BÁO cáo môn học cảm BIẾN đo LƯỜNG và điều KHIỂN đề tài máy đo bức xạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO MÔN HỌC
CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI: MÁY ĐO BỨC XẠ
Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS Vũ Xuân Hiền

Bộ môn:

Vật liệu điện tử

Viện:

Vật lý kỹ thuật

Sinh viên:

Phan Thị Ánh

MSSV:

20185649

HÀ NỘI, 2021

TIEU LUAN MOI download :


TIEU LUAN MOI download :

CHƯƠNG 15: MÁY ĐO BỨC XẠ
Hình 3.41 cho thấy một phổ của sóng điện từ. Ở phía bên trái của nó, có
một vùng của bức xạ gamma. Sau đó, có các tia X mà tùy thuộc vào bước
sóng được chia thành các tia cứng, mềm và siêu mềm.Tuy nhiên, một bức xạ
tự phát từ vật chất không nhất thiết phải là điện từ: có cái gọi là bức xạ hạt
nhân, là sự phát xạ các hạt từ hạt nhân nguyên tử. Phân rã tự phát có thể có
hai loại: các hạt mang điện (các hạt , , và các hạt proton) và các hạt khơng
tích điện là
neutron. Một số hạt phức tạp như hạt , là hạt nhân của nguyên tử heli bao
gồm hai nơtron, trong khi các hạt khác thường đơn giản hơn, như hạt là
electron hoặc positron. Các bức xạ ion hóa được đặt tên như vậy bởi vì khi
chúng đi qua các phương tiện khác nhau hấp thụ năng lượng của chúng, các
ion, photon hoặc các gốc tự do được tạo ra.
Một số nguyên tố tự nhiên không ổn định nhưng phân hủy từ từ bằng cách
vứt bỏ một phần hạt nhân của chúng. Đây được gọi là hiện tượng phóng xạ.
Nó được phát hiện vào năm 1896 bởi Henry Becquerel trong khi nghiên cứu
vật liệu phát quang. Những vật liệu này phát sáng trong bóng tối sau khi tiếp
xúc với ánh sáng, và ông nghĩ rằng sự phát sáng tạo ra trong ống tia âm cực
bởi tia X có thể được kết nối với sự phát quang. Ông bọc một tấm ảnh bằng
giấy đen và đặt nhiều khống chất phát quang lên đó. Tất cả các kết quả đều
âm tính cho đến khi anh ta sử dụng muối uranium (Z = 92). Kết quả với
những hợp chất này là một mảng đen sâu. Những bức xạ này được gọi là tia
Becquerel. Bên cạnh sự phóng xạ tự nhiên, có rất nhiều hạt nhân nhân được
tạo có tính phóng xạ. Nguồn bức xạ khác là khơng gian mà trái đất liên tục bị
bắn phá bởi
các hạt.
Bất kể nguồn hay tuổi của chất phóng xạ, chúng đều phân rã theo cùng
một định luật toán học. Định luật được phát biểu theo số N hạt nhân vẫn chưa

phân hủy và dN số hạt nhân bị phân rã trong một khoảng thời gian nhỏ dt.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng :
dN Ndt (15.1)
Trong đó là hằng số phân rã đặc trưng cho một chất nhất định, từ (15.1),
nó có thể được định nghĩa là phần hạt nhân phân rã trong đơn vị thời gian
1 dN
N
dt (15.2)
Đơn vị SI của độ phóng xạ là becquerel (Bq), bằng hoạt độ của hạt nhân
phóng xạ phân rã với tốc độ của một chuyển đổi tự phát mỗi giây. Do đó,
becquerel được biểu thị trong một đơn vị thời gian: Bq = s -1. Để chuyển đổi
sang đơn vị cũ, là Curie, becquerel phải được nhân với 3,7 x 1010(Bảng A.4).
Liều hấp thụ được đo bằng màu xám (Gy). Màu xám là liều hấp thụ khi
năng lượng trên một đơn vị khối lượng truyền cho vật chất bằng bức xạ ion
hóa là 1 J/kg. Tức là Gy = J/kg.
Khi cần đo độ phơi nhiễm với tia X và tia y, liều lượng bức xạ ion hóa
được biểu thị bằng coulombs trên kg, là sự tiếp xúc dẫn đến việc tạo ra 1 C
điện tích

TIEU LUAN MOI download :


trên 1 kg khơng khí khơ. Trong SI, đơn vị C/kg thay thế cho một đơn vị cũ
hơn của Ronghen.
Chức năng của bất kỳ máy dò bức xạ nào phụ thuộc vào cách thức mà bức
xạ tương tác với vật liệu của chính máy dị. Ví dụ, có rất nhiều văn bản xuất
sắc về chủ đề phát hiện phóng xạ. Có bốn loại máy dị bức xạ chung: máy dị
ánh sáng, máy dị khí, máy dị chất lỏng và máy dị bán dẫn. hơn nữa, tất cả
các máy dị có thể được chia thành hai nhóm theo chức năng của chúng: máy
dò va chạm và máy dò năng lượng. Máy dò va chạm chỉ đơn thuần phát hiện

sự hiện diện của một hạt phóng xạ, trong khi máy dị năng lượng có thể đo
năng lượng bức xạ. Nghĩa là, tất cả các máy dị có thể là định lượng hoặc
định tính.

