Các phương pháp ghi đo hạt nhân

CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT
NHÂN


CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂN
PHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ

PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

PHẦN 3: ỨNG DỤNG


I. Tương tác cơ bản giữa bức xạ với vật chất
1.

Tương tác của bức xạ điện từ:

 Hiệu ứng quang điện
 Tán xạ compton
 Tán xạ kết hợp và không kết hợp
 Phản ứng sinh cặp
 Sự suy giảm bức xạ
2.

Tương tác của các hạt mang điện

 Hạt mang điện nặng
 Electron nhanh.


1. Tương tác của bức xạ điện từ

•

Phân bố phổ bức xạ điện từ


1. Tương tác của bức xạ điện từ
••  

Hiệu ứng quang điện:

+ Là quá trình tương tác giữa photon và các electron liên kết trong nguyên tử, năng lượng photon tới bị electron
hấp thụ hoàn toàn và bứt 1 electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử.  e quang điện
+ Phát xạ kèm các tia X đặc trưng.
+ Động năng của quang điện tử:
Te= Eγ – B.Ee
+ Tiết diện hấp thụ quang điện: σ ~


1.
•

Tương tác của bức xạ điện từ

Tán xạ Compton:

+ Photon tương tác với một điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử, truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện tử bật ra khỏi
nguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc θ.
+ Khi tăng góc tán xạ θ thì đỉnh tán xạ ngược (tán xạ mộ tlần) tăng cao và nền phông tán xạ (tán xạ nhiều lần) giảm xuống.

 

+ Năng lượng photon bị tán xạ:
hν’ =
+ Động năng lùi của e (Năng lượng truyền cho e bị tán xạ):
Te = hν’ – hν


1.
•

Tương tác của bức xạ điện từ

Tán xạ Rayleigh (tán xạ kết hợp)

+ Là quá trình photon tới tương tác với toàn bộ nguyên tử, chỉ xảy ra tán xạ theo một góc rất nhỏ mà không gây nên sự ion hóa hay kích thích nguyên
tử nên gần như không mất năng lượng.
+ Chủ yếu xảy ra trong vùng năng lượng thấp, vật chất có số Z lớn.
+ Tiết diện tán xạ: ~ Z.E2

•

Tán xạ Thomson (tán xạ không kết hợp)

+ Photon tới tương tác với một e tự do (e-liên kết yếu nhất của nguyên tử) có thể bị đổi hướng nhưng hầu như không mất năng lượng.


1.
 

•

Tương tác của bức xạ điện từ

Phản ứng sinh cặp

+ Một photon có năng lượng Eγ> 2m0c2 = 1.022MeV có thể bị biến đổi thành 1 cặp điện tử - positron.
γ  e- + e +
+ Cặp điện tử - positron bắn ra theo góc θ:
θ=
+ Positron sinh ra sẽ phản ứng với mộ e- tự do trong
môi trường



phản ứng hủy cặp:
e- + e+  γ + γ

Phản ứng hủy cặp của positron


1. Tương tác của bức xạ điện từ
 

•

Sự suy giảm bức xạ:

+ Photon tới: chuyển động thẳng tới khi gặp và tương tác với 1 nguyên tử chất

Photon không tương tác: tiếp tục truyền thẳng

Photon tương tác: bị hấp thụ, tán xạ,…



Cường độ chùm bức xạ suy giảm

+ Hệ số suy giảm tuyến tính:
μ = τ (photoelectric) + σ(compton) + κ(pair) [cm -1]
+Hệ số suy giảm khối:
μ’= μ/ρ [cm2/g]
+ Cường độ bức xạ suy giảm theo quy luật:
I = I0


2. Tương tác của hạt mang điện
2.1 Tương tác của hạt mang điện nặng (α,p,d…)

•

Tương tác với vật chất chủ yếu thông qua lực Culong giữa chúng với các e quỹ đạo trong nguyên tử chất hấp thụ.

•

Hạt tới truyền 1 phần nhỏ năng lượng cho e và chỉ bị tán xạ bởi góc nhỏ.

•

Năng lượng cực đại e có thể nhận được sau mỗi lần va chạm
Qmax= 4Em0/M

(M: khối lượng hạt tới)

 Hạt mang điện mất dần năng lượng đến khi hết và dừng lại.

•

Trong mỗi tương tác, năng lượng truyền có thể đủ lớn để đánh bật e khỏi nguyên tử hoặc đẩy e lên mức năng lượng cao hơn.

•

Quãng chạy:
0.56E

E< 4 MeV

R (cm) =
1.24E – 2.62 4 MeV< E <8MeV


2. Tương tác của hạt mang điện
2.1 Tương tác của hạt mang điện nặng (α,p,d…)

•

Đường cong Bragg

+ Trên phần lớn quãng đường, -dE/dx thay đổi gần đúng tỷ lệ nghịch với 1/E.
+ Cuối đường đi, tổn hao năng lượng riêng giảm rất nhanh.

•

Tốc độ mất năng lượng của hạt:
S = -dE/dx


2. Tương tác của hạt mang điện
2.1 Tương tác của hạt mang điện nhẹ (e -, β)

•
•
•

Năng lượng của hạt có thể mất mát do quá trình bức xạ cũng như tương tác Coulomb.
Điện tử tới bị gia tốc mạnh nên phát bức xạ dưới dạng bức xạ hãm hoặc sóng điện từ.
Tương tác Coulomb với e-nguyên tử chất:
Điên tử tới có thể va chạm đàn hồi với e.
Điện tử tới truyền cho e một phần động năng, có thể lớn và bị tán xạ mạnh  ion hóa hoặc kích thích nguyên tử chất

•

Độ tiêu hao năng lượng trong quá trình phát bức xạ:

•

Độ tiêu hao năng lượng toàn phần


II. Tính chất chung của đầu dò bức xạ
1.
2.

3.
4.
5.

Các chế độ hoạt động của đầu dò bức xạ
Phổ biên độ xung
Độ phân giải năng lượng
Hiệu suất ghi nhận
Thời gian chết


1. Các chế độ hoạt động của đầu ghi bức xạ

•

Chế độ xung
- Dạng tín hiệu xung điện sinh ra từ một tương tác bức xạ phụ thuộc đặc tính của TKĐ
- Đại lượng cơ bản: U(t), τ = RC
- Dựa vào hằng số thời gian: 2 trường hợp
+ RC << tc: U(t) = R.i(t)
+ RC >> tc: Umax=Q/C

•

Chế độ dòng
- Thiết bị đo dòng: Ammeter, Pico Ammeter
- Giá trị tín hiệu dòng điện ghi nhận bởi thiết bị đo là một đại lượng phụ thuộc thời gian.


2. Phổ biên độ xung

•

Phân bô biên độ xung là thuộc tính cơ bản của đầu ghi, được sử dụng để đưa ra thông tin về bức xạ tới hoặc về chất lượng hoạt động của bản thân đầu ghi .

•

Phân bố xung vi phân: biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ số dN/dH theo biên độ xung H.

• 

•

Số xung có biên độ nằm giữa 2 giá trị U 1 và U2 được tính:

•

Tổng số xung N0 ghi nhận bởi đầu dò tính theo hàm phân bố xung vi phân:
N0 =

•

Phân bố xung tích phân: biểu diễn sự phụ thuộc số xung N theo biên độ xung H trên dải năng lượng tương
ứng.

Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level

3. Độ phân giải năng lượng

•

 

Giả thiết điện tích hình thành tuân theo phân bố Poisson, hàm đáp ứng có dạng Gauusian:

•

Độ phân giải năng lượng: R =

•

FWHM: độ rộng nửa chiều cao

•

Hệ số Fano(F): phản ánh mức độ thông tin về các hạt bức xạ tới thông qua số lượng của các hạt mang điện tạo ra trong đầu ghi .
R= 2.35


4. Hiệu suất ghi nhận

•

Bức xạ mang điện cơ bản (α, β): tương tác xảy ra ngay khi đi chúng đi vào vùng hoạt.  hiệu suất ghi: 100%

•

Bức xạ không mang điện (γ, n): phải thực hiện một tương tác đủ mạnh trước ghi có thể ghi nhận được.  hiệu suất ghi < 100%

•

Hiệu suất ghi toàn phần:

• 
•

Ƞ=
Hiệu suất nội:

Ƞint =
 Ƞ = Ƞint
Trong đó : là hệ số hình học đo


5. Thời gian chết

•

Thời gian chết là khoảng thời gian tối thiểu để phân biệt được hai sự kiện tương tác bức xạ ghi nhận bởi hai xung riêng lẻ.



Mất mát xung đếm do thời gian chết càng lớn khi tần suất bức xạ tới đầu ghi càng lớn.  hiệu chỉnh thời gian chết để nâng cao độ chính xác của phép đo.

5. Thời gian chết

•

Mô hình đáp ứng thời gian chết:



Paralyzable response (đáp ứng liệt) : tương tác xảy ra trong khoảng thời gian chết của tương tác trước đó sẽ không được ghi nhận. Khoảng thời gian chết của đầu ghi sẽ được tiếp tục tính từ
tương tác bị mất này. Nếu tương tác tiếp theo cũng nằm trong khoảng thời gian chết này thì không được ghi nhận bởi đầu ghi.
Tần suất đếm:

m = ne

-nτ

≈ n(1 – nτ)


5. Thời gian chết

 

•

Mô hình đáp ứng thời gian chết:



Non-Paralyzable response (đáp ứng không liệt): tương tác xảy ra trong khoảng thời gian chết của tương tác trước đó sẽ không được ghi nhận. Tuy nhiên tương tác bị mất này không có bất kỳ

ảnh hưởng gì tới đáp ứng của đầu ghi. Nghĩa là thời gian chết chỉ được tính đối với những tương tác được ghi nhận.
Tần suất đếm:

m = ≈ n (1 – nτ)


CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO HẠT NHÂN
PHẦN 1: CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA ĐẦU DÒ

PHẦN 2: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

PHẦN 3: ỨNG DỤNG


PHẦN II: CÁC LOẠI ĐẦU DÒ
I. Đầu dò chứa khí

II. Đầu dò nhấp nháy

III. Đầu dò bán dẫn


I. ĐẦU DÒ CHỨA KHÍ


1. Giới thiệu

• Là loại cảm biến điện tử đầu tiên sử dụng để đo bức xạ ion hoá
• Phát triển từ nửa đầu thế kỷ 20
• Thích hợp để đo bất kỳ loại bức xạ ion hoá nào (α, β, γ)

• Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ
• Phân loại:
+ Buồng ion hoá
+ Ống đếm tỷ lệ
+ Ống đếm Geiger Muller


2. Cấu tạo

Tín hiệu ra trên Anode