Thiết bị đo liều gamma sử dụng detector bgo và phương pháp chuyển phổ gamma thành liều 273702
- 94 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ HÀ
THIẾT BỊ ĐO LIỀU GAMMA SỬ DỤNG DETECTOR BGO
VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN PHỔ GAMMA THÀNH LIỀU
Chuyên ngành :KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG QUANG THIỆU
Hà Nội – 2014
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
(i) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi
(ii) Số liệu trong luận văn là trung thực
(iii) Tôi chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình
Hà nội, ngày tháng 4 năm 2014
Học viên
Vũ Hà
1
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại trường
Đại học Bách khoa Hà Nội và quá trình làm luận văn của bản thân tại Viện
Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân và Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội – Viện Năng
lượng nguyên tử Việt Nam.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Quang Thiệu
– Giám đốc Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những
kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này. Đồng
thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện Khoa học và
Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến thức chuyên ngành
trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học 2011B, đặc biệt
là các thầy cô trong Viện Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã bên cạnh em,
động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này.
Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô
và bạn bè.
Hà nội, ngày tháng 4 năm 2014
Học viên
Vũ Hà
2
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, ĐƠN VỊ ............................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... 7
MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 9
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ ................. 11
I.1. Nhu cầu thực tiễn.................................................................................11
I.2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................12
I.2.1. Hiệu ứng quang điện ....................................................................12
I.2.2. Tán xạ Compton ...........................................................................14
I.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron ............................................15
I.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất ..........16
I.2.5. Cấu trúc phổ gamma ....................................................................17
I.2.6. Thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu dò chất nhấp nháy .............18
I.3. Thiết bị đo liều bức xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy BGO ....................21
I.3.1. Đặc tính đầu dò nhấp nháy BGO .................................................21
I.3.2. So sánh các đặc điểm giữa đầu dò BGO và đầu dò NaI(Tl) ........23
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN PHỔ THÀNH LIỀU ................ 29
2.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp ..............................................................29
2.2. Áp dụng thực tế vào lập trình cho vi điều khiển ................................32
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ .................................. 36
3.1. Sơ đồ nguyên lý các khối điện tử .......................................................36
3.1.1. Khối cao áp ..................................................................................36
3.1.2. Khối vi điều khiển – chíp P89V51RD2 ......................................37
3.1.3. Khối kết nối máy tính ..................................................................41
3.1.4. Khối tiền khuếch đại....................................................................41
3.1.5. Khối mạch nạp cho ắc quy ..........................................................42
3
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
3.1.5. Khối tạo các điện áp chuẩn..........................................................43
3.1.5. Biến đổi ADC – phương pháp ToT .............................................43
3.1.6. Ghép nối các khối ........................................................................45
3.2. Nghiên cứu phần mềm cho vi xử lý....................................................46
3.2.1. Ngôn ngữ lập trình C ...................................................................46
3.2.2. Các phương án lập trình ..............................................................47
CHƯƠNG IV: KIỂM TRA HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ................................ 49
4.1. Kiểm tra hiệu chuẩn thiết bị: ..............................................................49
4.2. Một vài hình ảnh thực tế của thiết bị đã được chế tạo ........................51
KẾT LUẬN .................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 53
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................... 54
PHỤ LỤC 2 .................................................................................................... 55
PHỤ LỤC 3 .................................................................................................... 56
PHỤ LỤC 4 .................................................................................................... 57
4
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, ĐƠN VỊ
AC Nguồn điện xoay chiều
ADC Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
BGO Vật liệu nhấp nháy Bismuth Germanate
DC Nguồn điện một chiều
LCD Màn hình tinh thể lỏng
MCA Bộ phân tích đa kênh