15.1. Đầu đo nhấp nháy
Nguyên tắc hoạt động của máy dò này dựa trên khả năng chuyển đổi bức
xạ hạt nhân thành ánh sáng của một số vật liệu nhất định. Do đó, một máy dị
photon quang học kết hợp với một vật liệu soi có thể tạo thành một máy dò
bức xạ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mặc dù hiệu suất chuyển đổi cao, cường độ
ánh sáng do bức xạ gây ra là rất nhỏ. Điều này đòi hỏi bộ khuếch đại quang
để phóng đại tín hiệu đến mức có thể phát hiện được.
Vật liệu soi sáng lý tưởng phải có các đặc tính sau:
1. Nó phải chuyển đổi động năng của các hạt mang điện thành ánh sáng có
thể phát hiện được với hiệu suất cao.
2. Việc chuyển đổi phải tuyến tính. Có nghĩa là ánh sáng được tạo ra phải
tương xứng với năng lượng đầu vào trên một dải động rộng.
3. Thời gian sau phát quang (thời gian phân rã ánh sáng) phải ngắn để cho
phép phát hiện nhanh. Thời hạn tái phân tách của vật liệu phải gần với thời
hạn cho phép
4. Chỉ số khúc xạ của vật liệu phải gần với chỉ số của thủy tinh để cho phép
ánh sáng ghép nối quang học hiệu quả với ống nhân quang.
Các chất soi sáng được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm các tinh thể halogenua
kiềm vơ cơ (trong đó natri iốt là chất ưa thích) và các chất lỏng và nhựa có
nguồn gốc hữu cơ. Các sinh vật vô cơ chức nhạy cảm hơn, nhưng nói chung
là chậm, trong khi sinh vật hữu cơ nhanh hơn, nhưng mang lại ít ánh sáng
hơn.
Một trong những hạn chế lớn của bộ đếm ánh sáng là khả năng phân giải
năng lượng tương đối kém. Chuỗi sự kiện dẫn đến việc phát hiện bao gồm
nhiều bước không hiệu quả. Do đó, năng lượng cần thiết để tạo ra một hạt
mang thông tin (một quang điện tử) là từ 1.000 eV trở lên, và số hạt mang

được tạo ra trong một tương tác bức xạ điển hình thường khơng q vài
nghìn. Ví dụ, độ phân giải năng lượng đối với đèn soi iốt natri được giới hạn
trong khoảng 6% khi phát hiện tia Y 0,662 MeV và phần lớn được xác định
bởi các dao động thống kê quang điện tử. Cách duy nhất được biết để giảm
giới hạn thống kê về độ phân giải năng lượng là tăng số lượng sóng mang
thơng tin trên mỗi xung. Điều này có thể được thực hiện nhờ công cụ phát
hiện bán dẫn được mô tả trong các đoạn sau.

TIEU LUAN MOI download :


Một cách sắp xếp đơn giản chung của cảm biến soi chiếu được thể hiện
trong Hình 15.1 kết hợp với một bộ nhân quang. Ống soi được gắn vào đầu
trước của ống nhân quang (PM). Mặt trước chứa một photocathode được duy
trì ở điện thế mặt đất. Có một số lượng lớn các tấm đặc biệt được gọi là
dynodes được đặt bên trong ống PM theo kiểu xen kẽ, gợi nhớ đến hình dạng
của một “venetian blind.”

Hình 15.1: Cấu tạo chung của cảm biến soi chiếu kết hợp với một bộ nhân quang.

Mỗi dynode được gắn với một nguồn điện áp dương theo cách mà dynode
càng xa photocathode thì điện thế dương của nó càng cao. Thành phần cuối
cùng trong ống là cực dương, có điện thế dương cao nhất, đơi khi ở mức vài
nghìn vơn. Tất cả các thành phần của PM được bao bọc trong một ống chân
không thủy tinh có thể chứa một số phần tử bổ sung như điện cực hội tụ, tấm
chắn, v.v.
Mặc dù PM được gọi là nhân quang, nhưng trên thực tế, nó là một hệ số
nhân electron, vì khơng có photon, chỉ có các electron ở bên trong ống PM
trong q trình hoạt động của nó. Đối với hình minh họa, chúng ta hãy giả sử
rằng một hạt tia y có động năng 0,5 MeV (megaelectron vơn). Nó được lắng

đọng trên tinh thể thiêu kết dẫn đến một số photon được giải phóng. Trong
natri iốt được hoạt hóa bằng thallium, hiệu suất soi sáng là khoảng 13%; do
đó, tổng số 0,5 x 0,13 được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy với năng
lượng trung bình là 4 eV. Do đó, khoảng 15.000 photon chiếu sáng được tạo
ra trên mỗi xung gamma. Con số này quá nhỏ để được phát hiện bởi một bộ
tách sóng quang thơng thường; do đó, cần phải có hiệu ứng nhân trước khi
quá trình phát hiện thực sự diễn ra. Trong số 15.000 photon, có lẽ khoảng
10.000 tới photocathode, có hiệu suất lượng tử khoảng 20%. Tế bào quang
điện có nhiệm vụ chuyển đổi các photon ánh sáng tới thành các electron năng
lượng thấp. Do đó, photocathode tạo ra khoảng 2.000 điện tử mỗi xung. Ống
PM là một thiết bị tuyến tính, tức là, độ lợi của nó gần như không phụ thuộc
vào số electron được nhân lên.

