Kĩ thuật đo đạc bức xạ hạt nhân 1

KỸ THUẬT ĐO ĐẠC BỨC XẠ I
V.T. NGUYEN PhD
Nuclear Safety Lab.
School of Nuclear Engineering and Environmental Physics
Hanoi University of Science and Technology

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


NỘI DUNG MÔN HỌC
 Chương 0 : CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
 Chương I : TƯƠNG TÁC BỨC XẠ
(RADIATION INTERACTIONS)
 Chương II: BUỒNG ION HÓA KHÍ
(IONIZATION CHAMBER)
 Chương III: ỐNG ĐẾM KHÍ TỶ LỆ
(PROPORTIONAL COUNTER)
 Chương IV: ỐNG ĐẾM GEIGER-MUELLER
(GEIGER-MUELLER COUNTER)
 Chương V: ĐẦU GHI NHẤP NHÁY
(SCINTILLATION DETECTOR)
 Chương VI: ĐẦU GHI BÁN DẪN
(SEMICONDUCTOR DETECTOR)
 Chương VII: CÁC ĐẦU GHI BỨC XẠ KHÁC
(OTHER RADIATION DETECTORS)
 Chương VIII: CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN NƠTRON
(NEUTRON DETECTION METHODS)
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen

GIÁO TRÌNH & TÀI LIỆU
 GIÁO TRÌNH (BOOKS)
 G.F. Knoll. Radiation Detection and Measurement. 3rd edition,
John Wiley & Sons, 2000


TÀI LIỆU THAM KHẢO (REFERENCES)
 K.N. Mukhin. Experimental Nuclear Physics, Vol. 1: Physics of
Atomic Nucleus. Mir Publisher, Moscow, 1987.
 Yu.M. Shirokov, N.P. Yudin. Nuclear Physics, Vol. 2. Mir
Publisher, Moscow, 1982.

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ


ĐIỂM QUÁ TRÌNH (0,3)
 THỜI GIAN DỰ LỚP (ATTENDANCE)
 BÀI TẬP (HOMEWORK)
 THI GIỮA KỲ (MIDTERM EXAM)



THI CUỐI KỲ(0.7) (FINAL EXAM)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


ĐẦU GHI BỨC XẠ
 Buồng ion hóa (Frisch Grid Chamber-1959)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


ĐẦU GHI BỨC XẠ
 Buồng ion hóa (SNEEP-2004)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I.

MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
III. PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG
(PULSE HEIGHT SPECTRA)
IV. ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU
(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)

V. ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG
(ENERGY RESOLUTION)
VI. HIỆU SUẤT GHI NHẬN
(DETECTION EFFICIENCY)
VII. THỜI GIAN CHẾT
(DEAD TIME)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
 Dựa trên các hiệu ứng tương tác giữa bức xạ với vật chất
 Phụ thuộc vào bản chất bức xạ:
 Bức xạ mang điện: Hạt mang điện nặng, electron
nhanh…
 Bức xạ không mang điện: tia X, tia gamma, neutron…
 Ví



 Ví


dụ về tương tác của tia gamma với vật chất
Hiệu ứng tán xạ Compton
Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng tạo cặp
dụ về tương tác của hạt alpha(α) với vật chất
Chủ yếu thông qua lực Culông giữa chúng với các
electron quỹ đạo trong nguyên tử vật chất

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
 Thời gian tương tác nhỏ
 Một vài ns trong môi trường khí
 Một vài ps trong môi trường rắn
 Quá trình mất năng lượng của bức xạ khi tương tác với
vật chất có thể được coi như là xảy ra tức thời
 Mô hình đơn giản hóa của đầu ghi bức xạ giả thiết rằng
lượng điện tích xuất hiện trong vùng hoạt của đầu ghi ở thời
điểm t = 0 là kết quả của tương tác giữa bức xạ và vật chất
cấu thành vùng hoạt
 Lượng điện tích này cần được thu nhận để tạo thành tín hiệu
điện  đặt một điện trường tác dụng lên vùng hoạt của đầu
ghi  tạo nên dòng điện
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
 Thời gian thu nhận hết các điện tích sinh ra phụ thuộc chủ
yếu vào loại đầu ghi bức xạ
 Ví dụ: trong buồng ion hóa, thời gian thu nhận khoảng vài
ms, trong đầu ghi bán dẫn, thời gian này khoảng vài ns
 Thời gian thu nhận điện tích phụ thuộc vào
 Độ linh động của hạt điện tích trong vùng hoạt của đầu
ghi
 Khoảng cách trung bình mà các điện tích phải di chuyển
trước khi được thu nhận bởi các điện cực

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
 Ví dụ về ghi nhận tương tác của một hạt bức xạ: tc là thời
gian thu nhân điện tích