keV Đơn vị năng lượng, = 1,60217657x10-16 Joules
MeV Đơn vị năng lượng, = 1,60217657x10-13 Joules
5
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng các đặc tính của vật liệu BGO..............................................21
Bảng 1.2: Tỷ lệ giữa đỉnh thoát đơn (SE), đỉnh thoát kép (DE) và đỉnh toàn
phần tại hai nguồn năng lượng .......................................................................27
Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2,5 cm x 2,5 cm ....31
Bảng 2.2. Bảng các giá trị G(E) cho đầu dò BGO kích thước 1 cm x 2 cm ..33
Bảng 3.1. Bảng giá trị chiều cao (điện áp) và chiều rộng (thời gian) của xung
ra sau tầng khuếch đại ....................................................................................44
Bảng 4.1: Thông tin nguồn chuẩn sử dụng để chuẩn thiết bị ........................49
Bảng 4.2: Kết quả hiển thị suất liều khi sử dụng 2 đầu dò NaI(Tl) và BGO .50
6
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện ......................................................................12
Hình 1.2. Quá trình tạo điện tử Auger ...........................................................13
Hình 1.3: Mô hình tán xạ Compton ...............................................................14
Hình 1.4: Mô hình sự tạo cặp electron - positron ..........................................15
Hình 1.5: Mối quan hệ trong ba loại tương tác photon chủ yếu ....................16
Hình 1.6: Mô hình tổng thể các tương tác có thể xảy ra trong đầu dò ghi tia
gamma và dạng phổ tương ứng ......................................................................17
Hình 1.7. Cấu trúc của đầu dò nhấp nháy ......................................................19
Hình 1.8: Phổ phát xạ nhấp nháy của BGO ...................................................22
Hình 1.9: Phổ chiều cao xung của tinh thể BGO 3x3 inch khi chiếu bởi tia
gamma năng lượng 662 keV. .........................................................................23
(nguồn http://www.crystals.saint-gobain.com/) .............................................23
Hình 1.10: So sánh kết quả giữa ba chương trình Monte Carlo MCNP, EGS4
và PHOTON a) tại đỉnh năng lượng 0,662 MeV b) tại đỉnh năng lượng 4,4
MeV c) tại đỉnh năng lượng 10 MeV. ............................................................25
Hình 1.11: Mô phỏng đóng góp chiều cao đỉnh xung tại 4,4 MeV và độ phân
giải năng lượng cho các đầu dò BGO 5”x3”, BGO 3”x3” và NaI(Tl) 6”x6”
sử dụng phần mềm Monte Carlo EGS4. ........................................................26
Hình 1.12: Mô phỏng đóng góp chiều cao đỉnh xung tại 10 MeV và độ phân
giải năng lượng cho các đầu dò BGO 5”x3”, BGO 3”x3” và NaI(Tl) 6”x6”
sử dụng phần mềm Monte Carlo EGS4. ........................................................26
Hình 1.13: Tính toán tỷ lệ Đỉnh phổ/Tổng cộng năng lượng tia tới cho mỗi
loại đầu dò và các kích thước khác nhau. ......................................................27
Hình 1.14: Hiệu suất ghi trong của BGO (Ef) phụ thuộc vào thể tích được
khớp với biểu thức toán học với các thông số như trên hình. ........................28
Hình 3.1: Sơ đồi khối cao áp ..........................................................................36
Hình 3.3. Cấu trúc của vi điều khiển P89V51RD2 ........................................37
7
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Hình 3.2. Giao tiếp kết nối máy tính ..............................................................41
Hình 3.3. Sơ đồ mắc tiền khuếch đại .............................................................41
Hình 3.4. Sơ đồ khối mạch nạp ắc quy ..........................................................42
Hình 3.5. Sơ đồ khối tạo điện áp chuẩn .........................................................43
Hình 3.6. Dạng sung ra sau tầng khuếch đại đối với nguồn Co-60 ...............43
Hình 3.7. Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian và điện áp của xung ra sau tầng
khuếch đại ......................................................................................................44
Hình 3.8. Biểu đồ thời gian các ngõ vào/ra của bộ so sánh ...........................45
Hình 3.9. Ghép nối các khối điện tử với nhau ...............................................46
Hình 4.1. Chứng chỉ nguồn Co-60 .................................................................49
Hình 4.2. Chứng chỉ nguồn Cs-137 ...............................................................49
Hình 4.3. Khối cao áp và đầu dò BGO sau khi lắp hoàn chỉnh .....................51
Hình 4.4. Khối xử lý và điều khiển ................................................................51
Hình 4.5. Khối hiển thị LCD..........................................................................51
8
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, bức xạ hạt nhân tồn tại ngay xung quanh chung ta và
các giác quan con người không thể cảm nhận được chúng. Để nhận biết được
chúng, chúng ta phải sử dụng các thiết bị ghi đo bức xạ. Hiểu biết của con người
ngày một gia tăng, số lượng và chủng loại các thiết bị ghi đo bức xạ hạt nhân cũng
ngày một đa dạng và hiện đại hơn trước. Ở nước ta, các ngành liên quan tới bức xạ,
hạt nhân đang rất phát triển và để đáp ứng được sự phát triển này thì sự phát triển
các thiết bị ghi đo bức xạ như là một tất yếu. Đa phần các thiết bị ghi đo bức xạ ở
nước ta hiện nay là các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy đã có một số cơ sở
chuyên ngành ở Việt Nam như Viện Khoa học kỹ thuật và hạt nhân, Viện Hóa học
vật liệu,… sản xuất và đưa được các thiết bị ghi đo ra thị trường nhưng vẫn chưa
đáp ứng được nhu cầu lớn của xã hội.