TIEU LUAN MOI download :


Vì tất cả các dynode đều ở điện thế dương (V 1 đến V10), một điện tử được
giải phóng từ photocathode bị hút vào dynode đầu tiên, giải phóng một số
electron năng lượng rất thấp khi va chạm với bề mặt của nó. Do đó, một hiệu
ứng nhân lên diễn ra ở dynode. Các điện tử này sẽ được dẫn hướng dễ dàng
bởi trường tĩnh điện từ dynode thứ nhất đến thứ hai. Chúng tấn công dynode
thứ hai và tạo ra nhiều điện tử hơn di chuyển đến dynode thứ ba, v.v. Quá
trình này dẫn đến số lượng điện tử có sẵn ngày càng tăng (hiệu ứng tuyết lở).
Khả năng nhân lên tổng thể của một ống PM theo thứ tự là 10 6. Kết quả là,
khoảng 2 x 109điện tử sẽ có sẵn ở một cực dương điện áp cao (V a) để tạo ra
dòng điện. Đây là dòng điện khá mạnh có thể dễ dàng xử lý bằng mạch điện
tử. Độ lợi của một ống PM được định nghĩa là = 0,065 MeV hoặc 65 keV
năng lượng là
N
G

(15.3)
trong đó N là số dynode, là phần electron thu được bởi ống PM, là hiệu suất
của vật liệu dynode, tức là số electron được giải phóng khi va chạm. Giá trị
của nó nằm trong khoảng từ 5 đến 55 đối với một dynode năng suất cao. Độ
lợi nhạy cảm với điện áp cao được đặt vào, bởi vì gần như là một hàm tuyến
tính của điện áp vịng dây.
Thiết kế hiện đại của bộ nhân quang được gọi là bộ nhân quang kênh hoặc
CPM để sử dụng trong thời gian ngắn. Đó là sự phát triển của ống nhân
quang cổ điển PM. Công nghệ CPM hiện đại bảo tồn những ưu điểm của PM
cổ điển trong khi tránh những nhược điểm của nó. Hình 15.2a cho thấy một
tấm mặt có một photocathode, cấu trúc khuếch đại kênh uốn cong và cực
dương. Giống như PM của Hình 15.1, các photon trong CPM được chuyển
đổi bên trong photocathode thành các quang điện tử và bộ phát hiện ion hóa
gia tốc .

Hình 15.2 Bộ nhân quang kênh: Hình chiếu cắt ngang (a) và hình chiếu bên
ngồi với bao bọc trong vỏ ở bên trái và khơng có vỏ bọc ở bên phải (b).
Thay vì cấu trúc dynode phức tạp, có một kênh bán dẫn mỏng, bị uốn
cong, mà các điện tử phải đi qua. Mỗi khi các điện tử đập vào thành của
kênh, các điện tử thứ cấp được phát ra từ bề mặt. Tại mỗi vụ va chạm, có sự
nhân lên của các electron thứ cấp, dẫn đến hiệu ứng tuyết lở. Cuối cùng, một
phép nhân

TIEU LUAN MOI download :


electron từ 109 trở lên có thể thu được. Dịng điện kết quả có thể được đọc ra
ở cực dương. Máy dò CPM được làm bằng vật liệu bao bọc và khá chắc chắn
khi so sánh với PM mỏng manh. Rối loạn từ trường là nhỏ khơng đáng kể.
Hình 15.2(a) cho thấy các hình ảnh của CPM. Một ưu điểm quan trọng của

cơng nghệ CPM là độ nhiễu tín hiệu xung quanh rất thấp. Thuật ngữ độ nhiễu
nền đề cập đến tín hiệu đầu ra đo được trong trường hợp khơng có bất kỳ ánh
sáng tới nào. Với PM cổ điển, độ nhiễu nền bắt nguồn từ cấu trúc dynode nói
chung là một phần khơng đáng kể của tổng nền. Do đó, nguồn nền hiệu quả
duy nhất cho CPM được tạo ra từ sự phát xạ nhiệt của photocathode. Vì CPM
được sản xuất theo cấu trúc kênh bán dẫn nguyên khối, khơng có hiệu ứng
tích điện nào có thể xảy ra như các PM cổ điển có bóng đèn thủy tinh cách ly.
Do đó, các điều kiện nền cực kỳ ổn định được quan sát. Không xảy ra sự cố
đột ngột. Ngồi ra, do khơng có nhiễu dynode, có thể thực hiện sự tách biệt
rất rõ ràng giữa sự kiện tạo ra từ quang điện tử và nhiễu điện tử. Điều này dẫn
đến tính ổn định cao của tín hiệu theo thời gian.

15.2. Máy dị ion hóa
Các máy dị này dựa vào khả năng của một số vật liệu thể khí và rắn để tạo
ra các cặp ion phản ứng với bức xạ ion hóa. Sau đó, các ion dương và âm có
thể được tách ra trong một trường tĩnh điện và được đo. Q trình ion hóa
xảy ra do các hạt mang điện khi truyền với vận tốc lớn qua nguyên tử có thể
tạo ra lực điện từ đủ, dẫn đến sự phân tách các electron, do đó tạo ra các ion.
Đáng chú ý, cùng một hạt có thể tạo ra nhiều cặp ion trước khi năng lượng
của nó bị tiêu hao. Các hạt khơng tích điện (như neutron) có thể tạo ra các
cặp ion khi va chạm với hạt nhân.
15.2.1

Buồng ion hóa

Các máy dị bức xạ này là loại lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất.
Hạt ion hóa gây ra sự ion hóa và kích thích các phân tử khí dọc theo đường đi
của nó. Tối thiểu, hạt phải truyền một lượng năng lượng bằng năng lượng ion
hóa của phân tử khí để q trình ion hóa xảy ra. Trong hầu hết các khí được
quan tâm để phát hiện bức xạ, năng lượng ion hóa đối với các lớp vỏ electron

ít liên kết chặt chẽ nhất là từ 10 đến 20 eV[2]. Tuy nhiên, có những cơ chế
khác mà hạt tới có thể mất năng lượng trong khi khơng tạo ra ion, ví dụ, di
chuyển các electron khí lên mức năng lượng cao hơn mà khơng cần loại bỏ
nó. Do đó, năng lượng trung bình bị mất bởi một hạt trên mỗi cặp ion được
hình thành (gọi là giá trị W) luôn lớn hơn năng lượng ion hóa.

