MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
Trang 2
CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ
Hạt nhân phóng xạ được xác định về mặt định tính và định lượng bằng cách
dựa trên sự tương tác bức xạ phát ra với vật chất dùng bởi detector bức xạ. Một hệ
thống đo hoạt độ phóng xạ thông thường bao gồm 2 phần: detector bức xạ và thiết
bị xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo.
Một số cơ chế tương tác bức xạ được mô tả trong phần (4.3). Trong phần này
chỉ có 2 loại đó là kích thích và ion hóa nó được sử dụng rộng rãi như thành phần
cơ bản của detector. Hai quá trình này là phương pháp sơ cấp nhờ những hạt tích
điện mất năng lượng trong vật chất. Những hạt không tích điện, như tia gamma
được phát hiện nhờ sự tương tác ion của các hạt tích điện thứ cấp, những thông tin
đó đã được mô tả trong phần 4.3.3.
Quá trình thứ ba, sự phân ly phân tử liên quan trong hóa học và phương pháp
chụp ảnh của sự phát bức xạ. Quá trình này, thông thường không được dùng cho
việc đo số lượng của hạt nhân phóng xạ, mặc dầu quan trọng trong nhiều khía cạnh
của việc sử dụng và duy trì bức xạ.
Phần hai của bất cứ hệ thống đo bức xạ nào đều là thiết bị điện biến đổi tín
hiệu từ detector sang một dạng dữ liệu phù hợp. Đối với detector dựa vào sự ion hóa
của chất khí hoăc chất bán dẫn, tín hiệu gồm một điện tích. Đối với các detector
nhấp nháy, tín hiệu là một lượng tử phát sáng (cái có thể được biến đổi thành điện
tích). Các thiết bị điện liên kết khuếch đại điện tích vào trong dòng hoặc điện thế
ngoài được đo một cách dễ dàng. Điện thế ngoài có thể được dùng để đếm số xung
trong một thời gian cho trước của hệ thống đếm, để chọn lọc biên độ xung trong
phổ năng lượng bức xạ hoặc để cung cấp như một tín hiệu hồi tiếp trong quá trình
hệ thống điều khiển.
Chương này trình bày sai số ngẫu nhiên trong sự đo lường bức xạ, mà cũng
liên quan đến quá trình thống kê trong sự chuyển giao và khuếch đại năng lượng

Trang 3
bức xạ trong bất kỳ hệ thống ghi nhận nào và liên quan đến quá trình thống kê phân
rã hoạt độ phóng xạ.
5.1. CÁC NGUYÊN TẮC GHI NHẬN
Hiện nay, có hai phương pháp ghi nhận bức xạ chính sử dụng các detector, đó
là dựa vào sự ion hóa của chất khí (detector tỉ lệ và G-M), các tinh thể được kích
thích do sự phát quang (detector nhấp nháy) hoặc sự ion hóa của vật rắn (detector
bán dẫn). Nguyên tắc của sự ion hóa trong chất bán dẫn thì tương tự như trong chất
khí, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron và proton trong tinh thể
thay vào đó là các electron và các ion dương trong nguyên tử khí. Các chất bán dẫn
ngày càng được sử dụng rộng rãi nhất trong detector ghi nhận bức xạ khi công nghệ
ngày càng phát triển.
Các hệ thống đo hoạt độ phóng xạ dạng xung, mà đầu ra của detector được
xem như một chuỗi tín hiệu điện độc lập trong thời gian ấn định. Mỗi tín hiệu đặc
trưng cho sự tương tác của một đơn vị bức xạ với detector. Hệ thống không tín hiệu
thì thông thường được sử dụng trong những thiết bị đo bức xạ loại khảo sát và
không được sử dụng rộng rãi cho việc đo hạt nhân phóng xạ, được xem như một hệ
thống phát hiện ở mức trung bình.
Các phương pháp đo hoạt độ phóng xạ hiện đại không chỉ xác định số bức xạ
ghi nhận được trên đơn vị thời gian (tốc độ đếm) nhưng ngoài ra chúng còn cho
phép tách các bức xạ theo loại và năng lượng ở những mức độ khác nhau. Các hệ
thống với sự phân giải năng lượng được gọi là phổ kế và có thể dùng đo bức xạ tia
alpha, beta và gamma, phổ kế tia gamma thì sử dụng đặc biệt cho sự phân tích hạt
nhân phóng xạ. Trong phổ kế tia gamma, sự khuếch đại của mỗi tín hiệu điện thì
tương ứng với năng lượng tia gamma còn lại trong detector. Thiết bị phân loại (kỹ
thuật phân tích biên độ xung) có thể tách các loại xung nhờ biên độ và tần số.
Kỹ thuật phân tích biên độ xung đa kênh, hoạt động trong sự liên kết với thiết
bị biến đổi số tương tự (ADC), một thiết bị lưu trữ phù hợp (bộ nhớ) và sự cung cấp
thiết bị dữ liệu thông thường được sử dụng để phân tích hỗn hợp phức tạp của hạt
Trang 4

nhân phóng xạ phát tia gamma mà không cần sự phân tích hóa học của hỗn hợp
nguyên tố. Khi được yêu cầu phân tích nhiều loại nguyên tố cùng lúc, thông tin
trong bộ nhớ được máy tính xử lý dữ liệu một cách hoàn chỉnh. Sự ghi nhận đặc
tính điện của các bức xạ đặc biệt từ nhiều hạt nhân phóng xạ riêng biệt cũng có thể
được thực hiện nhờ sử dụng phép đo trùng hợp ngẫu nhiên. Đối với một sự kiện
được thu nhận khi một hạt nhân phóng xạ riêng biệt phân rã. Sự ảnh hưởng của hai
bức xạ liên tiếp và đồng thời phải được khảo sát trong một thời gian xác định trước.
Thông thường hai ghi nhận có thể là một tia beta và tia gamma theo sau như trong
2.3-m
28
Al, hai tia gamma liên tiếp như trong
60
Co hoặc hai photon phân rã xảy ra
trong bất kỳ sự phát positron nào. Vì vậy, hạt nhân phóng xạ phù hợp nhất cho sự
đo lường bằng phương pháp ngẫu nhiên thì thông thường cũng được sử dụng cho sự
phân rã hóa học phức tạp hơn. Hệ thống này được bàn luận trong chương 6.
5.2. DETECTOR CHỨA KHÍ
Detector ghi nhận bức xạ chứa khí là một trong những loại cũ nhất của
detector ghi nhận bức xạ có thể sử dụng được và vẫn được sử dụng một cách rộng
rãi. Các loại detector bao gồm buồng ion hóa, buồng tỉ lệ, ống G-M. Các loại
detector này có đặc điểm chung là một buồng chứa khí với điện cực ở giữa, cách
nhiệt với thành buồng. Một điện thế cung cấp cho điện cực ở giữa tạo ra một trường
tĩnh điện ngang qua buồng. Do đó, các cặp ion là kết quả từ sự bức xạ ion hóa được
gia tốc hướng về các điện cực. Sơ đồ hệ thống của cửa sổ cuối đặc trưng cho
detector G-M và ống tỉ lệ được trình bày trong hình 5.1.
Sự tập trung các ion đã gây ra sự ion hóa các nguyên tử khí trong buồng tạo ra
một tín hiệu điện. Tín hiệu này có thể gồm các electron tự do hoặc các cặp ion, đó là
các electron và các ion dương. Trạng thái của các electron tự do và các ion dương
phụ thuộc vào tính chất của khí trong buồng và điện thế cung cấp. Vì thậm chí sự
dịch chuyển ion trong chất khí tương đối chậm so với sự dịch chuyển các electron,