Có rất nhiều dạng các thiết bị ghi đo bức xạ có thể là các thiết bị nhận diện
đồng vị, thiết bị cảnh báo bức xạ, thiết bị phân tích,… và phổ biến nhất là các thiết
bị đo liều bức xạ. Cũng có nhiều phương pháp để đo liều bức xạ và một trong
những phương pháp ưu việt nhất là phương pháp chuyển phổ thành liều. Đã có
nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo liều sử dụng phương pháp
chuyển phổ thành liều mà chủ yếu với đầu dò NaI(Tl) hay đầu dò Germani. Bản
luận văn này tập trung vào nghiên cứu chế tạo thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu
dò BGO và phương pháp chuyển phổ thành liều.
Bố cục của luận văn này bao gồm:
Chương I: Tổng quan về thiết bị đo liều bức xạ
Chương này sẽ đi về giới thiệu tổng quan về một thiết bị đo liều bức
xạ và tập trung giới thiệu về thiết bị sử dụng đầu dò BGO
Chương II: Phương pháp chuyển phổ thành liều
Giới thiệu về phương pháp chuyển phổ thành liều
Chương III: Các bước chế tạo thiết bị
Giới thiệu các bước chế tạo một thiết bị đo liều hoàn chỉnh
9
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Chương IV: Chuẩn thiết bị.
Hiệu chuẩn thiết bị
10
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ
I.1. Nhu cầu thực tiễn
Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ.
Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình
thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra
còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử
dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau
trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng lượng,…
Theo thống kê của Cục An toàn bức xạ và hạt nhân – Bộ Khoa học và công
nghệ, tính tới thời điểm tháng 4/2014, ở Việt Nam có 864 cơ sở bức xạ sử dụng
nguồn phóng xạ chưa kể các cơ sở sử y tế sử dụng máy X-quang. Để đảm bảo công
tác an toàn bức xạ các cơ sở bức xạ này đều cần tự trang bị cho mình một thiết bị đo
liều xách tay. Ngoài ra, để phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy, quản lý, quan
trắc môi trường,…. cũng cần rất nhiều thiết bị đo liều bức xạ. Như vậy nhu cầu về
thiết bị đo liều đảm bảo các yêu cầu trong công việc là rất lớn. Mỗi một thiết bị đo
liều được chế tạo ra đều để phục vụ cho một số lĩnh vực nhất định. Việc sử dụng
phương pháp chuyển phổ thành liều để chế tạo các thiết bị đo liều sử dụng đầu dò
nhấp nháy NaI(Tl) đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu nhiều.
Tuy nhiên việc sử dụng phương pháp trên kết hợp với các thế mạnh của đầu dò
BGO là một vấn đề khá mới mà cần được các nhà khoa học quan tâm hơn. Thiết bị
đo liều bức xạ sử dụng đầu dò BGO sẽ không thay thế hoàn toàn các thiết bị đo liều
gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) nhưng nhờ thế mạnh của mình mà nó sẽ
phát triển và đóng góp rất lớn trong các lĩnh vực của đời sống xã hội trong tương
lai.
