Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế beta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGUYỄN ĐĂNG HUY - 1410702

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG
KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ BETA

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. ĐẶNG LÀNH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN

KHÓA 2014 - 2019


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

2

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến Sĩ
Đặng Lành đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt vốn kiến thức quý báu và
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc biệt là
quý Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu và tạo
môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại trường Đại học
Đà Lạt cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin cảm ơn bạn cùng lớp HNK38 đã đồng hành cùng em trong suốt thời
gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt.
Và cuối cùng, con xin cảm ơn Ba Mẹ đã luôn yêu thương, tin tưởng tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho con có thể hồn thành khóa luận.

NGUYỄN ĐĂNG HUY

3


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số
liệu trong khóa luận này chưa được ai cơng bố dưới bất kì hình thức nào. Tơi hồn
tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
Đà Lạt, ngày 10 tháng 12 năm 2018
Sinh viên

4

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT...........................3
1.1. Lý thuyết về phân rã beta................................................................................3
1.1.1. Phân rã beta...............................................................................................3
1.1.2. Phân rã .....................................................................................................3
1.1.3. Phân rã .....................................................................................................3
1.1.4. Phân rã Beta kép.......................................................................................4
1.2. Ion hoá (Ionization).........................................................................................4
1.3. Độ ion hoá riêng (Specific ionization).............................................................6
1.4. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET)......................................................6
1.5. Bức xạ hãm (Bremsstrahlung).........................................................................7
1.6. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất...........................................................7
1.7. Biểu diễn mối quan hệ giữa thế và số cặp ion.................................................8
1.8. Đầu dò hấp vào mặt.......................................................................................11
1.8.1. Lý thuyết.................................................................................................11
1.8.2. Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn..............................................14
1.8.3. Detector hàng rào mặt.............................................................................17
1.9. Lý thuyết về tia Beta.....................................................................................18
CHƯƠNG II: KHẢO SÁT HỆ PHỔ KẾ ĐA KÊNH ΒETA.............................21
2.1. Khung giỏ NIM.............................................................................................21
2.1.1. Thông số kĩ thuật.....................................................................................22
2.1.2. Hoạt động................................................................................................22
2.2. Máy phát xung chuẩn Pulser 480...................................................................23
2.2.1. Đặt điểm kỹ thuật....................................................................................23
2.2.2. Hoạt động................................................................................................25
2.3. Bộ khuếch đại phổ 575A...............................................................................26
5

2.3.1. Thông số kĩ thuật.....................................................................................26
2.3.2. Hoạt động................................................................................................28
2.4. Khối cao thế Quad Bias Supply.....................................................................29
2.4.1. Thông số kĩ thuật.....................................................................................30
2.4.2. Hoạt động................................................................................................32
2.5. Khối giao diện EASY_MCA + phần mềm điều khiển, thu nhận và xử lý số
liệu.......................................................................................................................33
2.5.1. Khối giao diện EASY_MCA...................................................................33
2.5.2. Hoạt động................................................................................................35
2.5.3. Phần mềm Maestro _DEL_PC MCB 129................................................36
2.6. Hệ máy bơm chân không...............................................................................37
2.7. Thông tin bảo hành........................................................................................38
CHƯƠNG III THỰC NGHIỆM...........................................................................41
3.1. Quang phổ beta..............................................................................................41
3.1.1. Các thiết bị cần thiết của ORTEC............................................................41
3.1.2. Các thiết bị cần thiết khác.......................................................................41
3.1.3. Mục đích.................................................................................................41
3.1.4. Lý thuyết.................................................................................................17
3.1.5. Thực nghiệm Hiệu chuẩn với một bộ thu/phát........................................41
3.1.6. Thực nghiệm Xác định điểm cuối beta của

204

Tl....................................43

3.1.7. Thực nghiệm Tỷ lệ chuyển đổi điện tử...................................................45
3.2. Thực ngiệm trên hệ phổ kế Beta....................................................................46
3.2.1. Hệ thống thiết bị phổ kế Beta..................................................................46
3.3. Kết quả thực nghiệm....................................................................................48
KẾT LUẬN............................................................................................................56

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................57

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắc

Từ gốc

Nghĩa

LET

Liner Energy Tranfer

Truyền năng lượng tuyến tính

ADC

Analog Digtal Convertor

Bộ đếm tương tự sang số

MDA

Multi Channel Analyser

Máy phân tích đa kênh

DC

Direct Current

Điện một chiều

MCD

Multi Channel Processing

Xử lý dữ liệu đa kênh

MCB

Minature Circuit Breaker

Bộ ngắt mạch

ROI

Region of Interest Risetime

Vùng diện tích quan tâm

FWHM
cao.