các detector thu nhận tín hiệu ion để cho sự tập trung nhanh của các electron.
Trang 5
Điều đó được ghi chú trong phần 4.3.2, rằng độ hụt trung bình theo năng lượng của
một hạt tích điện trong sự ion hóa nguyên tử khí khoảng 34 eV/ip. Vì vậy, nếu tổng
năng lượng của một hạt beta được dùng cho sự ion hóa kích thích trong detector
chứa khí thì số hạt electron tạo ra sẽ là:
Nếu tổng các hạt electron này được tích tụ tại điện cực ở giữa thì điện tích sẽ
là:
Q = en = 1.6. 10
-19
n (C)
Nếu N(hạt/giây) được dừng lại hoàn toàn trong detector dẫn đến cường độ
dòng sẽ là:
I = QN = 1.6.10
-19
nN (A)
Ví dụ, một nguồn beta có N=100 (hạt/giây) đi vào detecter với năng lượng
trung bình là 1 MeV. Sẽ tạo ra một cường độ dòng là
( )
34
E ev
n
β
=
Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống của các Detector ion hóa khí: (a) Buồng tỉ lệ dòng
khí. (b) …ng G-M cửa sổ cuối [From Bernard G. Harvey, Introduction to
Nuclear Physic and Chemistry, 2
nd
Ed (Prentice-Hall Inc, Englwood Cliffs,
N. J, 1969) By permission of the publisher]

Trang 6
I = 1,6.10
-19
.10
6
/34.10
2
= 4,7.10
-13
A.
Như vậy, cường độ dòng dễ dàng được đo nhờ một thiết bị đo điện. Thiết bị đo
điện gồm nhiều loại có thể đo cường độ dòng trong phạm vi từ 10
-8
đến 10
-14
(A) và
là những thiết bị đọc thông thường cho buồng ion hóa loại dòng trung bình.
Giả sử, số hạt electron đã tập trung trong buồng ion hóa thì tương ứng với số
hạt như thế đã dừng trong buồng trên một đơn vị thời gian. Tuy nhiên, số hạt
electron tồn tại đã tập trung nhiều với điện thế cung cấp cho buồng. Tại điện thế
thấp sự tích điện tại điện cực đối lập với sự mất dần của các cặp ion bằng sự kết
hợp, biến thành nguyên tử trung hòa. Tại điện thế cao, sự ion hóa sơ cấp các
electron tự do là nguyên nhân để bức xạ đạt động năng đủ trong suốt quá trình gia
tốc chúng hướng tới điện cực làm phát sinh những hạt electron thứ cấp (cái thêm
vào để tích điện) quá trình này được gọi là khuếch đại khí.
Mối quan hệ giữa số hạt electron đã tập trung trên sự kiện hoặc biên độ xung
và điện thế cung cấp trong một buồng đặc trưng hình trụ được mô tả trong hình 5.2
cho hạt alpha và hạt beta. Giới hạn điện thế thích hợp được chia thành 5 miền. Hai
miền đầu thiết lập phạm vi của sự ion hóa sơ cấp hoặc ion hóa đơn. Trái lại, miền
cuối thứ 3 bao phủ vùng khuếch đại khí mà các electron thứ cấp thêm vào điện tích

tập trung.
Hình 5.2: Kích thước tương đối của biên độ xung trong buồng ion hóa như một
hàm đặc trưng của điện áp cung cấp cho hạt alpha và beta
Điện thế cung cấp
Biên độ xung tương đối
Trang 7
Trong miền tái hợp, vận tốc trung bình của các ion đã gia tốc hướng về điện
cực tăng lên cùng với điện thế, thời gian sử dụng cho sự tái hợp giảm và hiệu suất
của điện tích tăng. Do vậy, chiều cao tín hiệu đi ra tăng với điện thế cung cấp.
Trong miền bão hòa, sự tái hợp yếu hơn trở nên không đáng kể vì thời gian
cần thiết cho sự tập trung của tất cả các ion trong buồng trở nên rất ngắn. Điện tích
tập trung được xác định bởi (2) và độ cao xung tỉ lệ với năng lượng bức xạ đã sử
dụng trong buồng. Vì sự còn lại của năng lượng đàn hồi cùng số cặp ion được tích
tụ. Do vậy, độ cao tín hiệu không phụ thuộc vào điện thế cung cấp. Ngoài ra, miền
này được gọi là miền buồng ion hóa, do tại điện thế này, dòng bão hòa tương ứng
với năng lượng trung bình còn lại trong buồng ion hóa. Buồng ion hóa hoạt động
như một hệ thống detector ghi nhận bức xạ mức trung bình. Cũng thế, do quãng
đường hạt alpha tương đối ngắn, thậm chí trong chất khí buồng ion hóa có thể được
sử dụng kết hợp với một kỹ thuật phân tích độ cao xung như phổ kế hạt alpha. Điều
đó cũng không liên quan đến sự đo lường của những hạt nhân phóng xạ vì thế
buồng ion hóa thường không được sử dụng trong kỹ thuật phân tích kích hoạt.
Hai miền đầu này được trình bày trong hình 5.2 là các miền ion hóa đơn giản.
Khi điện thế cung cấp một trường vượt quá mức trong khoảng 200V/cm, điện tích
tích tụ được tăng lên nhờ quá trình khuếch đại khí, trong đó, các electron gia tốc đạt
động năng phù hợp để tạo ra sự ion hóa nhờ va chạm. Hệ số nhân trong miền tỉ lệ
tăng nhanh với điện thế cung cấp tăng. Do đó, nó không phụ thuộc vào sự ion hóa
ban đầu, kích thước xung vẫn tương ứng với cường độ còn lại ban đầu. Tuy nhiên,
khi điện thế tiếp tục được tăng sang miền giới hạn tỉ lệ, mật độ của điện tích thứ cấp
làm cản trở quá trình khuếch đại. Sự khác nhau trong độ cao tín hiệu ra không còn tỉ
lệ với sự ion hóa ban đầu nữa. Mối quan hệ giữa độ cao xung và năng lượng bị khử