11
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2. Cơ sở lý thuyết
I.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử
liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma
được truyền cho điện tử.
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
Te = E γ – I i (1.1)
Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron.
Eγ là năng lượng của lượng tử gamma.
Ii là năng lượng liênkết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân.
Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M... và
không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên
lớp vỏ M, N... và không thể xảy ra trên lớp K, L, …
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện tử
không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng
nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng
nhỏ.
12
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá
năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng,
xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3. Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang
điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là năng lượng liên kết của
electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2. Nhưng khi E >> EK thì xác suất tổng
cộng lại tuân theo quy luật E-1.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện
phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện:
(Khi E ≥ EK)
(1.2)
(Khi E >> EK)
Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở
vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện chủ yếu
chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó
của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp
ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các
tia X đặc trưng hay các electron Auger.
Hình 1.2. Quá trình tạo điện tử Auger
13
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2.2. Tán xạ Compton
Hình 1.3: Mô hình tán xạ Compton
Quá trình tán xạ Compton được thực hiện thông qua một va chạm giữa một
photon với một điện tử ở lớp vỏ ngoài mà chỉ một phần năng lượng của photon
truyền cho nguyên tử hấp thụ. Các eˉ Compton tạo ra trong quá trình tán xạ
Compton của lượng tử với vật chất có năng lượng được xác định bởi biểu thức:
(1.3)
là năng lượng của lượng tử sau tán xạ, phụ thuộc vào góc tán xạ θ như
sau:
(1.4)
là năng lương nghỉ của electron.
Vì góc tán xạ θ có thể thay đổi bất kỳ trong khoảng từ 0 đến π nên theo (1.3)
năng lượng của eˉ sau tán xạ một lần có giá trị trong khoảng từ 0 đến
. Do đó các xung gây bởi sự hấp thụ các eˉ Compton trong đầu dò sẽ cho một
phân bố liên tục trên phổ biên độ xung, gọi là phân bố Compton.
Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên
tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:
(1.5)
Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ chế
kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta.
14
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron
Khi tia gamma có năng lượng lớn hơn ngưỡng tạo cặp (Eγ > 2meC2) thì hiệu
ứng tạo cặp bắt đầu xảy ra. Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không,
mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử, khi không có mặt của hạt nhân
hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra.
Hình 1.4: Mô hình sự tạo cặp electron - positron
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc
proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng để xảy
ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của
electron:
(1.6)
Khi đó:
hv Te Te 2mec 2 (1.7)
Ở đây cần lưu ý rằng e+ và e- được sinh ra trong điện trường của hạt nhân, vì
thế e+ bị đẩy ra xa và được tăng tốc, còn e- bị làm chậm. Do đó phổ năng lượng đo
được sẽ khác nhau đối với hai loại hạt này.
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng
lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me.c2= 2.04MeV.
15
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé
hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết
diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2 < E
< 50mec2, tiết diện tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2ln(E). Theo công thức này, tiết diện tạo
cặp electron - positron gần như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có
số nguyên tử lớn.
I.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất
Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính
xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron -
positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:
σ = σphoton + σcompton + σpair (1.8)
Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoton ~ Z , tiết diện quá trình tán
5
E 7/2
xạ Compton là σcompton ~ Z và tiết diện quá trình tạo cặp là σpair ~ Z2ln(E).
E
Hình 1.5: Mối quan hệ trong ba loại tương tác photon chủ yếu
Hình 1.5 chỉ ra xác suất của mỗi loại tương tác phụ thuộc như thế nào tới
năng lượng của photon tới và số nguyên tử của chất hấp thụ. Năng lượng của
photon tới được biểu diễn (đo bằng MeV) trên trục X bằng thang loga. Nguyên tử
số của chất hấp thụ Z biểu diễn trên trục Y bằng thang tuyến tính. Đây chỉ là
16
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
phương pháp biểu đồ để chỉ tương tác gì có thể xảy ra. Nó không tiên đoán được
tương tác gì sẽ xảy ra.
