Khóa luận khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế beta

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 𝛽 − ............................................................................................. 3
1.1.3. Phân rã 𝛽 + ............................................................................................ 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 ................................................................................. 118
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
i


2.3. Bộ khuếch đại phổ 575A ............................................................................. 26
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

ii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắc

Nghĩa

Từ gốc

LET
tính

Liner Energy Tranfer

Truyền năng lượng tuyến

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

iii


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 𝟐𝟎𝟒𝑻𝒍[8] .......................................................................... 18
Hình 17. Phổ electron chuyển đổi của 𝟐𝟎𝟕𝑩𝒊[8] .................................................. 19
Hình 18. Phổ electron chuyển đổi của 𝟏𝟏𝟑𝑺𝒏[8] .................................................. 19
Hình 19 . Phổ electron của 𝟏𝟑𝟕𝑪𝒔[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 𝟏𝟑𝟑𝑩𝒂[8] .............................................................. 43
Hình 23. Hình hệ phổ kế đa kênh Beta. .................................................................. 46
Hình 23. Sơ đồ cấu trúc khối. ................................................................................ 47

iv


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

v


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

vi


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 𝜷−
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 (𝜈̅𝑒 ):
n → p + 𝑒 − + 𝜈̅𝑒

(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 𝜷+
Khi phân rã β+ , năng lượng được sử dụng để biến đổi 1 proton thành 1
neutron, đồng thời phát ra 1 positron (𝑒 +) và 1 electron neutrino (𝜈𝑒 ):
energy + p → n + 𝑒 + + 𝜈𝑒
3

(2)


Vì vậy, khác với phân rã β⁻, phân rã β+ 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 β+ 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 hố, tia beta mất một
phần năng lượng 𝐸𝑡 để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngoài. Động năng 𝐸𝑘 của
electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hoá của nguyên tử E và độ mất năng lượng 𝐸𝑡
như sau:
𝐸𝑘 = 𝐸𝑡 - E

(3)

Trong đó thế năng ion hố E là năng lượng cần thiết để một electron chuyển
từ mức cơ bản K (𝑛1 = 1) trở thành electron tự do ở mức với 𝑛2 = ∞:
E = 𝑊𝑛2 – 𝑊𝑛1 = 0 – 𝑊𝑛1 = 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]
Độ mất năng lượng trung bình sinh cặp

Khí

Thế ion hóa E (eV)

𝐻2

13,6

36.6

𝐻𝑒

24,5

41,5

𝑁2

14,5

34,6

𝑂2

13,6

30,8

Ne

21,5

36,2

Ar

15,7

36,2

Kr

14,0

24,3

Xe

12,1

21,9

ion W (eV)

Khơng khí

33,7

𝐶𝑂2

14,4

32,9

𝐶𝐻4

14,5

27,3

𝐶2 𝐻2

11,6

25,7

𝐶2 𝐻4

12,2

26,3

𝐶2 𝐻6

12,8

24,6

Do hạt beta chỉ mất phần năng lượng 𝐸𝑡 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 nguyên 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
5


này có rất nhiều cặp ion tạo nên do quá trình ion hố sơ cấp của hạt beta ban đầu lẫn
q 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.

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 hố 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 tuân theo công thức sau:
𝑑𝐸
𝑑𝑥

=

2𝜋𝑞 4 𝑁𝑍(3.109 )4
𝐸𝑚

β2 (1,6.10−6 )

𝐸 𝐸𝑘 β2

{ln[ 2𝑚

] - β2 }

𝐼 (1− β2 )

𝑀𝑒𝑉
𝑐𝑚

(5)

Trong đó: N là số nguyên tử của chất hấp thụ trong 1 𝑐𝑚3 ,
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ,
NZ = 3,88.1020 𝑒 − /𝑐𝑚3 là số electron của 1 𝑐𝑚3 khơng khí ở
nhiệt độ 00 C và áp suất 760 mm thuỷ ngân,
𝐸𝑚 = 0,51 MeV là năng lượng tĩnh của electron,
𝐸𝑘 là động năng của hạt beta,
β = v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta cịn c = 3.1010 cm/giây,
I (có giá trị 8,6.10−5 MeV đối với khơng khí và 1,35. 10−5Z MeV
đối với các chất hấp thụ khác) là thế ion hoá và kích thích của nguyên 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=

𝑑𝐸/𝑑𝑥 (𝑒𝑉 /𝑐𝑚)
𝑤

(𝑒𝑉 /𝑐 .𝑖)

(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
6

Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET được định nghĩa theo cơng thức
sau:
LET =

𝑑𝐸𝐿

(7)