TIEU LUAN MOI download :


Bảng 15.1: Giá trị W của các loại khí khác nhau
Khi có điện trường, sự dịch chuyển của các điện tích dương và âm được biểu
diễn bởi các electron ở cuối ion tạo thành dịng điện. Trong một thể tích khí
nhất định, tốc độ hình thành cặp ion là constat. Đối với bất kỳ thể tích nhỏ
nào, tốc độ hình thành sẽ được cân bằng chính xác bởi tốc độ mà các cặp ion,
khí bị mất khỏi thể tích, thơng qua tái tổ hợp, hoặc do khuếch tán hoặc di
chuyển khỏi thể tích. Nếu sự tái kết hợp là khơng đáng kể và tất cả các điện
tích đều được thu một cách hiệu quả, thì dịng điện ở trạng thái ổn định được
tạo ra là một thước đo chính xác về tốc độ hình thành cặp ion. Hình 15.3a
minh họa cấu trúc cơ bản của buồng ion hóa và đặc tính dịng điện / điện áp
nơi sản xuất điện. Một thể tích khí được bao bọc giữa các điện cực, tạo ra
điện trường. Một đồng hồ đo cường độ dòng điện mắc nối tiếp với nguồn
hiệu điện thế E và các điện cực. Khơng có sự dẫn điện và khơng có dịng điện
trong các điều kiện khơng ion hóa. Bức xạ tới tạo ra, trong chất khí, các ion
dương và ion dương bị điện trường kéo về phía các điện cực tương ứng tạo
thành dịng điện.
Hình 15.3 Sơ đồ đơn giản của một buồng ion hóa (a) và ký tự dịng điện so
với
điện
áp
(b)

Hình 15.3 Các phần tử cơ bản của một buồng iơn hóa và các đặc trưng điện
áp-dịng điện tương ứng.
Ở điện áp tương đối thấp, tốc độ tái kết hợp ion mạnh và dòng điện đầu ra tỷ
lệ với điện áp đặt vào, vì điện áp cao hơn làm giảm số lượng ion tái kết hợp.
Một điện áp đủ mạnh triệt tiêu hoàn toàn tất cả sự tái kết hợp bằng cách kéo
tất cả các ion có sẵn về phía các điện cực và dịng điện trở nên không phụ
thuộc

TIEU LUAN MOI download :


vào điện áp. Tuy nhiên, nó vẫn phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ. Vùng này
được gọi là bão hòa và là nơi mà buồng ion hóa thường hoạt động.
15.2.2

Buồng tỷ lệ

Buồng tỷ lệ là một loại máy dò chứa đầy khí hầu như ln hoạt động ở chế độ
xung và dựa trên hiện tượng nhân khí. Đây là lý do tại sao những khoang này
được gọi là bộ đếm tỷ lệ. Các xung đầu ra mạnh hơn nhiều so với trong các
buồng ion thông thường. Các bộ đếm này thường được sử dụng trong việc
phát hiện và quang phổ của bức xạ X năng lượng thấp và để phát hiện
neutron. Trái ngược với các buồng ion hóa, các bộ đếm tỷ lệ hoạt động ở điện
trường cao hơn, có thể tăng tốc đáng kể các điện tử được giải phóng trong
q trình va chạm. Nếu các electron này thu được đủ năng lượng, chúng có
thể ion hóa một phân tử khí trung hịa, do đó tạo ra một cặp ion bổ sung. Do
đó, q trình này thuộc loại tuyết lở dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong dòng
điện cực. Tên của quá trình này là Townsend avalanche. Trong bộ đếm tỷ lệ,
quá trình tuyết lở kết thúc khi electron va chạm với cực dương. Vì điện tử

phải đạt đến mức ion hóa khí trong bộ đếm tỷ lệ, nên có một điện áp ngưỡng
mà sau đó q trình tuyết lở xảy ra. Trong các khí điển hình ở áp suất khí
quyển, mức trường ngưỡng theo bậc là 10V/m.

Hình 15.4: Các vùng hoạt động của đầu đo chứa khí. Biên độ xung được vẽ
đối với các sự kiện truyền hai lượng năng lượng khác nhau trong chất khí
Ở hiệu điện thế rất thấp, trường không đủ để ngăn cản sự tái tổ hợp của các
cặp ion. Trong mức bão hịa, tất cả các ion bị trơi đến các điện cực. Điện áp
tăng hơn nữa dẫn đến hiện tượng nhân khí. Trên một số vùng của điện
trường, khí nhân sẽ tuyến tính, và điện tích thu được sẽ tỷ lệ với số cặp ion
ban đầu

TIEU LUAN MOI download :


được tạo ra trong q trình va chạm ion hóa. Sự gia tăng hơn nữa điện áp đặt
vào có thể gây ra các hiệu ứng phi tuyến, liên quan đến các ion dương do vận
tốc chậm của chúng.
15.2.3

Máy đếm Geiger-Müller

Máy đếm Geiger-Müller (GM) được phát minh vào năm 1928 và vẫn được
sử dụng nhờ tính đơn giản, chi phí thấp và dễ vận hành. Bộ đếm GM khác với
các buồng ion khác bởi điện áp đặt vào cao hơn nhiều (xem Hình 15.4).
Trong vùng hoạt động GM, biên độ xung đầu ra không phụ thuộc vào năng
lượng của bức xạ ion hóa và hồn tồn là một hàm của điện áp đặt vào. Bộ
đếm GM thường được chế tạo dưới dạng một ống với dây anốt ở trung tâm
(Hình 15.5).