I.2.5. Cấu trúc phổ gamma
Hình 1.6: Mô hình tổng thể các tương tác có thể xảy ra trong đầu dò ghi tia gamma
và dạng phổ tương ứng
Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng lượng
E0. Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng của photo
electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò. Kết quả là tất cả
năng lượng E0 của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên xung điện, mà xung này
có biên độ tỉ lệ với năng lượng E0 và tạo nên một đỉnh trong phổ gamma. Đỉnh này
được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp thụ toàn phần. Khi các tia gamma đơn
năng E0 gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán xạ có động năng
2 E0 E0
Ec phân bố liên tục từgiá trị 0 đến giá trị cực đại: Emax = trong đó
1 2 me c 2
Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton. Phần
năng lượng E0 - Ec của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá trình khác
nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện. Ngoài ra trên hình còn có thể xuất
17
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ ngược của các lượng
tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh đầu dò. Năng lượng Eng của
tán xạ ngược liên quan với năng lượng E0 của photon tới và góc tán xạ θ theo công
thức:
E0
Khi θ = π thì Eng (1.9)
1 2
Nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng E0 = 2mec2= 1,022 MeV, thì khi
đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có
khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +1e). Positron
khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự huỷ và sinh ra hai photon với
năng lượng 0,511 MeV. Các photon này có thể bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá
trình đã biết. Do đó, trên phổ ứng với quá trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp
thụ toàn phần. Ngoài ra có khả năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò.
Vì thế trên phổ hình thành thêm hai đỉnh tương ứng với đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát
kép ứng với năng lượng E0 - 0,511MeV và E0 - 1,022MeV.
Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò
tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng nêu
trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu được có dạng
phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng. Ngoài ra trong thực tế chùm
gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí tưởng, do đó phổ năng
lượng gamma thực tế có phân bố như Hình 1.6 Độ rộng của đỉnh hấp thụ toàn phần
ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM) gọi là độ phân giải của đầu dò.
I.2.6. Thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu dò chất nhấp nháy
Nguyên lý hoạt động của đầu dò nhấp nháy dựa trên khả năng của nhiều
chất hữu cơ và vô cơ có khả năng phát ra những nháy sáng khi bị chiếu bởi các tia
bức xạ. Tia sáng yếu này được nhận biết bởi katôt của một khuếch đại quang điện.
Cường độ phát sáng tỉ lệ với năng lượng của tia bức xạ, do đó biên độ thế ra của
18
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
nhân quang điện tỉ lệ với năng lượng, trên cơ sở đó cho phép phác họa giản đồ năng
lượng hạt. Chất phát quang gọi là chất nhấp nháy.
Hình 1.7. Cấu trúc của đầu dò nhấp nháy
Đầu dò nhấp nháy bao gồm chất nháp nháy và nhân quang (xem hình 1.7)
quá trình hoạt động như sau: Hạt bức xạ bị hấp thụ vào chất nhấp nháy, chất nhấp
nháy phát photon, năng lượng càng cao phát ra ánh sáng càng mạnh. Phôtôn này
được truyền đến katôt của nhân quang điện nhờ chất quang dẫn (photoconduction)
các photon này phát ra các quang điện tử nhờ photocathod, điện cực hội tụ hướng
các điện tử này đến anôt đầu tiên gọi là đinôt. Các đinốt này được chế tạo từ các
chất có khả năng phát ra hơn một điện tử thứ cấp nếu nó nhận một điện tử sơ cấp
đập vào. Điện tử thứ cấp này được gia tốc bởi điện trường của đinốt thứ hai và như
vậy quá trình nhân điện được xảy ra và lặp lại. Hệ số nhân này sẽ rất lớn nếu số
đinốt càng nhiều vì quá trình nhân này có đặc trưng hàm lũy thừa, chuỗi điện thế
thu được cho các đinốt tạo ra bởi mạch chia điện trở. Lối ra của ống đếm nhấp nháy
tại điện cực cuối cùng gọi là anốt là một xung thế có biên độ từ vài mv đến vài vol
phụ thuộc năng lượng của hạt.
