CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ CỤC AN TOÀN BỨC XẠ VÀ HẠT NHÂN

29 August 2013 1
CÁC PHƢƠNG PHÁP
GHI ĐO BỨC XẠ
CỤC AN TOÀN BỨC XẠ VÀ HẠT NHÂN
Địa chỉ: Tầng 4, số 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội
Tel.: 04 - 39 428 636; Fax.: 04 - 38 220 298
Website:

29 August 2013 2
MỤC TIÊU
 Mô tả được 6 phương pháp ghi đo bức xạ,
 Biết nguyên tắc hoạt động cơ bản của các đầu
dò chứa khí,
 Mô tả hoạt động 3 loại đầu dò chứa khí chính,
 Hiểu các thuật ngữ: Phân giải thời gian, Thời
gian phục hồi và Thời gian chết đối với các đầu
dò chứa khí,
 Biết nguyên tắc hoạt động cơ bản của các đầu
dò nhấp nháy, đầu dò bán dẫn,
 Hiểu được các ưu điểm, nhược điểm của mỗi
loại đầu dò ghi đo bức xạ.

29 August 2013 3
NỘI DUNG
1. Các cơ chế ghi đo bức xạ,
2. Đầu dò (detector) chứa khí,
3. Đầu dò nhấp nháy,
4. Đầu dò bán dẫn,
5. Đầu dò nơtron,
6. Liều kế phim,
7. Liều kế nhiệt phát quang.

29 August 2013 4
1. Các cơ chế ghi đo bức xạ
 Các đầu dò bức xạ hoạt động bằng cách ghi đo sự
thay đổi trong môi trường hấp thụ gây bởi sự truyền
năng lượng từ bức xạ ion hoá tới môi trường này.
 Có 6 cơ chế được sử dụng để ghi đo bức xạ
a. Sự ion hoá,
b. Sự nhấp nháy,
c. Nhiệt phát quang,
d. Các cơ chế hoá học,
e. Sự đốt nóng,
f. Các cơ chế sinh học.

29 August 2013 5
a. Sự ion hóa
 Sự ion hoá được gây ra trực tiếp bởi bức
xạ alpha, beta và gián tiếp bởi các tia-X,
gamma, nơtron,
 Các cặp ion được tạo ra có thể được thu
nhận và số cặp ion được thu nhận tỷ lệ
với lượng bức xạ gây ra sự ion hoá,
 Nhiều thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng sự
ion hoá như một kỹ thuật ghi đo.

29 August 2013 6
b. Sự nhấp nháy
 Sự nhấp nháy là quá trình tạo ra ánh sáng sau khi các
electron chuyển động từ các quỹ đạo có mức năng
lượng cao xuống các mức năng lượng thấp trong một
chất hấp thụ,
 Các electron được dịch chuyển lên các quỹ đạo có mức
năng lượng cao hơn bởi quá trình kích thích,
 Ánh sáng được giải phóng có thể bị biến đổi thành một
tín hiệu điện. Kích thước của một tín hiệu điện phụ thuộc
số electron dịch chuyển đến các quỹ đạo có mức năng
lượng cao hơn và do đó có thể gắn liền với lượng bức
xạ gây ra sự nhấp nháy,
 Sự nhấp nháy là kỹ thuật ghi đo rất quan trọng để kiểm
tra bức xạ và các đầu dò sử dụng kỹ thuật này được gọi
là các các dầu dò nhấp nháy.

29 August 2013 7
c. Nhiệt phát quang
 Khi các electron trong các chất nhất định hấp thụ năng
lượng thì chúng sẽ dịch chuyển đến các mức năng
lượng cao hơn hoặc ‘các vùng cấm’. Chúng được giữ
lại trong các vùng này cho đến khi các chất này được
đốt nóng đến một nhiệt độ nhất định,
 Năng lượng đốt nóng giải phóng các electron và các
chất này phát ra ánh sáng khi các electron ở trên dịch
chuyển về mức năng lượng ban đầu của chúng,
 ánh sáng bị biến đổi thành tín hiệu điện liên hệ với
lượng bức xạ tới,
 Các chất nhiệt phát quang được sử dụng để kiểm tra
liều lượng cá nhân.

29 August 2013 8
d. Các cơ chế hóa học
 Bức xạ ion hoá có thể gây ra các thay đổi hoá
học. Hiệu ứng này được ứng dụng trong phim
ảnh ghi đo liều cá nhân, tia X trong y tế và kỹ
thuật chụp X-quang,
 Trong một vài trường hợp, tốc độ các phản
ứng hoá học tăng lên khi lượng bức xạ ion hoá
tăng,
 Kỹ thuật này có thể được sử dụng để đo các
liều lượng cao (liều kế ceric-cerous).