Hình 15.5: Cấu tạo của ống đếm Geiger-Muller
Ống chứa đầy khí quý như heli hoặc argon. vòng tròn được điền đầy biểu
thục đích dập tắt, ngăn chặn việc kích hoạt lại bộ đếm sau khi phát hiện. Việc
kích hoạt lại có thể gây ra nhiều xung thay vì xung mong muốn. Việc dập tắt
có thể được thực hiện bằng một số phương pháp; một số trong số đó là giảm
điện áp cao trong thời gian ngắn đặt vào ống, sử dụng điện trở trở kháng cao
mắc nối tiếp với cực dương và thêm khí dập tắt ở nồng độ 5-10%. Nhiều
phân tử hữu cơ đặc trưng để phục vụ như một khí dập tắt. Trong số này, rượu
etylic và etyl fomat đã được chứng minh là phổ biến nhất.
Trong một trận tuyết lở điển hình được tạo ra bởi một electron ban đầu
duy nhất, các ion thứ cấp được tạo ra. Ngồi chúng, nhiều phân tử khí bị kích
thích được hình thành. Trong vòng vài nano giây, các phân tử bị kích thích
này trở lại trạng thái ban đầu thơng qua sự phát xạ năng lượng dưới dạng các
photon cực tím (UV) . Những photon này đóng một vai trị quan trọng trong
chuỗi phản ứng xảy ra trong bộ đếm GM. Khi một trong các photon UV
tương tác bằng cách hấp thụ quang điện ở một số vùng khác của bề mặt catốt,
một điện tử mới được giải phóng, sau đó có thể di chuyển về phía anốt và sẽ
kích hoạt một trận tuyết lở khác.
Trong phóng điện Geiger, sự lan truyền nhanh chóng của phản ứng dây
chuyền dẫn đến nhiều tuyết lở bắt đầu ở các vị trí xuyên tâm và dọc trục ngẫu
nhiên trong tồn bộ ống. Do đó, các ion thứ cấp được hình thành trên khắp

TIEU LUAN MOI download :


vùng nhân hình trụ bao quanh dây anốt. Do đó, sự phóng điện tăng lên bao
bọc tồn bộ dây anốt, bất kể vị trí mà sự kiện khởi đầu chính xảy ra. Tuy
nhiên, khi lưu lượng Geiger đạt đến một mức nhất định, các tác động chung
của tất cả các vụ lở tuyết riêng lẻ sẽ phát huy tác dụng và cuối cùng chấm dứt
phản ứng dây chuyền. Điểm này phụ thuộc vào số lượng tuyết lở chứ không

phụ thuộc vào năng lượng của hạt khởi đầu. Do đó, xung dịng GM ln có
cùng biên độ, điều này làm cho bộ đếm GM chỉ là một chỉ báo của sự chiếu
xạ, vì tất cả thơng tin về năng lượng ion hóa đều bị mất. Trong bộ đếm GM,
một hạt có năng lượng đủ có thể tạo ra khoảng 10 hạt có khí thích hợp, hoặc
trong bộ đếm GM, một hạt đơn có năng lượng đủ có thể tạo ra khoảng 10 đến
10 cặp ion. Bởi vì một cặp ion đơn được hình thành trong khí của bộ đếm
GM.
Máy dị bức xạ có thể kích hoạt phóng điện Geiger đầy đủ, hiệu suất đếm
cho bất kỳ hạt tích điện đi vào ống về cơ bản là 100%. Tuy nhiên, bộ đếm
GM hiếm khi được sử dụng để đếm neutron vì hiệu suất đếm rất thấp. Hiệu
suất của bộ đếm GM đối với tia y cao hơn đối với những ống được xây dựng
bằng thành catốt bằng vật liệu Z cao. Ví dụ, catốt bismut (Z = 83) đã được sử
dụng rộng rãi để phát hiện y cùng với các khí có số nguyên tử cao, chẳng hạn
như xenon và krypton, mang lại hiệu suất đếm lên đến 100% cho năng lượng
photon dưới khoảng 10 keV. Một cải tiến hơn nữa của bộ đếm GM là cái gọi
là buồng dây chứa nhiều dây song song, được sắp xếp như một mạng lưới.
Một điện áp cao được đặt vào các dây dẫn có vỏ kim loại là điện thế đất. Như
trong máy đếm GM, một hạt để lại dấu vết của các ion và electron, chúng sẽ
trơi về phía vỏ hoặc dây gần nhất, tương ứng. Bằng cách đánh dấu các dây có
dịng điện xung, người ta có thể thấy đường đi của hạt.
15.2.4 Máy dò bán dẫn
Độ phân giải năng lượng tốt nhất trong các máy dị bức xạ hiện đại có thể
đạt được trong vật liệu bán dẫn, nơi xảy ra một số lượng lớn hạt mang đối với
một sự kiện bức xạ tới nhất định. Trong các vật liệu này, các hạt mang thông
tin cơ bản là các cặp lỗ trống điện tử được tạo ra dọc theo đường đi của hạt
mang điện qua máy dị. Hạt mang điện có thể là bức xạ sơ cấp hoặc hạt thứ
cấp. Các cặp electron-lỗ trống ở một số khía cạnh tương tự như các cặp ion
được tạo ra trong các detector chứa đầy khí. Khi đặt một điện trường ngồi
lên vật liệu bán dẫn, các hạt tải điện được tạo ra sẽ tạo thành một dịng điện
có thể đo được. Các máy dò hoạt động trên nguyên tắc này được gọi là máy

dò diode bán dẫn hoặc trạng thái rắn. Nguyên tắc hoạt động của các máy dò
bức xạ này cũng giống như nguyên tắc hoạt động của máy dò ánh sáng bán
dẫn. Nó dựa trên sự chuyển đổi của các electron từ mức năng lượng này sang
mức năng lượng khác khi chúng tăng hoặc mất năng lượng. Đối với phần
giới thiệu về cấu trúc dải năng lượng trong chất rắn, bạn đọc nên tham khảo
Sect. 14.1.
Khi một hạt mang điện đi qua một chất bán dẫn có cấu trúc dải như trong
Hình 14.1, ảnh hưởng đáng kể tổng thể là tạo ra nhiều cặp lỗ trống điện tử
dọc theo đường của hạt. Q trình sản xuất có thể trực tiếp hoặc gián tiếp,
trong