Hiệu suất của ống đếm nhấp nháy lớn có thể đến 100% cho hạt , và từ
20% đến 30% cho tia . Chất nhấp nháy có chứa Bo hay Li có thể sử dụng để đo
nơtron, cả hai chất này đều hấp thụ nơtron và phát ra tia , tia này được chất nhấp
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ HÀ
THIẾT BỊ ĐO LIỀU GAMMA SỬ DỤNG DETECTOR BGO
VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN PHỔ GAMMA THÀNH LIỀU
Chuyên ngành :KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG QUANG THIỆU
Hà Nội – 2014
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
(i) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi
(ii) Số liệu trong luận văn là trung thực
(iii) Tôi chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình
Hà nội, ngày tháng 4 năm 2014
Học viên
Vũ Hà
1
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại trường
Đại học Bách khoa Hà Nội và quá trình làm luận văn của bản thân tại Viện
Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân và Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội – Viện Năng
lượng nguyên tử Việt Nam.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Quang Thiệu
– Giám đốc Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những
kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này. Đồng
thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện Khoa học và
Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến thức chuyên ngành
trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học 2011B, đặc biệt
là các thầy cô trong Viện Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã bên cạnh em,
động viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này.
Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô
và bạn bè.
Hà nội, ngày tháng 4 năm 2014
Học viên
Vũ Hà
2
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, ĐƠN VỊ ............................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... 7
MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 9
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ ................. 11
I.1. Nhu cầu thực tiễn.................................................................................11
I.2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................12
I.2.1. Hiệu ứng quang điện ....................................................................12
I.2.2. Tán xạ Compton ...........................................................................14
I.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron ............................................15
I.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất ..........16
I.2.5. Cấu trúc phổ gamma ....................................................................17
I.2.6. Thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu dò chất nhấp nháy .............18
I.3. Thiết bị đo liều bức xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy BGO ....................21
I.3.1. Đặc tính đầu dò nhấp nháy BGO .................................................21
I.3.2. So sánh các đặc điểm giữa đầu dò BGO và đầu dò NaI(Tl) ........23
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN PHỔ THÀNH LIỀU ................ 29
2.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp ..............................................................29
2.2. Áp dụng thực tế vào lập trình cho vi điều khiển ................................32
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ .................................. 36
3.1. Sơ đồ nguyên lý các khối điện tử .......................................................36
3.1.1. Khối cao áp ..................................................................................36
3.1.2. Khối vi điều khiển – chíp P89V51RD2 ......................................37
3.1.3. Khối kết nối máy tính ..................................................................41
3.1.4. Khối tiền khuếch đại....................................................................41
3.1.5. Khối mạch nạp cho ắc quy ..........................................................42
3
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
3.1.5. Khối tạo các điện áp chuẩn..........................................................43
3.1.5. Biến đổi ADC – phương pháp ToT .............................................43
3.1.6. Ghép nối các khối ........................................................................45
3.2. Nghiên cứu phần mềm cho vi xử lý....................................................46
3.2.1. Ngôn ngữ lập trình C ...................................................................46
3.2.2. Các phương án lập trình ..............................................................47
