TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
-----    -----

TÌM HIỂU VỀ DETECTOR NHẤP
NHÁY
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ-TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Sinh viên: Nguyễn Phúc An Tim
Lớp: Sư Phạm Vật lý-Tin học K32
Mã số SV: 1062641

Cần Thơ, 2010


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHON ĐỀ TÀI
Để kiểm soát các bức xạ ở nơi làm việc và trong môi trường nói chung thì cần phải
ghi và đo được lượng bức xạ ion hóa có thể có mặt ở đó. Nguyên tử có đường kính khoảng
10-10m còn hạt nhân có đường kính khoảng 10-15m. Khối lượng hạt nhân chiếm phần lớn
khối lượng nguyên tử còn khối lượng electron không đáng kể. Ví dụ khối lượng nguyên tử
hydrogen bằng 1,67343. 10-27 kg còn khối lượng electron bằng 9,1091.10-31 kg. Khi có phản

ứng hạt nhân xảy ra nó phát ra những bức xạ ion hóa mà chúng ta không thể ghi những bức
xạ ion hóa này bằng bất ký một giác quan nào nên chúng ta phải dựa vào khả năng tương tác
của các hạt bức xạ với các vật chất khác nhau.
Trước đây để thu nhận cường độ của chùm sáng người ta dùng kính ảnh hay phim
ảnh sau đó là tế bào quang điện. Đó là các dụng cụ có độ nhạy kém, nhất là phương pháp
kính ảnh. Kính ảnh có nhiều nhược điểm như khó bảo quản, dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm,
nhiệt độ, thời tiết… mặt khác nó còn là dụng cụ trung gian để thu nhân chùm sáng và sau đó
phải xử lý tiếp mới được cường độ vạch phổ. Tức là đo độ đen của kính ảnh đã bị chùm sáng
tác dụng vào.
Với sự phát triển của khoa học, kỷ thuật. Ngày nay người ta chế tạo ra rất nhiều dụng
cụ để đo các loại bức xạ khác nhau và detector là một dụng cụ quang học dùng để thu nhận
và phát tín hiệu được sử dụng hiệu quả hiện nay. Mỗi loại bức xạ tương tác với vật chất theo
một cơ chế đặc thù, do đó detector được thiết kế để sử dụng cho một hay vài loại bức xạ xác
định. Loại detector quang học kiểu ống có thể khuếch đại tín hiệu lên hàng triệu lần. Đó là
ống nhân quang điện của detector, đây là một loại dụng cụ để thu nhận tín hiệu quang học có
tính chất vạn năng, có độ nhạy và độ chọn lọc cao.
Trong các loại detector ghi bức xạ ion hóa thì loại detector nhấp nháy với ống đếm
nhấp nháy có thể đo các bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh như tia X, gamma… thì
detector nhấp nháy đo với hiệu suất rất cao. Đây là một đề tài rất mới mẽ và có rất ít sách đề
cập đến vấn đề này. Vì thế em chọn Đề tài “ TÌM HIỂU DETECTOR NHẤP NHÁY” để
tìm hiểu rõ hơn về lợi ích cũng như ứng dụng của nó trong thực tiển.
Đề tài “Tìm hiểu Detector nhấp nháy” là một đề tài chỉ nghiên cứu về một loại máy
ghi bức xạ ion hóa. Tài liệu về vật lý rất nhiều nhưng đề cập đến đề tài này không nhiều. Với
thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và các
đặc tính kỹ thuật của detector nhấp nháy..

2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Biết được trạng thái nguyên tắc hoạt động cơ bản của detector nhấp nháy.
- Khả năng và thời gian phân giải của detector nhấp nháy.
- Mô tả được chức năng của ống nhân quang điện.

- Hiểu được tính chất của các tinh thể nhấp nháy.
- Biết ưu và nhược điểm của các chất nhấp nháy dùng trong detector.
- Khả năng ứng dụng của detector trong thực tế.

3. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Đề tài đi sâu nghiên cứu về một loại dụng cụ kiểm tra bức xạ và có liên quan trực tiếp
đến các kiến thức về bức xạ hạt nhân và nguyên tử. Chủ yếu là nghiên cứu tài liệu của giáo
viên hướng dẫn đưa và một số tài liệu liên quan trong thư viện, trung tâm học liệu, các tài
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

1

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

liệu trên internet. Từ các tư liệu trên chọn lọc ra các thông tin cần thiết để thực hiện bài luận
văn.
Trong khi trình bày đề tài tôi đã cố gắng lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất và sắp
xếp chúng theo một trình tự, nhằm nêu lên được tính cơ bản và tính hệ thống của vấn đề.

4. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Nhận đề tài luận văn tốt nghiệp từ giáo viên hướng dẫn.
- Tìm và nghiên cứu tài liệu.
- Chọn lọc thông tin và thực hiện đề tài.
- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn nhận xét, chỉnh sửa.
- Hoàn tất đề tài.

- Báo cáo luận văn tốt nghiệp.

5. CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI
Anode:
Cathode:
Dynode:

điện cực tích điện dương
điện cực tích điên âm
là một điện cực tích điện dương mà
làm tăng nhiều lần số electron trong
ống nhân quang điện.
Phân giải năng lượng: là khả năng để phân biệt những phép
đo của các hạt hoặc các photon có các
mức năng lượng khác nhau.
Sự ion hóa:
là quá trình các electron dịch khỏi
nguyên tử.
Photocathode:
là một điện cực được phủ bằng một chất
nhạy ánh sáng từ đó mà các electron
được phát ra.
Phân giải thời gian:
là lượng thời gian nhỏ nhất mà phải phân
biệt hai sự kiện để đảm bảo rằng chúng được
ghi nhận như hai quá trình riêng biệt.
Sự nhấp nháy:
là quá trình tạo ra ánh sáng kèm theo sự
dịch chuyển các electron từ quỷ đạo năng
lượng cao tới mức năng lượng thấp trong

một chất hấp thụ.
Thời gian chết:
là khoảng thời gian cực tiểu do detector quy định.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

2

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

PHẦN NỘI DUNG
Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ DETECTOR NHẤP NHÁY
1.1 Detector nhấp nháy
1.1.1 Sự nhấp nháy
Hiện tượng phát quang hay hiện tượng nhấp nháy là hiện tượng một số chất phát ra
đốm sáng nhìn thấy được dưới tác dụng của bức xạ ion hóa hoặc bức xạ lượng tử. Chất bị
phát quang khi bị bức xạ tới kích thích gọi là chất nhấp nháy. Sự nhấp nháy là quá trình tạo
ra ánh sáng khi các electron chuyển động từ quỷ đạo cao xuống các mức năng lượng thấp,
ánh sáng được giải phóng có thể bị biến đổi thành một tín hiệu điện. Kích thước của một tín
hiệu điện phụ thuộc số electron dịch chuyển và gắn liền tới lượng bức xạ gây ra sự nhấp
nháy. Sự nhấp nháy là kỹ thuật ghi đo rất quan trọng để kiểm tra bức xạ và các detector mà
sử dụng kỹ thuật này được gọi là các detector nhấp nháy.
1.1.2 Nguyên tắc hoạt động
Các detector nhấp nháy dựa trên một vài chất thực tế (được gọi là các phosphor)
chúng sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy khi các electron thay đổi mức năng lượng và các

electron này không duy trì ở mức năng lượng cao trong một thời gian dài. Thay vì thế, chúng
trở lại mức ban đầu của chúng và khi chúng di chuyển như vậy thì chúng phát xạ các photon
dưới dạng ánh sáng nhìn thấy.

Hình 1: Quá trình tạo sự nhấp nháy
Do đó ánh sáng của các photon được phát xạ và cường độ ánh sáng này tỉ lệ với năng
lượng của bức xạ tới. Sơ đồ của một detector nhấp nháy nối với các bộ phận cần thiết được
cho trong hình 2:

Detector

Tiền khuếch đại

Khuếch đại

Máy phân tích

Nguồn cao thế

Hình 2: Sơ đồ khối một hệ đo dung detector nhấp nháy.
Khi một bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân
tử. Sau đó với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản của chúng sẽ phát ra một ánh sáng nhấp
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

3

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp


Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

nháy, đó là các photon ánh sáng. Qua một lớp dẫn sáng, các photon đập vào photocatode của
nhân quang điện và ở lối ra của nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu điện có biên độ khá
lớn. Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại, thiết bị này có tác dụng hòa hợp
tổng trở ở lối ra của detector và lối vào của tiền khuếch đại.
Xung điện tạo thành sau khi đi qua các bộ khuếch đại sẽ được tăng biên độ lên mấy
bậc trước khi đưa vào bộ phận tích và ghi nhận.
Rất hiếm thấy những vật liệu có tính chất phát quang lớn, ở đa số các chất, năng
lượng kích thích của nguyên tử biến thành động năng của các nguyên tử, phân tử, hay tỏa ra
dưới dạng nhiệt do tương tác của chúng với các phân tử hay nguyên tử bên cạnh.
1.1.3 Bản nhấp nháy
Quá trình phát sáng có thể xảy ra theo hai cách:
- Trong những trường hợp các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phần tử chất
nhấp nháy về trạng thái cơ bản là những dịch chuyển cho phép, nháy sáng thường phát ra rất
nhanh (tương ứng với thời gian sống của các trạng thái này, cỡ 10-5 đến 10-9s sau khi bức xạ
đập vào), quá trình phát sáng như vậy gọi là quá trình huỳnh quang (còn gọi là dịch quang).
- Trong trường hợp các dịch chuyển bị cấm vì nguyên tắc lượng tử nào đó, thì các
trạng thái kích thích này gọi là các mức giả bền có thời gian sống lớn và nháy sáng xảy ra
chậm so với thời điểm bức xạ đập vào, đây là quá trình lân quang, chính quá trình này đóng
góp vào sự kéo dài của tín hiệu. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể được thực
hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó rơi về
trạng thái cơ bản. Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ
càng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn. Đa số các chất lân quang có
thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây. Tuy nhiên thời gian này ở một
số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Vì vậy, tốt nhất là chọn chất nhấp nháy
mà sự đóng góp của thành phần lân quang nhỏ.
1.2 Những tính chất chung
1.2.1 Hiệu suất