Full Width Half Maximum

Độ rộng cực đại nửa chiều

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ
Hình 1. Phân rã β⁻ nhìn chung thường gặp ở những hạt nhân giàu neutron [3].........3
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của một detector chứa khí[1]..................................................9
Hình 3. Đường đặc trưng của buồng ion hố và ống đếm tỉ lệ[4]..............................9
Hình 4. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán dẫn pn[5].......................................................................................................................... 12
Hình 5. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán dẫn pi-n[5]........................................................................................................................ 13
Hình 6. Hình thành cặp electron – lỗ trống trong chất bán dẫn[6]...........................14
Hình 7. Chất bán dẫn loại n (hình a) chất bán dẫn loại p (hình b)[6].......................16
Hình 8. Sơ đồ nguyên tắc của detector bán dẫn loại tiếp xúc[6]..............................16
Hình 9. Hệ phổ kế đa kênh Beta..............................................................................21
Hình 10. Hình ảnh của khung giỏ NIM...................................................................21
Hình 11. Hình ảnh mặt trước và sau của máy phát xung chuẩn Pulser 480.............23
Hình 12. Hình ảnh mặt trước và sau của bộ khuếch đại phổ 575A..........................26
Hình 13. Hình ảnh mặt trước và sau của khối cao thế Quad Bias Supply................29
Hình 14. Hình ảnh mặt trước và sau của khối gia diện EASY_MCA......................33
Hình 15. Hình ảnh máy bơm chân khơng................................................................37
Hình 16. Phổ Beta của [8]........................................................................................18
Hình 17. Phổ electron chuyển đổi của [8]................................................................19
Hình 18. Phổ electron chuyển đổi của [8]...............................................................19
Hình 19 . Phổ electron của [8].................................................................................19
Hình 20. Năng lượng Beta với độ dày trong Silicon[8]...........................................20
Hình 21. Sơ đồ cấu trức hiệu chỉnh xung chuẩn[8]..................................................42
Hình 22. Dịng chuyển đổi từ [8].............................................................................43
Hình 23. Hình hệ phổ kế đa kênh Beta....................................................................46
Hình 23. Sơ đồ cấu trúc khối...................................................................................47

8


Hình 23. Phổ phơng trên hệ phổ kế Beta.................................................................48
Hình 24. Phổ Pb-214 trên hệ phổ kế Beta................................................................49
Hình 26. Phổ Ba-140 trên hệ phổ kế Beta................................................................51
Hình 27. Phổ Tl-204 trên hệ phổ kế Beta.................................................................52
Hình 28. Phổ Sr-90_hskd40-10_909sec trên hệ phổ kế Beta...................................52
Hình 29. Phổ Sr-90_hskd20-6_3330sec trên hệ phổ kế Beta...................................53
Hình 30. Phổ Sr-90_hskd10-4_10966sec trên hệ phổ kế Beta.................................54
Hình 31. Phổ Sr-90_hskd10-4_28058sec trên hệ phổ kế Beta.................................54

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thế ion hoá E và độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion đối với một
số chất khí[2].............................................................................................................5

10


MỞ ĐẦU
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng
phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo phóng xạ với số
lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác nhau
khơng chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành chắn điện
tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các detector ghi bức
xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với hiệu suất ghi của
detector khác nhau, phụ thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của thiết bị, loại năng

lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích.
Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân
tích phóng xạ phù hợp, u cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ hạt nhân, cơ chế
tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ, sơ đồ phân
rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với các phương pháp
xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector và thiết bị phù hợp nhất phụ thuộc
vào yêu cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể.
Cuộc sống ngày càng phát triển và hiện đại, cùng với sự phát triển của xã
hội, các thiết bị ứng dụng cho nghiêm cứu khoa học cũng ngày càng tiến bộ, kéo
theo chất lượng và khả năng tăng theo không ngừng. Để đáp ứng một phần nhu đó
Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân -Trường Đại học Đà Lạt được trang bị một hệ phổ kế đa
kênh Beta. Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách có hệ thống là
cần thiết để phục vụ việc vận hành và bảo dưỡng.
Hệ phổ kế Beta được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng
dụng của khoa học và công nghệ detector hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và
hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế Beta. Cùng
với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế Beta với detector có tinh thể ngày
càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của detector và mở rộng dải năng lượng đo
được.
Trong khuôn khổ của một khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Khảo sát, đánh
giá các tham số đặc trưng kĩ thuật của hệ phổ kế Beta” gồm những phần sau:
Chương 1: Tương tác của tia Beta với vật chất
Chương 2: Khảo sát hệ phổ kế đa kênh Beta
Chương 3: Thực nghiệm

1


KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO.

2


Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT
1.1. Lý thuyết về phân rã beta
1.1.1. Phân rã beta
Trong vật lý hạt nhân, phân rã beta là một kiểu phân rã phóng xạ mà theo đó
sinh ra một hạt beta (electron hoặc positron).
Trong trường hợp sinh ra electron thì người ta gọi là phân rã beta âm hay
beta trừ (β⁻), trường hợp cịn lại thì gọi là beta cộng (β+). Khi phát ra hạt electron,
một electron antineutrino cũng sinh kèm, trong khi phát ra positron thì đi kèm
là electron neutrino.
1.1.2. Phân rã
Khi phân rã β⁻, tương tác yếu chuyển một neutron (n) thành một proton (p)
trong khi phát ra một electron (e⁻) và một electron antineutrino ():
n→p+ +

(1)

Ở mức cơ bản (như miêu tã trong biểu đồ Feynman bên dưới), là do sự biến
đổi một quark xuống thành quark lên bằng cách phát ra một W⁻ boson; W⁻ thường
phân rã thành một electron và một electron antineutrino.

Hình 1. Phân rã β⁻ nhìn chung thường gặp ở những hạt nhân giàu neutron[3]
1.1.3. Phân rã
Khi phân rã , năng lượng được sử dụng để biến đổi 1 proton thành 1 neutron,
đồng thời phát ra 1 positron () và 1 electron neutrino ():
energy + p → n + +
3

(2)


Vì vậy, khác với phân rã β⁻, phân rã khơng thể xuất hiện một cách độc lập
do nó cần có năng lượng, khối lượng của neutron nặng hơn khối lượng của proton.
Phân rã chỉ có thể xảy ra bên trong hạt nhân khi mà trị số năng lượng liên kết của
các hạt nhân mẹ nhỏ hơn năng lượng liên kết của hạt nhân con. Điểm khác biệt giữa
các mức năng lượng này tạo ra phản ứng biến đổi 1 proton thành 1 neutron, 1
positron và 1 neutrino, và thành động năng của các hạt này.[3]
1.1.4. Phân rã Beta kép
Phân rã beta kép là loại phân rã phóng xạ trong đó hai proton được đồng thời
biến thành hai neutron, hoặc ngược lại, bên trong hạt nhân nguyên tử. Như trong
phân rã beta duy nhất, quá trình này cho phép các nguyên tử chuyển về gần hơn với
tỷ lệ tối ưu của các proton và neutron. Kết quả của chuyển đổi này là các hạt nhân
phát ra hai hạt beta có thể dị được, là electron hoặc positron.
1.2. Ion hố (Ionization)
Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là tương
tác điện với các electron quỹ đạo. Điều đó dẫn tới sự kích thích và ion hố các
ngun tử mơi trường. Trong trường hợp mơi trường bị ion hoá, tia beta mất một
phần năng lượng để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng của
electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hoá của nguyên tử E và độ mất năng lượng
như sau:
= -E

(3)

Trong đó thế năng ion hố E là năng lượng cần thiết để một electron chuyển
từ mức cơ bản K ( = 1) trở thành electron tự do ở mức với ∞:
E = – = 0 – = Rh

(4)

Trong nhiều trường hợp, electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể ion
hố ngun tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp và được gọi là electron delta.
Electron delta ban đầu với động năng cỡ 1000 eV có thể tạo nên một chuỗi các
electron delta thứ cấp và do đó tạo nên một chuỗi các cặp ion.