𝑑𝑙

Trong đó 𝑑𝐸𝐿 là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho mơi 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 công
thức gần đúng sau đây:
f = 3,5.10−4Z𝐸𝑚𝑎𝑥

(8)

Trong đó: f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon; Z là số nguyên
tử của chất hấp thụ và 𝐸𝑚𝑎𝑥 (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 quãng 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.
7


Ngồi qng chạy tuyến tính du tính theo cm người ta cịn dùng qng chạy
tính theo mật độ diện tích 𝑑𝑑𝑡 có đơn vị g/𝑐𝑚2 và được xác định như sau:
𝑑𝑑𝑡 (g/𝑐𝑚2 ) =ρ (g/𝑐𝑚3 ) x 𝑑𝑢 (cm)

(9)

Trong đó ρ là mật độ khối của chất hấp thụ, tính theo g/𝑐𝑚3 . 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/𝑐𝑚2 hay
mg/𝑐𝑚2 . 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 ~ 103 ÷ 105 .
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 dòng đàu dò 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) (𝑈𝑘 = 0,3 V với
Ge và 𝑈𝑘 = 0,6 V với Si) tạo nên hiệu điện thế 𝑈𝑘 giữa lớp p-n. Các hạt tải điện
được tạo ra bởi các bức xạ ion hoá trong vùng cấm sẽ tạo nên tín hiệu tương tự như
buồng ion hố trong điện trường.
Từ sự thay đổi dạng parabol của U(x), độ rộng l của vùng cấm là:
l=

𝜀

2𝜋𝑒𝑁𝑝

√𝑈𝑁 + 𝑈𝑘

(10)

Trong đó ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn và 𝑁𝑝 là nồng độ tạp chất
trong miền p, 𝑈𝑁 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: 𝐶𝑑 =
Điện trường cực đại: 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 2

𝑒𝑁𝑝 𝑆

1

2

√𝑈𝑁 +𝑈𝑘

𝑈𝑁 +𝑈𝑘
𝑙

với S là diện tích tiếp xúc.

.

Cấu trúc detector bán dẫn như trình bày ở trên gọi là detector hàng rào mặt.
Điện trở suất δ𝑠𝑖 = 102 ÷ 104 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) =

𝑈𝑁 +𝑈𝑘

(11)

𝑙

Nhờ vào việc mở rộng thêm vùng không tạp chất i, điện dung 𝐶𝑑𝑒𝑡 của
detector giảm đáng kể, cỡ khoảng 10 pF với diện tích lớn cỡ 5 𝑐𝑚2 , cịn trong
detector p-n với diện tích cỡ 2 𝑐𝑚2 , 𝐶𝑑𝑒𝑡 vào khoảng 50 đến 100 pF.
Dòng rò của detector bán dẫn (dịng ngược cân bằng khi khơng có sự ion hố
bên trong) bao gồm dịng mặt, dịng khối, dịng 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 còn lại gọi là không 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 𝐼0 . Khi đó dịng khối có
dạng:
𝐼0 = Sl

𝑒.𝑛𝑖

(12)

𝜏

𝑛𝑖 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 , 𝑛𝑖 = 1,5.1010 𝑐𝑚3 , thì 𝐼0 / Sl =
1µA/𝑐𝑚3 . Bởi vậy trong detector, với S = 2 𝑐𝑚2 và l = 5 mm thì 𝐼0 =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


- Sự dịch chuyển của electron và lỗ trống trong điện trường
Q trình chuyển electron từ dải hóa trị lên dải là q trình ion hóa và cặp
electron lỗ trống có thể so sánh với cặp ion trong chất khí. Trong detector chứa khí,
các ion dương và âm chuyển động đến các cực điện. Trong detector bán dẫn, các
electron chuyển động về cực dương còn tổ trống cũng chuyển động đến cực âm
nhưng thực sự không đúng nghĩa như trong chất khí. Lỗ trống dịch chuyển từ vị trí
này sang vị trí khác nếu electron rồi khỏi một vị trí trong dải hóa trị để chiếm một vị
trí có lỗ trống khác. Vị trí bỏ trống do electron bỏ đi là lỗ trống mới. Do electron có
xu hướng chuyển động về phía cực dương nên lỗ trống dịch chuyển về phía cực âm.
- Các chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p
Các nguyên tố Si và Ge thuộc cột thứ IV trong bảng tuần hồn Mendeleev,