Trên các quang điểm ghi bức xạ hạt nhân, các chất nhấp nháy thường phải thỏa mãn
các yêu cầu nhất định:
Hiệu suất biến đổi của chất nhấp nháy phải cao (còn gọi là hiệu suất vật lý).
Năng lượng nháy sáng (nhv)
Cbđ = Năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy

(1)

Do yêu cầu xác định năng lượng bức xạ, hiệu suất biến đổi của chất nhấp nháy cần
phải phụ thuộc vào bản chất và năng lượng của hạt ghi. Nhưng thực tế trong các chất nhấp
nháy, sự tỉ lệ này bị giới hạn, nhất là đối với các hạt nặng.
Có thể thay hiệu suất biến đổi Cbđ bởi hiệu suất phát sáng Cps.
Số photon phat ra (n)
Cps = Năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy = Cbđ/(hv)

(2)

Hiệu suất phát sáng của của tinh thể NaI(Tl) khoảng 10%
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

4

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Hiệu suất biến đổi chưa quyết định hoàn toàn phẩm chất bản nhấp nháy, vì không phải

tất cả photon sinh ra đều đến được nhân bộ quang điện. Vì vậy, một chất nhấp nháy tốt cần
phải trong suốt (không hấp thụ) với ánh sáng phát ra bên trong nó (ánh sáng riêng), hay nói
tổng quát hơn, chất nhấp nháy cần phải có hiệu suất kỹ thuật cao.
Ckt =

Năng lượng ánh sáng đi ra khỏi bề mặt bản nhấp nháy
Năng lượng bức xạ hao phí trong bản nhấp nháy

(3)

Để hiệu suất kỹ thuật Ckt cao thì phần chồng chất giữa phổ phát xạ riêng và phổ hấp
thụ của nó càng nhỏ càng tốt. Trong các chất nhấp nháy lý tưởng, có độ trong suốt tuyệt đối
với bức xạ riêng, hiệu suất kỹ thuật bằng hiệu suất biến đổi.
Khi sử dụng ống nhân quang điện, chúng ta lưu ý rằng mọi loại nhân quang điện chỉ
nhạy đối với một vùng của ánh sáng tới. Vì vậy, để tín hiệu xung điện lớn (nghĩa là hiệu suất
kỹ thuật cao) nhân quang điện phải chọn sao cho phổ nhạy của nhân quang điện và phổ sáng
của bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt.
1.2.2 Thời gian phát sáng
Thời gian phát sáng cũng là một phẩm chất cần lưu ý. Sau khi bức xạ đập vào chất
nhấp nháy, bắt đầu quá trình hình thành nguyên tử kích thích (tùy theo năng lượng bức xạ
mà số nguyên tử kích thích được tạo ra nhiều hay ít và dĩ nhiên các nguyên tử này tồn tại ở
trạng thái kích thích một lúc sau mới phát sáng). Do đó, trong thời gian rất ngắn to ban đầu,
cường độ sáng rất nhanh đến giá trị cực đại đầu Io (thời gian to = 10-12 giây bằng thời gian
hãm hạt trong môi trường nhấp nháy). Sau đó, cường độ, I, giảm từ theo hàm số mũ:
I = I oe

-t

(4)
Ở đây t tính từ thời điểm t = to. Đại lượng t đặc trưng cho thời gian kéo dài của lóe

sáng và được gọi là thời gian phát sáng của bản nhấp nháy. Thời gian kéo dài xung điện của
nhân quang điện quyết định bởi tín hiệu sáng của bản nhấp nháy. Như vậy, để khả năng phân
giải thời gian cao, thời gian phát sáng của bản nhấp nháy càng phải nhỏ.
t

1.2.3 Hiệu ứng ion hóa
1.2.3.1 Đối với hạt nặng tích điện
Khi đi qua môi trường vật chất các hạt tích điện tương tác với các electron môi trường
bằng trường điện từ của mình và đưa các electron này đến mức năng lượng cao hơn ( kích
thích nguyên tử) hoặc bức các electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử (ion hóa). Trong mỗi lần
tương tác không đàn hồi như vậy hạt sẽ mất một phần nhỏ năng lượng của mình và tạo ra
một cặp ion dương – electron. Số lượng cặp ion do hạt điện tích tạo ra xác định mật độ ion
hóa ban đầu.
Năng lượng trung bình mà hạt mất đi để ion hóa và kích thích nguyên tử trên 1cm
đường đi của môi trường cho trước được gọi là độ mất năng lượng ion hóa riêng (dE/dx) cho
bởi biểu thức sau (công thức Bethe):
ü
dE 4pz 2e 4ne ì 2mov 2
(5)
=
- ln(1 - b 2 ) - b 2 ý
íln
2
dx

mov

î

I


þ

Trong đó:
z: điện tích của hạt
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

5

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Lun vn tt nghip

ti: Tỡm hiu detector nhp nhỏy

ne: s electron trờn mt n v th tớch ca mụi trng, n =

ZrN a
.
A

Na: s Avogadro
r : mt ca mụi trng vt cht
A, Z: ln lt l s khi v bc s nguyờn t ca mụi trng.
mo: khi lng electron
v: vn tc ca ht
I: nng lng ion húa trung bỡnh
b = vc
Cụng thc Bethe khụng cũn ỳng khi ht cú nng lng thp, vỡ s trao i in tớch

gia ht v mụi trng lm thay i in tớch ca ht. Cỏc ion dng cú xu hng bt
electron ca mụi trng do vy in tớch ca nú gim xung. Ti cui quóng ng cỏc ion
dng bt electron v tr thnh nguyờn t trung hũa. T s gia bc s nguyờn t v s
khi A l (Z/A) trong cỏc nguyờn t khỏc nhau gn nh hng s, nờn (dE/dx) ph thuc thc
t vo mt mụi trng. Trong trng hp ht ti truyn trc tip mt nng lng ln cho
mt electron no ú ca lp v nguyờn t mụi trng, electron b bc ra vi mt ng nng
ln cú kh nng ion húa (hoc kớch thớch) cỏc nguyờn t khỏc ca mụi trng v to nờn s
ion húa th cp.
S mt nng lng ton b ca ht tớch in khi i qua mt lp vt cht l tng ca
cỏc nng lng mt mỏt do kớch thớch v ion húa cỏc nguyờn t. Do quỏ trỡnh kớch thớch
khụng úng gúp vo s to cp ion, nờn nng lng trung bỡnh w ca ht ti mt i to
thnh mt cp ion thng ln hn nng lng ion húa.
1.2.3.2 i vi cỏc ht nh tớch in
S mt nng lng ca cỏc ht nh tớch in ion húa v kớch thớch nguyờn t
thng gi chung l s mt nng lng ion húa v xy ra do va chm khụng n hi ca cỏc
ht vi cỏc electron ca lp v nguyờn t. i vi cỏc ht nh s mt nng lng do ion húa
c biu din bi biu thc sau:
2
2pe 4ne ỡ
1
mov 2 E
ổ dE ử
2
2
2
2 ỹ
ln
ln
2
2

1
1
(
1
)
1
1
b
b
b
b
+
+
+
ỗữ =
ý (6)
ớ
8
mov 2 ợ 2 I 2 (1 - b 2 )
ố dx ứion
ỵ
Trong vựng nng lng khụng tng i b << 1 , cụng thc (6) cú dng:

(

)

2pe 4ne ỡ mov 2 1
1ỹ
ổ dE ử

ln
- ln 2 + ý
ỗữ =
2 ớ
2
2ỵ
mov ợ 2 I
ố dx ứion

(

)

(7)

Trong vựng nng lng khụng tng i b >> 1 , cụng thc (6) cú dng:
2pe 4ne
ổ dE ử
ỗữ =
mo v 2
ố dx ứion

ỡù
1 ỹù
E
ln
+
ớ
ý
ùợ 2 I 2 (1 - b 2 ) 8 ùỵ


(8)

