Điện tử hạt nhân Nguyễn Phúc

ĐIỆN TỬ VÀ THIẾT BỊ HẠT NHÂN
Lời nói đầu
Tên gọi điện tử và thiết bị hạt nhân mới bao hàm đầy đủ nội dung của giáo trình
này. Tuy tia phóng xạ phát hiên vào cuối thế kỹ 19 nhưng điện tử hạt nhân manh
nha từ những năm bồn mươi, năm mươi thế kỹ 20 khi các thiết bị điện tử ra đời và
phát triển. Khác với các lĩnh vực khoa học như cơ, quang, nhiệt giác quan con
người có thể trực tiếp cảm nhận được; khoa học hạt nhân nghiên cứu đa số các hiện
tượng của hạt nhân, nguyên tử mà các giác quan con người không trực tiếp cảm
nhận được mà thông qua công cụ (phần cứng) và tư duy trí tuệ ( phần mềm) của
con người. Vào những năm bốn mươi, năm mươi thế kỹ hai mươi, trong giai đoạn
cuối của chiến tranh thế giới lần thứ hai và giai đoạn đầu của chiến tranh lạnh, do
chay đua vũ trang, khoa học nói chung, điện tử học phát triển xuất hiện đèn điện tử
một yếu tố cơ bản để xây dựng các mạch khuếch đại, các mạch logic. Đèn điện tử
có nhiều loạị, (đèn hai cực để chỉnh lưu, đèn ba cực để khuếch đại tín hiệu, đèn 4
cực làm khuếch đại có điều khiển, đèn 5 cực để làm các chức năng trùng phùng…).
Các thành tựu của điện tử học đã được sử dụng trong quân sự, trong khoa học,
trong đời sống. Công nghệ thông tin vô tuyến truyền thanh, truyền hình, rađa,
ngành khoa học tin học và máy tín cũng ra đời. Vật lý hạt nhân là ngành mũi nhọn
vì vai trò của nó trong chiến tranh nên mọi khả năng về nhân vật lực cũng như các
thành quả mới nhất của khoa học công nghệ đều được đưa vào cho các nghiên cứu
vật lý hạt nhân thực nghiệm. Các thành tựu của điện tử học được đưa vào áp dụng
để nghiên cứu vật lý hạt nhân thành một chuyên ngành riêng là điện tử hạt nhân.
So với nhiều ngành khoa học khác, các ngành công nghiệp cũng như đòi sống vật
lý hạt nhân thực nghiệm bao giờ cũng sử dụng các thành quả tinh hoa của các
ngành khoa học công nghệ khác đặc biệt là điện tử và công nghệ thông tin.
Từ những năm năm mươi thế kỹ 20 đã áp dụng đèn điện tử để xây dựng các mạch
đếm phóng xạ, các máy đơn kênh, đa kênh đo phổ các tia bức xạ (đó là các khối
cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, trùng phùng, đếm, biến đổi biên độ thành số
ADC, máy tính số …), các thiết bị điều khiển máy gia tốc, lò phản ứng. Sang
những năm sáu mươi thế kỹ 20 đèn bán dẫn thay thế đèn điện tử, kích thước và
công suất tiêu thụ của thiết bị thu nhỏ đáng kể, xuất hiện các khối điện tử chức

năng (đó là các khối cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại, trùng phùng, đếm, biến
đổi biên độ thành số ADC), các hệ chuẩn như NIM, BИШΗЯ, máy tính nhỏ.
Những năm sáu mươi xuất hiện các mạch vi điện tử, hệ chuẩn các khối chức năng
xử lý online CAMAC (đó cũng là các khối cao áp, tiền khuếch đại, khuếch đại,
trùng phùng, đếm, biến đổi biên độ thành số ADC nhưng có BUS ghép nối online
DATAWAY vào máy tính qua khối điều khiển khung ). Vào những năm bảy và
tám mươi sự xuất hiện mạch vi xử lý, mạch tổ hợp siêu cao, mạch in nhiều lớp, các
vi mạch có khả năng lập trình PAL, GAL, FPGA ngoài hệ chuẩn CAMAC, xuất
hiện hệ các khối chức năng chuẩn xử lý online trên hệ thống nhiều trung tâm xử lý
song song đó là chuẩn VME. Trong lĩnh vực đầu dò hạt nhân cũng không ngừng

1


phát triển từ đầu dò chứa khí đến đầu dò nhấp nháy, đầu đò bán dẫn, ma trận đầu
dò.
Ngay từ những năm 1960 đã xuất hiện nhiều giáo trình điện tử hạt nhân ở các
trường đại học ở ÂU, Mỹ và không ngừng được cập nhật theo sự tiến bộ của khoa
hoc, công nghệ.
Môn học điện tử hạt nhân đã được giảng dạy trong các trường đại học ở Việt nam
đã hơn 50 năm nay. Ngay trong thời gian chiến tranh sơ tán ở núi rừng sinh viên đã
được làm các bài thực tập về điện tử hạt nhân, đã có các luận văn tốt nghiệp thiết
kế, lắp ráp máy phân tích vi phân đơn kênh trên các bóng đèn điện tử; cuối những
năm sáu mươi tại một số viện nghiên cứu đã thiết kế lắp ráp các máy đo hoạt độ
phóng xạ bằng ống đếm GM và các linh kiện bán dẫn; hiện nay trong các viện
nghiên cứu, các trường đại học đã sử dụng cũng như nghiên cứu và chế tạo nhiều
thiết bị hạt nhân hiện đại.
Giáo trình điện tử hạt nhân đầu tiên đã được soạn thảo bởi thầy giáo, giáo sư
Nguyễn Hữu Xý cũng đã gần 50 năm; giáo trình này được Giáo sư cùng các cộng
sự chính thức biên soạn lại với nhiều bổ sung vào năm 1974. Từ đó đến nay giáo

trình này đã được nhiều thầy giáo sử dụng và bổ sung; tuy nhiên không chính thức
được biên soạn, in ấn, nên không được lưu truyền.
Từ đó đến nay ngành điện tử tin học nói chung, điện tử hạt nhân nói riêng có
những bước tiến vượt bậc. Ở các nước tiên tiến đã liên tục cho xuất bản các giáo
trình rất hiện đại, cập nhật. Nằm trong khung cảnh chung, do nhu cầu đào tạo các
cán bộ, các chuyên gia công nghệ hạt nhân, việc biên soạn các bộ giáo trình hạt
nhân nói chung, giáo trình điện tử hạt nhân nói riêng cho cấp đại học và sau đại
học trở nên cấp thiết.
Giáo trình này cần cung cấp thật đầy đủ các kiến thức cơ bản, cập nhật, hiện đại và
thực dụng cho sinh viên, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực điện tử hạt nhân.
Với kinh nghiệm hơn 40 năm liên tục nghiên cứu và giảng dạy điện tử hạt nhân,
nhiều năm là điều phối viên quốc gia về điện tử hạt nhân với cơ quan nguyên tử
năng quốc tế IAEA, tôi cố gắng biên soạn bộ giáo trình điện tử hạt nhân và thiết bị
hạt nhân thật cập nhật, cơ bản và thực dụng, với hy vọng đóng góp phần hiểu biết
nhỏ nhặt của mình vào sự nghiệp đào tạo nhân lực cho ngành.
Giáo trình gồm 7 chương
Chương 1 nhắc lại các kiến thức bổ trợ về vật lý hạt nhân. Chương này nhắc lại
một số khái niệm cơ bản về vật lý hạt nhân, các tia bức xạ, sự tương tác bức xạ với
vật chất;
Chương 2 trình bày nguyên lý và cấu tạo các loại đầu dò bức xạ.Trình bày nguyên
lý, cấu tạo, các đặc trưng cơ bản, các áp dụng của các đầu dò hạt nhân: Đầu dò
chứa khí, đầu dò bán dẫn, đầu dò nhấp nháy và các đầu dò cho nơtron;
Chương 3 đề cập đến điện tử tương tự. Đây là các thiết bị trung gian ghép nối trực
tiếp với các đầu dò bức xạ, phần này quyết định chất lượng của thiết bị đo, đó là
các phần tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, các mạch xử lý thời gian, biên độ như
phân biệt tích phân, phân biệt vi phân (SCA), phân biệt biên độ thời gian (SCTA)
và các nguồn nuôi thấp áp và cao áp;