chậm.
Trong miền G-M, detector tạo ra một xung liên tục vì độ lớn của điện tích tích
tụ trở nên độc lập với sự ion hóa sơ cấp. Một hạt anpha và một hạt beta phát ra cùng
một kích thước xung cuối, bất chấp số ion hóa sơ cấp đã tạo ra trong ống G-M. Vì
vậy, ống G-M không hiệu quả cho kỹ thuật phân tích biên độ xung nhưng bởi vì nó
Trang 8
tương đối đơn giản và tín hiệu ra với biên độ lớn, nó vẫn là một detector có ích cho
kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố hóa học riêng lẻ.
Khi điện thế qua một detector chứa khí được tăng lên đều, buồng hoạt động
như một ống tiếp tục phóng điện có thể sử dụng cho sự ghi nhận bức xạ. Sự hoạt
động kéo dài của buồng chứa khí trong miền phóng điện có thể nguy hiểm, ảnh
hưởng đến tính hiệu quả của buồng như một thiết bị ghi nhận bức xạ.
5.2.a. Buồng Tỉ Lệ:
Buồng tỉ lệ đã trở thành loại thông dụng nhất của detector cho việc đo hoạt độ
phóng xạ beta trong mẫu chất rắn hoặc khí. Buồng tỉ lệ kết hợp ưu thế của buồng
ion hóa trong sự duy trì tỉ lệ giữa tín hiệu ra và sự ion hóa sơ cấp và ống G-M trong
sự đạt được một xung đủ mạnh khuếch đại khi cho mỗi sự kiện đã tìm ra. Nhiều ống
đếm tỉ lệ thương mại có thể dùng được. Chúng thông thường chứa một ống detector
dạng hình chuông, đã mô tả trong hình 5.1a, thông qua một máy đếm dòng khí.
Thông thường khí được coi là hỗn hợp của 10% methane và 90% Argon. Hỗn hợp
khí đặc biệt này được xem như một sự trung hòa tốt giữa khí Argon tinh khiết và
khí Mathane tinh khiết. Khí Argon tinh khiết không thích hợp với hệ đếm khí vì sự
tồn tại của một trạng thái kích thích lâu dài của các ion mà nó gây ra xung sau và
nồng độ cao hơn của Methane yêu cầu sự hoạt động ở điện thế lên tới 4000V. Tất cả
những điều trên được trình bày trong hình 5.2. Những khí khác đều tốt nhưng đắt
hơn. Các mẫu đếm thông thường được đặt trong một vài dạng hình đĩa hoặc mảnh
kim loại tròn và được đặt dưới cửa mỏng của ống đếm. Các detector có thể dùng
được với độ dày cửa phía cuối mỏng bằng 80 µg/cm
2
. Như thế những cửa siêu

mỏng (theo hình 4.6) cho phép hạt beta năng lượng xấp xỉ 0.1 MeV đi vào với một
sự giảm cường độ chỉ 50% vì sự phát hạt beta năng lượng rất thấp như
14
C (E
β
max
=
0.156 MeV) và
3
H (E
β
max
= 0.018MeV). Buồng tỉ lệ không cửa (ví dụ mẫu được đặt
trực tiếp trong buồng đếm) có thể được sử dụng. Nhiều vấn đề liên quan tới cửa sổ
cuối của các mẫu đếm chất rắn trong mảnh kim loại tròn được ôn lại trong phần
6.32. …ng đếm tỉ lệ được sử dụng cho việc đo hoạt độ phóng xạ của các mức rất
Trang 9
thấp. Điều đó đã tìm trong các mẫu môi trường hoặc trong các mẫu hoạt độ phóng
xạ gần giới hạn nhạy cảm.
Thuật ngữ đếm “phông thấp” thường ám chỉ các hệ thống mà mức đếm phông
bình thường được giảm đáng kể. Các nguồn đếm phông sơ khai phù hợp đến từ bức
xạ vũ trụ bao gồm sự bức xạ hạt mang điện, tia gamma thứ cấp và neutron và đến từ
các bức xạ gamma và beta từ những nguyên vật liệu có tính phóng xạ trưng bày
trong phòng thí nghiệm và detector và các vật che chắn. Những nguồn này được
giảm trong các hệ thống đếm tỉ lệ phông thấp nhờ vật liệu che chắn phóng xạ tự do
dày bao quanh detector và quanh lớp bảo vệ bên trong của detector, mà hoạt động
trong bộ phận đối trùng phùng của detector chuẩn, một tia vũ trụ năng lượng cao mà
xuyên qua vật che chắn và gây ra sự ion hóa trong detector mẫu cũng sẽ gây ra sự
ion hóa trong một detector chắn. Các xung được tạo ra nhờ hai detector, khử lẫn
nhau và sự kiện trong detector chính thì không được ghi nhận. Chỉ các sự kiện đó