TIEU LUAN MOI download :


đó hạt tạo ra các điện tử năng lượng cao (hoặc tia A), sau đó mất năng lượng
của chúng để tạo ra nhiều cặp điện tử- lỗ trống hơn. Bất kể cơ chế thực tế liên
quan đến cơ chế nào, điều quan tâm đối với chủ đề của chúng ta là năng
lượng trung bình mà hạt mang điện sơ cấp tiêu thụ sẽ tạo ra một cặp electronlỗ trống. Đại lượng này thường được gọi là "năng lượng ion hóa". Ưu điểm
chính của máy dị bán dẫn nằm ở mức độ nhỏ của năng lượng ion hóa. Giá trị
của nó đối với silicon hoặc germani là khoảng 3 eV, so với 30 eV cần thiết để
tạo ra một cặp ion trong các máy dị đầy khí điển hình. Do đó, số lượng hạt
mang điện lớn hơn khoảng mười lần đối với các máy dò trạng thái rắn đối với
năng lượng nhất định của một bức xạ đo được.
Để chế tạo máy dị trạng thái rắn, ít nhất phải có hai tiếp điểm trên vật liệu
bán dẫn. Để phát hiện, các tiếp điểm được kết nối với nguồn điện áp, cho
phép di chuyển sóng mang. Tuy nhiên, việc sử dụng Ge hoặc Si đồng nhất sẽ
hồn tồn khơng thực tế. Ngun nhân là do dòng điện rò rỉ quá cao gây ra
bởi điện trở suất tương đối thấp của vật liệu (50 k2 cm đối với silicon). Điện
áp bên ngoài, khi đặt vào các cực của máy dị như vậy có thể gây ra dịng
điện có cường độ lớn hơn dịng điện cảm ứng bức xạ từ 3-5 bậc một phút. Do

đó, các đầu báo được chế tạo với các nút chặn, được phân cực ngược để giảm
đáng kể dòng điện rò rỉ. Trên thực tế, máy dò là một điốt bán dẫn, dễ dẫn điện
(có điện trở suất thấp) khi cực dương của nó (phía p của đường giao nhau)
được kết nối với cực dương của nguồn điện áp và cực âm (phía n của đường
giao nhau) để sự tiêu cực. Diode dẫn điện rất ít (nó có điện trở suất rất cao)
khi kết nối bị đảo ngược; do đó, tên gọi xu hướng đảo ngược được ngụ ý.
Nếu điện áp phân cực ngược được tạo ra rất lớn, vượt q giới hạn quy định
của nhà sản xuất, thì dịng điện rò ngược đột ngột tăng (hiệu ứng đánh thủng),
thường có thể dẫn đến sự suy giảm nghiêm trọng của các đặc tính phát hiện
hoặc phá hủy thiết bị. Một số cấu hình của điốt silicon hiện đang được sản
xuất. Một số trong số chúng là điốt tiếp giáp khuếch tán, điốt rào cản bề mặt,
máy dò cấy ion, máy dị lớp biểu mơ và những loại khác. Bộ phát hiện lớp
tiếp giáp khuếch tán và hàng rào bề mặt được ứng dụng rộng rãi để phát hiện
các hạt và các bức xạ tầm
ngắn khác. Một máy dò bức xạ trạng thái rắn tốt phải có các đặc tính sau:
1. Vận chuyển điện tích tuyệt vời
2. Tính tuyến tính giữa năng lượng của bức xạ tới và số cặp lỗ trống điện tử
3. Khơng có điện tích tự do (dịng điện rò rỉ thấp)
4. Sản xuất của số lượng cặp electron-lỗ trống tối đa trên một đơn vị bức xạ
5. Hiệu suất phát hiện cao
6. Tốc độ phản hồi nhanh
7. Khu vực thu thập lớn
8. Chi phí thấp
Khi sử dụng máy dò bán dẫn, một số yếu tố cần được chú ý nghiêm túc.
Trong số đó có lớp băng chết của máy dò và khả năng gây hại bức xạ. Nếu
các hạt mang điện nặng hoặc các bức xạ xuyên thấu yếu khác đi vào máy dị,
có thể bị mất năng lượng đáng kể trước khi hạt đạt đến thể tích hoạt động của
chất

TIEU LUAN MOI download :

bán dẫn. Năng lượng có thể bị mất trong điện cực kim loại và trong phần thân
silicon tương đối dày ngay bên dưới điện cực. Người sử dụng phải đo độ dày
này trực tiếp nếu mong muốn độ bù chính xác. Kỹ thuật đơn giản nhất và
được sử dụng thường xuyên nhất là thay đổi góc tới của bức xạ hạt đơn năng,
tích điện [2]. Khi góc tới bằng 0 (tức là vng góc với bề mặt của máy dị),
tổn thất năng lượng trong lớp chết được cho bởi :
E0 dE
dx0 t (15.4)

trong đó t là độ dày của lớp chết.
Năng lượng mất đi đối với góc tới O là
E
E (15.5)
0

0

cos

Do đó, sự khác biệt giữa độ cao xung đo được đối với góc tới 0 và O được cho
bởi :
Nếu một chuỗi
là hàm của 1 cos
1 sẽ là một đường thẳng có hệ số góc bằng E0 . Sử dụng
dữ liệu dạng bảng cho dEo / dr cho bức xạ tới, độ dày lớp chết có thể được
tính từ (15.4).
Bất kỳ việc sử dụng q nhiều máy dị có thể dẫn đến một số thiệt hại cho
mạng tinh thể của cấu trúc tinh thể, do ảnh hưởng gián đoạn của bức xạ được