 Chú ý: Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp nhiều hạt
bức xạ tương tác với vùng hoạt đầu ghi trong một khoảng
thời gian rất ngắn (số hạt bức xạ chiếu vào vùng hoạt/đơn
vị thời gian là lớn). Trường hợp này dòng điện sinh ra bởi
các hạt điện tích sẽ lớn hơn so với trường hợp chỉ xảy ra
tương tác của một hạt vì lượng điện tích sinh ra trong vùng

hoạt lớn do tương tác của nhiều hạt bức xạ cùng một lúc
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)
 Ví dụ về ghi nhận tương tác của nhiều hạt bức xạ: giả thiết
rằng tốc độ chiếu xạ đủ nhỏ để có thể ghi nhận từng tương
tác riêng lẻ

 Biên độ và độ rộng của tín hiệu phụ thuộc vào từng loại đầu
ghi
 Chú ý rằng, sự kiện các hạt bức xạ đi vào đầu ghi và tương
tác với phần tử vật chất trong môi trường vùng hoạt là sự
kiện ngẫu nhiên tuân theo phân bố Poisson, vì vậy khoảng
thời gian giữa hai tín hiệu xung dòng điện liên tiếp cũng có
giá trị ngẫu nhiên
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
I.

MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(SIMPLIFIED DETECTOR MODEL)

II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
III. PHỔ BIÊN ĐỘ XUNG
(PULSE HEIGHT SPECTRA)
IV. ĐƯỜNG CONG ĐẾM VÀ PLATEAU
(COUNTING CURVES AND PLATEAUS)
V. ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG
(ENERGY RESOLUTION)
VI. HIỆU SUẤT GHI NHẬN
(DETECTION EFFICIENCY)
VII. THỜI GIAN CHẾT
(DEAD TIME)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)

Có 3 chế độ hoạt động của đầu ghi bức xạ
 Chế đô xung
(Pulse Mode)
 Ứng dụng rộng rãi nhất
 Khả năng ghi nhận từng tương tác đơn lẻ
 Năng lượng tiêu hao của bức xạ trong vùng hoạt (E) tỉ lệ với
lượng điện tích sinh ra (Q)  Ứng dụng trong các phổ kế bức xạ
(Radiation Spectroscopy)

 Chế độ dòng
(Current Mode)
 Ứng dụng trong trường hợp tần suất bức xạ đến vùng hoạt là rất
lớn

 Chế độ bình phương trung bình điện thế
(Mean Square Voltage Mode, MSV)
 Ứng dụng trong một số trường hợp đặc biệt
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô dòng
(Current Mode)
 Thiết bị đo dòng điện: Ammeter, Pico Ammeter
 Thời gian đáp ứng của thiết bị đo dòng (T) được thiết lập cố
định sao cho giá trị của T là lớn hơn rất nhiều so với khoảng thời
gian trung bình giữa hai tương tác bức xạ liên tiếp với vùng hoạt
đầu ghi
 Giá trị tín hiệu dòng điện ghi nhận bởi thiết bị đo là một đại
lượng phụ thuộc vào thời gian

1 t
I (t ) =
∫ i (t ′)dt ′

T t −T

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô dòng
(Current Mode)
 Giá trị trung bình của dòng điện trong khoảng thời gian T

I 0 = rQ = r

E
q
W

r=

Tốc độ hạt bức xạ tương tác với vùng hoạt

Q=

Eq/W = Điện tích sinh ra do một tương tác

E=

Năng lượng trung bình tiêu hao trong vùng hoạt của
một hạt bức xạ

W = Năng lượng trung bình cần tiêu tốn để sinh ra một cặp
đơn vị điện tích (electron – ion)
q=

1.6 × 10-19 C
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô dòng
(Current Mode)
 Chú ý: Tồn tại sai số thống kê đối với giá trị dòng điện thu được
do thời điểm các hạt bức xạ đến tương tác với vùng hoạt là ngẫu
nhiên. Vì vậy việc lựa chọn giá trị T đủ lớn sẽ làm giảm sai số
thống kê, đồng thời làm chậm lại quá trình đáp ứng của hệ đối
với những thay đổi mạnh về tần suất bức xạ hoặc bản chất của
tương tác bức xạ
 Công thức dòng điện theo phân bố thống kê

I (t ) = I 0 + σ I (t )

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen

Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô dòng
(Current Mode)
 Độ lệch quân phương

σ I2

1 t 2
1 t
2
(t ) = ∫ [I (t ′) − I0 ] dt ′ = ∫ σ I (t ′)dt ′
T t −T
T t −T

 Trung bình theo thời gian của độ lệch chuẩn

σ T = σ I2 (t )
 Chú ý rằng trong phân bố Poisson, độ lệch chuẩn đối với việc n
sự kiện ghi nhận được trong khoảng thời gian là

σn = n
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen

Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô dòng
(Current Mode)
 Vì vậy độ lệch chuẩn tính theo tần suât xảy ra tương tác bức xạ
(r) trong một khoảng thời gian hiệu dụng (T) đơn giản là