do đó cấc nguyên tử Si và Ge có 4 4 electron hóa trị. Trong tinh thể, các nguyên tử
nối với nhau bằng các mối liên kết cộng hóa trị. Khi tinh thể hấp thụ năng lượng cấc
mối liên kết này bị phá vỡ, chỉ cần 1,12 eV để bức một trong các electron hóa trị
trong Si ra ngồi để tạo nên một cặp ion. Electron tự do và lỗ trống dể dàng chuyển
động tinh thể. Nếu vật liệu sạch chỉ có Si hay Ge thì số electron tự do và lỗ trống
bằng nhau. Vật liệu như vậy gọi là chất bán dẫn thuần. Nếu chất bán dẫn có lẫn tạp
chất thì số electron tự do có thể nhiều hơn hay ít hơn số lỗ trống. Sự hoạt động của
detector bán dẫn phụ thuộc vào tính chất của nó là thừa electron (chất bán dẫn loại
n) hay thừa lỗ trống (chất bán dẫn loại p).
Chất bán dẫn loại n: Ta hãy xét chất bán dẫn silicon sạch, trong đó số
electron và số lỗ trống bằng nhau khi bị ion hóa. Khi thêm một tạp chất vào tinh thể
silicon, vật liệu này sẽ trở thành chất bán dẫn loại n hay loại p. Chẳng hạn ta thêm
tạp chất từ nhóm V cảu bảng tuần hoàn, như phosphorous, arsenic, antimony hay
bismuth với các nguyên tử có 5 electron hóa trị thì 4 electron của nguyên tử tạp chất
sẽ nối với 4 electron hóa trị trong nguyên tử silicon tạo nên các mối quan liên kết
cộng hóa trị. Electron thứ 5 của nguyên tử tạp chất cịn lại là electon thừa, nó tự do
chuyển động trong tinh thể và tham gia vào quá trình hình thành tín hiệu điện. Tinh
thể silicon với tạp chất nêu trên trở thành tinh thể loại n còn tạp chất tương ứng gọi
là tạp chất cho. Mức năng lượng của electron tự do nằm gần miền dẫn nên rất dể
chuyển thành electron dẫn ( Hình 7).
Chất bán dẫn loại p: Để tạo nên tinh thể loại p người ta thêm tạp chất từ các
nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn, chẳng hạn như boron, aluminum,

15


gadolinium hay indium với các nguyên tử có 3 electron hóa trị. Tạp chất loại này
được gọi là tạp chất nhận. Mức năng lượng của lỗ trống nàm gần miền hóa trị nên
rất dễ chuyển thành lỗ trống (Hình 7)

Hình 7. Chất bán dẫn loại n (hình a) chất bán dẫn loại p (hình b)[6]
- Nguyên tắc làm việc của detector bán dẫn

Hình 8. Sơ đồ nguyên tắc của detector bán dẫn loại tiếp xúc[6]
Miền p trong silicon hay germanium đặt tiếp xúc với miền n tạo nên lớp tiếp
giáp n-p. Đặt một điện thế vào miền tiếp giáp, trong đó miền p nối với cực dương
cịn miền n nối với cực âm thì trở kháng lớp tiếp giáp rất bé và có dịng điện chạ qua
lớp giáp. Nếu đặt điện áp phân cực ngược lại, miền n nối với cực dương còn miền p
nối với cực âm như trên hình 12 thì khơng có dịng điện qua lớp tiếp giáp, trừ dòng
rò rất bé do sự chuyển động nhiệt của các eletron và lỗ trống. Miền gần lớp tiếp
giáp khơng có các electron và lỗ trống do điện thế có phân cực nói trên. Miền này
gọi là miền nghèo và là miền nhạy của detector bán dẫn. Khi một bức xạ đi qua
16


miền nghèo này nó tạo nên các cặp electron – lỗ trống. Dưới tác dụng của điện
trường cao thế, các electron và lỗ trống chuyển động về các điện cực, tạo nên tín
hiệu lối ra.[6]
1.8.3. Detector hàng rào mặt
Detector hàng rào mặt là một trong những loại của Detector bán dẫn.
Trong detector hàng rào mặt, lớp p – n thường thu được trên mặt chất bán
dẫn Si loại n. Một phương pháp đơn giản chế tạo loại detector này được mô tả như
sau. Sau khi mài nhẵn và đánh sạch tấm Si loại n, người ta phủ lên một mặt một lớp
niken dùng làm điện cực nối. Còn mặt kia của tấm Si bị oxy hóa trong khơng khí và
biến thành chất bán dẫn loại p, do đó lớp tiếp xúc p – n tự động hình thành. Trên
mặt chất bán dẫn loại p phun một lớp vàng mỏng dùng làm cực nối thứ hai. Để có
lớp tiếp xúc dày cần có thời gian khuếch tán dài và nhiệt độ cao. Với giá trị của điện
trở xuất 𝜌𝑆𝑖 = 102 - 104 Ω.cm và thế ngược 200 – 300 V, chiều dày của lớp nghèo
có thể đạt tới 500 – 1000 µ. Chiều dày này theo đánh giá đủ để ghi các mảnh phân
chia, bức xạ beta với năng lượng dưới 500 keV, hạt ampha của cấc đồng vị phóng