Trong ú E l ng nng tng i ca electron
E=

mo c 2
(1 - b )
2

- moc 2

(9)

z: in tớch ca ht
GVHD: Hong Xuõn Dinh

6

SVTH: Nguyn Phỳc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

ne: số electron trên một đơn vị thể tích của môi trường, ne =

ZrN a
A


Na: số Avogadro
r : mật độ của môi trường vật chất
A, Z: lần lượt là số khối và bậc số nguyên tử của môi trường.
mo: khối lượng electron
v: vận tốc của hạt
I: năng lượng ion hóa trung bình
b = vc
Khác với hạt nặng, cả hai trường hợp không tương đối và tương đối đều quan trọng
đối với electron vì năng lượng giới hạn moc2 tương đương 0,5MeV , do vậy đối với các
electron có năng lượng vài MeV chúng là hạt tương đối.
1.2.4 Thiết lập công thức đo liều chiếu theo cơ chế nhấp nháy
Khi qua chất nhấp nháy, năng lượng của bức xạ sơ cấp E bị hấp thụ toàn bộ hay chỉ
một phần a nào đó aE . Năng lượng bức xạ bị hấp thụ aE trong chất nhấp nháy phụ thuộc
vào bề dày d của chất nhấp nháy, quãng đường cực đại của hạt và năng suất hãm của chất
nhấp nháy. Sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của hạt mang điện trong tinh thể nhấp nháy, tức
là a = 1 và hiệu suất ghi các hạt là 100% chỉ có thể có được nế độ dày tinh thể lớn hơn
quãng đường cực đại của hạt. Hiệu ứng biên và hiệu ứng tán xạ ngược bị loại trừ bằng cách
đặt nguồn bức xạ bên trong chất nhấp nháy (dạng hình học 4p ).
Năng lượng hấp thụ Esc = a .E của tinh thể nhấp nháy đối với bức xạ ion hóa đi vào
chủ yếu được dùng cho sự ion hóa và kích thích mà trong đó một phần năng lượng chuyển
thành nhiệt năng. Các phần tử và nguyên tử của tinh thể lại bức xạ năng lượng dưới dạng
photon ánh sáng với năng lượng toàn phần Ef (Ef < Esc). Đồng thời phổ bức xạ của những
chất nhấp nháy không phụ thuộc vào bản chất của tác nhân bức xạ ion hóa.
Ef
là hiệu suất biến hoán (hiệu suất ánh sáng vật lý). Nếu gọi p là số
Esc
photon phát ra có năng lượng trung bình hn , ta có:
E
E f = p.hn mà h ' = f

Esc
p.hn
hn
hn
Do đó h ' =
=
=
(10)
E
Esc
w
sc
p
E
Với w = sc là năng lượng trung bình do tác nhân ion hóa mất đi để tạo một lượng tử
p

Người ta gọi h ' =

ánh sáng. Phần năng lượng còn lại Esc - Ef mất đi do các dịch chuyển không phát sáng.
Từ trên ta có:
E .h '
p = sc
(11)
hn
Quá trình năng lượng ánh sáng thoát ra khỏi chất nhấp nháy được gọi là sự huỳnh
quang. Huỳnh quang không phải là quá trình tức thời, cường độ huỳnh quang biến đổi theo
quy luật hàm mũ
GVHD: Hoàng Xuân Dinh


7

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Lun vn tt nghip
I t = I o .e

ti: Tỡm hiu detector nhp nhỏy
-t

t

Io l cng bc x cc i khi t = 0;
t l hng s thi gian hunh quang (ca thnh phn nhanh nht) cỏc cht nhp
nhỏy cú t = 10 -9 - 10-5 s . Do ú, s photon pt thoỏt ra sau khong thi gian t l:
-t
pt = p.ổỗ1 - e t ửữ
ố
ứ

(12)

Nu t rt bộ hoc t ln ta cú pt @ p .
Hiu sut ỏnh sỏng i vi cỏc loi bc x khỏc nhau, nú ph thuc vo nng lng,
a
in tớch v khi lng ca ht, do ú ngi ta a vo t s c trng . T s ny cho bit
b
hiu sut ỏnh sỏng ca cht nhp nhỏy di tỏc dng ca bc x a ln hn hoc nh hn
bao nhiờu ln so vi hiu sut ỏnh sỏng ca nú di tỏc dng ca bc x b .

trong sut quang hc ca cht nhp nhỏy i vi bc x riờng ca nú Tp ph thuc
vo h s hp th quang hc m ' v di quóng ng x ca photon trong tinh th.
Tp = e - m '. x
(13)
m ' ph thuc vo bc súng bc x ti v bc x hunh quang. i vi mt s tinh th m '
nh do ú cú th lm tinh th dy lờn, cũn ngc li phi lm tinh th mng i.
Ngoi trong sut ca tinh th Tp, s tỏn x ỏnh sỏng lờn cỏc mt cng nh hng
n hiu sut ghi nhn ỏnh sỏng, ỏnh sỏng cn phi c tp trung li v thoỏt ra khi mt cú
photocathode ca nhõn quang in. c trng cho s gúp ỏnh sỏng, ngi ta a ra mt
i lng gi l gúp sỏng s . gúp ỏnh sỏng ph thuc vo gúc khi nhỡn cht nhp
nhỏy ca photocathode, mt bờn v mt trờn ca tinh th c ph MgO c m bc hay
bc lp nhụm, ụi khi nhng b mt ny c lm xự xỡ. Tt c nhng u trờn l nhm lm
tng gúp sỏng s .
Nh vy, khi p nhỏy sỏng to ra ch cú p nhỏy sỏng n c quang photocathode :
p'= p.Tp .s
(14)
i vi cỏc cht nhp nhỏy riờng l trong phũng thớ nghim ta cú th ly Tp=l v s =l.
m rng vựng nhy ph trong vựng bc x t ngoi, ngi ta ch to ca s thu ca
b nhõn quang in bng thch anh, khi ú phõn gii thi gian cao v biờn xung tng
30% so vi b nhõn quang in dựng thy tinh thng (quaterphenyl). S photon p ny i
n cathode ca nhõn quang in, õy xy ra hiu ng quang in.
Gi g (10 20%) l hiu sut thoỏt lng t ca photocathode ng nhõn quang in.
Ta cú :
N e = g. p '

ị Ne =

(15)

Esc .h '.s .Tp .g

hn

Nu b nhõn quang in cú n diode (n = 8 14) v h s nhõn in ca mi diode l
( d = 3 10) thỡ h s khuch i ca b nhõn quang in l k = d n . S electron v n anode
l :
E .h '.s .Tp .g .k
A
N e = N e .k = N e .d n = sc
(16)
hn
GVHD: Hong Xuõn Dinh

8

SVTH: Nguyn Phỳc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Ta có điện tích qua anode của bộ nhân quang điện :
A

Q A = N e .1,6.10-19 (C)
Þ

(17)

Esc .h '.s .Tp .g.k .1,6.10 -19

Q =
(C )
hn
A

Nếu có bố trí thích hợp ta có Tp=l và s =l, khi đó ta có :
Esc .h '.g .k .1,6.10-19
A
Q =
(C )
(18)
hn
Làm cho điện thế ở anode thay đổi một lượng: U A =

QA
C

Bây giờ chúng ta đi tính năng lượng bị hấp thụ trong khối nhấp nháy. Ta gọi Pz là
suất liều hấp thụ của nguồn phóng xạ trong chất nhấp nháy. dEsc là năng lượng hấp thụ trong
đơn vị thời gian, trong khối lượng dM của chất nhấp nháy, theo định nghĩa ta có:
dEsc
(19)
dM
Với: dM = S .r z .dx trong đó r z , S lần lượt là khối lượng riêng và diện tích đáy của
Pz =

khối nhấp nháy. Gọi d là bề dày của khối tinh thể.
x

x+dx


S

Io

Ix

dM

Hình 3: Khối nhấp nháy

Ta có:
Pz = I x .(g m ) z = I o .e ( - m z . x ) .(g m )

(20)
Ở đây (g m ) z là hệ số truyền năng lượng khối. Thế (20) vào (19) ta có:
d

Esc = I o .(g m )z .S .r z .ò e ( - m . x ) dx
0

Þ Esc

{1 - e }.d
= I .(g ) .S .r .
m
( - m z .d )

o


m z

(21)

z

z

Ở đây ta giả sử Esc là năng lượng hấp thụ trong khối nhấp nháy trong một đơn vị thời
gian. Thế (21) vào (17), ta có:
{1 - e(- m .d ) }.d .h '.s .Tp .g.k .1,6.10-19 (C ) (22)
Q A = I o .(g m )z .S .r z .
m z .d .hn
Đây chính là điện tích chạy qua anode trong một đơn vị thời gian, đó chính là dòng
điện qua anode iA.
Trong (22), ta có suất liều chiếu xạ phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ:
Pkk = I o .(g m ) kk
Do đó
z

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

9

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp
i A = Pkk .M .


Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

(g m )z h '.s .Tp .g .k.1,6.10 -19
.
( A)
(g m )kk
m z .d .hn

(23)

1.2.5 Dạng cứng
Ta nhận thấy rằng trong công thức (23), các đại lượng m z , (g m )z phụ thuộc vào năng
lượng do đó dẫn đến cùng một suất liều chiếu nhưng đối với các gamma có năng lượng hn
khác nhau máy đo sẽ chỉ các cường độ iA khác nhau. Ta gọi hiệu ứng này là dạng cứng.
Khi sử dụng chất nhấp nháy mỏng ( m z .d <<1) có hệ số truyền năng lượng tương
đương không khí (g m )z = (g m )kk thì hiệu ứng dạng cứng có thể bỏ qua. Khi đo suất liều lượng
bằng các chất nhấp nháy hiện hành, cần phải tính tới dạng cứng tức là tỉ số các hệ số truyền
năng lượng và hệ số suy giảm của bức xạ gamma trong chất nhấp nháy. Khi bề dày của khối
nhấp nháy tăng, dạng cứng tăng lên nhất là trong vùng năng lượng thấp.
Ta có đồ thị dạng cứng của NaI(Tl) (Zhd=50) đường cong (2) của Antraxen (Zhd=5,8)
đường cong (1). Cực đại của đường cong dạng cứng của NaI(Tl) là do ảnh hưởng của hiệu
ứng quang điện. Ở vùng năng lượng nhỏ, đường cong (2) đi trên giá trị
antraxen, trong toàn bộ vùng năng lượng nhỏ đường cong đi dưới giá trị

iA
= 1 . Còn
PKK

iA
= 1 , vì hiệu ứng

PKK

quang điện ảnh hưởng yếu hơn. Sự kết hợp của hai chất này với tỉ lệ phù hợp sẽ cho đường
cong (3) trong hình sau:
iA
PKK

(2)

101

NaI(Tl)
100
10-1

(1)
10-2

iA
PKK

2
1,6

5

En MMe

(2)
NaI(Tl)


(3)

1
0,6
0

10-1 2

(1)
10-2

10-1

1

En MMe

Hình 4 : Phương pháp khử dạng cứng

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

10

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Lun vn tt nghip

ti: Tỡm hiu detector nhp nhỏy


hiu chnh dng cng, cn kt hp hai cht sao cho nh hng tng h ca
chỳng trong vựng hiu ng quang in l bự tr nhau. Thớ d nh kt hp cht nhp nhỏy
hu c v vụ c, hũa tan cht phỏt quang hu c trong dung mụi chớnh (n-terphenyl trong
benzene), trn hai cht nhp nhỏy hu c cú Zhd khỏc nhau. Trờn hỡnh.
1.2.6 S phỏt bc x hóm
Khi mt ht tớch in chuyn ng cú gia tc s bc x nng lng di dng bc x
in t. Do vy, khi mt ht tớch in i vo mụi trng vt cht, ht b trng coulomb ca
nhõn lm lch hng, chuyn ng cú gia tc v phỏt ra bc x in t gi l bc x hóm.
Nng lng phỏt ra trong quỏ trỡnh ny t l thun vi bỡnh phng gia tc, tc t l vi 1/m2
(m l khi lng ca ht), vỡ vy i vi cỏc ht nng, s phỏt bc x hóm rt nh, khụng
ỏng k, thm chớ ngay trong mụi trng vt cht cú bc s nguyờn t Z ln. Nhng i vi
cỏc ht nh tớch in cú nng lng cao thỡ hiu ng phỏt bc x hóm rt ln, thm chớ cũn
ln hn hiu ng ion húa. S mt nng lng do phỏt bc x hóm c tớnh theo biu thc
sau:
4
2E
4ỹ
ổ dE ử nZE (Z + 1)e ỡ
- ý
ỗữ=
ớ4 ln
2 4
2
moc
3ỵ
137 mo c ợ
ố dx ứ

(24)


Vi ne = nZ (n l mt nguyờn t ca mụi trng vt cht)
S tng quan gia hai loi mt mỏt nng lng, do ion húa v do phỏt bc x hóm,
c tớnh theo h thc gn ỳng sau:
ổ dE ử
ỗữ
ố dx ứ rad ằ ZE (MeV )
ổ dE ử
800
ỗữ
ố dx ứion

(25)

Trong ú:
E: ng nng ca electron (MeV)
ZrN a
n=
: s ht nhõn nguyờn t trong mt n v th tớch.
A

mo: khi lng ca electron
Z: bc s nguyờn t ca mụi trng
Nh vy, vi cỏc ht nh nng lng cao thỡ hiu ng phỏt x hóm xy ra rừ rt v
nu khụng chỳ ý cú th gõy nờn nhm ln ỏng k khi o nng lng theo hiu ng ion húa.
ú l iu cn lu ý khi s dng cỏc detector xỏc nh nng lng ca bc x.
1.2.7 Tng tỏc ca bc x gamma vi vt cht
Bc x gamma l súng in t cú bc súng nh hn khong cỏch gia cỏc nguyờn t
( l << a , vi a cú giỏ tr khong 10-8 cm), bc x ny ngoi tớnh cht súng cũn c hỡnh
dung nh dũng ht nờn gi l lng t gamma. Gii hn nng lng thp nht ca lng t

gamma l 10 keV. Cụng thc liờn h gia nng lng v bc súng ca lng t gamma cú
dng:
2phc
E=
(26)
l
GVHD: Hong Xuõn Dinh

11

SVTH: Nguyn Phỳc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Các máy gia tốc hiện đại tạo được lượng tử gamma với năng lượng trên 20 GeV. Tuy
vậy, giá trị năng lượng khoảng từ 2 - 30 MeV là thích hợp nhất cho các ứng dụng trong thực
tế. Giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ bởi môi trường, chủ yếu do
tương tác điện từ. Tuy nhiên, cơ chế của loại hấp thụ này khá đặc biệt vì hai lý do:
- Lượng tử gamma không mang điện tích do đó không chịu tác động dưới trường lực
coulomb. Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong vùng có bán kính khoảng
10-11cm (kích thước này nhỏ hơn cở 3 bậc so với khoảng cách a giữa các nguyên tử). Từ đó,
va chạm giữa lượng tử gamma (dịch chuyển qua môi trường vật chất) với electron và nhân
khá hiếm, những va chạm như thế thường dẫn đến sự lệch hướng đột ngột của lượng tử
gamma khỏi hướng đi ban đầu của nó. Nghĩa là lượng tử gamma tách ra khỏi chùm tia.
- Lượng tử không có khối lượng nghỉ, do đó không thể chuyển động với vận tốc khác
vận tốc ánh sáng. Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không thể bị chia nhỏ. Chúng cũng
bị hấp thụ và tán xạ, thường ở các góc lớn. Do vậy, cường độ ban đầu của chùm bức xạ giảm

dần.
Khi xét đến cơ chế tương tác của bức xạ gamma với môi trường ta phải xét đến tính
lượng tử, nghĩa là tính chất sóng – hạt của bức xạ gamma. Tính lượng tử của bức xạ gamma
rất rõ nét vì bức sóng của bức xạ gamma nhỏ hơn khoảng cách giữa nguyên tử và electron.
Theo cơ học lượng tử, bài toán tương tác giữa lượng tử gamma và nguyên tử chỉ có thể giải
được dựa trên cơ sở điện động lực học lượng tử. Tương tác của bức xạ gamma với môi
trường vật chất xảy ra theo ba cơ chế chính:
+ Hiệu ứng quang điện.
+ Hiệu ứng Compton.
+ Hiệu ứng tạo cặp.
1.2.5.1 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải thoát các electron từ bề mặt kim loại khi có
các bức xạ điện từ thích hợp chiếu vào nó. Các electron bật ra từ bề mặt kim loại gọi là
quang electron. Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn
hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại
này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng
quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang
điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức
xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt
ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được
gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số
ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở
thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng
quang điện trong (external photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính
chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng
của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần năng lượng này giúp electron thắng
lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron. Theo định luật bảo toàn năng
lượng:
E = Te + I o

(27)
với Io: năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
-

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

12

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Te-: động năng của electron
Động lượng của hệ được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử. Do điều kiện bảo toàn
năng lượng và động lượng electron tự do không thể hấp thụ hay bức xạ một photon. Do đó,
hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất đối với lượng tử gamma có năng lượng cùng bậc với
năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối với các electron nằm ở các lớp vỏ
nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn, năng lượng liên kết của electron
càng lớn. Vì vậy, với khoảng năng lượng của bức xạ gamma cao hơn tia X, hiệu ứng quang
điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%). Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi
trường vật chất có bậc số nguyên tử lớn.

Hình 5: Hệ số khối hấp thụ của chì m
t : hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện.
s COH , s INC : lần lượt là hệ số hấp thụ khối của tán

xạ Compton kết hợp và không kết hợp.


Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử
gamma và loại nguyên tử. Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỷ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh
đối với các nguyên tố nặng. Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới chỉ lớn hơn năng lượng
liên kết của e- thì tiết diện hấp thụ, s f (E), tỷ lệ với 1/E3,5, nghĩa là nó giảm rất nhanh khi
tăng năng lượng. Khi năng lượng bức xạ gamma tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên
kết, s f (E) giảm chậm hơn, theo quy luật E-1. Trong khoảng năng lượng liên kết của
electron, tiết diện hấp thụ thay đổi gián đoạn, nghĩa là xuất hiện các đỉnh hấp thụ tại các giá
trị năng lượng hơi cao hơn năng lượng liên kết của electron trong các lớp. Bởi vì theo định
luật bảo toàn năng lượng, ở năng lượng thấp hơn năng lượng liên kết của electron lượng tử
gamma không đáng thể tham gia hiệu ứng quang điện. Trên hình 5 đã biểu diễn sự phụ thuộc
của hệ số hấp thụ khối toàn phần m m (đường liền nét), hệ số hấp thụ khối quang điện t
(đường nét đứt có ký hiệu t ) của chì theo năng lượng. Ở miền năng lượng thấp, hệ số hấp
thụ khối toàn phần xắp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện, t , hai đường
biểu diễn trùng lên nhau. Hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng quang điện bằng:
(s N )
(28)
t= f
r
n là số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích.
r là khối lượng riêng.
Do vậy, t tỷ lệ thuận với s f (E ) và sự xuất hiện các cạnh trên đường biểu diễn t ở
các năng lượng hơi lớn hơn năng lượng liên kết của electron cho thấy sự thay đổi gián đoạn
của s f (E ) .

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

13

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)



Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Trong khoảng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, tiết diện hấp thụ
s f (E ) rất lớn hơn so với tiết diện của các quá trình khác, như được biểu diễn trên hình 5.

Khi tăng năng lượng, tiết diện hấp thụ s f (E ) giảm mạnh, vì khi đó electron trong nguyên tử
được xem như electron tự do, với Al ta có:
s f » 6.10 -18 cm 2 ở E = 1 keV
s f » 6.10 -25 cm 2 ở E = 0,1 keV

Hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ chủ yếu ở vùng năng lượng thấp, vai trò của
nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao.
1.2.5.2 Hiệu ứng Compton
Tán xạ Compton hay hiệu ứng Compton là sự thay đổi bước sóng của bức xạ điện từ
và lệch phương (bị tán xạ) khi va chạm vào hạt điện tích (electric charge).
Hiệu ứng mang tên nhà Vật lý Mỹ Arthur Holly Compton (1892-1962). Ông đã thực
hiện thành công năm 1923 khi cho photon của bức xạ Roentgen có bước sóng l tới va vào
electron đứng yên (bia graphit). Compton đã sử dụng tia X với bước sóng λ = 0,7A0 tán xạ
trên bia Graphít. Vì năng lượng tia X tương ứng với giá trị cỡ 1,8. 104 eV, giá trị này lớn
hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron ở các lớp bên ngoài của nguyên tử
Cácbon là thành phần chính của Graphít. Chính vì vậy mà có thể xem các electron ở lớp
ngoài của nguyên tử là tự do so với năng lượng chùm tia X dọi tới Graphít.
Trong phổ tia X thông thường, ngoài vạch phổ ứng với giá trị bước sóng tới λ còn
xuất hiện vạch phổ ứng với bước sóng λ’ có giá trị lớn hơn λ (tức là (λ’ > λ ). Các kết quả
thực nghiệm cho thấy bước sóng λ’ không phụ thuộc vào cấu tạo của chất bị dọi bởi tia X
mà chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ θ (Xem hình 6). Độ tăng của bước sóng do kết quả tán xạ

được xác định:
Trong quá trình va chạm, photon nhường một phần năng lượng cho electron và biến
photon khác có bước sóng l ' > l .
Với electron, ta có :
Trước khi va chạm : năng lượng là moc2 ; xung lượng là 0 (vì đứng yên)
Sau khi va chạm : năng lượng là mc2 ; xung lượng là mv
Với photon, ta có :
hn
Trước va chạm (photon tới) : năng lượng là hn ; xung lượng là
c
hn '
Sau va chạm (photon tán xạ) : năng lượng là hn ' ; xung lượng là
c

Lưu ý thêm :
Mối liên hệ giữa năng lượng E = mc2 và xung lượng p của electron giật lùi (sau va
chạm) :
2

E = mo c 4 + p 2c 2

Mối liên hệ giữa năng lượng E = mc2 và động năng K của electron giật lùi (sau va
chạm) :
E = K + moc 2

Theo định luật bảo toàn năng lượng (conservation of ennergy) :
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

14


SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy
hn + mo c 2 = hn '+ mc 2

(29)

Theo định luật bảo toàn động lượng
p = p' + pe
Þ

pe = p - p '

Vận dụng hệ thức lượng trong tam giác:
2

2

2

pe = p + p ' - 2. p. p'.cosq
2

2

hn ' hn
æ hn ö æ hn ' ö

Ûm v =ç
.
cosq
÷ +ç
÷ -2
c c
è c ø è c ø
Hay m 2 v 2 c 2 = h 2n ' 2 +h 2 v 2 - 2h 2n ' v cosq
(30)
2 2

Từ (15) suy ra:

mc 2 = h(n - n ') + mo c 2

[

m 2c 4 = h(n -n ') + moc 2

]

2

= h 2 (n -n ') + mo c 4 + 2hmoc 2 (n - n ')
2

2

= h 2v 2 + h 2v '2 -2h 2v' v + mo c 4 + 2hmo c 2 (n - n ') (31)
2


Lấy (31) trừ (30) vế theo vế và làm gọn:
æ v2 ö
2
m 2 c 4 çç1 - 2 ÷÷ = -2h 2 vv' (1 - cosq ) + 2hmoc 2 (v - v ' ) + mo c 4
è c ø

Theo thuyết tương đối của Einstein, có:
m=

v2 ö
2
2æ
ç
1
m
m
Þ
=
o
ç c 2 ÷÷
v2
ø
è
1- 2
c
mo

Với mo là khối lượng nghỉ (khối lượng tĩnh). Thay vào đẵng thức trên, được:
æ v2 ö

æ v2 ö
m 2c 4 çç1 - 2 ÷÷ = -2h 2vv ' (1 - cosq ) + 2hmoc 2 (v - v ' ) + m 2c 4 çç1 - 2 ÷÷
è c ø
è c ø
2
Þ moc (v - v ' ) = hvv ' (1 - cosq )

Chia 2 vế cho mocvv’ và biến đổi thêm lượng giác, được:
c c
h
(1 - cosq )
- =
v' v mo c
Û l '- l =

h
(1 - cosq ) = h 2 sin 2 q
mo c
moc
2

6,625.10 -34
h
=
= 0,0243( Ao ) gọi là bước sóng Compton.
8
- 31
moc 9,1.10 .3.10
Gọi Dl = l '- l là độ biến thiên của bước sóng của tia sau khi bị tán xạ (độ dịch


Đặc lc =

compton).
q gọi là góc tán xạ.
Biểu thức dưới đây, viết dưới dạng tinh giản phản ánh qui luật tán xạ compton :
q
Dl = lc (1 - cosq ) = 2lc sin 2
(32)
2

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

15

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Nhận thấy rằng độ dịch chuyển compton chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ chứ không phụ
thuộc gì vào năng lượng của photon tới.

Hình 6: Tán xạ Compton.
1.2.5.3 Hiệu ứng tạo cặp
Khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn rất nhiều so với 2moc2 bằng 1,022MeV
thì quá trình tương tác chính của gamma lên vật chất là sự tạo cặp electron – positron. Cặp e, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân, khi đó lượng tử gamma biến mất (hấp thụ hoàn
toàn) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e-, e+ và nhân giật lùi. Năng lượng giật lùi của
nhân không đáng kể, do đó biểu thức định luật bảo toàn năng lượng được viết như sau:

E = T- + T+ + 2mo c 2

Với T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron.
Mo là khối lượng của electron
Các e-, e+ sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+ sẽ bay đi khỏi hạt nhân,
còn e- bị hãm lại (do lực hút coulomb). Do đó phổ năng lượng đo được khác nhau đối với hai
loại này. Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Z lớn. Do khối lượng nghỉ của
gamma bằng 0, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng lượng của nó lớn hơn tổng năng lượng
nghỉ của electron và positron (2moc2 = 1,022MeV). Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ qua
khi năng lượng của lượng tử gamma nhỏ hơn 1,022MeV. Trên ngưỡng năng lượng này, tiết
diện tương tác tăng dần và đạt đến một giá trị không đổi ở năng lượng rất cao ( khoảng
1000moc2). Giá trị này bằng s p » 0,08Z 2ro 2 , với ro là bán kính cổ điển của electron.
Vì cả hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton có tiết diện tán xạ giảm đến 0 ở
khoảng năng lượng rất cao, nên sự tạo cặp ở vùng này là cơ chế chủ yếu hấp thụ bức xạ
gamma. Ở mọi năng lượng, tiết diện tán xạ đều tỷ lệ với Z2.
1.2.5.4 Hệ số hấp thụ
Chiếu một chùm tia gamma đơn năng, song song tới một lớp vật chất có bề dày t,
chùm tia có cường độ ban đầu Io. Cường độ chùm tia qua lớp vật chất bề dày t là I, phụ
thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ, t, theo quy luật:
I = I oe - mt
(33)
m : gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính. Hệ số hấp thụ tuyến tính hoàn toàn mô tả sự suy
giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường vật chất. Nó phụ thuộc vào tính chất của môi
trường và năng lượng của lượng tử gamma.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

16

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)



Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Khi đi vào môi trường vật chất, bức xạ gamma có thể tương tác với môi trường vật
chất theo cơ chế hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp. Do đó, hệ số hấp thụ tuyến
tính toàn phần m của vật chất là tổng các hệ số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ:
m = m f + m c + mp
(34)
Khi xét đến tiết diện tán xạ, cần chú ý rằng tâm tán xạ của hiệu ứng quang điện và sự
tạo cặp là nguyên tử, còn của hiệu ứng Compton là electron, ta có:
m = ns f + nZs c + ns p
(35)
Với n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của môi trường. Số hạng thứ nhất
trong (35) chiếm ưu thế trong miền năng lượng thấp, số hạng thứ hai chiếm ưu thế trong
miền năng lượng trung bình (vài MeV) và số hạng thứ ba chiếm ưu thế ở miền năng lượng
cao. Do đó, hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần có cực tiểu trong khoảng mà hiệu ứng
Compton chiếm ưu thế. Cực tiểu này càng rõ nét đối với các nguyên tố nặng vì m f , mp lần
lượt tỷ lệ với Z5 và Z2, trong khi m c tỷ lệ với Z.
Hệ số hấp thụ tuyến tính tỷ lệ với mật độ r của môi trường vật chất. Nghĩa là hệ số
hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường khác nhau.
Để tránh sự phụ thuộc vào hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất, người ta sử dụng hệ
số hấp thụ khối:
mm = m
(36)
r
Khi đó, bề dày lớp vật chất hấp thụ được tính bằng đơn vị g/cm2.
Trong các ứng dụng thực tế, ta thường sử dụng khoảng năng lượng từ 2 – 5MeV. Khi

đó, hiệu ứng Compton là cơ sở tương tác chiếm ưu thế, tức là hệ số hấp thụ khối toàn phần
xấp xỉ bằng hệ số hấp thụ khối của hiệu ứng tán xạ Compton bằng nhau đối với các chất
khác nhau và bức tường bảo vệ tạo bởi mọi chất đều tương đương nhau nếu bề dày của
chúng tính bằng g/cm2 như nhau.
Hệ số hấp thụ khối của môi trường vật chất cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau cho bởi:
æmö
æmö
(37)
çç ÷÷ = å wi çç ÷÷
i
è r øi
è r øc
æmö
wi , çç ÷÷ : lần lượt là tỉ lệ khối lượng trong môi trường và hệ số hấp thụ khối của
è r øi
thành phần i.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

17

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Chương 2: BỘ NHÂN QUANG ĐIỆN
2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Các ống nhân quang điện (hoặc PM) là rất cần thiết
trong các mạch nhấp nháy để biến đổi các photon ánh sáng từ
chất nhấp nháy sang thành các xung điện.
Bộ nhân quang điện được cấu tạo gồm khối nhấp nháy
để hấp thụ các bức xạ, photocathode, các điện trở phân cực,
dynode, anode, bộ ghi.
Trước tiên, bức xạ tới tương tác với phosphor để tạo ra
ánh sáng photon. Sau đó các photon phát ra đập vào bề mặt
được phủ một chất nhấp nháy được gọi là photocathode K của
nhân quang điện. Năng lượng từ ánh sáng photon này bị hấp
thụ bởi một electron trong chất nhấp nháy sáng, khi electron
này nhận thêm đủ năng lượng thì chúng bật ra tạo thành một dòng tín hiệu electron nhưng
trong điều kiện thực hành tín hiệu này được khuếch đại lên bằng một dãy dynode. Dưới tác
dụng của điện trường, chúng được tăng tốc rồi đập vào dynode thứ nhất (d1). Từ d1 phát ra
số electron nhiều hơn số electron đập vào nó. Quá trình này xảy ra liên tục trên các dynode
thứ hai (d2), thứ ba (d3)… cứ như vậy tới anod A sẽ thu được một dòng electron rất lớn so
với dòng phát ra từ photocathode. Kết quả, do tương tác của một hạt mang điện, một tín hiệu
ánh sáng phát ra từ bản nhấp nháy (N) và ở lối ra của nhân quang điện xuất hiện một tín hiệu
điện có biên độ khá lớn.
2.2 Hệ thống dynode – hệ số khuếch đại
Khi bức xạ ion hóa đi đến đầu dò nhấp nháy thì khối nhấp nháy hấp thụ các bức xạ đó
và ion hóa, kích thích các nguyên tử và phân tử của chất nhấp nháy bởi các hạt mang điện và
bức xạ photon. Tiếp theo các photon được góp về về photocathode sau khi hấp thụ photon ở
photocathode của bộ nhân quang điện thì giải phóng các quang electron.
Các electron phát ra từ photocathode (3), nhờ một màn hội tụ (4), tập trung vào
dynode thứ nhất. Điện thế từ dynode đầu tiên đến cuối tăng và được cung cấp bằng một
nguồn điện một chiều vài KV qua một bộ chhia thế. Số dynode tổng cộng của nhân quang
khoảng từ 10 đến 12.
1


2

3

5

4

7

V

Tín hiệu
6
1: Khối nhấp nháy
3: Photocathode
5: Dynode

2: Lớp dẫn sang
4:Màn hội tụ
6: Bộ chia thế

Hình 7: Sơ đồ hoạt động của bộ nhân quang điện.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

18

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)



Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất có hệ số phát xạ thứ cấp s (đo bằng
tỉ số số electron phát ra trên số electron đập vào) lớn hơn đơn vị. Để chế tạo lớp này có thể
sử dụng hợp chất Mg – Al – Si, Cu – Al – Mg hay Sb – Cs và bề mặt phải được gia công đặc
biệt để tăng hệ số s .
Ngoài sự phụ thuộc của vật liệu, hệ số phát xạ thứ cấp s phụ thuộc mạnh vào năng
lượng electron tới, tức phụ thuộc vào hiệu điện thế các dynode liên tiếp. Tuy nhiên, khi số
electron tới có năng lượng đủ lớn, nó sẽ xuyên sâu vào dynode và nếu độ sâu này lớn quá thì
số electron bật ra khỏi dynode lại giảm. Vì vậy, cần phải chọn hiệu điện thế giữa các dynode
ứng với các giá trị cực đại của hệ số s .
Cũng như hệ số phát xạ thứ cấp s , hệ số khuếch đại M cũng phụ thuộc vào bản chất
lớp dynode, vào hiệu điện thế trên các dynode. Ngoài ra M phụ thuộc vào số lượng dynode
của bộ nhân quang điện. Giả sử bộ nhân quang điện có n dynode và mỗi dynode i có hệ số
khuếch đại là s i . Hệ số khuếch đại của nhân quang điện có thể được xác định như sau:
M = s 1s 2s 3 ...s n
(38)
Trong đó, ta đã cho rằng hiệu suất góp electron từ photocathode đến dynode đầu tiên
d1 và từ dynode này đế các dy node khách đều bằng 1. Nếu điều kiện phát xạ thứ cấp trên tất
cả các dynode khác đều như nhau, tức là:
s 1 = s 2 = s 3 = ... = s n
(39)
n
Ta có:
M =s
(40)
Yêu cầu sử dụng detector trong phổ kế hạt nhân đòi hỏi hệ số khuếch đại M phải rất
ổn định. Sự ổn định này phải quyết định nhiều yếu tố, trước hết là nhiệt độ môi trường bên

ngoài. Ngoài ra, từ trường trái đất cũng ảnh hưởng đến quỹ đạo của electron trong nhân
quang điện. Để tránh tác động của từ trương bân ngoài nhất là khi nó thăng giáng, nhân
quang điện cần phải được bao bọc bởi lớp vỏ ngăn cản từ trường. Cuối cùng, sự thăng giáng
điện thế nguồn nuôi là nguồn gốc chủ yếu dẫn đến sự không ổn định hệ số khuếch đại M.
Thật vậy một cách gần đúng ta xem hệ số khuếch đại phụ thuộc tuyến tính vào hiệu điện thế
V của nguồn nuôi:
(41)
s = kV
n n
M =k V
(42)
Độ thăng giáng tương đối gây ra bởi sự thăng giáng hiệu điện thế DV sẽ là:
DM
DV
=n
M
V

(43)

Như vậy một sự thăng giáng nhỏ DV của nguồn nuôi sẽ dẫn đến độ thăng giáng của
hệ số khuếch đại n lần lớn hơn. Vì vậy phẩm chất của nguồn nuôi và bộ chia thế có vai trò
rất quang trọng.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

19

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)



Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Chương 3: CƠ CHẾ PHÁT SÁNG CỦA TINH THỂ NHẤP NHÁY
Theo cơ chế kích thích và phát sáng, có thể chia chất nhấp nháy thành hai loại cơ bản:
chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ. Số chất vô cơ dùng làm nhấp nháy không
nhiều. Thành phần cơ bản của các chất nhấp nháy này thường là muối halogen của kim loại
kiềm được chế tạo ở dạng đơn tinh thể. Trái lại nhiều hợp chất nhấp nháy hữu cơ có thể
dùng làm khối nhấp nháy. Phần lớn các chất này thuộc nhóm hydrocarbon thơm, chúng có
thể ở dạng đơn tinh thể tinh khiết, hay pha với chất hoạt tính nào đó hoặc có thể nằm trong
dung dịch lỏng hay rắn. Hai loại môi trường nhấp nháy nói trên có những cơ chế phát sáng
riêng khác nhau.
3.1 Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ
Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ được mô tả trên hình 8 và được giải thích trên cơ
sở lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn. Theo đó, các mức năng lượng trong tinh thể có
thể sắp xếp thành ba vùng: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm. Ở nhiệt độ bình thường
(nhiệt độ phòng) và trong trạng thái cơ bản, các mức năng lượng khả dĩ ở vùng hóa trị hoàn
toàn bị chiếm đầy bởi electron, còn ở vùng dẫn thì còn nhiều mức chưa đầy.
Khi một bức xạ hạt nhân đi vào bản nhấp nháy, do tương tác có thể truyền năng lượng
cho electron nào đó để nó nhảy từ vùng hóa trị (V) lên vùng dẫn (C) (quá trình 1). Trong
một tinh thể tinh khiết, quá trình phát sáng tiếp theo có thể xảy khi có sự dịch chuyển ngược
của electron từ trạng thái kích thích ở vùng dẫn về ngay lỗ trống mà nó vừa giải phóng trong
vùng hóa trị (quá trình 2). Rõ ràng, đây là quá trình chậm tìm kiếm lỗ trống. Ngoài ra, do
năng lượng photon phát ra trong dịch chuyển đó được xác định bởi chiều rộng của vùng cấm
nên phổ phát xạ trùng lên phổ hấp thụ. Nói cách khác, photon phát ra bị hấp thụ ngay trong
tinh thể nhấp nháy. Do đó, các tinh thể vô cơ tinh khiết ở nhiệt độ phòng không có tính chất
nhấp nháy. Trong thực tế sự sai hỏng mạng tinh thể sinh ra các mức địa phương tạo thành
những tâm tắt. Ở tại các tâm tắt này các electron mất năng lượng kích thích bằng các quá

trình không phát xạ và do đó, toàn bộ năng lượng của hạt đã mất trong tinh thể biến thành
năng lượng chuyển động nhiệt.
5
1
Bức xạ
tới
hv

2

3

6
C

hv’

Bức xạ phát
ra
4

V

Hình 8: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vô cơ.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

20

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)



Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Do sự tồn tại tự nhiên một số tạp chất trong tinh thể, hoặc nếu đưa vào một lượng nhỏ
chất hoạt tính (khoảng 0.1 %), trong tinh thể sẽ xuất hiện các mức năng lượng địa phương
loại khác hay mức tạp chất gọi là tâm phát sáng. Ta xét trường hợp môt tinh thể ion (bán dẫn
loại p). Ở đây các mức địa phương là các lỗ trống đối với electron và nằm gần ở đáy vùng
cấm. Các electron kích thích do phát sáng nằm gần tâm phát sáng sẽ bị bắt bởi các lỗ trống
này và năng lượng kích thích thừa sẽ phát ra dưới dạng photon ánh sáng (quá trình 3). Dịch
chuyển các electron này từ dạng địa phương về vùng hóa trị có thể theo đường không phát
sáng (quá trình 4). Photon phát ra trong quá trình 3 không bị hấp thụ trong khối tinh thể vì
năng lượng của nó nhỏ hơn bề rộng vùng cấm. Ta nói tinh thể “trong suốt” với photon phát
ra hay phổ phát xạ nằm ngoài phổ hấp thụ. Quá trình 3 là quá trình phát sáng huỳnh quang
với thời gian xảy ra cở 10-8s, tức là cở thời gian sống của trạng thái kích thích của nguyên tử.
Quá trình phát sáng chậm (lân quang) có thể xảy ra do sự tồn tại các mức địa phương
rất nông trong vùng cấm do sai hỏng mạng tinh thể. Đó là những mức giả bền, các electron
kích thích có thể bị bắt giử ở đây (quá trình 5) đến khi có thể chuyển ngược được về vùng
dẫn (quá trinh 6) nhờ thu thêm năng lượng, chẳng hạn, do dao động nhiệt của mạng. Từ
vùng dẫn, electron có thể trở về được vùng hóa trị theo các quá trình 3 và 4 và phát ra
photon. Đó là quá trình lân quang. Rõ ràng quá trình này chậm hơn nhiều so với thời điểm
bức xạ tác dụng với bản nhấp nháy, thời gian chậm cỡ chừng vài micro giây đến vài giờ.
Các chất hoạt tính pha vào tinh thể gồm nhiều loại. Chẳng hạn có thể thêm Tl vào NaI
hoặc Ag vào ZnS. Tuy nhiên, không thể pha tạp chất với nồng độ tùy ý, mà phải pha với
nồng độ thích hợp nhất trong từng trường hợp cụ thể. Nồng độ Tl trong NaI thường khoảng
1% - 2% . Nếu nồng độ lớn hơn nồng độ tối ưu thì chính tạp chất lại gây tác dụng xấu, chẳng
hạn xác suất hấp thụ các photon riêng sẽ tăng.
3.2 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ.

Nếu trong tinh thể vô cơ đã xét ở mục 3.1 các quá trình phát photon liên quan đến sự
dịch chuyển của các electron giữa các vùng năng lượng, thì ngược lại, trong tinh thể nhấp
nháy hữu cơ, quá trình có tính chất phân tử, tức là liên quan đến sự dịch chuyển các electron
trong từng phân tử và của phân tử từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản của nó. Ở đây,
ta có thể xét các quá trình trong một phân tử cô lập. Thực vậy, trong các tinh thể hữu cơ với
liên kết phân tử yếu, các mức electron của phân tử thực tế không bị nhiễu loạn bởi phân tử
bên cạnh. Khi một bức xạ ion hóa đi vào bản nhấp nháy, nó sẽ tương tác với các phân tử,
đưa các phân tử này lên trạng thái kích thích electron rất cao. Sau thời gian rất ngắn cỡ 10-12
giây, các phân tử này trở về trạng thái kích thích thứ nhất bằng cách chuyển trực tiếp năng
lượng kích thích electron thành năng lượng dao động. Có thể giảm năng lượng kích thích
cao bằng cách khác nữa. Do xác suất trở về trạng thái cơ bản tỷ lệ với năng lượng kích thích
nên chỉ sau 10-12 đến 10-11 giây tất cả các phân tử kích thích mất năng lượng và phát ra
photon năng lượng cao. Các photon này bị hấp thụ bởi các phân tử xung quanh và các phân
tử kích thích này trở về trạng thái cơ bản để phát photon. Quá trình này tiếp diễn nhiều lần
với năng lượng photon thế hệ sau bé hơn thế hệ trước, và photon cuối cùng có năng lượng
bằng năng lượng trạng thái kích thích thứ nhất của phân tử. Như vậy, do hai quá trình trên,
sau một thời gian rất ngắn 10-12 đến 10-11 giây, phần lớn năng lượng mà hạt bức xạ mất trong
tinh thể đã chuyển thành năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử, còn một phần nhỏ giử
cho phân tử nằm ở mức năng lượng kích thích thứ nhất. Chính từ trạng thái này, phân tử trở
về trạng thái cơ bản và phát ra nháy sáng.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

21

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy


Cơ chế phát sáng của tinh thể hữu cơ tinh khiết trình bày vừa rồi có thể áp dụng cho
cả dung dịch nhấp nháy (rắn hay lỏng). Trong dung dịch nhấp nháy bao gồm dung môi và
chất nhấp nháy hòa tan. Ở đây, ta cần lưu ý rằng, trong dung dịch, bản thân các dung môi
không phát sáng hoặc phát sáng rất yếu. Do nồng độ chất nhấp nháy hòa tan (hay chất hoạt
tính) rất bé so với dung môi (hoặc tinh thể), nên hạt ion hóa đi vào chất nhấp nháy chủ yếu
tương tác với các phân tử dung môi. Vì vậy, phải chọn các hợp chất (dung môi và chất hòa
tan) sao cho mức kích thích thứ nhất của chất hòa tan nằm thấp hơn mức kích thích thứ nhất
của dung môi để dễ dàng xảy ra quá trình truyền năng lượng kích thích từ phân tử dung môi
sang phân tử nhấp nháy của chất hòa tan. Trong trường hợp tốt nhất là phổ phát xạ của chất
dung môi gần trùng khít với phổ hấp thụ của chất hòa tan. Cơ cấu truyền năng lượng có thể
trực tiếp từ phân tử dung môi bị kích thích sang phân tử nhấp nháy hoặc truyền nhiều lần
qua các phân tử dung môi kế cận khác và cuối cùng ánh sáng được phát ra từ các phân tử
nhấp nháy. Trong trường hợp sau, một phần năng lượng biến thành nhiệt lượng dao động.
Do nồng độ chất nhấp nháy bé nên môi trường nên gần như trong suốt với ánh sáng đó. Một
ưu điểm của dung dịch nhấp nháy so với tinh thể hữu cơ tinh khiết là quá trình truyền năng
lượng từ phân tử dung môi bị kích thích sang phân tử nhấp nháy khá nhanh, nên thời gian
phát sáng của dung dịch lớn hơn không nhiều so với thời gian phát sáng t của phân tử riêng
biệt.
Trong những điều kiện xác định như nhau, cường độ nháy sáng phụ thuộc vào nồng
độ chất nhấp nháy như mô tả ở hình 9

I

C(g/I)

Hình 9: Sự phụ thuộc cường độ nháy sáng vào nồng độ chất nhấp nháy
Dĩ nhiên trong giai đoạn đầu, khi tăng dần nồng độ chất nhấp nháy, xác suất truyền
năng lượng từ các phân tử dung môi sang các phân tử nhấp nháy để phát sáng lớn và do đó
cường độ sáng cũng tăng theo. Sự phụ thuộc tỉ lệ thuận này xảy ra chừng nào còn có thể bỏ

qua sự hấp thụ ánh sáng của bản thân các phân tử nhấp nháy trong dung dịch. Tiếp tục tăng
nồng độ chất nhấp nháy sẽ làm tăng sự hấp thụ nhiều lần ánh sáng và do đó sẽ làm tăng thêm
sự mất mát năng lượng cho dao động nhiệt. Kết quả là cường độ nháy sáng tăng chậm dần
và cuối cùng sẽ bắt đầu giảm khi tăng nồng độ chất nhấp nháy. Đối với phần lớn chất nhấp
nháy lỏng, nồng độ tối ưu nằm trong khoảng 3-5g/l, còn trong dung dịch rắn nồng độ này
bằng 1-2%. Cần phải lưu ý đến một nguyên nhân khác làm tắt ánh sáng nhấp nháy liên quan
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

22

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

đến sự có mặt của oxi trong dung dịch. Do vậy, khi chế tạo chất nhấp nháy lỏng cần phải
khử hàm lượng oxi (oxygen) này bằng cách thổi nitơ (nitrogen) hoặc argon qua dung môi.
Trong dung dịch nhấp nháy ngoài dung môi và chất nhấp nháy thường có thêm thành
phần thứ ba gọi là chất dịch phổ. Phổ phát xạ từ chất nhấp nháy thường tương ứng với sóng
ngắn và nằm trong vùng cực tím, ánh sáng đó không thích hợp với vùng nhạy của nhân
quang điện. Do đó, cần có chất dịch phổ chuyển ánh sáng từ vùng cực tím sang vùng nhìn
thấy để hòa hợp phổ phát xạ và phổ hấp thụ của nhân quang điện. Cơ chế truyền năng lượng
sang dịch phổ cũng tương tự như cơ chế truyền năng lượng ở hai thành phần đầu.

Chương 4: TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA MỘT SỐ CHẤT NHẤP NHÁY
Đối với chất nhấp nháy dùng để đo liều lượng bức xạ ion hóa có một số yêu cầu
chính sau:
- Độ trong suốt đối với bức xạ riêng phải cao.

- Dạng cứng nhỏ trong một khoảng năng lượng rộng.
- Tính tỷ lệ của chớp sáng nhấp nháy và suất liều lượng trong một khoảng năng lượng
đáng kể.
- Tính bền vững đối với bức xạ ion hóa.
- Giá trị hiệu suất biến đổi cao.
- Thời gian huỳnh quang nhỏ.
- Phổ phát quang phù hợp với độ nhạy phổ của photocathode của nhân quang điện.
Chất nhấp nháy được phân loại thành chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ
(tinh thể), chất nhấp nháy dẽo hữu cơ (dung dịch rắn), chất nhấp nháy hữu cơ lỏng và khí.
Trong phần này sẽ điểm qua một số chất nhấp nháy thường dùng trong phòng thí nghiệm
hay trong ứng dụng kỹ thuật và các tính chất cơ bản của chúng. Để dễ so sánh, trên bảng 5.1
ghi các đặc trưng quan trọng của một số loại chất nhấp nháy.
4.1 Chất nhấp nháy vô cơ
Chất nhấp nháy vô cơ dùng để đo liều và để đo phổ bức xạ ion hóa gồm những tinh
thể pha chất hoạt tính như ZnS(Ag), NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Sn), CdS(Ag) và có một số tinh
thể không pha chất hoạt tính như CaF2, ZnS, CaWO4… Tính chất cơ bản của một số tinh thể
vô cơ thường dung được ghi theo các thứ tự 1, 2, 3, 4 và 5 của bảng 1. Một điểm rõ nét thấy
từ bảng 1 là thời gian phát sáng của các chất nhấp nháy vô cơ khá lớn. Nhược điểm này kèm
theo sự xuất hiện các ánh sáng lân quang mà cường độ của nó đôi khi gần bằng cường độ
ánh sáng huỳnh quang làm ảnh hưởng đến khả năng phân giải thời gian của các tinh thể vô
cơ.
Mặt khác khả năng khuếch tán ngược của electron phụ thuộc vào nguyên tử số mà
nguyên tử số của các thành phần cơ bản trong tinh thể vô cơ khá lớn điều này làm tăng khả
năng khuếch tán ngược các electron. Chẳng hạn, hiệu suất khuếch tán ngược trên mặt tinh
thể NaI(Tl) có thể đạt tới 80-90%. Do đó, các tinh thể vô cơ nói chung ít được dùng làm
detector ghi electron. Tuy vậy, do hệ số hấp thụ gamma tỷ lệ với mật độ và nguyên tử số Z
nên các tinh thể vô cơ như NaI(Tl) và CsI(Tl) (Z bằng 32 và 54) với Z lớn và mật độ cao rất
thích hợp dùng làm detector ghi gamma. Do vậy, hiệu suất ghi gamma của detector rất lớn,
nếu bố trí hình học tốt và kích thước lớn có thể đạt tới 80-90% và thậm chí 100%.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh


23

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: Tìm hiểu detector nhấp nháy

Một ưu điểm lớn của tinh thể vô cơ, như đã thấy trên bảng 1, là hiệu suất biến đổi cao,
nhờ đó biên độ xung điện ở lối ra của detector khá lớn. Ngoài ra, hơn hẳn tinh thể hữu cơ,
trong tinh thể vô cơ hiệu suất biến đổi phụ thuộc rất yếu vào năng lượng hạt mà phụ thuộc
mạnh vào khả năng ion hóa của hạt. Trên hình 10 biểu diễn sự phụ thuộc này đối với tinh
thể NaI(Tl).
e-,p

e-

0.8

0.8

a

0.4

p

0.4


a
0

4

8

12

16

20

0

4

8

12

16

20

Hình 10: Sự phụ thuộc của hiệu suất biến đổi vào năng lượng (MeV) của các hạt
electron, proton và alpha trong NaI(Tl) (a) và trong antraxen (b)
Trong các chất nhấp nháy vô cơ trên được chia làm ba nhóm: Sulfua, Halogenua,
Vonframat.

- Nhóm Sulfua: ZnS(Ag), CdS(Ag), trong đó Ag là chất kích hoạt.
Các chất nhấp nháy loại kẽm Sunfua hay Cadimi Sunfua kích hoạt bởi bạc hay đồng
được dùng dưới dạng vi tinh thể một lớp dày 25 – 50 mg/cm2. Những bột như vậy có độ
trong suốt TP rất thấp đối với bức xạ phát quang riêng, do đó bộ nhân quang điện chỉ có thể
ghi được những chớp sáng xuất hiện ở lớp bề mặt của chất nhấp nháy tiếp giáp với
photocatod. Kẽm Sunfua ZnS được dùng để ghi những hạt nặng có quảng đường ngắn trong
tinh thể, điều này bắt buộc phải tạo ra những lớp nhấp nháy rất mãnh, để có thể xem là trong
suốt đối với bức xạ riêng. Hiệu suất biến hoán của ZnS có giá trị rất cao và đạt tới 28% khi
kích thích bởi các hạt a . Thời gian huỳnh quang của ZnS là 10-6s, nghĩa là lớn hơn rất nhiều
so với thời gian huỳnh quang của các chất nhấp nháy khác. Chất nhấp nháy CdS(Ag) có thể
nuôi dưới dạng một đơn tinh thể bán trong suốt nhỏ. Người ta dùng CdS(Ag) để ghi các hạt
a.
- Nhóm Halogenua: NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Tl), trong đó Tl là chất kích hoạt. Ngoài ra
còn có CaI2(Eu), LiI(Eu) ở đây Eu là chất kích hoạt và CsF không kích hoạt. Để nghiên cứu
bức xạ g , NaI(Tl) là chất nhấp nháy kiềm halogen tốt nhất mà ta đã đề cập ở phần trên. Từ
NaI(Tl) có thể gia công khá dễ dàng các đơn tinh thể trong suốt với kích thước khá lớn.
Những nhược điểm của chất nhấp nháy này có tính hút ẩm cao. Để tránh ẩm cần giữ tinh thể
này trong dầu ba-zơ-lin, bọc tinh thể trong nhôm hay hộp kín có cửa sổ trong suốt. Điều này
hạn chế khả năng ghi các bức xạ mềm của tinh thể và gây phiền phức trong việc bảo quản.
Ngoài ra, khi sử dụng lâu bề mặt tinh thể có sắc thái vàng do iod thoát ra.
Ở nhiệt độ của nitơ lỏng, hiệu suất ánh sáng của NaI không được kích hoạt tăng lên
hai lần, thời gian huỳnh quang ở nhiệt độ phòng giảm năm lần so với NaI(Tl). Hiện tượng
này cũng thấy ở đơn tinh thể CsI.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

24

SVTH: Nguyễn Phúc An Tim (1062641)