2

Chương 4 đề cập điện tử số. Phần này trình bày các mạch số logic cứng cơ bản;
các mạch tổ hợp; các mạch có thể lập trình PAL, GAL, FPGA; các mạch thông
minh vi xử lý, vi điều khiển; các bộ biến đổi ADC; các thiết bị phân tích đa kênh
MCA;
Chương 5 trình bày các hệ chuẩn trong vật lý hạt nhân thực nghiệm. Đây là phần
tiếp cận đến các hệ thống đo đạc, xử lý tự động các thực nghiệm vật lý hạt nhân
trong các phòng thí nghiệm hiện đại trên thế giới, trên quan điểm xây dựng hệ
thống thực nghiệm trên các modul chức năng chuẩn. Đó là các chuẩn NIM,
CAMAC, VME, đồng thời còn trình bày BUS PC, PLC cho các ứng dụng khác;
Chương 6 khảo sát các thiết bị điện tử hạt nhân sử dụng trong đo đạc điều khiển
trong nghiên cứu và trong ứng dụng công, nông, sinh, y. Trong phần này trình bày
các hệ thống đo đạc hạt nhân trong nghiên cứu (các hệ phổ kế hạt nhân, các thiết bị
đo liều, đo hoạt độ, thiết bị đo nhấp nháy lỏng, các hệ điều khiển máy gia tốc, lò
phản ứng); các thiết bị trong ứng dung công nghiệp NDT và NCS; các thiết bị ứng
dụng trong y học hạt nhân như Gamma Camera, SPECT, PET;
Chương 7 trình bày các công cụ sử dụng trong phòng thí nghiệm điện tử hạt nhân
hiện đại. Phần này giới thiệu các thiết bị đo điển hình sử dụng trong phòng điện tử
hạt nhân như đồng hồ vạn năng, giao động ký, máy phát xung, thiết bị phân tích
logic, thiết bị lập trình.
Trong phần phụ lục đưa ra các chương trình (files) mô phỏng làm tăng tính sinh
động, hấp dẫn, dễ hiểu.
Giáo trình này dựa trên nhiều nguồn tài liệu truyền thống của IAEA do các chuyên
gia Âu, Mỹ soạn thảo, các giáo trình từ các trung tâm đào tạo của Liên xô, Ấn độ,
Nhật bản, Hungari.
Cùng với giáo trình lý thuyết này (dự định lên lớp lý thuyết 60 tiết), chúng tôi sẽ
soạn thảo và chế tạo khoảng 15 bộ thực nghiệm điển hình.
Giáo trình này dành cho các sinh viên năm cuối, các học sinh cao học, các nghiên
cứu sinh vật lý hạt nhân thực nghiệm của các trường đại học quốc gia, đại học bách
khoa, các viện nghiên cứu.

Đây là lần biên soạn chính thức đầu tiên, chúng tôi không tránh khỏi các sai sót,
các tiểu mục thiếu vắng. Chúng tôi xin chân thành tiếp nhận và cám ơn các ý kiến
đóng góp của quí vị quan tâm.

3


Chương I. Phần bổ trợ
1 .1. Bức xạ hạt nhân [1]
Trong phần này sẽ trình bày những kiến thức cơ sở của vật lý hạt nhân.
Bắt đầu sẽ thảo luận về nguyên tử trung hoà, ở trạng thái bền. Nguyên tử bao gồm
hạt nhân nhỏ bé, bao quanh bởi một số điện tử.
Các điện tử nằm trên quĩ đạo xung quanh hạt nhân theo những mức năng lượng
xác định.

K

M

Mức năng lượng thấp nhất gọi là vành K có
thể chứa nhiều nhất hai điện tử; mức thứ hai gọi là vành L chứa nhiều nhất 8 điện
tử, tiếp theo là vành M, vành N...
Bán kính nguyên tử điển hình vào khoảng 10-8Cm, bán kính hạt nhân điển hình
vào khoảng 10 -12Cm. Như vậy thể tích nguyên tử lớn hơn thể tích hạt nhân khoảng
1012 lần. Có nghĩa rằng hạt nhân cấu thành bởi hạt nhân vô cùng nhỏ bé và một số
rất ít điện tử, còn lại hầu hết là khoảng không, rất giống hệ mặt trời gồm mặt trời
và một số ít hành tinh còn đa số là vũ trụ trống rỗng. Như vậy các tia bức xạ như
ánh sáng, thậm chí điện tử có thể đi qua nguyên tử mà không tương tác với nguyên
tử.
Hạt nhân bao gồm prô-ton và nơ-tron gọi là nucleon, nucleon nặng gấp hai nghìn

lần điện tử. Các lực hạt nhân giữa hai nucleon là như nhau. Lực hạt nhân của hai
prô-ton, hai nơ-tron, hoặc giữa prô-ton và nơ-tron là như nhau. Tự nhiên có xu
hướng dẫn đến sự bằng nhau của số prô-ton và nơ-tron trong hạt nhân. Tuy nhiên
nếu có nhiều prô-ton tập trung trong một thể tích nhỏ của hạt nhân, lực Culom có
xu thế làm cho hạt nhân không bền các prô-ton đẩy lẫn nhau. Nếu số Z lớn hơn 20
lực Culom làm hạt nhân không bền hoặc có tính phóng xạ. Nếu hạt nhân có số Z
lớn hơn 20 hoặc có Prô-ton lớn hơn 20 cần phải bổ sung lực gắn kết hạt nhân.
Trong trường hợp này cần bổ sung nhiều hơn số nơ-tron trong hạt nhân. Hạt nhân
bền có thể thấy được ở các nguyên tố có số Z đến 83 loại trừ một trường hợp là
nguyên tố nhân tạo Technetium (Tc). Với Z lớn hơn 83 tất cả các hạt nhân đã biết
là không bền hoặc có tính phóng xạ. Cũng chính theo cơ chế đó mà các hạt nhân có
nhiều quá prô-ton hoặc nơ-tron cũng không bền hoặc có tính phóng xạ.
Sau đây nêu ra một vài ký hiệu qui định: Ký hiệu “Z” là số prô-ton trong hạt nhân,
là nguyên tử số của nguyên tố, nó cũng là số điện tử trong nguyên tử trung hoà. Ví
4


dụ Hydro có Z=1; Sắt có Z=26; chì có Z=82; Uranium có Z=92. “N” là số nơ-tron
trong hạt nhân. “A” là số tổng cộng các nucleon (tổng số prô-ton và nơ-tron trong
hạt nhân)
Người ta đã sử dụng ký hiệu cho một hạt nhân như sau:

60
A
27
33
Z
N
X là chử viết tắt cho nguyên tố, A là số tổng cộng các nucleon, Z là số prô-ton, N
là số nơ-tron.

X

Co

P
ro
to
n
N
u

Neutron Number

Đồng vị là các hạt nhân có cùng số prô-ton hoặc Z nhưng khác nhau về số nơ-tron,
ví dụ Hydro có ba dạng: Hydro 1 chỉ có một prô-ton trong hạt nhân; Hydro 2 là
Deuterium có 1 prô-ton và một nơ-tron trong hạt nhân; Hydro 3 gọi là Tritium có 1
prô-ton và hai nơ-tron trong hạt nhân.
Biểu đồ vị trí của các hạt nhân đã biết trên trục toạ độ vuông góc mà trục X là số
nơ-tron, trục Y là số prô-ton trong hạt nhân- biểu đồ này lần đầu tiên được vẽ bởi
Segre gọi là biểu đồ hạt nhân. Trong biểu đồ này các chấm đen biểu diễn cho 256
nguyên tố bền, các chấm nhạt cho hơn 1200 nguyên tố đồng vị phóng xạ còn lại đã
biết.
Phân rã phóng xạ: Trong phần này sẽ bàn đến hai loại phân rã phóng xạ Alpha (α)
và Beta (β) cùng với ba loại bức xạ α, β và γ (Gamma).
5


Khảo sát đầu tiên là phân rã phóng xạ β, có ba loại phân rã Beta.
Loại phân rã Beta đầu tiên là phân rã Beta âm (β-). Nếu hạt nhân có quá nhiều nơtron sẽ xảy ra phân rã phóng xạ bằng cách phát ra một điện tử ( hạt beta âm β-) và

