nháy và ống nhân quang làm thay đổi hiệu suất. Trong thực tế, không một chất nhấp nháy nào thoả mãn được tất cả các yêu cầu trên vì vậy chọn chất nhấp nháy là một sự thoả hiệp giữa các yếu tố này. II.1. Các đặc điểm chính của một đetectơ nhấp nháy Đặc điểm đầu tiên đó là ánh sáng phát ra phải tỉ lệ với năng lượng hấp thụ được một cách trực tiếp hoặc gián tiếp từ bức xạ. Với các hạt mang điện ánh sáng phát ra phải tỉ lệ trực tiếp với năng lượng hấp thụ từ hạt mang điện. Với bức xạ các tia gamma thì sự tương tác của gamma với các electron nguyên tử của chất nhấp nháy làm tia gamma mất một phần hoặc toàn bộ năng lượng 19
trong đetectơ. Với nơtron, năng lượng của nơtron được suy ra từ quá trình hấp thụ hoàn toàn năng lượng của các proton giật lùi hoặc của sản phẩm phản ứng hạt nhân. Nhìn chung, quan hệ giữa ánh sáng phát ra và năng lượng của các hạt mang điện là tuyến tính. Đặc điểm thứ hai là các chất nhấp nháy phải có mật độ cao để hạt mang điện có năng lượng vài MeV bị bắt trong chất nhấp nháy sau khi di chuyển vài milimet. Đặc điểm thứ ba của chất nhấp nháy để sử dụng làm các hệ đếm là phải phản ứng rất nhanh với các bức xạ ion hoá. Thời gian phân rã của ánh sáng phát ra -9 từ chất nhấp nháy nằm trong khoảng từ 10 giây (dung dịch hữu cơ và các khí -6 trơ) đến 10 giây (tinh thể vô cơ). Thời gian thu góp của các chất nhấp nháy nhanh ngắn hơn so với ống đếm tỉ lệ thông thường và buồng ion hoá. Đặc điểm này là quan trọng khi sử dụng đetectơ nhấp nháy trong các thí nghiệm đòi hỏi tốc độ đếm cao hoặc khi ghi các sự kiện trùng phùng nhanh. Đặc điểm thứ tư của chất nhấp nháy là khả năng chế tạo dưới nhiều hình dạng và kích thước khác nhau cho từng ứng dụng cụ thể. Trong các chất nhấp nháy, chỉ có chất nhấp nháy lỏng là có thể cho phép thiết kế các đetectơ với hình dạng và kích thước bất kỳ. II.2. Dạng xung của đetectơ nhấp nháy Dạng xung ở lối ra của ống nhân quang điện được xác định bằng sự phân bố theo thời gian của số photon do chất nhấp nháy phát ra, các điện trở có trong mạch của các đinốt và anốt và cả điện dung giữa các đinốt. Ngoài ra cả sự thăng giáng của số electron được tạo nên ở photo catốt, thăng giáng thời gian truyền của chúng khi đi qua ống nhân quang điện, thăng giáng của hệ số khuếch đại của ống nhân quang điện cũng ảnh hưởng tới dạng xung ở lối ra. Trong phần này ta khảo sát dạng xung khi bỏ qua các thăng giáng của số electron và thời gian bay qua ống nhân quang điện của các electron. 20