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 m ột 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 nh ấp 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 bi ệt, 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 nhi ều 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 nhữ ng 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 củ a 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 đượ c 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, lượ ng điện tích thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Hệ số nhân trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~10 3 -10 5 . 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 chấ t 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 tr ở 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 đi ện 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 t ừ 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. Nế u 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 th ể 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. Gọi I(C) là lượng điện tích được tạo ra trong một đơn vị thể tích khí V(m 3 ), tốc độ thay đổi của điện tích ở nhiệt độ T( 0 K) và áp suất 760 mm Hg được xác định theo công thức sau: 6 0 3 10 )(760 )( 273 )(4.359)( − ×= mmHg p KT mV dt dx AmpI (1) 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 điệ n 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 điệ n 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. Ống đếm tỉ lệ đòi hỏi một điện trường lớn (~10 6 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 đế m 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 dụ ng 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 đườ ng sức của điện trường là song song và không đổi. 10 [...]... đo hoạt độ phóng xạ khí,… Cửa sổ bé để đo nhiễm bẩn bề mặt với các bức xạ không xuyên sâu, các ứng dụng nhạy điện tích,… Quan trắc, đo liều cá nhân, dùng trong các hệ đếm, đo nhiễm bẩn bề mặt,… 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... chung của các vật liệu phát quang mới và sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử đã vẽ nên một viễn cảnh về 32 các thiết bị ghi đo bức xạ mới trong tương lai Các chất nhấp nháy hữu cơ plastic và lỏng có vai trò quan trọng trong đo liều, đo các bức xạ hạt Chất nhấp nháy plastic mỏng hầu như không che chắn gamma nên sử dụng để đo liều beta rất tốt Ống nhân quang vẫn chiếm vai trò chủ đạo trong các đetectơ đo photon... ra Ngày nay các ống nhân quang đã được cung cấp thương mại, có nhiều kích 31 thước và đặc trưng khác nhau để đáp ứng cho nhiều ứng dụng riêng So sánh giữa tế bào quang điện (PV) và ống nhân quang (PM): Tham số Đáp ứng phổ Độ tuyến tính với cường độ sáng Ảnh hưởng của từ trường Tế bào quang điện Ống nhân quang Đáp ứng trên dải rộng, thích Tuỳ thuộc vào kiểu ống nhân hợp từ 400 nm ÷ 1150 nm quang ví dụ... 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... 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. .. nhau Có khả năng ghi tất các các loại bức xạ Nhược điểm chính của loại nhấp nháy này là năng suất phát sáng thấp loại tốt nhất cũng nhỏ hơn NaI(Tl) một bậc đối với hạt mất từ 3- 10% năng lượng Một số khí trơ khi ở trạng thái lỏng hoặc rắn có hiệu suất cao hơn II.4 Các thiết bị xác định photon Hình 13 Các phần tử cơ bản của ống nhân quang Ánh sáng đi qua cửa sổ và đập vào catốt của ống nhân quang, nó truyền... 1 16 (7) Bảng 1 Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí Tham số Chế Xung độ vận Dòng hành Buồng ion hoá Có thể Khả năng đo phổ Alpha Hệ số khuếch đại khí 1 Chủ yếu Kiểu bức xạ có α, β, γ, X, n thể ghi nhận Ống đếm tỉ lệ Chủ yếu Ống đếm GM Chủ yếu Không tỉ lệ với liều Có thể của bức xạ Có thể đo các Không thể vì biên gamma lên đến 200 độ xung không phụ keV thuộc năng lượng 1 03 ÷ 105 α, β, γ, X,... nháy trong đo bức xạ là một kỹ thuật lâu đời, các đetectơ NaI(Tl) đã được sử dụng như một chất nhấp nháy vô cơ điển hình trong xác định bức xạ Các chất nhấp nháy có Z cao như CsI(Tl), BGO, v.v có ưu điểm có hệ số hấp thụ bức xạ lớn nhưng có nhược điểm thời gian phân rã sau khi phát huỳnh quang kéo dài BaF2, CsI ,… được sử dụng trong các ứng dụng cần thời gian phân giải nhanh hoặc sử dụng trong các thiết... 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... trong các ứng dụng phông thấp Các chất nhấp nháy khí: Các khí tinh khiết như xenon và helium có thể sử dụng để làm chất nhấp nháy Bức xạ hoặc hạt mang điện có thể kích thích phân tử khí khi đi ngang qua môi trường này Các phân tử khí bị kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản làm phát ra các photon (có bước sóng nằm gần vùng tử ngoại) Có thể thêm một lượng nhỏ khí khác như N để làm dịch phổ bức xạ bằng cách . 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. 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. 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