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 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

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:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+−=
s
y
s
xCV
yxV
ππ
πε
22
sinhsin4ln
4
),( (3)
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:
s
d
s
L
C
ππ
π
ε
ln
2
−
=
(4)
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 v
ị
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 hi
ện 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
chuyể
n 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 l
ặp 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 đi
ều 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 10
8
Ω). 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 t
ốc 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 t
ạo 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 V
s
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 V
s
đến V
T
tốc độ đếm tăng nhanh. Ở điện áp cao hơn V
T

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)
Độ dốc Plateau =
V
VVNN
NN
/%
))((5.0
100)(
1212
12
−+
×−
(6)

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 ứ
ng 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 điệ
n 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 ch
ết ‘t’, tốc độ bức xạ N và tốc độ đếm ghi được N
1
là:
N
1
= N/(1-Nt) (7)
Số đếm N
1
thu được chỉ có ý nghĩa khi Nt << 1.

16
Bảng 1. Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí.
Tham số Buồng ion hoá Ống đếm tỉ lệ Ống đếm GM

Xung Có thể Chủ yếu Chủ yếu Chế
độ vận
hành
Dòng Chủ yếu Có thể
Không tỉ lệ với liều
của bức xạ.
Khả năng đo phổ Alpha
Có thể đo các
gamma lên đến 200
keV.
Không thể vì biên
độ xung không phụ
thuộc năng lượng.
Hệ số khuếch đại
khí
1
10
3
÷ 10
5
>10
6
Kiểu bức xạ có
thể ghi nhận
α, β, γ, X, n α, β, γ, X, n
α, β, γ, X, ghi α khi
dùng cửa sổ mỏng
Kiểu khí/ áp suất
Không khí hoặc
khí bất kỳ / ≥ áp

suất khí quyển.
Phụ thuộc khí dập
tắt quá trình phóng
điện/ Tuỳ vào ứng
dụng.
Phụ thuộc khí làm
tắt quá trình phóng
điện/ Bé hơn áp suất
khí quyển.
Độ lớn của tín
hiệu ra
< 10 mV ≤ 100 mV ≈ hàng chục vôn
Thiết bị điện tử
Khuếch đại các
xung nhỏ và đo
dòng.
Khối ổn định EHT,
điều chỉnh phức tạp.
Thiết bị điện tử đơn
giản, các điều kiện
vận hành đơn giản.
Các ứng dụng
Chuẩn nguồn,
quan trắc, đo
liều beta/
gamma, 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 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 dụ
ng 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 ch
ế 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 catố
t 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 cầ
n 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 ch
ọn 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 v
ới 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 b
ị 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
từ chất nhấp nháy nằm trong khoảng từ 10
-9
giây (dung dịch hữu cơ và các khí
trơ) đến 10
-6
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 t
ừng 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 củ
a 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 c
ủa số
electron và thời gian bay qua ống nhân quang điện của các electron.

20
Sơ đồ nối của ống nhân quang điện được chỉ ra trên hình 10a. Xung có thể
được lấy ra từ anốt (trở R
1
) cũng như từ đinốt cuối cùng (trở R
2
). Tín hiệu
được lấy từ anốt sẽ là xung âm nếu như R
2
= 0. Tín hiệu từ đinốt sẽ là xung

dương nếu như R
1
=0. Xung từ đinốt là xung dương vì số electron đến đinốt
nhỏ hơn số electron đi khỏi đinốt về anốt do quá trình phát xạ thứ cấp.


Hình 10a. Sơ đồ lấy tín
hiệu ra từ ống nhân quang
điện.


Hình 10b. Dạng xung phụ
thuộc vào tỷ số τ/R
2
C.
Chúng ta khảo sát dạng xung điện áp trên trở R
2
với giả thiết là trong chất
nhấp nháy, các photon được phát ra theo quy luật hàm emũ với thời gian chớp
sáng τ và tạo ra được N
0
electron ở photo catốt, R
1
= 0. Rõ ràng là:
V(t) = Q(t)/C
ở đây C là điện dung tương đương của lối ra của ống nhân quang điện; Q(t) là
lượng điện tích theo thời gian trên tụ C này. Dòng của ống nhân quang điện
nếu chú ý đến các phân tích ở trên phụ thộc theo thời gian với dạng sau:
i = m.N
0

.e.exp(-t/τ)/τ
Dòng này sẽ tích lên tụ C, vận tốc tích điện của tụ C được xác định bằng hằng
số thời gian R
2
C. Sự thay đổi của điện tích trên tụ C:
dQ/dt = m.N
0
.e.exp(-t/τ)/τ – Q/(R
2
.C)