mà xảy ra độc lập với detector chính được đếm.
Hình 5.3:Đường cong plateau cho hạt alpha và hạt beta trong
ống đếm tỉ lệ dòng khí
Điện thế cung
cấp(V)
Tốc độ đếm
Trang 10
Một ưu thế thêm của buồng tỉ lệ là nó có khả năng đo các bức xạ anpha và beta
một cách độc lập, thậm chí, khi các bức xạ đến từ cùng mẫu. Khả năng này là kết
quả từ sự khác nhau trong sự ion hóa đặc biệt của hạt anpha và beta, như trình bày
trong hình 5.2. Trong miền tỉ lệ, kích thước xung phụ thuộc đáng kể vào điện thế
cung cấp, nhờ sự phân biệt kích thước xung, tốc độ đếm của một loại bức xạ đã cho
có thể được tạo ra không phụ thuộc điện thế cung cấp trên vùng điện thế nhỏ (∼200-
300V). Vùng điện thế này được gọi là vùng plateau của detector (xảy ra ở khoảng
1000V cho bức xạ anpha và khoảng 2000V cho bức xạ beta). Điện thế hoạt động
của máy đếm được đặt tại một giá trị thích hợp trong vùng này. Với việc điều chỉnh
điện thế, tốc độ đếm của một mẫu có tính phóng xạ được tạo ra không phụ thuộc sự
thay đổi nhỏ trong đường hiệu điện thế. Một đường cong plateau đặc trưng cho một
ống đếm tỉ lệ loại dòng được nhìn thấy trong hình 5.3. Để đếm bức xạ hạt anpha,
máy đếm này sẽ được hoạt động tại một điện thế khoảng 1000V. Tổng số đếm tại
1600V gồm có sự đóng góp từ cả bức xạ anpha và beta. Để đạt được tốc độ đếm của
hoạt độ riêng của beta, tốc độ đếm của bức xạ anpha (được xác định nhờ sự mở
rộng miền plateau anpha tới 1600V với việc sử dụng sự phát hạt anpha) sẽ được trừ
từ tổng số đếm.
5.2.b. Ống Đếm G-M
…ng G-M được sử dụng nhiều nhờ sự đơn giản của detector ghi nhận bức xạ.
Một số sự điều chỉnh hệ thống đếm cần thiết cho sự hoạt động ổn định của detector.
Tuy nhiên, ống G-M đã dần dần được thay thế bởi các loại detector khác vì giới hạn
bên trong của nó thường quá tải, lợi thế của sự đơn giản trong quá trình hoạt động,
đặc biệt cho sự ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ. Ấy thế mà, các ống

đếm G-M tiếp tục tồn tại trong nhiều phòng thí nghiệm và cho dù sự hiệu chỉnh máy
đếm đã cần thiết đối với chúng, sẽ tiếp tục cung cấp những phép đo chính xác cho
nhiều thiết bị đo hoạt độ phóng xạ, đặc biệt khi phân ly hóa học là một phần của quá
trình.
Lợi thế của ống G-M là nó có độ nhạy cao, nó có thể phản hồi với nhiều loại
bức xạ, đa dạng cả về kích thước lẫn hình dạng, tín hiệu của đầu ra lớn, và chi phí
Trang 11
thấp về lĩnh vực điện từ học. Mẫu phổ biến nhất được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm kích hoạt phóng xạ và hóa học phóng xạ là ống G-M cửa sổ cuối với tính
kinh tế sử dụng một cái giá để giữ những mẫu với những khoảng cách cố định với
cửa sổ, trình bày trong hình 5.1b. Chúng thường được đặt ở trong một lõi chì hoặc
lõi thép với một cửa để đưa mẫu vào sắp xếp trong một cái giá. Hệ thống điện gồm
có một nguồn điện áp cao, một bộ tách sóng, một bộ phận đếm và một đồng hồ đo
thời gian. Toàn bộ hệ thống này được gọi là ống đếm G-M.
Đặc trưng tốc độ đếm của ống đếm G-M đơn giản hơn so với đặc trưng này
của ống đếm tỷ lệ, vì xung của ống G-M về bản chất là độc lập với sự ion hóa sơ
cấp là tác nhân gây ra các xung. Miền plateau của một ống G-M tốt là khoảng 300V
và sự tăng tốc độ đếm với điện áp được cung cấp thường tăng ít hơn 3%/100V.
Một trong những đặc trưng giới hạn tổng quát của ống đếm G-M là thời gian
khôi phục tương đối dài phụ thuộc vào máy đếm để phân biệt được khoảng thời
gian giữa hai lần phóng điện liên tiếp bên trong ống. Thời gian “chết” này (khoảng
250.10
-6
giây so với khoảng 0,5.10
-6
giây cho một máy đếm tỉ lệ) dẫn đến sự chồng
chéo đáng kể các sự kiện ion hóa (sự trùng hợp ngẫu nhiên) nó lần lượt dẫn đến sự
giảm tốc độ đếm đáng kể đối với những mẫu phóng xạ mạnh hơn. Ảnh hưởng này
trở nên quan trọng hơn khi tốc độ đếm vượt quá 10
4

cpm. Sự hiệu chỉnh để giảm
“thời gian chết” có thể được quyết định từ thời gian phân giải τ. Nếu n là tốc độ
đếm thực với τ = 0 và m là tốc độ đếm quan sát được, khi đó:
Ví dụ, cho một ống đếm có thời gian phân giải của nó là 250.10
-6
giây một
mẫu với tốc độ đếm thu được m = 525 cps sẽ có một tốc độ đếm thực
Tốc độ đếm thu được thấp hơn 13%. Trong ống đếm tỉ lệ, độ hụt tương ứng sẽ
nhỏ hơn 0.03%. …ng đếm G-M có điểm chung với ống đếm tỉ lệ cần để xác định
toàn bộ hiệu suất cho mẫu đếm dưới ống đếm cửa số cuối để thay đổi tốc độ đếm đo
1
m
n
m
τ
=
−
2
2 6
5.25 10
605
1 (5.25 10 250 10 )
n
−
×
= =
− × × ×
cps
Trang 12
được thành tốc độ phân hủy tuyệt đối cho nuclit phóng xạ. Toàn bộ hiệu suất của hệ

thống detector cửa sổ cuối phụ thuộc vào nhiều nhân tố trong đó bao gồm detector,
một vài linh kiện máy đếm và chính nguồn của nó.
5.3. DETECTOR NHẤP NHÁY
Điểm chú ý của Detector nhấp nháy là nó đóng góp một phần quan trọng trong
sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, nó cũng là một trong những loại
Detector cũ nhất được dùng trong đo lường bức xạ. Kính nhấp nháy được phát triển
năm 1908, là dựa trên sự phát huỳnh quang khi hạt alpha tác động vào một màng
mỏng tinh thể kẽm sunfua. Sự tương tác được quan sát với một kính hiển vi trong
một phòng tối bằng “máy đếm nhân tạo” tốc độ đếm của máy này bị giới hạn,
khoảng 60 nhấp nháy trên một phút. Sự phát triển của máy đếm điện tử hoặc những
máy đếm gộp trong những năm 1930 đã làm cho máy đếm bằng hình ảnh lỗi thời.
…ng nhân quang xuất hiện trong những năm 1940 khởi đầu cho máy đếm nhấp nháy
hiện đại. Detector nhấp nháy đã trở nên quan trọng cho việc đo phổ tia gamma, đặc
biệt trong phân tích kích hoạt phóng xạ, với việc phát hiện ra những tinh thể với mật
độ cao đặc trưng nhạy với bức xạ Gamma và sự phát triển đồng thời các thiết bị đo
điện tử, các thiết bị này nó có thể tách và chọn xung điện bằng biên độ (chiều cao
xung).
5.3.a. Nguyên Tắc Ghi Nhận Nhấp Nháy
Detector nhấp nháy phụ thuộc vào đặc tính của những tinh thể rắn, nó có thể
tiêu hao năng lượng bởi sự ion hóa và sự kích thích dưới dạng phát quang. Sự phát
xạ của ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại nói chung là dưới dạng huỳnh quang
(với thời gian sống khoảng 10
-8
giây) hoặc hiện tượng lân quang (có bước sóng dài
hơn với thời gian sống khoảng 10
-4
giây). Tinh thể nhấp nháy có thể bao gồm những
hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ. Sự phát sáng của hợp chất hữu cơ (ví dụ như antraxen)
là một đặc tính cố hữu của phân tử hữu cơ, trong khi hợp chất vô cơ, sự phát sáng là
một đặc tính của trạng thái kết tinh. Vì hầu hết các detector nhấp nháy được dùng