đo khi nó đi qua tinh thể. Những tác động này có xu hướng tương đối nhỏ đối
với bức xạ ion hóa nhẹ (hạt hoặc tia ) nhưng có thể trở nên khá lớn trong các
điều kiện sử dụng điển hình đối với các hạt nặng. Ví dụ, sự tiếp xúc lâu dài
của máy dò hàng rào bề mặt silicon với các mảnh nhiệt hạch sẽ dẫn đến sự
gia tăng dịng rị có thể đo được và sự mất mát đáng kể trong phân giải năng
lượng của máy dò. Với tác hại bức xạ cực lớn, nhiều đỉnh có thể xuất hiện
trong phổ độ cao xung được ghi lại cho các hạt đơn năng. Điốt tiếp giáp
khuếch tán đã đề cập trước đó và điốt rào cản bề mặt khơng hồn tồn thích
hợp để phát hiện bức xạ xuyên qua. Hạn chế chính là thể tích hoạt động nơng
của các cảm biến này, hiếm khi có thể vượt q 2-3 mm. Ví dụ, điều này là
khơng đủ đối với quang phổ tia .
Một phương pháp thực tế để chế tạo máy dị tìm bức xạ xun thấu hơn là cái
gọi là q trình trơi ion. Phương pháp này bao gồm việc tạo ra một vùng dày với số
lượng các tạp chất cho cân bằng, chúng bổ sung các đặc tính p hoặc n cho vật liệu.
Trong điều kiện lý tưởng, khi sự cân bằng hoàn hảo, vật liệu dạng khối sẽ giống
chất bán dẫn tinh khiết (nội tại) mà khơng có một trong hai đặc tính. Tuy nhiên,
trong thực tế, sự cân bằng pn hồn hảo khơng bao giờ có thể đạt được. Trong Si
hoặc Ge, vật liệu tinh khiết có độ tinh khiết cao nhất có thể có xu hướng thuộc loại
p. Để đạt được sự bù đắp mong muốn, các nguyên tử cho phải được thêm vào. Nhà
tài trợ bồi thường thiết thực nhất là lithium. Quá trình chế tạo liên quan đến sự
khuếch tán liti qua tinh thể p để các chất cho lithium đông hơn

TIEU LUAN MOI download :


rất nhiều so với các chất nhận ban đầu, tạo ra vùng loại n gần bề mặt tiếp xúc. Sau
đó, nhiệt độ được tăng lên và đường giao nhau bị phân cực ngược. Điều này dẫn
đến việc các nhà tài trợ lithium chậm dần vào loại p cho sự bù đắp gần như hoàn
hảo của tạp chất ban đầu. Quá trình này có thể mất tới vài tuần. Để duy trì sự cân
bằng đạt được, detector phải được duy trì ở nhiệt độ thấp: 77K đối với detector

germani. Silicon có độ linh động ion thấp; do đó, máy dị có thể được bảo quản và
hoạt động ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, số nguyên tử thấp hơn của silic (Z
= 14) khi so sánh với germani (Z = 32) có nghĩa là hiệu suất của silic để phát hiện tia
là rất thấp và nó khơng được sử dụng rộng rãi trong quang phổ tia .

Hình 15.6 Sơ đồ đơn giản của một máy dị lithium
Nó bao gồm ba vùng mà tinh thể "nội tại" nằm ở giữa. Để tạo ra các máy
dị có thể tích hoạt động lớn hơn, hình dạng có thể được tạo thành hình trụ
(Hình 15.6b), nơi có thể nhận ra thể tích hoạt động của Ge lên đến 150 cm.
Các máy dị gecmani, lithium-trơi được ký hiệu là Ge (Li).

Bảng 15.2 Phát hiện các đặc tính của một số Vật liệu (nhiệt độ hoạt động
tính bằng K) Độ rộng vùng cấm Năng lượng trên mỗi (eV) cặp vật liệu bán
dẫn lỗ trống điện tử .

TIEU LUAN MOI download :


Bất kể sự phổ biến rộng rãi của các máy dị silicon và germani, chúng
khơng phải là lý tưởng từ quan điểm nhất định. Ví dụ, gecmani phải ln
được vận hành ở nhiệt độ đơng lạnh để giảm dịng điện rị rỉ do nhiệt tạo ra,
trong khi silic khơng hiệu quả để phát hiện tia y. Có một số chất bán dẫn khác
khá hữu ích cho việc phát hiện bức xạ ở nhiệt độ phịng. Một số trong số đó
là cadmium telluride (CdTe), thủy ngân iốt (Hgl).
Máy dò bức xạ gali arsenide (GaAs), bismuth trisulfide (Bi, S3) và
gallium selenua (GaSe). Các đặc tính hữu ích của máy dị bức xạ của một số
vật liệu bán dẫn được cho trong Bảng 15.2. Có lẽ phổ biến nhất tại thời điểm
viết bài này là cadmium Telluride, kết hợp giá trị Z tương đối cao (48 và 52)
với năng lượng vùng cấm đủ lớn (1,47eV) để cho phép hoạt động ở nhiệt độ
phòng. Các tinh thể có độ tinh khiết cao có thể được ni cấy từ CdTe để chế