29 August 2013 9
e. Sự đốt nóng
 Bức xạ ion hoá có thể làm tăng nhiệt độ
của môi trường hấp thụ và đo cẩn thận sự
tăng này có thể đưa ra một phép đo liều
lượng bức xạ,
 Kỹ thuật này (được gọi là phép đo nhiệt
lượng) không thích hợp đối với thiết bị đo
thông thường trong bảo vệ an toàn bức xạ
vì các liều lượng cao đòi hỏi cần phải
nâng nhiệt độ nhỏ lên cao,
 Kỹ thuật này được sử dụng như một
chuẩn sơ cấp để chuẩn thiết bị.

29 August 2013 10
f. Các cơ chế sinh học
 Các liều cao của bức xạ có thể gây ra các
thay đổi sinh học trong các tế bào sống,
 Các thay đổi sinh học chỉ được sử dụng
để đánh giá liều lượng trong các tình
huống cuối cùng ở đó con người nửa tin
nửa ngờ sẽ có rủi ro bị thu nhận một liều
lượng cao.

29 August 2013 11
2. Đầu dò chứa khí
 Có ba loại đầu dò chứa khí khác nhau
• Buồng ion hóa,
• Ống đếm tỷ lệ,
• Ống đếm Geiger Muller,
 Hoạt động dựa trên sự hình thành các cặp ion
trong khí nạp của đầu dò,
 Ba loại đầu dò này chỉ khác nhau ở các quá
trình xảy ra trong đầu dò sau khi các sự kiện
ion hoá sơ cấp kết thúc.

















29 August 2013 12

2. Đầu dò chứa khí (tiếp)
 Đầu dò chứa khí có nhiều loại và kích
thước khác nhau. Nhưng tất cả đều có
chung một dạng gồm một buồng có hai
điện cực chứa đầy khí,
 Thể tích khí giữa hai điện cực là thể tích
hoạt động của đầu dò.

















29 August 2013 13
Nguyên tắc hoạt động của đầu dò chứa khí
+
+
+
+

_
_
_
_
High Voltage (+)
Earth

















29 August 2013 14
Cấu tạo thực tế của đầu dò

29 August 2013 15
Nguyên lý làm việc
 Bức xạ tới tương tác với thể tích khí và tạo ra các cặp ion. Khi một
hiệu điện thế được đặt giữa các điện cực thì các ion dương bị hút
về phía cathode và các electron bị hút về phía anode,
 Điện tích được tích luỹ trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế
trong mạch. Sự biến đổi điện thế tạo ra một xung điện trong mạch
ngoài. Bằng cách ghi đo xung điện này có thể ghi nhận sự có mặt
của bức xạ ion hoá,
 Kích thước của xung phụ thuộc số electron được thu nhận bởi
anode và điều này phụ thuộc vào lượng bức xạ ion hoá trong buồng
cũng như loại bức xạ và năng lượng của nó,
 Kích thước của xung cũng là một hàm của điện thế đặt giữa anode
và cathode.

29 August 2013 16
Phân vùng điện áp hoạt động
Voltage
Ion
chamber
Prop-
ortional
Geiger
Muller
P
u
l
s
e
H
e
i

g
h
t
.
Cont.
Disch.
Recom-
bination

















29 August 2013 17
Phân giải thời gian, Thời gian chết, Thời gian
phục hồi
 Phân giải thời gian của một detector là khoảng thời
gian nhỏ nhất phải phân biệt được 2 sự kiện và ghi

chúng lại như hai quá trình tách rời nhau,
 Phân giải thời gian phụ thuộc
• Thời gian chết của đầu dò (tức là khoảng thời gian
để tín hiệu hoặc xung được tích luỹ đủ lớn để
được ghi nhận),
• Thời gian phục hồi (tức là khoảng thời gian mà
đầu dò khôi phục từ 1 sự kiện ion hoá trở lại trạng
thái ban đầu của nó)

















29 August 2013 18
Biểu đồ xung

29 August 2013 19
a. Đầu dò buồng ion hóa
 Khi các hạt mang điện đi qua thể tích hoạt động của đầu dò,
một số cặp ion được sinh ra. Nếu như tất cả các hạt mang
điện được hấp thụ hoàn toàn trong thể tích hoạt động của đầu
dò thì số cặp ion sinh ra tỷ lệ thuận với năng lượng của hạt
mang điện. Nếu như không có điện áp giữa hai điện cực, các
cặp ion đó sẽ tái hợp lại,
 Tuy nhiên, nếu như có hiệu điện thế giữa hai điện cực của đầu
dò các ion âm sẽ chuyển động về điện cực dương và ion
dương chuyển động về điện cực âm,
 Khi hiệu điện thế giữa hai cực tăng lên, vận tốc của các ion
tăng. Vì vậy, thời gian để tái hợp giảm đi và phần điện tích
thu được tăng lên. Nếu điện áp đủ lớn, tất cả các ion sẽ đến
các điện cực tương ứng.