CHƯƠNG IV: KIỂM TRA HIỆU CHUẨN THIẾT BỊ ................................ 49
4.1. Kiểm tra hiệu chuẩn thiết bị: ..............................................................49
4.2. Một vài hình ảnh thực tế của thiết bị đã được chế tạo ........................51
KẾT LUẬN .................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 53
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................... 54
PHỤ LỤC 2 .................................................................................................... 55
PHỤ LỤC 3 .................................................................................................... 56
PHỤ LỤC 4 .................................................................................................... 57
4
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, ĐƠN VỊ
AC Nguồn điện xoay chiều
ADC Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
BGO Vật liệu nhấp nháy Bismuth Germanate
DC Nguồn điện một chiều
LCD Màn hình tinh thể lỏng
MCA Bộ phân tích đa kênh
keV Đơn vị năng lượng, = 1,60217657x10-16 Joules
MeV Đơn vị năng lượng, = 1,60217657x10-13 Joules
5
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng các đặc tính của vật liệu BGO..............................................21
Bảng 1.2: Tỷ lệ giữa đỉnh thoát đơn (SE), đỉnh thoát kép (DE) và đỉnh toàn
phần tại hai nguồn năng lượng .......................................................................27
Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2,5 cm x 2,5 cm ....31
Bảng 2.2. Bảng các giá trị G(E) cho đầu dò BGO kích thước 1 cm x 2 cm ..33
Bảng 3.1. Bảng giá trị chiều cao (điện áp) và chiều rộng (thời gian) của xung
ra sau tầng khuếch đại ....................................................................................44
Bảng 4.1: Thông tin nguồn chuẩn sử dụng để chuẩn thiết bị ........................49
Bảng 4.2: Kết quả hiển thị suất liều khi sử dụng 2 đầu dò NaI(Tl) và BGO .50
6
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện ......................................................................12
Hình 1.2. Quá trình tạo điện tử Auger ...........................................................13
Hình 1.3: Mô hình tán xạ Compton ...............................................................14
Hình 1.4: Mô hình sự tạo cặp electron - positron ..........................................15
Hình 1.5: Mối quan hệ trong ba loại tương tác photon chủ yếu ....................16
Hình 1.6: Mô hình tổng thể các tương tác có thể xảy ra trong đầu dò ghi tia
gamma và dạng phổ tương ứng ......................................................................17
Hình 1.7. Cấu trúc của đầu dò nhấp nháy ......................................................19
Hình 1.8: Phổ phát xạ nhấp nháy của BGO ...................................................22
Hình 1.9: Phổ chiều cao xung của tinh thể BGO 3x3 inch khi chiếu bởi tia
gamma năng lượng 662 keV. .........................................................................23
(nguồn http://www.crystals.saint-gobain.com/) .............................................23
Hình 1.10: So sánh kết quả giữa ba chương trình Monte Carlo MCNP, EGS4
và PHOTON a) tại đỉnh năng lượng 0,662 MeV b) tại đỉnh năng lượng 4,4
MeV c) tại đỉnh năng lượng 10 MeV. ............................................................25
Hình 1.11: Mô phỏng đóng góp chiều cao đỉnh xung tại 4,4 MeV và độ phân
giải năng lượng cho các đầu dò BGO 5”x3”, BGO 3”x3” và NaI(Tl) 6”x6”
sử dụng phần mềm Monte Carlo EGS4. ........................................................26
Hình 1.12: Mô phỏng đóng góp chiều cao đỉnh xung tại 10 MeV và độ phân
giải năng lượng cho các đầu dò BGO 5”x3”, BGO 3”x3” và NaI(Tl) 6”x6”
sử dụng phần mềm Monte Carlo EGS4. ........................................................26
Hình 1.13: Tính toán tỷ lệ Đỉnh phổ/Tổng cộng năng lượng tia tới cho mỗi
loại đầu dò và các kích thước khác nhau. ......................................................27
Hình 1.14: Hiệu suất ghi trong của BGO (Ef) phụ thuộc vào thể tích được
khớp với biểu thức toán học với các thông số như trên hình. ........................28
Hình 3.1: Sơ đồi khối cao áp ..........................................................................36
Hình 3.3. Cấu trúc của vi điều khiển P89V51RD2 ........................................37
7
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Hình 3.2. Giao tiếp kết nối máy tính ..............................................................41
Hình 3.3. Sơ đồ mắc tiền khuếch đại .............................................................41