cho quang phổ bức xạ được làm bằng tinh thể vô cơ, sự tìm hiểu của chúng ta bị
giới hạn trong những tinh thể như vậy. Lý thuyết dải bước sóng trong giới hạn nhất
Trang 13
định của chất rắn được phát biểu năm 1928 được áp dụng cho tính dẫn điện của kim
loại, chất bán dẫn và chất cách điện kết tinh. Sự phân loại này nói chung được tạo
bởi sự khác biệt về điện trở suất. các giá trị gần đúng được cho trong bảng 5.1.
Bảng 5.1: Điện trở của vật rắn
Chất Điện trở suất
Vật dẫn. ~10
–5
Chất bán dẫn. 10
–2
tới 10
9
Chất cách điện. 10
14
tới 10
22
Lý thuyết về chất rắn coi sự phân chia cơ lượng tử trong một mạng tinh thể về
các mức năng lượng điện bên trong và bên ngoài của nguyên tử liên kết. Mặc dù các
electron bên trong liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử, các electron phía ngoài
(electron hóa trị) chịu ảnh hưởng của các nguyên tử ở gần đủ để tạo thành một dãy
các dải năng lượng “chấp nhận” liên tục bị tách bởi vùng giá trị năng lượng “lượng
tử bị cấm”. Một sơ đồ biểu diễn sự phân loại vùng năng lượng điện tử trong một
chất cách điện tinh thể ion được trình bày trong hình 5.4. Ở trạng thái cơ bản của
tinh thể, vùng hóa trị bị lấp đầy hoàn toàn bởi các electron, trong khi đó vùng dẫn
điện thì trống. Sự phân chia lượng tử về mặt năng lượng giữa hai vùng được gọi là
vùng năng lượng trống E
G
và về mặt lý thuyết, nó là năng lượng tối thiểu cần cho sự

ion hóa của một electron từ vùng hóa trị tới vùng dẫn điện. Trong tinh thể của vật
liệu cách điện thì khoảng cách năng lượng là khá lớn nghĩa là số electron trong
vùng dẫn điện ở nhiệt độ phòng là không đáng kể. Sự di chuyển của một electron từ
vùng hóa trị đến vùng bán dẫn tạo ra một “lỗ trống” trong vùng hóa trị và tạo ra cặp
electron-lỗ trống. Khi electron và lỗ trống không còn liên kết với nguyên tử, cả hai
có thể di chuyển tự do qua mạng tinh thể và tạo nên tính dẫn điện trong tinh thể.
Hình 5.4. Vùng năng lượng điện tử trong ion tinh thể cách điện.
Trang 14
Một electron cũng có thể bị kích thích xuống một trạng thái năng lượng thấp
hơn so với vùng dẫn trong đó nó vẫn còn liên kết tĩnh điện với lỗ trống trong vùng
hóa trị. quá trình này của sự kích thích dẫn đến một cặp electron-lỗ trống (sự kích
thích) nó không có điện tích thực nhưng vẫn có thể di chuyển thông quang mạng
tinh thể. Hình 5.4 cho ta thấy một vùng năng lượng kích thích riêng biệt với một giá
trị cực đại ở dưới đáy của vùng dẫn điện và một vùng tối thiểu phù hợp với sự kích
thích ở trạng thái cơ bản. bức xạ bị hấp thụ bởi một tinh thể cách điện có thể tạo ra
cả sự ion hóa và kích thích. Sự tái tổ hợp của electron từ vùng dẫn điện với lỗ trống
trong vùng hóa trị có thể dẫn đến sự kích thích nữa.
Sự xuất hiện hàng rào lỗ trống và những tạp chất (chất kích hoạt) trong tinh thể
ion tạo ra mức năng lượng địa phương (trung tâm và bẫy) trong vùng bị cấm của
biểu đồ vùng năng lượng, bên dưới vùng dẫn. Một ion kích hoạt có thể tồn tại trong
cả hai trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, chứng tỏ bằng G- và E= trong hình
5.4. Sự hủy của một kích thích có thể xảy ra 3 trường hợp:
1. Sự phát sáng, một sự chuyển về trạng thái cơ bản nhờ sự phát sáng.
2. Sự dập tắt, một sự chuyển về trạng thái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạ
nhiệt của năng lượng kích thích.
Trang 15
3. Bẫy, một dịch chuyển về vùng dẫn bằng việc thu nhiệt lượng hoặc về trạng
thái cơ bản bằng việc tiêu hao bức xạ nhiệt.
Điều kiện cho sự phát sáng của một mẫu được xác định bởi thế năng của trạng
thái cơ bản và kích thích của phân tử như một chức năng của một số cấu hình không

gian tọa độ r, như hình 5.5. Một mẫu tạp chất có thể đạt tới trạng thái kích thích
bằng việc hấp thụ bức xạ (hoặc bởi việc hấp thụ một năng lượng ε). Quá trình hấp
thụ chứng tỏ là có sự dịch chuyển
A B
→
, nó tuân theo nguyên tắc Franck-Condon
xảy ra trong một thời gian ngắn so với sự dịch chuyển của nguyên tử. Trạng thái
kích thích này nhằm tìm ra thế năng cực tiểu để có thể di chuyển về vị trí C bằng
việc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư. Photon phát quang được phát ra khi có sự
dịch chuyển
C D
→
, sau đó mẫu quay về năng lượng tối thiểu trong trạng thái cơ
bản bằng việc tiêu hao nhiệt của năng lượng dư. Phổ phát quang là một dải chứ
không phải là một đường rõ nét vì nhiệt dao động quanh thế năng tối thiểu ở mức C.
Hình 5.5. Sơ đồ mức năng lượng của một tâm kích hoạt của nhiều
trạng thái kích thích.
Trang 16
Sự kích thích dọc theo một đường
C E A
→ →
trong đó năng lượng
C E
→
được
cung cấp bằng sự kích thích nhiệt. Trong trường hợp này, sự dập tắt bên trong
không xảy ra bức xạ. Khả năng có thể xảy ra
i
K
phụ thuộc vào nhiệt độ và năng