σ n = rT
 Nếu mỗi tương tác đều sinh ra một lượng điện tích như nhau, độ
lệch chuẩn của tín hiệu dòng đo được do biến thiên ngẫu nhiên
thời điểm bức xạ tới vùng hoạt

σT
I0

σn

1
=
=
n
rT

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ

(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô bình phương trung bình điện thế
(Mean Square Voltage Mode)
 Việc tính toán các giá trị thống kê đối với tín hiệu dòng điện
trong chế độ dòng dẫn đến hình thành chế độ bình phương
trung bình điện thế MSV
 Giả thiết rằng tín hiệu dòng điện được xử lý qua một bộ lọc giá
trị trung bình I0 và chỉ cho giá trị biến thiên σi(t) truyền qua. Tín
hiệu biến thiên này được đưa qua các khối xử lý tín hiệu để tính
toán giá trị trung bình của bình phương σI(t)

2

2

2
I
rQ
rQ




σ I2 (t ) =  0  = 
 =
T
 rT 
 rT 

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô bình phương trung bình điện thế
(Mean Square Voltage Mode)

 Trung bình bình phương tín hiệu tỉ lệ với tần suất bức xạ tương
tác với vùng hoạt đầu ghi và bình phương lượng điện tích Q sinh
ra đối với mỗi tương tác bức xạ
 Phân tích này được thực hiện đầu tiên bởi Campbell, do đó thuật
ngữ “chế độ Campbell” được sử dụng thay thế cho “chế độ MSV”
trong một số trường hợp
 Chế độ MSV được sử dụng hiệu quả nhất khi thực hiện đo lường
với môi trường bức xạ hỗn hợp trong đó sự chênh lệch lượng
điện tích sinh ra bởi các loại bức xạ khác nhau có giá trị lớn
 Trong chế độ dòng, giá trị dòng sẽ phản ánh sự đóng góp của
các loại bức xạ khác nhau một cách tuyến tính.
 Tuy nhiên trong chế độ MSV, tín hiệu thu được tỉ lệ với bình
phương lượng điện tích sinh ra sau mỗi sự kiện tương tác. Do
vậy trong chế độ hoạt động này, nếu bức xạ có lượng điện tích
trung bình sinh ra sau mỗi tương tác là lớn thì trọng số đóng
góp đối với đáp ứng đầu ghi càng lớn
Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen

Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô xung
(Pulse Mode)
 Các đầu ghi sử dụng trong đo lường liều lượng bức xạ thường
hoạt động ở chế độ dòng (lý do được thảo luận trong chương
Buồng Ion hóa)
 Chế độ MSV thích hợp sử dụng trong các ứng dụng muốn cải
thiện độ đáp ứng tương đối, đặc biệt đối với những sự kiện có
biên độ tín hiệu lớn. Chế độ này được sử dụng rộng rãi trong các
thiết bị đo lường lò phản ứng
 Tuy nhiên chỉ có chế độ xung mới cung cấp đầy đủ thông tin về
giá trị biên độ và thời gian của các tương tác bức xạ riêng lẻ

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô xung
(Pulse Mode)
 Dạng tín hiệu xung điện sinh ra từ một tương tác bức xạ phụ
thuộc vào đặc tính của mạch xử lý ghép với đầu ghi (Tiền
khuếch đai:TKĐ)

 R: Điện trở vào tương đương của mạch tiền khuếch đại
 C: Điện dung tương đương của mạch tiền khuếch đại cũng như
đầu ghi
 Ví dụ, nếu tiền khuếch đại được ghép nối với đầu ghi, R là điện
trở lối vào của TKĐ và C là tổng điện dung của đầu ghi, cáp nối
đầu ghi với TKĐ và điện dung lối vào của TKĐ

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô xung
(Pulse Mode)
 Giá trị điện áp V(t) là đại lượng cơ bản trong chế độ dòng
 Dựa vào giá trị hằng số thời gian τ = RC, có thể xác định hai
trường hợp biên sau
 Trường hợp 1 (τ << RC): Hằng số thời gian của mạch ngoài nhỏ
hơn rất nhiều so với thời gian thu nạp điện tích, vì vậy dòng
điện chạy qua điện trở tải R về cơ bản bằng giá trị tức thời của
dòng điện chạy qua đầu ghi. Tín hiệu điện thế V(t) sinh ra trong
trường hợp này gần như đồng dạng với tín hiệu dòng điện sinh
ra trong đầu ghi. Đầu ghi bức xạ hoạt động dưới điều kiện này
trong trường hợp tần xuất tương tác bức xạ lớn hoặc thông tin
về thời gian quan trọng hơn thông tin chính xác về năng lượng

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen


Chương 0: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(GENERAL PROPERTIES OF RADIATION DETECTORS)
II. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU GHI BỨC XẠ
(MODES OF DETECTOR OPERATION)
 Chế đô xung
(Pulse Mode)

Radiation Measurement Technique - I
Instructor: V.T.Nguyen