một phản nơ-trino. Trong trường hợp này nơ-tron trong hạt nhân biến thành prôton. Trong quá trình này số prô-ton trong hạt nhân tăng lên một đơn vị như vậy hạt
nhân và nguyên tử này biến thành hạt nhân và nguyên tử của nguyên tố mới hay
còn gọi là nguyên tố con. Trong một chiều hướng khác nếu hạt nhân quá thừa prôton thì nó có thể bắt một điện tử của nguyên tử ở vành trong cùng nhất của nguyên
tử -vành K; hoặc nếu đủ năng lượng prô-ton có thể phát ra một hạt posi-tron (β+).
Trong trường hợp prô-ton bắt một điện tử, prô-ton biến thành nơ-tron và phát ra
một hạt nơ-trino. Trong trường hợp prô-ton phát ra hạt posi-tron (β+), prô-ton đã
biến thành nơ-tron, β+ và nơ-trino. Trong cả hai trường hợp điện tích của hạt nhân
đều giảm đi một đơn vị và hạt nhân nguyên tử biến thành nguyên tố mới.
Điện tử (hạt beta âm β-) và posi-tron (β+) là phản hạt của nhau. Nếu chúng tương
tác với nhau sinh ra huỷ cặp. Tương tự như vậy nơ-trino và phản nơ-trino là phản
hạt của nhau.Tuy nhiên trong trường hợp này khả năng tương tác với nhau vô cùng
nhỏ nơ-trino và phản nơ-trino là hạt nhỏ trung hoà về điện tích có khối lượng gần
bằng không và vận tốc gần với vận tốc ánh sáng, khả năng tương tác vô cùng thấp.
Trong thực tế nơ-trino từ mặt trời có thể đi xuyên qua quả đất mà không gây sự
tương tác nào.
1.1.1. Bức xạ Beta
Vì hai loại phân rã phóng xạ điện tử ( β-) và posi-tron (β+) là bài toán phân rã của
ba thực thể, sản phẩm cuối cùng là hạt nhân con, hạt beta và nơ-trino. Không thể
tiên đoán sự phân bổ năng lượng cho ba sản phẩm này. Tuy nhiên vì hạt nhân sản
phẩm có khối lượng rất lớn so với hạt beta và nơ-trino nên toàn bộ động năng là
năng lượng phân rã phân bố ngẩu nhiên cho hạt beta và nơ-trino do đó phân bố
năng lượng cho hạt beta và nơ-trino là tương tự nhau từ Zero đến giá trị năng
lượng phân rã, như hình sau
To là năng lượng toàn phần của phân rã, nó cũng là giá trị năng lượng cực đại mà
hạt beta có thể đạt tới.
Phân bố phổ năng lượng phân rã của beta trừ ( β-) có đỉnh tại 1/3 To;
Phân bố phổ năng lượng phân rã của beta cộng ( β+) có đỉnh tại 2/3 To
1.1.2. Bức xạ Alpha
Đối với các nguyên tố phóng xạ có Z > 82 phân rã α có khả năng rất cao. Có một
số ít hạt nhân có Z<82 có khả năng phân rã α nhưng khả năng rất thấp.

Hạt α là hạt mang điện nặng có cấu tạo gồm hai nơ-tron và hai prô-ton nó là hạt
nhân của nguyên tố Helium 4. Hạt α có điện tích hai đơn vị, như vậy có nghĩa rằng
hạt nhân sau phân rã alpha mất hai prô-ton và điện tích của nó giảm đi hai đơn vị.
Phân rã alpha thường kèm theo các phân rã beta trừ. Vì sản phẩm của phân rã
alpha chỉ là hai gồm hạt nhân con và hạt alpha. Toàn bộ năng lương phân rã chia
cho hai sản phẩm con có thể tính khá chính xác đo đó năng lượng alpha phân rã là
đơn năng, tuy nhiên do hạt nhân sau phân rã thường nằm ở các trạng thái kích thích

6



Typical β Spectrum

N(T)

To

Beta Energy (T)

khác nhau do đó phân bố năng lượng của hạt alpha trong phân rã alpha có nhiều
nhóm đơn năng, xem giản đồ sau
Qua giản đồ phổ alpha này ta thấy rằng nhóm năng lượng cao nhất có xác suất xảy
ra nhỏ là nhóm đơn năng của các hạt α trong phân rã alpha mà hạt nhân sản phẩm
(hạt nhân con) nằm ở trạng thái cơ bản. Trong ví dụ này nhóm đơn năng có xác
xuất cao nhất là nhóm năng lượng lớn thứ hai cho các phân rã alpha thu được hạt
nhân con ở trạnh thái kích thích.
Tia alpha gồm hạt nhân He tốc độ cao và điện tích hai đơn vị; quảng chạy vài cm
trong không khí phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của hạt và độ đậm đặc của môi
trường rắn, lỏng hay khí. Hạt alpha là sản phẩm của các hạt nhân khi tương tác với

nơtron, phân hạch hạt nhân, lò phản ứng, máy gia tốc và sản phẩm của tia vũ trụ
khi tương tác với khí quyển. Khi hạt  đi qua vật chất, nó tương tác với các điện tử
vành ngoài của nguyên tử môi trường làm ion hóa môi trường còn hạt alpha mất
dần năng lượng do các va chạm liên tiếp. Khả năng ion hóa của hạt alpha là lớn
nhất so với tất cả các loại bức xạ. Ứng dụng hạt alpha dựa trên khả năng ion hóa
của nó để phân tích chất khí, đo áp xuất chất khí, khử các hạt tĩnh điện, đo độ dày
lớp rất mỏng.
Quay lại giản đồ hạt nhân, có thể nhận diện các vùng tương ứng với các phân rã
khác nhau.
7


Nếu như hạt nhân có quá nhiều nơ-tron thì nó sẽ xảy ra phân rã beta trừ; đó là vùng
dưới phía phải của đường hạt nhân bền;
Nếu hạt nhân có quá nhiều prô-ton nó có khả năng bắt điện tử hoặc phân rã beta
cộng, điều này xảy ra ở vùng trên và bên trái của đường hạt nhân bền. Đối với hạt
nhân có Z>83 nó có khả năng phân rã alpha và beta trừ.
Đa số các phân rã phóng xạ hạt nhân con không về ngay trạng thái bền mà ở trạng
thái kích thích. Các hạt nhân này sẽ về trang thái bền hoặc trạng thái có mức năng
lượng thấp hơn bằng cách phát ra các photon (gọi là tia gamma) cho đến khi hạt
nhân đạt được trạng thái bền.

Typical Alpha Particle Energy Spectrum

N(E)

Alpha Energy (E)
1.1.3. Bức xạ Gama, Tia x
Phô-ton là hạt có liên quan đến sóng điện từ. Phô-ton có khối lượng tĩnh bằng
không và không mang điện, trong chân không chuyển động với vận tốc ánh sáng.

Có nhiều loại hạt phô-ton; nó có tên tuỳ thuộc các quá trình vật lý sinh ra nó. Một
số ví dụ có thể làm quen như ánh sáng biểu kiến, sóng vô tuyến điện, bức xạ tử
ngoại. Bốn loại phô-ton mà chúng ta quan tâm trong giáo trình này là: Tia X, Tia
gamma, bức xạ hãm và phô-ton huỷ cặp.
Tia x là phô-ton phát ra từ nguyên tử khi điện tử của nguyên tử chuyển từ một mức
năng lương xuống mức thấp hơn. Điện tử của nguyên tử nằm trên các mức năng
lượng được xác định chính xác do đó phổ các tia X là đơn năng. Tia Gamma là các
phô-ton sinh ra khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng này đến mức năng lượng
khác thấp hơn và cũng như trên hạt nhân cũng tồn tại trên các mức năng lượng
được biết chính xác nên phổ năng lượng tia gamma cũng đơn năng. Trong khi đó
phô-ton bức xạ hãm tạo ra do các hạt mang điện thường là điện tử tương tác với
điện trường của hạt nhân. Trong trường hợp này quỉ đạo của các điện tử luôn thay
8


đổi và điện tử phát ra các phô-ton gọi là phô-ton bức xạ hãm và có năng lượng từ
zero đến giá trị toàn phần của động năng hạt mang điện. Phổ phân bố năng lượng
của phô-ton bức xạ hãm là liên tục từ zero đến toàn bộ năng lượng của điện tử.
Loại phô-ton thứ tư là phô-ton tạo cặp, phô-ton này sinh ra do một điện tử tương
tác với phản hạt của nó là positron. Khi hai hạt này tương tác với nhau thì nó huỷ
nhau và biến mất, khi đó năng lượng tương tác biến thành hai hạt phô-ton huỷ cặp
mỗi một phô-ton mang năng lượng tĩnh của electron và posi-tron 0.511 Mev, tuy
nhiên vì electron và posi-tron trước khi tương tác có một lượng động năng nhỏ,
năng lượng này cũng truyền cho cặp phô-ton tạo thành do đó các phô-ton huỷ cặp
có năng lượng xung quanh vạch 0.511 Mev.



Electron
capture

P
ro
to
n
N
u

-

+

-

Neutron Number

Phân rã Beta âm: Cobalt 60 có chu kỳ phân rã là 5,3 năm, khi phân rã beta trừ hạt
nhân chuyển đến mức kích thích của Nikel 60 ở mức 2,50 Mev trên trạng thái bền
của Nikel 60 và ngay lập tức chuyển xuống mức kích thích 1,33 Mev bằng cách
phát ra tia Gamma năng lượng 1,17 Mev; Mức kích thích này có chu kỳ sống là
10-9giây và phân rã gamma 1,33 Mev đến trạng thái bền của Nikel 60.
Ví dụ về phân rã beta cộng của Na22: Na22 phát ra beta cộng chuyển đến nức kích
thích 1,27 Mev của Neon 22. Neon 22 kích thích này chuyển về Neon 22 trạng thái
bền bằng cách phát ra tia gamma 1,27 Mev.