tạo máy dị nội tại. Ngồi ra, việc pha tạp clo đơi khi được sử dụng để bù đắp
lượng chất chấp nhận dư thừa và để làm cho vật liệu thuộc loại gần như nội
tại. Các máy dò CdTe bán sẵn trên thị trường có kích thước đường kính từ 1
đến 50 mm và có thể hoạt động thường xuyên ở nhiệt độ lên đến 50°C mà
không làm tăng quá nhiều tiếng ồn. Do đó, có hai loại máy dị CdTe có sẵn:
loại nội tại tinh khiết và loại pha tạp. Loại trước đây có điện trở suất khối
lượng lớn lên đến 1010 cm tuy nhiên, độ phân giải năng lượng của nó khơng
lớn. Loại pha tạp có độ phân giải năng lượng tốt hơn đáng kể, tuy nhiên, điện
trở suất thấp hơn ( 108 cm dẫn đến dòng dò cao hơn. Bên cạnh đó, các máy dị
này dễ bị phân cực có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của chúng. Trong các
máy dị trạng thái rắn, cũng có thể đạt được hiệu ứng nhân như trong các máy
dị chứa đầy khí. Một chất tương tự của máy dò tỷ lệ được gọi là tuyết lở.
Máy dị rất hữu ích cho việc theo dõi bức xạ năng lượng thấp. Độ lợi của máy
dò như vậy thường nằm trong khoảng vài trăm. Nó đạt được bằng cách tạo ra
trong các trường điện bán dẫn mức cao. Ngồi ra, PSDS bức xạ có sẵn mà
ngun tắc hoạt động tương tự như các cảm biến tương tự hoạt động trong
vùng cận hồng ngoại (xem Phần 7.4.6).

15.3 Các buồng tạo đám mây và bong bóng
Buồng mây, cịn được gọi là buồng Wilson, được sử dụng để phát hiện các
hạt bức xạ ion hóa. Ở dạng cơ bản nhất của nó, buồng mây là một mơi trường
kín có chứa hơi nước hoặc rượu siêu bão hòa, siêu bão hịa (ví dụ, rượu metyl
hóa), ở điểm ngưng tụ. Khi một hạt alpha hoặc hạt beta tương tác với hỗn
hợp, nó sẽ ion hóa nó. Các ion tạo thành hoạt động như hạt nhân ngưng tụ,
xung quanh đó sẽ hình thành sương mù. Nói cách khác, hơi nước ngưng tụ
thành giọt khi bị xáo trộn và bị ion hóa bởi sự di chuyển của một hạt. Một
đường mòn được để lại dọc theo đường đi của hạt, bởi vì nhiều ion được tạo
ra dọc theo đường đi của hạt mang điện. Các đường này có hình dạng đặc biệt
(ví dụ, đường của hạt alpha rộng và thẳng, trong khi đường của electron
mỏng hơn và cho thấy nhiều bằng chứng về sự lệch hướng). Các bài hát được

chụp ảnh và phân tích. Khi đặt một từ trường thẳng đứng, các hạt tích điện
dương và âm sẽ

TIEU LUAN MOI download :


chuyển động theo hướng ngược nhau. Có nhiều loại mây khác nhau Buồng
mây được phát minh bởi nhà vật lý người Scotland Charles Thomas Rees
Wilson (1869-1959).
Các thí nghiệm năng lượng rất cao của máy dị bức xạ vì nhiều lý do, một số
trong số đó là vấn đề với pha siêu nóng phải sẵn sàng vào thời điểm va chạm
chính xác, điều này làm phức tạp việc phát hiện các hạt có tuổi thọ ngắn.
Ngồi ra, các khoang bong bóng khơng lớn và khơng đủ lớn để phân tích các
va chạm năng lượng cao, nơi tất cả các sản phẩm nên được chứa bên trong
máy dò. Các buồng đám mây giãn nở sử dụng một máy bơm chân không để
tạo ra các điều kiện thích hợp trong thời gian ngắn để hình thành các vệt,
trong khi loại khuếch tán sử dụng CO2 rắn (đá khô) để làm mát đáy của
buồng và tạo ra một gradient nhiệt độ trong đó có thể nhìn thấy các vệt liên
tục. Buồng bong bóng tương tự như buồng đám mây ngoại trừ chất lỏng được
sử dụng thay vì hơi. Điều thú vị là một ly sâm panh hoặc bia là một loại
buồng bong bóng, nơi các bong bóng nhỏ hình thành được kích hoạt bởi bức
xạ ion hóa từ mơi trường và khơng gian bên ngồi. Đối với các thí nghiệm
vật lý, một buồng bong bóng được lấp đầy bởi một chất lỏng thơ hơn và lạnh
hơn nhiều, chẳng hạn như hydro lỏng. Nó được sử dụng để phát hiện các hạt
mang điện di chuyển qua nó. Buồng bong bóng thường được tạo ra bằng cách
làm đầy một hình trụ lớn (Hình 15.7)

Hình 15.7: Buồng bong bóng
bằng hydro lỏng được làm nóng đến ngay dưới điểm sơi của nó. Khi các hạt
đi vào buồng, một piston đột ngột giảm áp suất của nó và chất lỏng đi vào

giai đoạn siêu nhiệt. Các hạt tích điện tạo ra một rãnh ion hóa, xung quanh đó
chất lỏng bốc hơi, tạo thành các bong bóng cực nhỏ. Mật độ bong bóng xung
quanh đường ray tỷ lệ với sự mất mát năng lượng của hạt. Bong bóng tăng
kích thước khi khoang này nở ra, cho đến khi chúng đủ lớn để có thể nhìn
thấy hoặc chụp ảnh. Một số camera được gắn xung quanh nó, cho phép ghi
lại hình ảnh ba

TIEU LUAN MOI download :


chiều của một sự kiện. Các buồng bong bóng có độ phân giải xuống đến vài
µm đã được vận hành. Một từ trường khơng đổi được hình thành xung quanh
buồng bởi một nam châm điện làm cho các hạt mang điện chuyển động theo
đường xoắn ốc T mà bán kính của chúng được xác định bởi tỷ lệ điện tích
trên khối lượng của chúng. Mặc dù các buồng bong bóng đã rất thành công
trong quá khứ, nhưng hiện tại chúng ít được sử dụng.

TIEU LUAN MOI download :