4


Bảng 1. Thế ion hoá E và độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion
đối với một số chất khí[2]
Khí

Ne
Ar
Kr
Xe
Khơng khí

Độ mất năng lượng trung bình sinh cặp
ion W (eV)
36.6
41,5
34,6
30,8
36,2
36,2
24,3

21,9
33,7
32,9
27,3
25,7
26,3
24,6

Thế ion hóa E (eV)
13,6
24,5
14,5
13,6
21,5
15,7
14,0
12,1
14,4
14,5
11,6
12,2
12,8

Do hạt beta chỉ mất phần năng lượng để ion hoá nguyên tử, nên dọc theo
đường đi của mình, nó có thể gây ra một số lớn cặp ion. Năng lượng trung bình để
sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần thế năng ion hố. Đó là do ngồi q trình
ion hố, hạt beta cịn mất năng lượng do kích thích ngun tử. Chẳng hạn, đối với
oxygen và nitrogen, thế ion hoá tương ứng là 13,6 eV và 14,5 eV, trong lúc độ mất
năng lượng trung bình để sinh một cặp ion là 30,8 eV và 34,6 eV. Bảng 1 trình bày
thế ion hố E và độ mất năng lượng trung bình khi sinh ra cặp ion w đối với một số

chất khí. Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm
giữa chúng làm hạt beta chuyển động khỏi hướng ban đầu và như vậy hạt beta
chuyển động theo hướng đường cong gấp khúc sau nhiều va chạm trong môi trường
hấp thụ, cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hoá. Dọc theo đường đi
này có rất nhiều cặp ion tạo nên do q trình ion hoá sơ cấp của hạt beta ban đầu lẫn
quá trình ion hố thứ cấp do các hạt electron delta. Quỹ đạo chuyển động đó có thể
ghi nhận bằng phương pháp nhũ tương ảnh hay buồng bọt.

5


1.3. Độ ion hoá riêng (Specific ionization)
Độ ion hoá riêng là số cặp ion tạo ra trên một đơn vị đường đi của hạt beta.
Độ ion hoá riêng khá cao đối với các hạt beta năng lượng thấp, giảm dần khi tăng
năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng
chậm. Độ ion hoá riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến tính của hạt
beta do ion hố và kích thích, một thơng số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo
liều bức xạ và tính tốn hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ mất năng lượng tuyến
tính của hạt beta tn theo cơng thức sau:
= {ln[] - }

(5)

Trong đó: N là số nguyên tử của chất hấp thụ trong 1 ,
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ,
NZ = 3,88. là số electron của 1 khơng khí ở nhiệt độ C và áp suất
760 mm thuỷ ngân,
= 0,51 MeV là năng lượng tĩnh của electron,
là động năng của hạt beta,
= v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3. cm/giây,

I (có giá trị 8,6. MeV đối với khơng khí và 1,35.Z MeV đối với
các chất hấp thụ khác) là thế ion hố và kích thích của ngun tử chất hấp thụ. Nếu
biết trước đại lượng W, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì độ ion hố
riêng (Specific ionizaion) được tính theo cơng thức sau:
s=

(6)

trong đó c.i là số cặp ion.
1.4. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET)
Độ ion hố riêng được dùng khi xem xét độ mất năng lượng do ion hoá. Khi
quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng lượng tuyến
tính của mơi trường khi hạt beta đi qua nó. Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ năng
lượng nói trên là hệ số truyền năng lượng tuyến tính
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET được định nghĩa theo công thức
sau:
LET =

(7)
6


Trong đó là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp
thụ khi đi qua quãng đường dài dl. Đơn vị đo thường dùng đối với LET là keV/µm.
1.5. Bức xạ hãm (Bremsstrahlung)
Khi hạt beta đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột
ngột hướng bay ban đầu và phát năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi là bức xạ
hãm. Năng lượng các bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại bằng
động năng của hạt beta. Rất khó tính tốn dạng phân bố năng lượng của các bức xạ
hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạc thực nghiệm.

Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng cơng
thức gần đúng sau đây:
f = 3,5.Z

(8)

Trong đó: f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon; Z là số nguyên
tử của chất hấp thụ và (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta.
Công thức (8) cho thấy khả năng sinh bức xạ hãm tỉ lệ thuận với số nguyên
tử của chất hấp thụ. Do đó vật liệu dùng che chắn tia beta thường được làm từ các
vật liệu nhẹ. Nhôm với Z = 13 là vật liệu che chắn tia beta nặng nhất và cũng ít khi
được sử dụng.
1.6. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất
Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi được
một qng đường hữu hạn. Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản vật chất,
chùm tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó. Khoảng đường đi này
gọi là quãng chạy (range) của hạt beta, nó phụ thuộc vào năng lượng tia beta và mật
độ vật chất của môi trường hấp thụ. Biết được quãng chạy của tia beta với năng
lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che chắn làm từ vật liệu xác định.
Một đại lượng thường dùng khi tính tốn thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ một
nửa (absorber half-thickness), là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban
đầu đi một nửa sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp
thụ một nửa vào khoảng 1/8 quãng chạy.
Ngoài quãng chạy tuyến tính du tính theo cm người ta cịn dùng qng chạy
tính theo mật độ diện tích có đơn vị g/ và được xác định như sau:
(g/) =ρ (g/) x (cm)

7

(9)

Trong đó ρ là mật độ khối của chất hấp thụ, tính theo g/. Trong tính tốn thiết
kế độ dày vật liệu che chắn, ngồi bề dày tuyến tính (linear thickness) tính theo cm
người ta cịn dùng bề bày mật độ (density thickness) tính theo đơn vị g/ hay mg/.
Việc sử dụng đại lượng bề dày mật độ làm đơn giản phép tính vì khi đó bề dày
khơng phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.[2]
1.7. Biểu diễn mối quan hệ giữa thế và số cặp ion
Nguyên tắc hoạt động của detector chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện
dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hố các phân tử chất khí dọc theo đường đi tạo
ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là cặp ion-electron. Các
ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện hoặc do va chạm
với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ q trình ion hố sơ cấp. Ở đây ta
không quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion nhận được do va chạm
mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức
xạ. Các kiểu detector khí ngày nay đang được phát triển mạnh theo chiều hướng
mảng các detector để phục vụ cho các nghiên cứu chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật
liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì khả năng xác định của chúng đối với
các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV. Một detector chứa khí đơn giản gồm một ống
chứa khí và hai điện cực, thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần
ghi đi được vào phía bên trong ống chứa khí. Các kiểu detector chứa khí vẫn cịn
được sử dụng đến ngày nay là:
Buồng ion hố;
Ống đếm tỉ lệ;
Ống đếm Geiger Muller (GM).
Hình 2 minh hoạ sơ đồ cấu tạo một detector chứa khí. Điện tích tạo ra do q
trình ion hố được thu góp ở các điện cực của detector. Khi khơng có sự ion hố,
chất khí giống như một chất cách điện và khơng có dịng điện ở mạch ngồi. Số các
cặp ion được tạo ra ở bên trong detector phụ thuộc vào điện trường trong detector,
kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của detector,…

8


Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của một detector chứa khí[1]
Hình 3 là các đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ đối với hạt
beta. Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa anốt
và catốt của detector.

Hình 3. Đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ[4]
Vùng I: Vùng tái kết hợp (Recombination Region) Trong vùng I có sự cạnh
tranh giữa q trình mất các cặp ion-electron do sự tái hợp và sự ion hoá do hạt
mang điện tạo ra. Khi tăng điện trường, vận tốc của các ion tăng, do đó xác suất tái
9


hợp giảm và lượng điện tích thu góp được trở nên lớn hơn. Vùng này không được
sử dụng làm vùng làm việc của các detector chứa khí.
Vùng II: Vùng ion hố (Ionization Region) Khi điện trường đủ lớn, q trình
tái hợp giảm, do đó có nhiều cặp ion chuyển động và được thu góp tại các điện cực.
Trong vùng này, dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào số ion do bức xạ gây ra, nó hầu
như khơng phụ thuộc vào giá trị điện áp ở các điện cực. Vùng này được xem như
vùng làm việc của buồng ion hoá.
Vùng III: Vùng tỉ lệ (Proportional Region) các electron được gia tốc đến vận
tốc cao, nó va chạm với các phân tử khí gây ion hố chúng và tạo ra các ion thứ cấp,
do đó lượng điện tích bên trong ống đếm được nhân lên. Lượng điện tích thu góp
được sẽ tỉ lệ với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hoá tạo ra. Ống đếm
làm việc trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Ở cuối vùng tỉ lệ, lượng điện tích
thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Hệ số nhân trrong
vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~ ÷ .