9


  Decay

60

27 Co 33



2.50 MeV Excited
Level
1.17 MeV  ray
1.33 MeV Excited
Level
1.33 MeV  ray

60
28 Ni32

Ground
State

  Decay

22
11Na11



1.27
MeV
1.27MeV  ray

22
10 Ne12

Ví dụ về phân rã alpha của Uran 238: Ur238 phân rã hạt alpha chuyển về Th234
kích thich; phát ra tia gamma để giảm mức kích thích, sau đó phát ra tia beta trừ
hạt nhân chuyển về Protatium 234 ở mức kích thích; phát tiếp hai beta trừ để
chuyển về hạt nhân Ur 234 ở mức kích thích.
Nhiều khi hạt nhân kích thích giảm trạng thái kích thích bằng cách truyền năng
lượng của nó cho một điện tử của nguyên tử hơn là phát ra tia gamma. Quá trình
này gọi là biến hoán nội và điện tử sẽ mang năng lượng này. Năng lượng của điện
tử biến hoán nội sẽ là sự khác nhau của hai mức năng lượng hạt nhân trừ đi năng
10


238
92 U146

 decay

234
90Th144

  decay

234
91Pa143

  decay

234
92U142

lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử. Kết quả của quá trình này sẽ có các
điện tử đơn năng phát ra bởi hạt nhân.
Hoạt độ hoặc số phân rã hạt nhân trên một đơn vị thời gian được ký hiệu A và
A=λ.N. N là số hạt nhân phóng xạ λ là hằng số phân rã. Đơn vị đo hoạt độ là
Becquerel (Bq) hoặc Curie (Ci). Một Bq được xác định là một phân rã trong một
giây trong khi đó một Ci là 3.7x 10 10 phân rã trong một giây. Không nên nhầm
hoạt độ với số bức xạ của một nguồn phóng xạ trên một đơn vị thời gian. Ví dụ
Co-60 một phân rã sẽ phát ra một hạt beta và hai tia gamma. Như vậy nguồn có
hoạt độ 1000Bq của Co 60 sẽ tạo ra 1000 hạt beta và 2000 tia gamma trong một
giây.
Số hạt nhân phóng xạ còn lại sau một thời gian t được tính như sau
- λt
N = No* e
Ở đây No là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t bằng zero. Đây có mối quan hệ
hàm mũ, Thời gian bán huỷ là đoạn thời gian mà trong đó để cho ½ hoạt độ bị
phân rã và xác định bằng công thức sau
T ½ = 0.693/λ
Ví dụ tại thời điểm bắt đầu có 1 triệu hạt nhân phóng xạ, sau một chu kỳ bán huỷ
còn lại 500.000 hạt nhân phóng xạ, sau hai chu kỳ còn lại 250.000 hạt nhân phóng
xạ, sau ba chu kỳ còn lại 125.000 hạt nhân phóng xạ.
1.1.4. Bức xạ Neutron
Nơtron có từ lò phản ứng, máy gia tốc và các nguồn đồng vị.
Các đặc trưng chính của nơtron: Khối lượng gần bằng proton, nơtron không mang
điện, nơtron là một phóng xạ có thời gian sống 10,6 phút, năng lượng nơtron từ
0,001eV đến 20 MeV, thiết diện (xác suất) tương tác có thể rất bé hoặc rất lớn phụ
thuộc năng lượng nơtron và hạt nhân tương tác.
11


Nơtron có thể phân thành ba loại sau: Nhiệt, trên nhiệt và nhanh. Xác suất hấp thụ

nơtron nhiệt tỷ lệ 1/v, nơtron càng chậm chuyển động càng lâu trong hạt nhân thì
khả năng bị hấp thụ càng lớn. Nơtron trên nhiệt, trừ trường hợp cộng hưởng, tiết
Neutron
Energy

Cross Section
Barns (10-24 cm2 )

Thermal

En < 1 eV

σa ~ 1/v

Epithermal

1 eV < En < 10 keV

Small with
resonances

Fast

En > 10 keV

Small
(few barns)

diện tương tác rất bé, vùng cộng hưởng rất hẹp vài eV tăng đột ngột từ không lên
hàng chục nghìn barns rồi giảm đột ngột về không; vùng còn lại là nơtron nhanh,

thiết diện tương tác vài barn.
1.1.5. Tia vũ trụ
Tia vũ trụ ngoài khí quyển của trái đất gọi là tia vũ tru sơ cấp. Thành phần chủ yếu
của tia vũ trụ sơ cấp là proton chiếm 86%, hạt  chiếm 11%, hạt điện tử chiếm 2%
và các hạt nặng 1%. Thành phần của các tia sơ cấp như mô tả ở trên được quan sát
trong vùng năng lượng thấp, trong vùng này các hạt sơ cấp bị ảnh hưởng bởi
trường địa từ. Ở vĩ độ từ cho trước và hướng cho trước chỉ có những hạt có năng
lượng lớn hơn độ cứng từ trường mới có thể đến được trái đất. Hầu hết các tia vũ
trụ là các hạt tương đối tính với động năng bằng hoặc lớn hơn khối lượng nghỉ,
một số ít có năng lượng cực đại đến 1020eV.
Các tia vũ trụ đến trái đất theo mọi hướng, với cường độ khoảng 1000 hạt trên mét
vuông trên giây. Câu hỏi về nguồn gốc tia vũ trụ và cơ chế gia tốc thế nào để có
hạt năng lượng siêu cao như vậy.
Các tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn 1020eV có quảng chạy tự do trung bình
khoảng 100Mpc (1 pc = 3 x 1018 cm xấp xỉ 3 năm ánh sáng). Các tia vũ trụ là các
hạt tích điện nên quỹ đạo của nó rất phức tạp do ảnh hưởng của từ trường yếu của
vũ trụ khi đi đến quả đất.
1.1.5.1. Phổ năng lượng của tia vũ trụ sơ cấp
Phổ có khoảng biến đổi rộng, thông lượng giảm nhanh khi năng lượng của chúng
tăng. Hạt có năng lượng 1GeV có thông lượng 104 hạt trên 1m vuông trong một
giây; khi năng lượng lớn hơn 1019eV thông lượng một hạt trên một km2 trên năm.
1.1.5.2. Mưa rào khí quyển
Mưa rào khí quyển là một hiện tượng một số lượng lớn các bức xạ điện từ, điện tử,
các hạt nhân nhẹ và các hạt cơ bản như muon, pion, kaon sinh ra trong quá trình
tương tác của tia vũ trụ sơ cấp có năng lượng cao ( vài GeV trở lên) với các hạt
nhân nguyên tử của khí quyển. Năng lượng hạt sơ cấp càng cao thì kích thước của
mưa rào khí quyển càng rộng. Chẳng hạn như tia vũ trụ sơ cấp khoảng 1014eV thì
khoảng cách các hạt tạo ra hàng trăm mét.

12

Trong trường hợp hạt tới là proton tác dụng với các nucleon của hạt nhân môi
trường theo thứ tự sau
P + N  P* + N * + n - + n + + m 0  tạo ra , -,+, ,+ e-, e+, các hạt cơ bản
như kaon, lambda. Gồm ba thành phần: Thành phần điện từ (điện tử, gamma),
thành phần muon và thành phần ion nặng (gồm các nucleon, kaon, pion).
1.2. Sự tương tác của bức xạ với vật chất [2]
Chúng ta sẽ quan tâm đến hai loại bức xạ: Hạt mang điện và hạt trung hoà. Hạt
mang điện chia làm hai nhóm: Hạt mang điện nặng và hạt mang điện nhẹ. Hạt
mang điện nặng là hạt có khối lượng lớn hơn nhiều so với khối lượng điện tử. Ví
dụ hạt prô-ton có khối lượng gấp 2000 lần khối lượng điện tử; hat alpha với khối
lương gấp 8000 lần khối lượng điện tử còn mảnh phân hạch thì nặng hơn nhiều.
Hạt mang điện nhẹ như là điện tử và pôsi-tron. Nhóm hạt trung hoà cũng chia làm
hai nhóm phô-ton và nơ-tron. Phô-ton gồm tia X, tia gamma, tia huỷ cặp, tia bức
xạ hãm; nơ-tron tương tác qua va chạm đàn hồi, va chạm không đàn hồi và gây
phản ứng hạt nhân.
Chúng ta bắt đầu khảo sát tương tác của hạt mang điện với vật chất. Có ba cơ chế
mất năng lượng: Cơ chế thứ nhất mất năng lượng do tương tác với điện tử của
nguyên tử; cơ chế thứ hai do bức xạ hãm và cơ chế thứ ba do va chạm với hạt nhân
nguyên tử. Cơ chế thứ nhất hạt mang điện có thể truyền cả năng lượng và momen
xung lượng cho điện tử nguyên tử. Điện tử có thể bắn ra khỏi nguyên tử hoặc
chuyển lên mức năng lượng cao hơn và kết quả hoặc nguyên tử bị ion hoá hoặc bị
kích thích. Trong trường hợp thứ hai năng lượng bị mất do bức xạ hãm, hạt mang
điện này thường là hạt mang điện nhẹ như điện tử, tương tác trong điện trường của
hạt nhân. Đường đi của hạt mang điện bị thay đổi và phát ra bức xạ phô-ton gọi là
bức xạ hãm. Năng lương của phô-ton có thể từ zero đến giá trị động năng toàn
phần của hạt mang điện. Trường hợp thứ ba năng lượng bị mất bởi sự va chạm với
hạt nhân nguyên tử. Hạt mang điện nặng sau khi mất phần lớn động năng cho điện
13

