§2.3. DETECTOR NH P NHÁY Ấ
1.Nguyên lý ho t đng c a detector nh p nháy ạ ộ ủ ấ
T ng tác c a các b c x v i v t ch t ngoài gây ion hoá nguyên t và phân t ươ ủ ứ ạ ớ ậ ấ ử ử
còn d n t i s kích thích chúng. K t qu c a s kích thích làm phát sáng. ẫ ớ ự ế ả ủ ự
Detector nh p nháy ho t đng d a trên c s bi n đi các photon phát ra t ch tấ ạ ộ ự ơ ở ế ổ ừ ấ
nh p nháy do s kích thích c a b c x thành tín hi u đi n. Ch t nh p nháy có ấ ự ủ ứ ạ ệ ệ ấ ấ
th là vô c ho c h u c . D i đây s trình bày v n t t m t s u, nh c đi mể ơ ặ ữ ơ ướ ẽ ắ ắ ộ ố ư ượ ể
c a m t s ch t nh p nháy ph bi n đc s d ng trong ch t o detector nh p ủ ộ ố ấ ấ ổ ế ượ ử ụ ế ạ ấ
nháy.
Ch t nh p nháy vô c :ấ ấ ơ
- NaI(Tl): Đc đi m n i b t nh t là kh năng phát sáng r t t t. Ánh sáng phát raặ ể ổ ậ ấ ả ấ ố
r t tuy n tính theo năng l ng c a các electron (và các tia gamma). H n ch là ấ ế ượ ủ ạ ế
tinh th d b v do va đp ho c s c nhi t. Th i gian phân rã c a xung nh p ể ễ ị ỡ ậ ặ ố ệ ờ ủ ấ
nháy vào kho ng 230 ns, nên không phù h p v i các ng d ng c n th i gian ả ợ ớ ứ ụ ầ ờ
phân gi i ho c t c đ đm cao, ả ặ ố ộ ế
- CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có h s h p th gamma l n h n so v i ệ ố ấ ụ ớ ơ ớ
Sodium iodide, đc s d ng trong các ng d ng c n các detector có kích th c ượ ử ụ ứ ụ ầ ướ
nh , kh i l ng trung bình nh ng hi u su t ghi l n,ỏ ố ượ ư ệ ấ ớ
- LiI(Eu): Đc ch t o v i đ giàu Li cao và th ng s d ng đ xác đnh ượ ế ạ ớ ộ ườ ử ụ ể ị
neutron d a trên ph n ng 6 Li(n, ), αự ả ứ
- Bismuth Germanate (BGO): u đi m chính c a lo i v t li u này là có m t đ Ư ể ủ ạ ậ ệ ậ ộ
r t cao (7,3 g/cm3 ) và có s kh i l n (83) nên ti t di n c a hi u ng quang ấ ố ố ớ ế ệ ủ ệ ứ
đi n r t l n. Tuy nhiên c ng đ ánh sáng phát ra ch b ng 10 ÷ 20% so v i ệ ấ ớ ườ ộ ỉ ằ ớ
NaI(Tl) còn đ phân gi i thì kém h n hai l n so v i NaI (Tl), ộ ả ơ ầ ớ
- Barium Fluoride (BaF2): Có Z cao, th i gian phân gi i bé h n 1 ns, thích h p ờ ả ơ ợ
dùng cho các detector nh p nháy có hi u su t cao, th i gian phân gi i nhanh.ấ ệ ấ ờ ả
Ch t nh p nháy h u c : ấ ấ ữ ơ
- D ng tinh th tinh khi t: Anthrancene cho hi u su t phát sáng cao nh t còn ạ ể ế ệ ấ ấ
Stilbene cho d ng xung rõ ràng, chúng đc s d ng nhi u làm tinh th nh p ạ ượ ử ụ ề ể ấ
nháy h u c . C hai v t li u này đu d v và khó ch t o v i kích th c l n,ữ ơ ả ậ ệ ề ễ ỡ ế ạ ớ ướ ớ
- D ng dung d ch: Các ch t nh p nháy h u c đc s d ng d i d ng dung ạ ị ấ ấ ữ ơ ượ ử ụ ướ ạ
d ch hoà tan. Nh hi u su t cao, các ch t này đc s d ng ph bi n trong đo ị ờ ệ ấ ấ ượ ử ụ ổ ế
ho t đ beta năng l ng th p nh C14 và Tritium. Ho c s d ng nh ng n i ạ ộ ượ ấ ư ặ ử ụ ở ữ ơ