lượng hoạt hóa
( )E E C A= ∆ →
bằng
và hiệu suất lượng tử phát quang q
0
có thể định nghĩa như sau
trong đó: k
f
là khả năng có thể xảy ra cho sự phát xạ.
k
i
là khả năng có thể xảy ra cho cạnh tranh bên trong của sự dập tắt.
k là hằng số Boltzmann; a và b là hằng số.
Sự phát quang bằng một tinh thể nhấp nháy kèm theo sự kích thích bằng việc
hấp thụ bức xạ nói chung là phân rã theo thời gian:
ở đó τ là thời gian phân rã.
Tinh thể vô cơ có những tính nhấp nháy được gọi là phốt-pho, một trong số đó
xuất hiện tinh thể tinh khiết (như kim cương, hợp chất halogen và muối uranyl).
Một số khác thì tự kích hoạt; đó là sự xử lý nhiệt tạo nên sự quá mức của một trong
những ion trong vị trí khe trong mạng tinh thể cái hoạt động như chất kích hoạt phát
sáng. Tinh thể như thế bao gồm ZnS với Zn dư, CdS với Cd dư và ZnO với Zn dư.
Hầu hết tinh thể nhấp nháy được dùng cho việc dò tìm bức xạ được hoạt hóa
và nói chung hợp chất halogen hoạt động bằng những kim loại nặng như thallium,
europi, và chì. Mặc dù việc ghi nhận bức xạ bằng tinh thể nhấp nháy đã trở thành
phương pháp đo lường chủ yếu cho bức xạ gamma, phương pháp ghi nhận bức xạ
bằng tinh thể nhấp nháy cũng hữu ích cho việc đếm hạt alpha (sử dụng các chât
/E kT
i
K ae
−

=
0
/
1
1
f
E kT
f i
k
q
k k be
−
= =
+ +
/
0
t
I I e
τ
−
=
Trang 17
nhấp nháy đầu tiên như ZnS) hoặc hạt bê-ta (đặc biệt là thiếu sự trùng khớp bức xạ
gamma) bằng chất lỏng hay bằng những hợp chất hữu cơ bằng nhựa mỏng. Phương
pháp khí nhấp nháy đã từng được phát triển cho việc đếm những hạt mang điện
nặng. Khí hiếm như Xe và Kr thì thông thường được dùng như khí nhấp nháy
nhưng máy dò này cho đến nay chưa tỏ ra hữu ích cho sự đo lường các hạt nhân
phóng xạ.
Chức năng cơ bản của detector nhấp nháy hợp chất vô cơ (bao gồm một tinh
thể nhấp nháy về phương diện quang học ghép đôi với một ống nhân quang) trình

bày ở hình 5.6. Hoạt động của hệ đo có thể được xem xét đên năm giai đoạn:
1. Sự hấp thụ năng lượng tia gamma của chất phát sáng.
2. Sự chuyển đổi của năng lượng hấp thụ thành các photon của sự phát sáng.
3. Sự di chuyển các photon trực tiếp và phản xạ tới quang catot của ống nhân
quang.
4. Sự phát ra của một vài quang electron được gia tốc tới diode đầu tiên.
5. Nhân electron tạo ra một xung có thể đo được tại cực dương của ống nhân
quang.
Trang 18
Năng lượng của photon đặt trong tinh thể được biến đổi thành photon ánh sáng
với bước sóng đặc biệt. Những photon này bị phản xạ từ các vách của bình chứa
tinh thể, nói chung được làm bằng Al
2
O
3
hoặc MgO, cho đến khi chúng đi qua vật
nối quang học và đánh bật quang catot, lúc đó nó sẽ tạo ra quang electron. Quang
catot được làm bằng vật liệu bán dẫn như là SbCs
3
hoặc BiCs
3
, chúng có hiệu suất
quang điện cao khoảng 0.2 electron trên một phôton. …ng nhân quang được thiết kế
hội tụ và gia tốc quang electron sơ cấp thông qua bộ điện cực của máy nhân (các
điôt). Mỗi điôt được duy trì ở một điện áp từ 75 đến 150V lớn hơn trước và đối với
mỗi electron phát ra từ quang catot phép nhân trung bình trên mỗi điôt là thừa số
của 4. Như vậy với 1 ống nhân quang 10 điôt, sự khuếch đại dòng của các quang
electron từ quang catot là khoảng (4)
10
hoặc khoảng 10

6
. Dòng ra tại anot lưu thông
qua một điện trở tải R
L
, nó tạo ra điện áp âm giảm xung trình bày ở hình 5.6. Xung
này được ghép cặp thông qua sự cản trở của tụ điện C tới điện cực.
Hình 5.6: Sự hấp thụ tia Gamma trong Detector nhấp nháy
dẫn đến điện áp tăng với tỷ lệ năng lượng tới.
Trang 19
5.3.b. Detector Nhấp Nháy NaI (Tl)
Hầu hết các chất vô cơ được dùng làm chất nhấp nháy cho đo lường bức xạ tia
x và bức xạ gamma có hợp chất halogen kiềm. Hỗn hợp phổ biến nhất, có giá trị
kinh tế cao với nhiều hình dạng và kích thước, đó là tinh thể NaI hoạt động với
khoảng 0.1% thalium. Thalium được thêm vào dưới dạng ion thallous(Tl+) làm tăng
hiệu suất nhấp nháy ở nhiệt độ phòng và di chuyển với bước sóng của các photon
phát quang khoảng 4200
0
A
, thích hợp với sự phản hồi của bộ nhân quang chuẩn.
CsI thỉnh thoảng được dùng với mục đích đặc biệt. NaI(Tl) có vài thuộc tính cần
chú ý. Tinh thể có mật độ cao (3.67 g/cm
3
) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma. Iot
cung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn vị của
hấp thụ bức xạ gamma. Hệ số suy giảm gamma cho NaI được trình bày ở hình 5.7.
Hệ số suy giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên
cân bằng tại năng lượng 0.3 MeV và tạo ra hiệu ứng cặp không quan trọng cho tia
gamma với năng lượng nhỏ hơn 2 MeV. NaI(Tl) có thể dần dần thành các tinh thể
lớn (> đường kính 8 in) và rất trong suốt với ánh sáng huỳnh quang của chính nó.
Những tinh thể này có thêm một thuận lợi thời gian phân rã phát quang rất ngắn