tử nguyên tử có thể tuơng tác với hạt nhân nguyên tử của bia. Trong trường hợp
này một lượng lớn momen động lượng và năng lượng của hạt chuyển cho hạt nhân
nguyên tử và kết quả hạt mang điện bị tán xạ trên một gốc lớn.
1.2.1. Tương tác của hạt mang điện nặng
Vì nguyên tử tạo thành bởi hạt nhân vô cùng nhỏ được bao quanh bởi các điện tử,
khi một hạt mang điện chuyển động qua vật chất nó được xem đa phần là điện tử.
Khối lượng của hạt alpha gấp 7294 lần khối lượng điện tử. Khi một hạt alpha gặp
một điện tử nó có thể truyền cả năng lượng và momen động lượng cho điện tử hoặc
là đẩy điện tử ra khỏi nguyên tử hoặc đưa lến mức năng lượng cao hơn. Tuy nhiên
sự quá khác nhau về khối lượng của hai hạt, hạt alpha chỉ mất một phần nhỏ năng
lượng và momen động lượng của mình do đó hướng đi của hạt alpha không thay
đổi. Sau nhiều lần tương tác như vậy khi hạt alpha mất gần hết năng lượng và
momen động lượng của mình nó có thể tương tác với hạt nhân. Đây là tương tác
của các hạt có cùng bậc khối lượng do đó mất mát năng lượng và momen động
lượng khá nhiều do đó mà hướng đi của hạt alpha thay đổi. Khoảng chạy của hạt
alpha trong không khí có thể xác định gần đúng bởi phương trình sau :
R (trong không khí) = 0,309 To3/2
Ở đây To là năng lượng ban đầu của hạt alpha tính theo Mev, hạt alpha thông
thường có năng lượng khoảng 5±1 Mev. Quảng chạy của hạt alpha trong không khí
ở áp suất khí quyển là 3,5 cm. Trong vật rắn hay trong vật liệu có mật độ cao
khoảng chạy ngắn hơn nhiều. Trong thực tế hạt alpha năng lượng 5 Mev sẽ bị chặn
lại bởi một tờ giấy viết.
1.2.2. Tương tác của điện tử với vật chất
Hạt beta gồm điện tử và posi-tron đều mất năng lượng trước nhất là tương tác với
điện tử của nguyên tử. Cũng như trên tương tác này hoặc bứt điện tử khỏi nguyên
tử hoặc đưa nó lên mức cao hơn. Tuy nhiên trong trường hợp này hạt tới và điện tử
nguyên tử có cùng khối lượng nên sau một va chạm hạt tới mất một lượng lớn
năng lượng và momen xung lượng nên sau một va chạm hướng đi thay đổi lớn. Hạt

beta có tốc độ lớn hơn nhiều so với hạt mang điện nặng nên khoảng cách hai va
chạm khá dài kết quả quảng chạy của hạt beta lớn hơn nhiều so với hạt mang điện
nặng.
1.2.3. Phát bức xạ hãm
Điện tử và posi-tron ngoài mất năng lượng do va chạm còn mất do bức xạ hãm.
Khi điện tử đi gần đến hạt nhân lực Culom sẽ làm điện tử đổi hướng và phát ra
phô-ton gọi là bức xạ hãm. Quảng chạy của tia beta trong vật chất có thể xác định
theo phương trình sau
Ro( gm/cm2) = 0,52 T (Mev)-0.09
Năng lượng điển hình của điện tử khoảng 1 Mev, quảng chạy trong không khí
khoảng 3,3m; quảng chạy trong nhôm mật độ 2,7 (gm/ cm3) khoảng 2mm.
Sự huỷ posi-tron: Cũng gíống như điện tử, Posi-tron mất năng lượng thông qua va
chạm với điện tử nguyên tử và bức xạ hãm. Sau khi mất đa phần năng lượng của
mình, posi-tron tìm thấy điện tử và tương tác huỷ cặp và tạo ra hai phô-ton với
năng lượng mổi phô-ton khoảng 0,511 Mev.

14


1.2.4. Tương tác của phôton
Về phương diện lý thuyết, tồn tại 12 loại tương tác. Tuy nhiên có ba loại tương tác
phổ biến nhất trong giải năng lượng của phô-ton từ zero đến 10 Mev là hiệu ứng
quang điện, tán xạ Compton và sự tạo cặp.
1.2.4.1. Hiệu ứng quang điện
Phô-ton tới tác dụng với nguyên tử, toàn bộ năng lương của phô-ton truyền cho
một điện tử của nguyên tử (thường là điện tử ở vành liên kết mạnh nhất như lớp k)
Năng lượng của điện tử bay ra Te = Eγ- Be, kết quả có một điên tử bay ra và một
nguyên tử bị ion hoá, trong nguyên tử ion hoá này điện tử ở mức cao chuyển xuống
mức trống ở dưới và phát ra tia X. Quá trình này tiếp tục cho đến khi bắt được một
điện tử tự do để đi đến nguyên tử trung hoà.

X-

Photoelectron

Incoming

Auger

Hiệu ứng quang điện

Scattered
E 

Incoming Photon

Compton Electron
T

Tán xạ Compton

xạ

15


Đôi khi thay cho phát tia X, năng lượng này truyền cho điện tử khác của nguyên
tử, tạo ra nguyên tử bị ion hoá bậc hai. Điện tử bắn ra là đơn năng goi là điện tử
Auger. Các quá trình này trình bày trong giản đồ trên.
1.2.4.2. Tán xạ Compton
Trong tán xạ Compton phô-ton tới tương tác với điện tử vòng ngoài cùng của

nguyên tử. Vì điện tử này gắn yếu ớt với hạt nhân, do đó phô-ton không chuyển hết
năng lượng và xung lượng cho điện tử. Như vậy cùng với điện tử bắn ra còn có
phô-ton tán xạ. Phô-ton thứ cấp này là phô-ton mới tạo ra của quá trình và có năng
lượng E’γ. Năng lượng của tia gamma tới chia cho điện tử bắn ra và phô-ton thứ
cấp. Năng lượng điện tử mang tuỳ thuộc gốc bắn ra của phô-ton thứ cấp. Khi gốc
tán xạ so với tia tới bằng 180 độ thì năng lượng truyền cho điện tử là cực đại. Ví dụ
đối với phô-ton tới năng lượng 1 Mev thì năng lượng phô-ton có thể truyền cho
điện tử có thể từ zero đến giá trị cực đại là 0.796 Mev.
1.2.4.3. Hiệu ứng tạo cặp
Phô-ton tới tương tác với trường hạt nhân tạo ra cặp điện tử và posi-tron. Năng
lượng tối thiểu của phô-ton tới để gây ra tạo cặp là 1.022 Mev.

Electron
-

Incoming Photon
E

Positron
+

1.2.4.4. Xác suất của tương tác phôton
Khác với hạt mang điện, nó có thể tương tác nhiều lần và mất dần năng lượng.
Phô-ton chỉ tương tác một lần và biến mất. Ngay cả tán xạ Compton phô-ton tới
biến mất, cái gọi là phô-ton tán xạ cũng là mới được tạo ra sau tương tác. Vì vậy
chung ta không quan tâm đến quảng chạy của phô-ton mà thay vào đó quan tâm
khả năng (xác suất) phô-ton đi qua lớp dày x của vật liệu mà không bị tương tác.
Xác suất của tương tác và loại tương tác phụ thuộc vào năng lượng phô-ton, điện
tích của hạt nhân bia Z, mật độ N của bia tức là số hạt nhân trên một đơn vị thể
tich và NZ số điên tử trên một đơn vị thể tích.

Xác suất tương tác quang điện gần như một hàm tỷ lệ với N, Z5 và Eγ-7/2. Xác suất
tương tác Compton gần như một hàm tỷ lệ với N, Z và 1/Eγ.