Vùng IV: Vùng Geiger Muller (Geiger Muller Region) hiệu điện thế giữa
các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất hiện tiếp tục được tăng tốc. Do điện trường
lớn nên chúng có thể thu được năng lượng lớn hơn trước khi va chạm với các phân
tử khí trong ống đếm. Trong trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự tạo thành ion
của phân tử. Sau khi được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, 8 ion, v.v…, trong chất
khí sẽ xảy ra sự ion hố kiểu thác lũ phát triển. Khả năng phân biệt các hạt sơ cấp
khơng cịn, xung lượng của các hạt khác nhau đều giống nhau. Do đó, hầu như
khơng có sự khác nhau giữa loại bức xạ hoặc năng lượng của hạt tới trong vùng này.
Các ống đếm hoạt động trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger Muller. Khả
năng gia tốc electron cao hơn do khối lượng nhỏ hơn hàng ngàn lần khối lượng ion.
Vùng V: Vùng đánh thủng (Continuous Discharge Region) q trình ion hố
xảy ra trong tồn bộ vùng thể tích khí giữa hai điện cực, sự phóng điện xảy ra trong
thể tích khí của ống đếm. Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của các
detector chứa khí.[5]
Trong trường hợp ống khỏa sát là hệ phổ kế đo β loại dịng đàu dị hấp vào
mặt. Vì vậy, cần biết cơ chế hoạt động của đầu dò hấp vào mặt.

10


1.8. Đầu dò hấp vào mặt
1.8.1. Lý thuyết
Tương tự như q trình ion hố chất khí trong buồng ion hố, quá trình hình
thành các hạt tải điện trong chất rắn cũng có thể sử dụng để ghi đo bức xạ. Thời
gian tái hợp ở trong chất rắn lớn hơn do độ linh động của các hạt tải điện là lớn.
Một tính chất quan trọng nữa là do năng lượng ω bé nên biên độ tín hiệu lớn và độ
phân giải tốt.
Giả sử ta dùng một lớp tiếp xúc p-n có độ dày khác nhau, lớp bán dẫn n là
rất mỏng và có độ pha tạp tạp chất rất cao, làm cửa sổ vào đối với bức xạ. Miền với
chất bán dẫn p có nồng độ tạp chất vừa đủ. Kết quả của sự khuếch tán các hạt tải

điện trong vùng cấm làm xuất hiện điện tích vùng khơng gian ρ(x), điện trường E(x)
trong vùng này biến đổi theo quy luật tuyến tính, cịn điện thế theo quy luật parabol.
Điện áp ngược bên ngoài cùng với sự khuếch tán (tiếp xúc trong) ( = 0,3 V với Ge
và = 0,6 V với Si) tạo nên hiệu điện thế giữa lớp p-n. Các hạt tải điện được tạo ra
bởi các bức xạ ion hố trong vùng cấm sẽ tạo nên tín hiệu tương tự như buồng ion
hoá trong điện trường.
Từ sự thay đổi dạng parabol của U(x), độ rộng l của vùng cấm là:
l=

(10)

Trong đó ε là hằng số điện mơi của chất bán dẫn và là nồng độ tạp chất
trong miền p, là điện thế nguồn nuôi.

11


Hình 4. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán
dẫn p-n[5]
Điện dung của vùng cấm: = với S là diện tích tiếp xúc.
Điện trường cực đại: = 2.
Cấu trúc detector bán dẫn như trình bày ở trên gọi là detector hàng rào mặt.
Điện trở suất = ÷ và chịu thế ngược 200 V ÷ 300 V. Với chiều dày lớp nghèo (p) cỡ
0,5 đến 1 mm đủ để ghi nhận bức xạ beta với năng lượng 500 keV, hạt α của các
đồng vị phóng xạ tự nhiên và hạt p được gia tốc ở năng lượng thấp. Điện dung của
detector cỡ 55 pF và tạp âm có thể làm tồi khả năng phân giải đến 7 keV.