29 August 2013 20
a. Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)
 Để ngăn cản buồng ion hoạt động trong vùng tỷ lệ, điện
thế được áp vào được giới hạn thấp hơn so với yêu cầu
đặt ra để gây ra sự ion hoá thứ cấp của các phân tử khí.
Nếu một nguồn điện thế 25V được sử dụng thì năng
lượng được tăng thêm do sự gia tốc một electron giữa
các điện cực không thể lớn hơn 25 eV. Năng lượng này
là không đủ để gây ra sự ion hoá thêm nữa,
 Các dòng được tạo trong các buồng ion là rất nhỏ, tiêu
biểu là cỡ bậc 10
-12
A và vì vậy phải được khuếch đại đối
với các kết quả đo. Do đó các thiết bị mà kết hợp các

đầu dò buồng ion thì yêu cầu mạch trạng thái rắn khá
phức tạp để khuếch đại các dòng một chiều vô cùng nhỏ
này.

















29 August 2013 21
a. Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)
 Thiết kế các buồng ion và chọn lựa khí đổ vào phụ thuộc
vào ứng dụng riêng của từng thiết bị,
 Đối với các thiết bị kiểm tra bức xạ có thể mang theo thì
buồng này thường chứa đầy không khí và được cấu tạo
từ các chất có số nguyên tử thấp,
 Nếu thiết bị được sử dụng để đo bức xạ alpha hoặc
beta thì buồng này phải có các lớp vách mỏng hoặc một
cửa sổ rất mỏng. Chỉ bằng cách đó loại đầu dò này mới

có thể được sử dụng để phân biệt giữa các loại bức xạ
bằng cách đặt một tấm chắn trên cửa sổ mỏng để ngăn
cản các hạt alpha hoặc beta từ trong buồng.

















29 August 2013 22
a. Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)
 Buồng ion hoá có thể được thiết kế ở nhiều dạng và kích thước khác nhau.
Khí nạp thường là không khí khô ở điều kiện áp suất khí quyển. Một số
khí khác nhau cũng được sử dụng cho các mục đích cụ thể,
 Điện tích gom được có thể đo bằng 3 cách:
• Dòng trung bình có thể đo bằng bộ khuyếch đại DC chuyên dụng, đại
lượng đo được này tỷ lệ thuận với tốc độ đến của bức xạ hạt nhân,
• Số điện tích trong buồng ion hoá sau một khoảng thời gian cố định có
thể xác định được, giá trị đo này liên quan tới tổng bức xạ đến buồng

ion hoá trong khoảng thời gian đo nói trên,
• Điện tích xuất hiện trên anode đối với từng sự kiện ion hoá có thể
chuyển đổi thành xung điện áp, nó có thể đi qua bộ đặt ngưỡng vào
tạo thành xung có thể đếm được.

















29 August 2013 23
a. Đầu dò buồng ion hóa (tiếp)

29 August 2013 24
b. Ống đếm tỷ lệ
 Một ống đếm tỷ lệ hoạt động trong vùng tỷ lệ . Do ảnh hưởng của
sự nhân khí có thể tăng số electron được tạo thành gần 10
4
lần.
Điều này có nghĩa là đối với mỗi electron được tạo ra bởi một sự
kiện sự ion hóa ban đầu thì có thể có thêm 10 nghìn electron được
tạo ra. Do đó mỗi sự kiện ion hoá có thể phân biệt được và đếm
được,
 Lối ra từ một bộ đếm tỷ lệ là một chuỗi các xung được đếm bởi một
mạch đếm. Nói chung, thời gian phân giải thường rất ngắn đối với
các bộ đếm này (nhỏ hơn một micro giây) vì vậy các tốc độ xung
lớn có thể đếm được,
 Tuy nhiên, biên độ của mỗi xung là rất nhỏ (cỡ bậc milivolt) và cần
phải có sự khuyếch đại trước khi các xung này có thể đếm được,
 Độ dốc của đồ thị trong vùng tỷ lệ là khá dốc. Điều này có nghĩa là
một thay đổi nhỏ của điện áp sẽ có một ảnh hưởng tới độ lớn xung.
Do đó nguồn cao thế ổn định được sử dụng.

29 August 2013 25
b. Ống đếm tỷ lệ (tiếp)
 Như đã được chỉ ra ở phần trước, kích thước xung tổng
tỷ lệ với năng lượng được giữ lại bởi bức xạ. Vì vậy, các
ống đếm tỷ lệ có thể được sử dụng với một mạch phân
biệt độ cao của xung để phân biệt giữa các loại bức xạ
trên cơ sở khả năng ion hoá của chúng,
 Ví dụ, nếu thiết bị này được chiếu xạ cả hai loại bức xạ
alpha và beta với cùng một mức năng lượng thì bức xạ
alpha sẽ tạo ra nhiều số cặp ion hơn với cùng độ dài
quãng dường vì vậy độ lớn xung này sẽ rộng hơn,
 Nếu sử dụng các mạch ngoài khác nhau thì các ống
đếm tỷ lệ cũng có thể được sử dụng để phân biệt giữa
các mức năng lượng khác nhau của bức xạ tới.