16


Xác suất tạo cặp bằng zero khi năng lượng phô-ton bé hơn 1.022Mev và trên năng
lượng này nó gần như một hàm tỷ lệ với N, Z2 và log của năng lượng Eγ. Xác suất
toàn bộ là tổng của các xác suất thành phần. Trong vùng năng lượng thấp hiệu ứng
quang điện nổi trội; trong vùng năng lượng từ 0.5 Mev đến 2-3 Mev tán xạ
Compton nổi trội và khoảng năng lượng lớn hơn 3 Mev tạo cặp là chủ yếu đặc biệt
khi Z lớn.
Hệ số suy giảm tuyến tính còn gọi là xác suất trên chiều dài đơn vị μ là tổng của
các xác suất trên chiều dài đơn vị cho mỗi một thành phần kể trên. Hệ số suy giảm
khối μo được xác định như là hệ số suy giảm tuyến tính chia cho mật độ ρ. Hệ số
suy giảm khối μo là một hàm của năng lượng đối với không khí, nhôm và chì.
Xác suất phô-ton đi qua một bia dày x cho bởi phương trình sau
N (x) = No x e-μx
Ở đây No là số phô-ton tới do đó tỷ số N(x)/No là xác suất phô-ton có thể đi qua
bia dày x mà không bị tương tác. Vì đây có mối tương quan hàm mũ, ta đưa ra khái
niệm độ dày ½ hay còn gọi là độ dày lớp vật chất để chắn được ½ số phô-ton.
Trong vùng năng lượng 1 Mev, độ dày này đối với chì là 0.95 cm, đối vơi nhôm là
3,7 cm và đối với không khí là 83 mét.
1.2.5. Tương tác của nơtron
Nơtron là hạt không mang điện, không tương tác với điện tử của nguyên tử mà chỉ
tương tác với các nuclon của hạt nhân. Có mấy loại tương tác sau: tán xạ đàn hồi,
tán xạ không đàn hồi, phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ các hạt mang điện hoặc
gamma và phân hạch hạt nhân.
Theo năng lượng nơtron chia làm bốn loại, nơtron nhanh (vài Mev), chậm (từ 10
đến 100keV), trên nhiệt (1ev đến 1 keV) và nhiệt (khoảng 0,03 ev). Nơtron từ các

nguồn đồng vị thường là nơtron nhanh.
1.2.5.1. Nơtron nhanh tán xạ đàn hồi và không đàn hồi
Nơtron nhanh đi qua vật chất thường tán xạ với các nuclon qua tán xạ đàn hồi và
không đàn hồi, qua nhiều va chạm nơtron mất dần năng lượng. Phần năng lượng bị
mất trên một va chạm càng lớn nếu khối lượng hạt nhân càng bé. Giá trị năng
lượng trung bình mất mát trên một va chạm không phụ thuộc năng lượng nơtron
trước khi va chạm. Nơtron với năng lượng 2 MeV sau 18 lần va chạm với nguyên
tử hydro hoặc 115 lần với nguyên tử oxy hoặc 2172 lần với nguyên tử uran thì
nơtron bị nhiệt hoá đến năng lượng 0,025 eV.
1.2.5.2. Nơtron gây ra phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ
6Li + 1n
3H + 4α + 4.78 MeV
3He + 1n

3H + 1p + 0.764 MeV

10B + 1n

7Li + 4α + 2.792 MeV
7Li*+ 4α + 2.310 MeV
14N + 1n
14C + 1p + 0.626 MeV
Tương tác nơtron gây ra phản ứng hạt nhân kèm theo bức xạ các hạt mang điện
hoặc gamma sử dụng trong các bài toán phân tích thành phần nguyên tố bằng
phương pháp phân tích kích hoạt nơtron, đặc biệt là chế tạo các đầu dò nơtron.
17


CHƯƠNG II Các đầu dò bức xạ
2.1. Đầu dò chứa khí (Gaz detector) [3]

Mục đích của phần này là tổng quan lý thuyết và hoạt động của đầu dò chứa khí,
đó là đầu dò ion hoá, đầu dò tỷ lệ và đầu dò Geiger- Muller G-M; Các thiết bị sử
dụng đầu dò loại này và các vấn đề cần lưu ý khi sử dụng đầu dò này.
2.1.1. Nguyên lý đầu dò chứa khí
Các đầu dò này dùng khí làm môi trường làm việc của đầu dò, môi trường khí này
có hai tính chất cần thoả mãn: tính cách ly (khi hai điện cực được tích điện có một
hiệu điện thế dược đặt trong môi trường khí này thì chất khí bảo vệ để không xảy
ra hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực); tính dẫn điện (nếu có những hạt mang
điện tự do điện tử hoặc ion thì các hạt mang điện này chuyển động tự do trong chất
khí, nếu giữa hai điện cực có hiệu điện thế thì dưới tác dụng của lực điện trường
các điện tử chuyển động đến điện cực dương còn các ion dương chuyển động đến
điện cực âm). Có ba loại đầu dò chứa khí: Đầu dò ion hoá, đầu dò tỷ lệ và đầu dò
G-M.
Có bốn khái niệm chi phối hoạt động của đầu dò chứa khí: Sự ion hoá chất khí,
chuyển động của điện tích và sự tụ tập các điện tích trong chất khí, sự nhân điện
tích và cuối cùng là hiệu ứng tắt.
Sự ion hoá chất khí: Hạt mang điện (như , ) hoặc điện tử, từ tương tác của các
photon khi đi qua lớp khí sẽ tương tác với các điện tử của nguyên tử và đẩy điện tử
ra ngoài nguyên tử tạo ra điện tử tự do và ion dương. Năng lượng gần đúng trung
bình để tạo ra một cặp điện tử ion khoảng 326 ev. Nếu áp lên hai điện cực một
điện thế, điện tử có xu thế chuyển động đến điện cực dương và ion đến điện cực
âm. Trong đầu dò ion hóa đơn giản hai điện cực xem như hai má của tụ điện được
tích với một điện lượng Q, điện tử và ion tạo ra một dòng điện, phóng điện tích của
tụ điện này. ∆Q là lượng điện tích tích lũy sẽ bằng nXe ở đây n là số điện tích và
ion tạo ra do phóng xạ; e là điện tích của điện tử bằng 1,6X 10 -19Culong. Nếu ta gắn
hai đầu tụ đến hai đầu đo của điện kế và chiếu một bức xạ ion hóa thì điện kế sẽ
phóng điện và mức độ phóng điện này tỷ lệ với cường độ bức xạ chiếu, liều kế cá
nhân đầu tiên cho công chúng sử dụng nguyên tắc này. Còn có nhiều thiết bị khác
như duy trì một điện thế không đổi trên hai điện cực và đo dòng điên hoặc số xung
điện tạo ra. Ví dụ nếu như hạt  có năng lượng 5 MeV mất hết năng lượng trong

ống đếm ion hóa nó sẽ tạo ra 1,6X 105 cặp điện tử và ion (giả sử năng lượng trung
bình để tạo cặp là 32ev) nó sẽ tạo ra một điện lượng là ∆Q =2,56X 10-14 C nếu dòng
hạt  có cường độ 40 hạt/gy thì có dòng điện 1,02X 10-12 Amp. Khi nói về năng
lượng bức xạ mất mát trong đầu dò cần lưu ý kích thước đầu dò và quảng chạy của
tia bức xạ. Ví dụ nếu hạt  có năng lượng 5 Mev có quảng chạy 3,5 cm trong
không khí, khoảng cách này lớn hơn kích thước của đầu dò khí vì thế năng lượng
hat  bị mất một phần trong chất khí và phần còn lại mất trên thành đầu dò. Tình
trạng này càng tồi tệ hơn đối với hạt  vì hạt này với năng lượng 1 Mev sẽ đi được
3 mét trong không khí nên chỉ một phần nhỏ năng lượng hạt  mất trong chất khí
3,33 Kev/1cm, còn phần lớn năng lượng mất trên thành đầu dò.
18