(~0.25 μsec), nó cho phép đếm được những mẫu hoạt động mạnh với thời gian chết
nhỏ bỏ qua.
NaI thì hút ẩm (nó có thể hấp thụ hơi nước từ không khí) và vì vậy tinh thể (và
bề mặt phản xạ ánh sáng) phải được bọc kín trong một bình kín với cặp kính quang
tạo thành ống nhân quang. hạn chế quan trọng khác trong việc chuẩn bị lắp ráp hệ
thống tinh thể pin quang điện là tránh kali, nó chứa đồng vị phóng xạ K-40 tạo ra tự
nhiên và các nguyên tố phóng xạ khác trong bất cứ vật liệu xây dựng nào dẫn đến
làm giảm phông đầu dò.
Trang 20
Tương tác của tia gamma với vật chất được cho trong phần 4.3.3 nó đòi hỏi
phải có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang điện với tán xạ Compton và (cho tia gamma
có E > 1.02 MeV) hiệu ứng tạo cặp. Hệ số suy giảm này do tương tác của tinh thể
nhấp nháy NaI(Tl) được trình bày ở hình 5.7. Một nguồn của tia gamma tạo ra trong
tinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng tương tác của tia gamma và tinh
thể; ví dụ như một nguồn
85
Sr
với E=0.514 MeV sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và
Compton với một (hệ số truyền) khoảng 1 tới 6 trong một hệ thống detector nhấp
nháy NaI (Tl) “lý tưởng”, theo hình 5.7. Lý thuyết phổ gamma thu được trong một
detector “lý tưởng” được trình bày trong hình 5.8; hàm delta ở mức E
o
= 0.514 MeV
tương ứng với sự hấp thụ toàn bộ tia gamma và hàm liên tục của mức năng lượng
tương ứng với tán xạ Compton từ bờ Compton (đưa ra bởi 4.46) đến mức tối thiểu
có thể nhận ra. Thực tế quang phổ thu được trong một detector nhấp nháy NaI “lý
tưởng” cũng được trình bày trong hình 5.8. Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả hai
dao động trong đầu ra tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi điôt
trong ống nhân quang. Biên độ của đỉnh quang phổ cũng tăng phần nào bởi xác suất
một compton tán xạ tia gamma có thể phát ra thêm một vài tán xạ compton dẫn đến

sự hấp thụ toàn bộ năng lượng tia gamma. Như vậy, độ rộng đỉnh toàn phần có thể
Hình 5.7. Hệ số suy giảm do NaI là một hàm năng lượng tia Gamma.
Trang 21
tăng khi kích thước của detector tăng bởi vì khả năng tăng do các biến cố tăng. các
đặc trưng khác của quang phổ tia gamma được nghiên cứu trong phần 6.3.3.
Đặc trưng của hệ thống máy dò nhấp nháy được xác định bởi một vài thông số:
1. Hiệu suất dò tìm.
2. Đường thể hiện chiều cao xung với năng lượng gamma tới.
3. Độ phân giải của hệ thống detector- pin quang điện.
4. Phông của hệ thống.
Hiệu suất nhấp nháy (nghĩa là tỷ số năng lượng photon phát ra so với năng
lượng bức xạ tới) của NaI(Tl) là lớn nhất trong hợp chất halogen photpho kiềm
khoảng 12% và khoảng 2 lần hiệu suất của antraxen, một chất nhấp nháy hữu cơ tốt.
Hiệu suất đầu dò của một detector nhấp nháy (nghĩa là tỷ số của tốc độ đếm so với
tốc độ phân rã của một nguồn phóng xạ) phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của
tinh thể và dạng hình học của nguồn. Detector NaI thương mại được chọn với nhiều
Hình 5.8. Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự
tương tác compton và quang điện trong Detector NaI.
Trang 22
kích thước, phần lớn là dạng hình trụ gắn liền với ống nhân quang. Nhiều hệ thống
đã dùng để ghi nhận các hạt nhân phóng xạ phát tia gamma có tinh thể loại tốt, đặt
trong nó những cái lọ nhỏ chứa các mẫu kích hoạt dưới dạng dung dịch hoặc chất
kết tủa có thể đưa được vào. Một detector nhấp nháy chuẩn với mặt cắt có đường
kính là 3 in, sâu 3 in. Detector NaI (Tl) được sử dụng đo quang phổ tia gamma
chuẩn được trình bày trong hình 5.9. Một detector tốt đôi khi thuận lợi hơn trong
phân tích kích hoạt, đặc biệt khi dùng kết hợp với những máy tách hóa học phóng
xạ.
Độ phân giải của một hệ thống detector là một tiêu chuẩn để đánh giá khả
năng của hệ thống detector để tạo ra chỉ một giá trị xung cao cho bức xạ đơn năng
hấp thụ hoàn toàn trong detector. Độ phân giải hoặc bề rộng đường theo phần trăm,

w
1/2
, được xác định là bề rộng của đỉnh năng lượng toàn phần tại nửa đỉnh cực đại.
trong đó:
E
Φ
- giá trị năng lượng gamma toàn phần (chiều cao xung cực đại)

E∆
là khoảng năng lượng (độ cao xung) cho bề rộng toàn phần tại vị trí
nửa đỉnh cực đại (FWHM).
Giá trị của
E∆
và
E
Φ
cả hai có thể được biểu diễn theo năng lượng hoặc điện
áp. khi phân nhỏ tia gamma tới, các tia này sẽ được hấp thụ hoàn toàn trong một
detector có kích thước cụ thể suy giảm theo năng lượng tia gamma, độ phân giải
cững thay đổi theo năng lượng tia gamma. Như vậy giá trị độ phân giải của một
detector phải xác định theo năng lượng tia gamma riêng biệt. Tia gamma có năng
lượng 0.662MeV của 30-y
137
Cs
thường được sử dụng để đo độ phân giải của
detector nhấp nháy NaI(Tl). Giá trị độ phân giải của Cs-137 thường thay đổi từ 7 tới
9% đối với các detector tinh thể phẳng và từ 10 đến 12% đối với các detector tinh
thể tốt.
1/ 2
100%