đòi h i th tích detector l n, trong tr ng h p này, t l ánh sáng phát ra ph ỏ ể ớ ườ ợ ỉ ệ ụ
thu c vào t ng lo i h t (dù năng l ng nh nhau). Các ch t nh p nháy này còn ộ ừ ạ ạ ượ ư ấ ấ
đc s d ng đ đo neutron. Đôi khi s d ch chuy n b c sóng 42 x y ra t o ượ ử ụ ể ự ị ể ướ ả ạ
thành ph n đuôi trong ph b c x thu đc t ng nhân quang, ầ ổ ứ ạ ượ ừ ố
- Ch t nh p nháy d o: là ch t nh p nháy h u c đc hoà tan trong dung môi, ấ ấ ẻ ấ ấ ữ ơ ượ
sau đó polymer hoá và t o d ng c n thi t. Các detector này không đt, đc ạ ạ ầ ế ắ ượ
cung c p s n và có th ch t o d i nhi u kích th c khác nhau nh hình tr , ấ ẵ ể ế ạ ướ ề ướ ư ụ
t m ph ng,… chúng khá thu n ti n đ s d ng cho nhi u ng d ng khác nhau. ấ ẳ ậ ệ ể ử ụ ề ứ ụ
Các ch t nh p nháy d o có th i gian phân rã ng n (vài nano giây) do đó thu n ấ ấ ẻ ờ ắ ậ
l i cho các th c nghi m có t c đ đm cao ho c trùng phùng nhanh, ợ ự ệ ố ộ ế ặ
- Ch t nh p nháy pha t p: ch t nh p nháy h u c th ng thu n ti n cho vi c ấ ấ ạ ấ ấ ữ ơ ườ ậ ệ ệ
xác đnh tr c ti p các h t anpha ho c beta. Chúng cũng có th đc s d ng đ ị ự ế ạ ặ ể ượ ử ụ ể
xác đnh các neutron nhanh thông qua các proton gi t lùi. Vì các ch t nh p nháy ị ậ ấ ấ
l ng có Z th p nên h u nh không x y ra hi u ng quang đi n v i các tia ỏ ấ ầ ư ả ệ ứ ệ ớ
gamma do đó làm tăng phân b liên t c trong ph biên đ. Đ c i thi n ti t di nố ụ ổ ộ ể ả ệ ế ệ
t ng tác quang đi n, m t s v t li u có s Z cao đc pha thêm vào trong ch tươ ệ ộ ố ậ ệ ố ượ ấ
nh p nháy (~ 10% tr ng l ng chì ho c thi c). Tuy nhiên s b sung này l i làmấ ọ ượ ặ ế ự ổ ạ
gi m c ng đ sáng. Do ánh sáng phát t các ch t nh p nháy là r t y u, nên ả ườ ộ ừ ấ ấ ấ ế
ph i dùng m t d ng c đc bi t g i là b nhân quang đi n (PMT).ả ộ ụ ụ ặ ệ ọ ộ ệ
Hình 2.6: C u t o c a b nhân quang đi n. ấ ạ ủ ộ ệ
Nguyên t c ho t đng c a detector nh p nháy nh sau: khi m t b c x đi vào ắ ạ ộ ủ ấ ư ộ ứ ạ
b n nh p nháy, chúng s làm kích thích các nguyên t hay phân t . Khi d ch ả ấ ẽ ử ử ị
chuy n v tr ng thái c b n thì s phát ra m t ánh sáng nh p nháy, đó là các ể ề ạ ơ ả ẽ ộ ấ
photon ánh sáng. Qua l p d n sáng, các photon đi vào ng nhân quang đi n, đó ớ ẫ ố ệ ở
tín hi u đc nhân lên nhi u l n t o ra m t tín hi u đi n khá l n l i ra c a ệ ượ ề ầ ạ ộ ệ ệ ớ ở ố ủ
ng nhân quang đi n. Biên đ xung l i ra:ố ệ ộ ố
Trong đó E là đi n tích electron, ệ là s photon/1 đn v năng l ng ố ơ ị ượ W, () là
ph phát x c a tinh th nh p nháy, nh v y ổ ạ ủ ể ấ ư ậ () cho ta s photon phát ra trong ố
m t đn v chi u dài song.ộ ơ ị ề
() đc chu n hoá b i:ượ ẩ ở d()=1.