Nhân điện tích (khuếch đại điện tích): Các điên tử chuyển động trong điên trường
thì năng lượng nó tăng dần, tuy nhiên đường đi của nó không phải là một đường
thẳng. Trong quá trình chuyển động chúng sẽ tương tác và va chạm với các điện tử
của nguyên tử chất khí làm thay đổi hướng đi và mất mát năng lượng của nó. Như
vậy chúng liên tục tăng và mất mát năng lượng trong quá trình đi đến điện cực
dương. Tuy nhiên nếu điện trường đủ lớn, điện tử có thể thu được một động năng
đủ lớn giữa hai va chạm để ion hóa nguyên tử chúng gặp phải tiếp sau, để xảy ra
điều này cần một năng lượng lớn hơn 1ev. Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là chỉ
có điện tử mới có khả năng nhân điện tích. Các ion dương cũng tăng năng lượng
trong điện trường giữa hai va chạm tuy nhiên do khối lượng của ion lớn nên năng
lượng thu được giữa hai va chạm rất nhỏ không đủ lớn để nhân điện tích chất khí.
Ở áp suất không khí (1 at) nhân điện tích chỉ xảy ra khi điện trường lớn hơn 3x104
von/cm.
Khi đặt một điện trường giữa hai điện cực, điện trường này gây ra một lực tác
dụng lên điện tử làm cho nó chuyển động đến điện cực dương. Khi đi qua điện
trường, động năng của điện tử tăng lên, khi động năng này lớn hơn 1eV nó có khả
năng ion hóa nguyên tử mà nó bắt gặp và như vậy có hai điện tử tự do chuyển động

đến điện cực dương, hai điện tử này lại lặp lại quá trình nhân điện tích như vậy kết
quả làm tăng lượng điện tử và ion tự do làm tăng lựợng điện tích và dòng đi qua
đầu dò. Quá trình nhân điện tích chỉ xảy ra khi khi điện trường khoảng
30.000V/cm. Đối với hai bản điện cực phẳng cường độ điện trường được tính theo
công thức V/d ở đây d là khoảng cách hai bản điện cực. Ở áp suất khí quyển cần
đặt một điện thế 30.000 von trên khoảng cách 1cm, điều này khó thực hiện được
trong đa số các trường hợp. Do đó để có hiện tượng nhân điện tích cần thay đổi cấu
hình hình học của đầu dò chẳng hạn như hình trụ hoặc hình cầu. Đối với đầu dò
dạng hình trụ cường độ điện trường được tính như sau: E = V/[r2Ln(a/b)], ở đây r
là vị trí trong hình trụ, a là bán kính của dây cực ở tâm, b là bán kính điện cực hình
trụ vỏ ngoài, thường nếu a khoảng 0,03mm, b khoảng 1cm thì có thể thu được điện
trường rất lớn khi giá trị V khoảng 1.000von.

-V
Trong vùng tâm sát điện cực
dương, điện trường E đủ lớn
cho việc nhân điện tích
nhân điện tích xảy ra.

E

19


Giản đồ đầu dò hình trụ ở hình vẽ trên, ở đây điện cực dương là một sợi dây nhỏ ở
tâm, điện cực âm là vỏ dẫn điện bên ngoài. Nếu điện trường đặt vào hai điện cực,
có sự ion hóa xảy ra trong đầu dò, điện tử sẽ chuyển động về dây ở tâm (điện cực
dương) nó sẽ đi qua vùng điện trường vô cùng lớn, đối với đầu dò hình trụ cường
độ điện trường tại các vị trí thay đổi theo qui luật 1/ r2 vì vậy vùng càng gần tâm
cường độ điện trường càng lớn, tại đây cường độ điện trường đủ xảy ra hiện tượng

nhân điện tích, tín hiệu ra cuối cùng tỷ lệ với điện tích ban đầu tạo ra bởi bức xạ.
Nếu như điện thế V đặt vào hai điện cực tăng lên thì vùng nhân điện tích rộng ra,
tuy nhiên do một số lớn ion và điện tử tạo ra tập trung xung quanh điện cực dương
tạo ra ở đây một vùng plasma dẫn điện, điều này làm tăng đường kính hiệu dụng
của điện cực dương, dẫn đến làm giảm cường độ điện trường, giảm hiệu ứng nhân
điện tích, khi plasma bao phủ hết điện cực dương.
Trên giản đồ sau chúng ta lưu ý mức tín hiệu ra của một đầu dò chứa khí điển
hình. Sẽ vẽ lại sự tương quan biên độ xung và thế áp lên điện cực. Bắt đầu từ bên
trái cùng ở vùng này ta thấy biên độ xung ra thay đổi rất nhanh khi tăng điện áp,
trong vùng này tất cả các hạt mang điện sinh ra do tia bức xạ không tập trung hết
đến các điện cực, ở đây một số ion dương và điện tử có thể bị tái hợp làm giảm
tổng số điện tích tích tụ đến các điện cực; tiếp tục tăng điện áp dòng điện tích lũy
liên tục tăng lên, khi đi đến vùng I ở đây 100% điện tích được tích tụ hết đến các
điện cực; nếu tiếp tục tăng điên áp trong vùng I chúng ta thấy biên độ xung ra tăng
lên rất ít. Tuy nhiên nếu chúng ta tiếp tục tăng điện áp quá trình nhân điên tích bắt
đầu xuất hiện, bắt đầu đi vào vùng II gọi là vùng tỷ lệ, tại đây mức tín hiệu ra sẽ
tăng liên tục khi tăng điên áp nhưng biên độ tín hiệu vẫn tỷ lệ với năng lượng tia
bức xạ mất mát trong đầu dò. Nếu tiếp tục tăng thế chúng ta đi vào vùng III, ở đây
plasma điện tử và ion bắt đầu bao phủ điện cực dương ở tâm đầu dò nó hạn chế
hiện tượng nhân điện tích. Mặc dù biên độ tín hiệu ra vẫn tăng theo thế tuy nhiên
không còn tỷ lệ với năng lượng bức xạ mất mát trong đầu dò đặc biệt đối với hạt
năng lượng cao.
Và cuối cùng ta đi vào vùng IV ở đây biên độ xung không tăng, bị chặn lại một giá
trị peak cố định đó là vùng G-M. Nếu chúng ta tiếp tục tăng điện áp vượt ra ngoài
vùng IV sẽ đi đến điểm ở đây có sự đánh thũng chất khí, phóng điện tự lập trong
đầu dò, nếu vận hành duy trì trong vùng này đầu dò sẽ bị cháy hỏng.
Khái niệm tắt, có hai cơ chế giải thoát điện tử bổ sung trong đầu dò, trước tiên
quan tâm đến vùng plasma gần với dây tâm của đầu dò, ở đây mật độ điện tử và
ion cao nên một số điện tử và ion dương có thể tái hợp thành nguyên tử trung hòa
và phát ra tia x năng lượng thấp, cơ chế thứ hai khi các ion dương chuyển động ra

ngoài đến điện cực âm và bắt điện tử trở nên nguyên tử trung hòa quá trình này
cũng giải phóng năng lượng làm giải phóng điện tử khỏi điện cực âm. Điện tử giải
phóng của hai quá trình này chuyển động đến điện cực dương tại vùng nhân điện
tích. Các điên tử thứ cấp này có thể sinh ra các xung bổ sung có thể nhầm với xung
thứ nhất. Khí tắt thường là khí nặng, phân tử hữu cơ hoặc phân tử của nguyên tử
kép nó sẽ hấp thụ tia x hoặc trong quá trình va chạm chúng bắt điện tích dương từ
các ion mà không giải thoát hoặc bổ sung điện tử.

20


2.1.2. Buồng ion hoá
Buồng ion hoá là buồng chứa khí sử dụng vùng điện áp thấp- điện áp tỷ lệ vùng I
ở đây 100% điện tích được tích tụ hết đến các điện cực, dòng điện thu được chính
là dòng ion hoá. Các đầu dò ion hóa có thể vận hành theo hai chế độ: chế độ xung
và chế độ dòng; trong chế độ dòng sẽ ghi dòng trung bình của các sự kiện. Đa số
các đầu dò tỷ lệ hoặc đầu dò G-M vận hành theo kiểu xung, đếm các sự cố riêng
biệt.
Với đầu dò ion hóa kiểu xung và ống đếm tỷ lệ tín hiệu ra sẽ tỷ lệ với năng lượng
bức xạ mất mát trong đầu dò và biên độ các xung này có thể được sử dụng để phân
biệt năng lượng hoặc sự kiện phong và sự kiện cần đo. Buồng ion hoá thường được
sử dụng để chuẩn liều các dược chất phóng xạ sử dụng trong các khoa y học hạt
nhân.
2.1.3. Ống đếm tỷ lệ
Vùng II gọi là vùng tỷ lệ, có quá trình nhân điên tích sinh ra do ion hoá nhưng biên
độ tín hiệu vẫn tỷ lệ với năng lượng tia bức xạ mất mát trong đầu dò. Ống đếm tỷ
21


lệ thường sử dụng trong các máy phân tích huỳnh quang tia X hiện trường, các ống

đếm nơtron.
Giản đồ khối cần thiết cho hệ đếm xung từ đầu dò tỷ lệ trình bày trên hình sau

Bias
H.V.

MCA

Proportional
Detector

Pre Amp.

Amp.