21
ở đây số hạng đầu tiên là dòng tích điện của tụ, số hạng thứ hai là dòng phóng
của tụ. Nghiệm của phương trình nói trên có dạng sau:
Q(t) = N
0
.e.m.R
2
C.[exp(-t/τ) – exp(- t/R
2
.C)]/(τ- R
2
.C) (8)
Nếu R
2
C >> τ thì sau một khoảng thời gian cỡ 5τ xung điện sẽ đạt giá trị cực
đại của mình và nó bằng N
0
.e.m/C, sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số
thời gian 1/R

2
C. Thực vậy, trong những điều kiện như trên thì phương trình
(8) có thể được khảo sát trong hai vùng t << R
2
C và t >> R
2
C. Khi t << R
2
C ta
có:
V(t) = N
0
.e. m. [1 - exp(-t/τ)]/C
và khi t >> τ ta có:
V(t) = N
0
.e. m. exp(- t/R
2
C)/C
Như vậy khi R
2
C >> τ, mặt trước của xung được xác định bằng thời gian phát
quang của tinh thể, còn mặt sau được xác định bằng hằng số thời gian của ống
nhân quang điện R
2
C.
Nếu τ >> R
2
C, xung sẽ đạt cực đại của mình sau khoảng thời gian khoảng
5R

2
C và sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số thời gian τ, tức là trong
trường hợp này mặt trước của xung sẽ được xác định bằng hằng số thời gian
R
2
C và mặt sau – thời gian phát quang của tinh thể. Giá trị cực đại của biên
độ xung khi đó tỷ lệ với N
0
e m.R
2
/τ.
Trường hợp thú vị là khi τ = R
2
C. Lấy thành phần trong ngoặc của (8), thay
số hạng exp(- t/τ) bằng hai số hạng khai triển đầu tiên ta sẽ thu được:
V(t) = N
0
e m.t.exp(-t/τ)/(Cτ) (9)
khi đó xung đạt biên độ cực đại khi t = τ và biên độ bằng N
0
e m.R
2
/2,71C.
Có thể thu được thời gian t* mà khi đó xung đạt cực đại của mình bằng cách
đạo hàm (8) và cho giá trị đạo hàm bằng 0:
t
*
= ln [τ/(R
2
C)].τ.R

2
C/(τ - R
2
C), (10)
và có thể tính được giá trị biên độ ở cực đại nếu thay (10) vào (8).

22
Trên hình 10b là dạng xung của đetectơ nhấp nháy ở các tỷ số (τ/R
2
C khác
nhau. Trên trục tung là tỷ số của giá trị V(t)/V(t*), còn theo trục hoành là thời
gian theo đơn vị t/τ. Các kết quả tìm được chứng tỏ rằng có thể thu được mặt
trước của xung rất ngắn khi R
2
C < τ nhưng biên độ lại giảm đi R
2
C/τ lần.
Thực ra độ dài của mặt trước của xung sẽ bị giới hạn bởi thăng giáng thời
gian của các quá trình khác nhau và thậm chí cả thời gian tạo các trạng thái
kích thích trong tinh thể nhấp nháy cũng không ngắn (10
-10
÷10
-11
giây).
Việc tính dạng xung sẽ phức tạp hơn rất nhiều nếu có tải cả ở mạch anốt và
đinốt cuối cùng – tức là khi R
2
và R
1
khác 0. Chúng ta xem xét trường hợp khi

thời gian phát sáng τ của tinh thể nhỏ hơn R
2
C và R
1
C trở của đinốt cuối cùng
là R
2
. Xung dòng do chất nhấp nháy gây nên sẽ tích điện cho các tụ của anốt
và đinốt. Giả sử sau một thời gian t
1
< τ, điện tích trên anốt bằng Q
a
. Nếu khi
đó xảy ra Q
a
/C bằng cỡ hiệu thế giữa anôt và đinôt cuối cùng thì điện tích của
tụ anốt sẽ bị triệt tiêu, trong mạch đinốt, dòng sẽ đổi cực tính của mình. Vì
vậy thế V(t) trên đinôt có thể đổi dấu (trong khi phụ thuộc vào tỷ số thời gian
t
1
/τ, hiệu điện thế giữa anốt và đinốt cuối cùng, các đại lượng R
2
C và R
1
C) và
xung sẽ trở thành lưỡng cực. Rõ ràng là khi R
1
→∞, xung điện áp ở điện trở ra
của đinốt cuối cùng sẽ trở thành xung âm; trong trường hợp này đinốt cuối
cùng sẽ được coi như anốt.