12

Hình 5. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán
dẫn p-i-n[5]
Để mở rộng vùng cấm với điện trường khơng đổi, có thể thực hiện bằng cách
đưa vào giữa lớp n-p một lớp không chứa tạp chất (miền i) tạo nên detector p-i-n.
Điện trường:
E(x) =

(11)

Nhờ vào việc mở rộng thêm vùng không tạp chất i, điện dung của detector
giảm đáng kể, cỡ khoảng 10 pF với diện tích lớn cỡ 5, cịn trong detector p-n với
diện tích cỡ 2 , vào khoảng 50 đến 100 pF.
Dịng rò của detector bán dẫn (dòng ngược cân bằng khi khơng có sự ion hố
bên trong) bao gồm dịng mặt, dòng khối, dòng khuếch tán. Dòng này được gây nên
bởi các hạt tải điện không cơ bản (trong chất bán dẫn, phần tử tải điện nào có mật
độ lớn hơn gọi là phần tử tải điện cơ bản và phần tử cịn lại gọi là khơng cơ bản.
Như vậy trong bán dẫn n phần tử tải điện cơ bản là electron, còn trong bán dẫn p là
lỗ trống). Các phần tử tải điện này phát sinh do dao động nhiệt trên một khoảng
cách nhỏ hơn chiều dài khuếch tán từ cuối của lớp i. Khi chiều dài của lớp i là đủ
lớn thì dịng khuếch tán có thể bỏ qua so với dịng khối . Khi đó dịng khối có dạng:
= Sl

(12)

là mật độ của chất bán dẫn không pha tạp;

13


t là thời gian sống của các hạt tải điện. Trong Si với tạp chất nồng độ thấp

(detector loại p-i-n), ở nhiệt độ T = 300 K, τ = 1µs , = 1,5. , thì / Sl = 1µA/. Bởi
vậy trong detector, với S = 2 và l = 5 mm thì =1µA.[5]
1.8.2. Ngun tắc làm việc của detector bán dẫn
- Cấu trúc các dải năng lượng trong chất bán dẫn
Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn cũng giống như buồng ion hóa,
trong đó thay mơi trường khí bằng mơi trường rắn có độ dẫn điện thấp. Các bức xạ
như alpha, beta, gamma, tương tác với các nguyên tử trong miền nhạy của detector
sinh ra các electron do hiệu ứng ion hóa và do đó tạo tín hiệu lối ra. Vật liệu thường
dùng trong detector bán dẫn là silicon (Si) và germanium (Ge). Bức xạ vào với năng
lượng cỡ 3.5 eV có thể tạo nên một cặp ion trong chất bán dẫn. Để so sánh, ta thấy
năng lượng bức xạ cỡ 34 eV mới ao nên một cặp ion trong chất khí. Như vậy
detector bán dẫn cho tín hiệu điện cỡ 10 lần lớn hơn tín hiệu điện trong chất khí do
cùng một bức xạ gây nên. Biên độ xung điện tỉ lệ với năng lượng bức xạ vào, do đó
detector bán dẫn được dùng để đo phổ năng lượng bức xạ.
Các electron quỹ đạo trong nguyên tử tồn tại ở các mức năng lượng xác định.
Trong vật rắn, các mức năng lượng đó gọi là các dải năng lượng. Dải năng lượng
cao nhất gọi là dải hóa trị. Dải năng lượng hóa trị cách dải dẫn bởi một miền gọi là
các dải cấm. Độ rộng của dải cấm trong chất bán dẫn Si hay Ge vào khoảng 1 eV
trong lúc dải cấm trong chất cách điện khoảng 5 eV. Bức xạ ion hóa có thể cung cấp
năng lượng cho electron để nó có thể chuyển từ dải hóa trị vượt qua dải cấm chuyển
lên dải dẫn. Khi chuyển qua dải dẫn, electron để lại lỗ trống trong dải hóa trị.

Hình 6. Hình thành cặp electron – lỗ trống trong chất bán dẫn[6]
 Electron

: Lỗ trống
14