Integral
Discriminator

Scaler

Timer

Differential
Discriminator

Scaler

Timer

Hệ này cũng có thể làm việc với đầu dò ion hóa trong chế độ xung. Tất cả các loại

đầu dò đều cần có cao thế, đối với ống đếm tỷ lệ thế này nằm trong khoảng từ
1000v đến 3000v hoặc cao hơn, cao thế thường ghép đến đầu dò qua tiền khuếch
đại. Tín hiệu từ đầu dò thường được tách khỏi cao áp và được khuếch đại và tạo
dạng trong tiền khuếch đại và đựơc đưa đến khối khuếch đại chính. Tại khuếch đại
chính tín hiệu lại được khuếch đại và tao dạng một lần nữa và được đưa đến bộ
phân biệt biên độ. Bộ phân biệt biên độ ở đây là bộ phân biệt tích phân nhằm tách
biệt xung bức xạ và tạp âm, đồng thời chuẩn hóa tín hiệu ra để cung cấp cho bộ
đếm; bộ đếm chịu trách nhiệm đếm, tích lũy và biểu diễn nội dung dưới sự điều
khiển bộ tạo thời gian.
Nếu ta dùng đầu dò tỷ lệ với hệ tích phân với hai nguồn phóng xạ alpha và beta có
thể xây dựng được đường cong đếm tương quan giữa tốc độ đếm và cao thế.
Bắt đầu từ thế thấp tất cả các xung ra đều rất nhỏ không vượt qua ngưỡng phân
biệt, không đếm xung nào; ta tăng cao thế hệ bắt đầu đếm xung alpha, tăng cao thế
đến vùng plateau của alpha, ở đây tất cả các xung alpha đều được đếm, tại đây tất
cả các xung beta đều nhỏ hơn ngưỡng phân biệt nên không được đếm; tiếp tục tăng
cao thế biên độ xung ra tăng lên và một số hạt beta được đếm; liên tục tăng cao áp
đến vùng plateau của beta, tại đây tẩt cả các xung alpha và beta đều được đếm; nếu
tiếp tục tăng cao thế liên tục đến điểm ta thấy có hiện tượng nhân xung sự kiện thì
tốc độ đếm bắt đầu lại tăng; nếu tiếp tục tăng điện áp hiện tượng đánh thũng chất
khí và phóng điện có thể xảy ra làm ảnh hương hoạt động bình thường của hệ;

22


trong nhiều trường hợp có thể cháy ống đếm. Bình thường trong trường hợp như
vậy các điện cực bị che phủ bởi các điện tích tĩnh điện cần phải để đầu dò trong
trạng thái không làm việc hơn 24 h để tự phục hồi, các điện tích tĩnh điện tự tiêu
tán hệ thống lại có thể vận hành lại bình thuờng.
2.1.4. Ống đếm GM
Ống đếm GM sử dụng vùng IV ở đây biên độ xung không tăng, bị chặn lại một

giá trị peak cố định đó là vùng G-M. Đối với đầu dò G-M vì biên độ tín hiệu ra đủ
lớn nên không cần khối khuếch đại bổ sung mà chỉ cần bộ tạo dạng trước khi vào
bộ đếm.

Bias
Voltag

G-M
Detector

Pulse
Shaper

Scaler

Timer

Sử dụng hệ đếm này vẽ lại giản đồ phụ thuộc tốc độ đếm và điện áp cao thế của
đầu dò.

23


Ở vùng thế thấp các xung quá bé so với ngưỡng phân biệt trong bộ tạo dạng; khi
cao áp tăng lên độ cao của các xung cũng tăng, một số xung vượt ngưỡng bộ đếm
bắt đầu làm việc; tiếp tục tăng điện áp cho đến khi đường cong trở nên bằng phẳng,
đó là bắt đầu vùng plateau, ở đây có điểm gấp (đầu gối), trong vùng plateau số đếm
hầu như không đổi khi điện áp tiếp tục tăng. Tiếp tục tăng điện áp đến điểm ta thấy
bắt đầu đếm xung thứ cấp, bội sự kiện và tốc độ đếm tăng đột ngột; nếu tiếp tục
tăng cao thế hiện tượng đánh thũng xuất hiện hệ thống bị sự cố các điện cực bị

cách ly bởi đám mây tĩnh điện, trong trường hợp này cần cắt cao thế để đầu dò tự
hồi phục khoảng 24h, sau đó hệ thống có thể làm việc lại bình thường, trong nhiều
trường hợp đầu dò bị cháy.
Đầu dò loại tốt có vùng plateau dài vài trăm von. Đầu dò làm việc trong vùng cao
hơn plateau khí tắt bị mất dần làm cho vùng plateau hẹp lại. Nếu đầu dò mất hết
khí tắt, sẽ không có vùng plateau.
Chất lượng của hệ đếm G-M được xác định bởi độ bằng của vùng plateau.
Độ phẳng của plateau được định nghĩa như là phần trăm sự thay đổi của tốc độ
đếm khi cao thế thay đổi khoảng 100 von trong vùng plateau, và được xác định
công thức sau:

Plateau slope =

(CR4 - CR2) / CR3

100

(V4 - V2) /100
Một hệ thống đếm G-M tốt giá trị này khoảng 1 đến 2, còn các hệ thống bình
thường khác giá trị này có từ 8 đến 10.
Thời gian chết là khoảng thời gian bé nhất giữa hai sự cố mà hệ đếm có thể đếm
dược nó là một thông số quan trọng trong hệ đếm, đặc biệt đối hệ đếm G-M có thời
24


Mức năng lương điện tử

gian chết lớn cở 100 s. Thời gian chết nó hạn chế tốc độ đếm tối đa mà hệ có thể
đếm được vì vậy nó yêu cầu có sự bổ chính. Khi tốc độ đếm thấp tốc độ đếm CR là
tổng số đếm N chia cho đoạn thời gian T. Tuy nhiên khi tốc độ đếm cao hệ sẽ chết

trong một đoạn thời gian (hệ không nhận tín hiệu) N, ở đây  là thời gian chết.
Như vậy số đếm thực N chỉ được ghi trong đoạn thời gian T-N do đó tốc độ đếm
thực đươc xác định theo công thức sau: CR= N/(T-N)
Nhiều loại khí khác nhau sử dụng trong các đầu dò chứa khí khác nhau, đa số là
các khí tinh khiết như Hê li, Cripton, Xenon. Trong ống đếm tỷ lệ chế độ dòng sử
dụng không khí khô để tránh dòng dò do hơi nước. Nếu đầu dò dùng trong chế độ
xung cần phải rút hết Ô xy vì Ô xy sẽ bắt điện tử tự do biến thành ion âm và đi đến
điện cực dương. Trong ống đếm ion hóa nó có thể ảnh hưởng đến cường độ điện
tích tích lũy và thời gian tăng của xung. Trong ống đếm tỷ lệ và ống đếm G-M các
ion này không gom đủ năng lượng để gây hiệu ứng nhân điện tích.
Trong ống đếm tỷ lệ thường dùng 90% khí Argon và 10% khí tắt Metal, trong ống
đếm G-M dùng khí Xenon và khí tắt là rượu.
2.2. Đầu dò bán dẫn ( Semiconductor detector)[3]
Đầu dò bán dẫn có cấu trúc tương tự đầu dò chứa khí ion hóa. Trong đầu dò chứa
khí ion hóa, chất khí có khả năng dẫn các điện tử tự do, tính cách ly có thể đặt điện
áp cao thế vào hai điện cực có dòng dò thấp. Nhược điểm của đầu dò chứa khí ion
hóa là: Năng lượng dừng thấp (năng lượng mất mát, để lại trong đầu dò bé); năng
lượng tạo cặp điện tử, ion tương đối lớn (phân giải năng lượng kém); Thời gian
tích tụ điện tử và ion quá khác biệt (dạng xung có đuôi dài).
Vật chất rắn nào có thể thay thế chất khí? Chất dẫn điện, điện tử tự do có thể
chuyển động tự do, ion dương không chuyển động tự do, tuy nhiên không thể duy
trì điện thế cao với dòng dò bé; chất cách điện có thể duy trì điện thế cao với dòng
dò bé nhưng các điện tích tự do không chuyển động được vì vậy chỉ có chất bán
dẫn mới sử dụng để làm đầu dò bức xạ.
Dưới đây là giản đồ mức năng lượng của điện tử trong chất rắn của Fermi. Trục
tung là các mức năng lượng của điện tử, băng thấp là băng hoá trị, vùng này chứa

Giản đồ mức năng lượng điện tử Fermi
Băng dẫn
Khe cấm

Băng hoá trị

điện tử vành ngoài của nguyên tử. Các băng thấp hơn băng hoá trị đều bị lấp đầy.
Trên băng hoá trị là các băng dẫn, nếu điện tử ở trong vùng dẫn nói chung là chúng
tự do chuyển động nếu có điện trường áp vào lớp vật chất. Phân biệt giữa hai băng

25