xạ tự nhiên và hạt proton được gia tốc ở năng lượng thấp. Vì chiều dày lớp nghèo
bé nên điện dung các detector hàng rào mặt lớn và do đó giới hạn khả năng phân
giải năng lượng. Với điện tích detecto 1 𝑐𝑚2 . Và chiều dày d = 0,02 cm thì điện
dung của lớp tiếp xúc sẽ bằng 55 pF và tạp âm hạn chế khả năng phân giải đến 7
keV.[7]
1.9 Lý thuyết về đo tia Beta
Việc đo lường năng lượng hạt beta có thể được thực hiện với các máy dị hạt
tích điện. Phân rã beta xảy ra khi một hạt nhân có số lượng nơtron dư thừa so với
hạt nhân ổn định. Ví dụ: 204𝑇𝑙 phân rã thành 204𝑃𝑏 và phát ra hạt beta. Để đạt được
sự ổn định, một trong những nơtron trong hạt nhân của
một proton. Quá trình này là:
n → p + 𝛽̅ + 𝜈̅

204

𝑇𝑙 sẽ được chuyển thành

(13)

trong đó: 𝜈̅ là một neutrino.
Từ phương trình (13) có thể thấy rằng có ba hạt trong trạng thái cuối cùng.
Năng lượng kích thích sẽ được chia sẽ bởi 𝛽̅ và 𝜈̅ . Về mặt lý thuyết, 𝛽̅ có thể có
bất kỳ năng lượng tối đa nào ( β𝑚𝑎𝑥), nhưng xác suất có mức năng lượng này đi
kèm 𝛽̅ là rất thấp.
17


Một phổ beta điển hình, được thể hiện trong hình 16 , cho biết phân phối các
xác suất tương đối cho các phần của β𝑚𝑎𝑥 đi kèm với số đếm được đo cho 204𝑇𝑙 .
Đây là một liên tục điển hình của năng lượng 𝛽̅. Năng lượng mà được biểu diễn tại

đường chéo cơ sở ngoại suy của

Hình 9. Phổ Beta của 𝟐𝟎𝟒𝑻𝒍[8]
Đường cong (xung quanh kênh 650 trong Hình 9) là βmax. Năng lượng điểm
cuối cho

204

𝑇𝑙

là 0.766 MeV. Các hệ thống có thể được hiệu chỉnh với electron

chuyển đổi đã biết năng lượng từ trong quá trình chuyển đổi nội bộ nó là có thể cho
một hạt nhân truyền đạt năng lượng kích thích của nó trực tiếp đến một trong các
electron quay quanh của nó và electron sau đó sẽ rời nguyên tử với năng lượng rời
rạc (𝐸𝑒 ). Năng lượng này được cho bởi
𝐸𝑒 = 𝐸𝑥 – 𝐸𝐵
Trong đó:

(14)

𝐸𝑒 = năng lượng đo được của electron chuyển đổi,

𝐸𝑥 = năng lượng kích thích có sẵn trong phân rã,
𝐸𝐵 = năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Ba số lượng này có thể được tìm thấy. Hình 10, 11 và 12 cho thấy quang phổ
điện tử chuyển đổi cho 207𝐵𝑖 , 113𝑆𝑛 và 137𝐶𝑠 . Đường chuẩn cho số kênh so với
năng lượng cũng được thể hiện trong Hình 10.

18

Hình 10. Phổ electron chuyển đổi của 𝟐𝟎𝟕𝑩𝒊[8]

Hình 11 . Phổ electron của 𝟏𝟏𝟑𝑺𝒏[8]

Hình 12 . Phổ electron của 𝟏𝟑𝟕𝑪𝒔[8]

Ứng dụng của máy dò hàng rào mặt: danh sách thiết bị xác định một ORTEC
thích hợp máy dị hàng rào mặt cho cơng việc này. BA-016-025- Máy dị 1500 có
sự kết hợp các thông số đáp ứng các yêu cầu.
Cảnh báo: không bao giờ chạm vào bề mặt tiếp xúc của vật máy dò với bất
kỳ vật liệu lạ nào đặc biệt là ngón tay. Bề mặt là một lớp vàng lắng đọng bị hư hại
19