II.3. Các chất nhấp nháy
Ngày nay có rất nhiều chất nhấp nháy được sử dụng và đều thuộc một trong
hai loại: chất nhấp nháy hữu cơ hoặc chất nhấp nháy vô cơ.
II.3.1. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy hữ
u cơ
Quá trình phát huỳnh quang trong chất nhấp nháy hữu cơ là do sự dịch
chuyển mức năng lượng của phân tử. Thực nghiệm cho thấy phần lớn phân tử
của các chất nhấp nháy hữu cơ có tính đối xứng, chúng được biết như cấu trúc

23
π-electron trình bày trên hình 11. Trong hình vẽ S
0
, S
1
, S
2
là một chuỗi các
trạng thái cơ bản (spin=0) và kích thích tương ứng. Tương tự T
1
, T
2
, T
3
là ba
trạng thái năng lượng kích thích ứng với với S
1
(spin=1). Với các phân tử chất
nhấp nháy hữu cơ, khoảng cách mức năng lượng giữa S
0
và S

1
là 3 hoặc 4 eV,
còn khoảng cách giữa các mức kích thích ở phía trên thường nhỏ hơn. Cấu
trúc tinh tế làm cho mỗi mức lại bị chia thành một chuỗi các mức năng lượng
với khoảng cách giữa các mức tinh tế hơn (≈0.15 eV) tương ứng với các trạng
thái dao động của phân tử (các trạng thái S
xx
trong hình 11). Vì khoảng cách
giữa các trạng thái dao động là lớn so với giá trị trung bình của chuyển động
nhiệt (0.025 eV), gần với chuyển động của tất cả các phân tử ở nhiệt độ phòng
trong trạng thái S
00
.

Hình 11. Các mức năng lượng của phân tử hữu cơ ứng với cấu trúc electron.

24
Năng lượng có thể được electron hoá trị hấp thụ và chuyển lên một số các
trạng thái kích thích (biểu diễn bằng các mũi tên hướng lên).
Trong trường hợp nhấp nháy, sự hấp thụ năng lượng của hạt mang điện làm
các electron nhảy lên trạng thái cao hơn và phân tử bị kích thích nhanh chóng
(cỡ pico giây) quá trình khử kích thích về trạng thái S
1
bằng biến hoán trong.
Mặt khác, bất kỳ trạng thái có năng lượng dao động lớn (như S
11
hoặc S
12
) do
không cân bằng nhiệt với các phân tử lân cận chúng sẽ mất năng lượng dao

động một cách nhanh chóng.
Do đó, hiệu ứng kích thích mạng trong tinh thể chất hữu cơ chỉ xảy ra trong
khoảng thời gian ngắn có thể bỏ qua, các phân tử hầu như ở trạng thái kích
thích S
10
. Ánh sáng nhấp nháy (hoặc phát huỳnh quang tức thời) được phát ra
trong quá trình dịch chuyển giữa trạng thái S
10
về một trạng thái có năng
lượng thấp hơn (các dịch chuyển này được ký hiệu bằng các mũi tên hướng
xuống).
Thời gian tồn tại của trạng thái T
1
không dài hơn trạng thái đơn S
1
. Thông qua
các dịch chuyển trong hệ, một số trạng thái kích thích đơn có thể chuyển
thành các trạng thái bội ba. Thời gian tồn tại của T
1
vào cỡ 10
-3
s và bức xạ
phát ra trong quá trình khử kích thích từ trạng thái T
1
về trạng thái S
0
giống
như sự phát lân tinh (trễ). Vì T
1
nằm dưới S

1
nên bước sóng của phổ lân tinh
sẽ dài hơn so với bước sóng của phổ huỳnh quang.
Ở trạng thái T
1
, một số phân tử cũng có thể bị kích thích làm dịch chuyển
ngược lên trạng thái S
1
sau đó phân rã bằng phát huỳnh quang. Quá trình này
có thể làm xuất hiện quá trình phát huỳnh quang trễ trong chất hữu cơ.
Độ dài của mũi tên tương ứng với năng lượng của các photon sẽ bị hấp thụ
trong vật liệu. Vì tất cả các dịch chuyển phát huỳnh quang đều được ký hiệu
bằng mũi tên hướng về phía có năng lượng thấp hơn (ngoại lệ trường hợp S
10
-

25