E
W
E
Φ
∆
= ×
Trang 23
5.3.c Detector Nhấp Nháy Lỏng
Các ống đếm nhấp nháy đôi khi được dùng trong phân tích kích hoạt. hợp chất
hữu cơ nhấp nháy trong giai đoạn lỏng hữu ích cho việc đếm các hạt nhân phóng
xạ; các hạt nhân này phân rã đơn lẻ bằng việc phát ra beta năng lượng thấp. Hai ví
dụ điển hình là
35
S
(E
β

max
= 0.168 MeV) và
45
Ca
(E
β

max
= 0.25 MeV). Trong ống
đếm nhấp nháy lỏng, mẫu kết hợp chặt chẽ trực tiếp vào trong chất phát sáng nhấp
nháy bằng 1 trong 3 phương pháp:
1. Trực tiếp, nếu nó có hòa tan trong chất phát sáng nhấp nháy hữu cơ.
2. Pha trộn dung dịch cồn nếu nó hòa tan trong nước.

3. Bằng việc nghiền nhỏ để đạt được chất lỏng có những hạt chất rắn nhỏ li ti
lơ lửng trong đó tốt nếu nó không hòa tan trong một chất nào khác.
Thông thường chất nhấp nháy hữu cơ lỏng bao gồm: Toluen, chất xylen,
terphynyl và một số chất hydrocacbua thơm khác. Những hợp chất hữu cơ này có
Hình 5.9. 3 x 3inch của dectector nhấp nháy được sử dụng để
đo quang phổ tia X chuẩn.
Trang 24
thuận lợi là phản ứng nhanh và nới lỏng việc sử dụng. Mẫu phải được kết hợp chặt
chẽ vào hợp chất nhấp nháy trong hóa chất; hóa chất này không làm tắt sự phát
huỳnh quang. Khi phổ huỳnh quang của hỗn hợp này mang màu tím, dung dịch chất
phát sáng hiện nay bao gồm chủ yếu là phôtpho, nó dịch chuyển với bước sóng để
phát hiện hiệu quả hơn bằng ống nhân quang.
Khi sự dập tắt xảy ra tới một phạm vi đáng kể, tiêu chuẩn về bản chất đôi khi
được đưa vào cho hệ đếm tuyệt đối. Mẫu đầu tiên không được đếm lại. Để giảm
mức độ nhiễu sóng của bộ nhân quang tại sự phát xạ nhiệt trong máy đếm nhấp
nháy lỏng thường được bảo vệ trong một buồng lạnh, và với mục đích cải tiến thêm
về hiệu suất 2 ống nhân quang trong mạch trùng hợp đôi khi được dùng cho hệ đếm
một dung dịch hòa tan. Cả hai pin quang điện phải nhận được ánh sáng từ sự phát
huỳnh quang đồng thời (trong 10
-6
s) để được ghi nhận. Khi các xung nhiễu xạ nhiệt
là ngẫu nhiên trong cả 2 pin quang điện, nhiều tín hiệu bị loại bỏ do mạch trùng
hợp.
Phương pháp khác cho sự đếm nhấp nháy của sự phát beta năng lượng thấp là
sử dụng những bánh nhấp nháy bằng nhựa mỏng của một chất phát sáng lỏng. Việc
sử dụng chất phát sáng dẻo đưa ra một số phương pháp đo mới; ví dụ, mẫu chất
lỏng có thể được trộn lẫn với hạt nhựa dẻo cho tiếp xúc với nhau, được đổ vào một
đĩa chất phát sáng dẻo được dán vào pin quang điện, hoặc cho chạy qua một ống
nhấp nháy dẻo hình xoắn ốc xung quang pin quang điện cho luồng đếm. Kỹ thuật
như thế có thể được quan tâm cho quá trình hạt nhân phóng xạ trong những trường

hợp đặc biệt.
5.4. DETECTOR BÁN DẪN
Sự khám phá ra máy thu thanh bán dẫn năm 1948 không chỉ dẫn đến sự phát
triển nhanh thiết bị điện thuộc thể rắn đối với máy đếm xung điện từ máy ghi nhận
bức xạ thường nhưng cũng phát triển một loại máy dò mới. Detector ghi nhận bức
xạ bán dẫn có điểm chung với detector khí hấp thụ bức xạ tới bằng việc ion hóa trực
tiếp. Sự khác biệt chủ yếu trong việc tạo ra sự ion hóa; trong máy đếm khí, cặp ion-
Trang 25
electron được tạo ra nhưng ngược lại trong chất bán dẫn electron-electron lỗ trống
được tạo ra. Detector bán dẫn đã trở nên hữu ích trong sự phân tích bằng phóng xạ,
đặc biệt cho tia gamma và sự chuyển hóa năng lượng electron trong quang phổ.
5.4.a. Nguyên Lý Của Chất Bán Dẫn
Chất bán dẫn thường được xác định là chất trung gian giữa chất cách điện và
chất dẫn điện. Giá trị gần đúng điện trở suất của chúng được cho trong bảng 5.1.
Thuộc tính của chất bán dẫn được giải thích trong cơ lượng tử khi xét đến lý
thuyết về chất rắn đã mô tả ở phần 5.3.1. Sự khác biệt về tính dẫn của chất bán dẫn
được xác định bởi mật độ electron dịch chuyển từ vùng hóa trị (nhóm electron liên
kết lỏng lẻo nhất với những nguyên tử riêng lẻ trong chất rắn) tới vùng dẫn (nhóm
các electron dịch chuyển tự do trong chất rắn). Trong chất bán dẫn, vùng hóa trị hầu
hết được lấp đầy bởi các electron, nơi mà vùng dẫn gần như trống rỗng. Giản đồ các
mức năng lượng của chất bán dẫn được trình bày ở hình 5.10.a. Một số giá trị về
khoảng năng lượng đặc trưng ở 300
o
K là 0.66 eV cho nguyên tố Germani (Ge), 1.08
cho silic (Si) và 1.50 eV cho Selen (Se). Tuy nhiên năng lượng tối thiểu cần cho
những phân tử bức xạ dịch chuyển trong khoảng 3.6 eV cho Si và 2.8 eV cho Ge,
chỉ có 2 chất bán dẫn thường được dùng làm detector đo bức xạ. Những thuộc tính
cơ bản của 2 chất thuộc nhóm IVb này được liệt kê trong bảng 5.2.