Pmax ( ) xác đnh xác su t gi i phóng c a m t photon electron t catod. Nh ị ấ ả ủ ộ ừ ư
v y ậ (max ) =1; là h s nhân c a nhân quang đi n trên m t photon electron. ệ ố ủ ệ ộ
C là đi n dung c a t i anod c a ng nhân quang đi n, là s eệ ủ ả ở ủ ố ệ ố - đt đc c a ạ ượ ủ
b nhân. Nh v y năng l ng đ t o ra m t photon electron là ộ ư ậ ượ ể ạ ộ ω =, nh v y, ư ậ
đi v i detector NaI(Tl) năng l ng này vào c 300 eV đn 1000 eV đi v i ố ớ ượ ỡ ế ố ớ
l ng t gamma. H s khu ch đi A c a b nhân quang b ng tích c a các h ượ ử ệ ố ế ạ ủ ộ ằ ủ ệ
s phát th c p: = ố ứ ấ n v i n là s dinod. Thông th ng ớ ố ườ 106-108.
2. Hình thành xung
Các phân t ho c nguyên t c a ch t nh p nháy đc kích thích th i đi m t ử ặ ử ủ ấ ấ ượ ở ờ ể
= 0, chúng có m t th i gian s ng nh t đnh, b i v y c ng đ c a ánh sáng phátộ ờ ố ấ ị ở ậ ườ ộ ủ
x L gi m theo quy lu t hàm mũ:ạ ả ậ
là th i gian loé sáng c a ch t nh p nháy, * H t( ) là hàm Heaviside. Nh v y τờ ủ ấ ấ ư ậ
gi a va ch m c a photon và s gi i phóng các electron không có tính tr , thì t c ữ ạ ủ ự ả ễ ố
đ phát electron t photo catod theo quy lu t.ộ ừ ậ
Sau b nhân quang đi n s hình thành m t xung dòng:ộ ệ ẽ ộ
v i tớtg là thăng giáng c a th i gian bay.ủ ờ
Theo đi u ki n chu n hoáề ệ ẩ suy ra v i photo electron:ớ
3. S đ ti n khu ch đi ghép n i v i detector nh p nháy ơ ồ ề ế ạ ố ớ ấ
Trong detector nh p nháy, biên đ xung c a tín hi u th ng có giá tr l n h n ấ ộ ủ ệ ườ ị ớ ơ
m c t p âm c a ti n khu ch đi. B i v y các ti n khu ch đi th ng m c theoứ ạ ủ ề ế ạ ở ậ ề ế ạ ườ ắ
ki u l p l i emiter. Trên hình v là s đ nguyên lý m ch ra c a m t ti n ể ặ ạ ẽ ơ ồ ạ ủ ộ ề
khu ch đi dùng v i tín hi u l i ra c a ng nhân quang đi n.ế ạ ớ ệ ở ố ủ ố ệ
Hình 2.7: S đ P.Amp ghép n i v i detector nh p nháy.ơ ồ ố ớ ấ
N u đi n th catod b ng th đt, thì t t c đi n áp ra c 1 kV là đi n áp ra trên ế ệ ế ằ ế ấ ấ ả ệ ỡ ệ
anod. Vì v y ti n khu ch đi c n n i qua t chia Cậ ề ế ạ ầ ố ụ 1, còn Ca và Cb n i song song ố
trên l i ra c a b nhân quang đi n. M t cách t ng ng trên l i vào c a ti n ố ủ ộ ệ ộ ươ ứ ố ủ ề
khu ch đi: Cế ạ s = Ca + Cb là đi n dung toàn ph n m c song song. Ra là đi n tr ệ ầ ắ ệ ở
anod, và Rb là đi n tr vào c a ti n khu ch đi, th ng Cệ ở ủ ề ế ạ ườ a- Cb-10 pF.
Khi , Ra ,Rb , ta có: