PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI ĐO BỨC XẠ - TS. VÕ HỒNG HẢI

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ GHI
ĐO BỨC XẠ
(Nuclear radiation detection: Methods and Instruments)

TS. VÕ HỒNG HẢI
(Bài giảng 1)

Tài liệu sử dụng:
1. Stefaan Tavernier, “Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics”,
Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010.
1. Leo, William R., “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments”,
SpringerLink, 1994.


Bài giảng 1:
(1)- Giới thiệu vật chất (Introduction of matter)

(2)- Năng lượng và động lượng (Energy and Kinetic energy)
(3)- Tương tác bức xạ với vật chất (Interaction of radiations with matter)

(4)- Đáp ứng phổ năng lượng của detector (Detector response)
và Hệ

số suy giảm khối của gamma (µ/) – Gamma Mass Attenuation coefficient

(5)- Sơ đồ mức năng lượng và phân tích phổ năng lượng
(Nuclear diagram level and energy spectrum analysis)

(6)- Chuẩn năng lượng – độ phân giải năng lượng
(Energy calibration – Energy resolution)

1. Bên trong vật chất (Exploring the interior of matter)
eye, microscope
(light)

electron microscope
(electrons)

particle accelerators
(synchrotron radiation)

1
x 
p

particle accelerators
(high energy particles)

New mass states accessible:



E  mc

2


2. Năng lượng, động năng
Trong điều kiện không tương đối tính (Non-Relativity):
1

2

Trong điều kiện tương đối tính (Special Relativity):
2
kin
0
2
2 2
2 4
Theo biến đổi Lorentz:
0

E  E m c

E  p c m c

Ekin  p c  m c  m0c
2 2

2 4
0

2

E  mc

2

energy ↔ matter

Mối liên hệ vận tốc của hạt với động năng:

m0c 2
v
2
 1 (
)
c
Ekin  m0c 2
Bài Tập 1: Electron@1MeV  v = 95% c
Proton@1MeV  v = 5% c
Alpha @ 1MeV  v= ?? C
Gamma@1MeV  v=??

Nếu năng lượng của hạt rất lớn hơn so
với khối lượng
Ekin  E  pc


Đơn vị (Units in particle physics):
Đơn vị
Energy, E
Momentum, p
Mass, m:

eV
eV/c
eV/c2

Đơn vị SI

1 eV = 1,6·10-19 J
1 eV/c2 = 1,8·10-36 kg

Khối lượng nghĩ của một số hạt cơ bản
m(p) = 938.3 MeV/c2
m(n) = 939.6 MeV/c2
m(e) = 0.511 MeV/c2
m(m) = 105.7 MeV/c2
m( ) < 0.3 eV c2 ….
m(± ) = 139.6 MeV/c2
m(K±) = 493.7 MeV/c2 …

E  mc

2


Khối lượng (eV) và
Thời gian sống (sec) của hạt cơ bản.

Lifetime (sec)


3. Tương tác bức xạ với vật chất
Charged particles

Photons, g

Ionisation (hard collision) and excitation
(soft collision) (Ion hóa và kích thích)

Photoelectric effect (hiệu ứng quang điện)
Compton scattering (tán xạ Compton)

Bremsstrahlung (Bức xạ hãm)
Pair production (Hiệu ứng tạo cặp)
Rayleigh-scattering (tán xạ Rayleigh)
Cherenkov radiation (bức xạ Cherenkov)
Transition radiation


Tương tác bức xạ gamma với vật chất
I0

g

quangdien
Compton

I

I / I 0  exp[( m /  ) x]

g’

m /   x 1 ln( I 0 / I )
m /    tot / uA
 tot   quangdien   compton   taocap

eee-

taocap
e+
x,d,
u = 1,660.10-24g (Nguyên tử khối = 1/12 khối lượng C)
x = .d : Bề dài khối [g/cm2]
 : Mật độ khối [g/cm3]; µ: hệ số suy giảm [cm-1]
d : Bề dày vật liệu [cm]; A: Số Avogadro (6,022.1023)
: Tiết diện tương tác (cross section) [cm2]; [barn]=10-24cm


Tương tác bức xạ gamma với vật chất
- Có 3 loại tương tác cơ bản của bức xạ gamma với vật chất.
(1) Hiệu ứng quang điện; (2) hiệu ứng tán xạ Compton; (3) Hiệu ứng tạo cặp e-/e+
- Xác suất xảy ra tương tác phụ thuộc vào năng lượng gamma tới và số khối A của vật liệu

1/. Hiệu ứng quang điện (Photo-electric absorption; photo-effect )

2/. Tán xạ Compton (Compton scattering)

eElectron recoil
Ee


3/. Tạo cặp (Pair production)

Ee  Ee  Eg  2m0c 2  Eg  1,022

Năng lượng đỉnh thoát đơn: h - m0c2
Năng lượng đỉnh ��c tạo ra khi bức xạ vào bên trong buồng chứa khí

Chuyển động dước tác động của điện trường về phía 2 bản
điện cực
Tạo ra dòng điện
Hình thành xung tín hiệu


Detectors chứa khí (Gas- Filled )

Cửa sổ

Chất khí
Anode (+)

Cathode (-)

Lối ra

R

or

A


Quá trình ion hóa gián tiếp
wall

gamma tới

Ion hóa trực tiếp

beta (β-)
Hạt mang điện

e
e

-

e

-

e

-

-

e

e
-

-

e

e

-

-


Quá trình tái hợp

+

e

Lối ra

-

+
e

-

R


Sự phụ thuộc số cặp electron – ion theo
điện thế
Vùng
Tái hợp
Số cặp
Electron - ion

Vùng ion hóa

Dòng bảo hòa

V


DETECTOR KHUẾCH ĐẠI KHÍ
DETECTOR TỶ LỆ

Quá trình thác lũ electron-ion
Trong trường hợp điện trường E lớn, hay nói
đúng hơn tỷ số E/P lớn, với P là áp suất khí trong
detector. Các electron sinh ra được gia tốc bởi
điện trường, trong quá trình chuyển động về anode,
có thể tích lũy năng lượng đủ lớn để ion hóa khí lần
nữa.
Trong trường hợp này, detector đã vượt quá
chế độ làm việc của buồng ion hóa. Các electron vừa
tạo thành do quá trình ion hóa thứ cấp, trong điện
trường lớn, đến lượt mình lại thu đủ năng lượng để
ion hóa. Kết quả là càng đến gần anode, số electron
sẽ tăng lên rất nhanh và số ion dương cũng vậy. Ta
nói trong chất khí hình thành quá trình thác lũ
electron-ion hay được gọi là sự khuếch đại khí.




Tốc độ của quá trình thác lũ electron-ion được đặc

trưng bởi hệ số va chạm ion hóa , nó là số lần va
chạm của electron với các phân tử khí trên 1cm
đường đi theo hướng điện trường E và có kèm theo
sự ion hóa thứ cấp,  cũng chính là số electron
(hay số cặp electron-ion) được tạo bởi số electron
ban đầu trên 1cm đường đi về anode. Hệ số  phụ
thuộc vào:
 Số va chạm toàn bộ của electron trên 1cm đường
đi
 Dạng phân bố năng lượng của electron
 Xác suất ion hóa


HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI KHÍ
Một hệ số khác đặc trưng cho quá
trình thác lũ electron-ion là hệ số khuếch
đại khí m

Được xác đònh bằng tỷ số giữa electron
tạo thành tổng cộng do quá trình thác lũ
trong detector và số electron tạo nên ban đầu
được tạo ra do ion hóa bởi bức xạ.





CÁC QUÁ TRÌNH PHỤ

Nói chung vai trò hai quá trình trên không lớn

lắm so với sự thác lũ.


Sự khuếch đại khí toàn phần


Vùng tỷ lệ giới hạn


Det Geiger-Muller không tự tắt


Det Geiger-Muller tự tắt