Hình 3.4. Sơ đồ khối mạch nạp ắc quy ..........................................................42
Hình 3.5. Sơ đồ khối tạo điện áp chuẩn .........................................................43
Hình 3.6. Dạng sung ra sau tầng khuếch đại đối với nguồn Co-60 ...............43
Hình 3.7. Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian và điện áp của xung ra sau tầng
khuếch đại ......................................................................................................44
Hình 3.8. Biểu đồ thời gian các ngõ vào/ra của bộ so sánh ...........................45
Hình 3.9. Ghép nối các khối điện tử với nhau ...............................................46
Hình 4.1. Chứng chỉ nguồn Co-60 .................................................................49
Hình 4.2. Chứng chỉ nguồn Cs-137 ...............................................................49
Hình 4.3. Khối cao áp và đầu dò BGO sau khi lắp hoàn chỉnh .....................51
Hình 4.4. Khối xử lý và điều khiển ................................................................51
Hình 4.5. Khối hiển thị LCD..........................................................................51
8
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, bức xạ hạt nhân tồn tại ngay xung quanh chung ta và
các giác quan con người không thể cảm nhận được chúng. Để nhận biết được
chúng, chúng ta phải sử dụng các thiết bị ghi đo bức xạ. Hiểu biết của con người
ngày một gia tăng, số lượng và chủng loại các thiết bị ghi đo bức xạ hạt nhân cũng
ngày một đa dạng và hiện đại hơn trước. Ở nước ta, các ngành liên quan tới bức xạ,
hạt nhân đang rất phát triển và để đáp ứng được sự phát triển này thì sự phát triển
các thiết bị ghi đo bức xạ như là một tất yếu. Đa phần các thiết bị ghi đo bức xạ ở
nước ta hiện nay là các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy đã có một số cơ sở
chuyên ngành ở Việt Nam như Viện Khoa học kỹ thuật và hạt nhân, Viện Hóa học
vật liệu,… sản xuất và đưa được các thiết bị ghi đo ra thị trường nhưng vẫn chưa
đáp ứng được nhu cầu lớn của xã hội.
Có rất nhiều dạng các thiết bị ghi đo bức xạ có thể là các thiết bị nhận diện
đồng vị, thiết bị cảnh báo bức xạ, thiết bị phân tích,… và phổ biến nhất là các thiết
bị đo liều bức xạ. Cũng có nhiều phương pháp để đo liều bức xạ và một trong
những phương pháp ưu việt nhất là phương pháp chuyển phổ thành liều. Đã có
nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo liều sử dụng phương pháp
chuyển phổ thành liều mà chủ yếu với đầu dò NaI(Tl) hay đầu dò Germani. Bản
luận văn này tập trung vào nghiên cứu chế tạo thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu
dò BGO và phương pháp chuyển phổ thành liều.
Bố cục của luận văn này bao gồm:
Chương I: Tổng quan về thiết bị đo liều bức xạ
Chương này sẽ đi về giới thiệu tổng quan về một thiết bị đo liều bức
xạ và tập trung giới thiệu về thiết bị sử dụng đầu dò BGO
Chương II: Phương pháp chuyển phổ thành liều
Giới thiệu về phương pháp chuyển phổ thành liều
Chương III: Các bước chế tạo thiết bị
Giới thiệu các bước chế tạo một thiết bị đo liều hoàn chỉnh
9
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Chương IV: Chuẩn thiết bị.
Hiệu chuẩn thiết bị
10
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ
I.1. Nhu cầu thực tiễn
Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ.
Các chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình
thành trái đất hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra
còn có những tác nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử
dụng các phản ứng hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau
trong cuộc sống như y tế, nghiên cứu, năng lượng,…
Theo thống kê của Cục An toàn bức xạ và hạt nhân – Bộ Khoa học và công
nghệ, tính tới thời điểm tháng 4/2014, ở Việt Nam có 864 cơ sở bức xạ sử dụng
nguồn phóng xạ chưa kể các cơ sở sử y tế sử dụng máy X-quang. Để đảm bảo công
tác an toàn bức xạ các cơ sở bức xạ này đều cần tự trang bị cho mình một thiết bị đo
liều xách tay. Ngoài ra, để phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy, quản lý, quan
trắc môi trường,…. cũng cần rất nhiều thiết bị đo liều bức xạ. Như vậy nhu cầu về
thiết bị đo liều đảm bảo các yêu cầu trong công việc là rất lớn. Mỗi một thiết bị đo
liều được chế tạo ra đều để phục vụ cho một số lĩnh vực nhất định. Việc sử dụng
phương pháp chuyển phổ thành liều để chế tạo các thiết bị đo liều sử dụng đầu dò
nhấp nháy NaI(Tl) đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu nhiều.
Tuy nhiên việc sử dụng phương pháp trên kết hợp với các thế mạnh của đầu dò
BGO là một vấn đề khá mới mà cần được các nhà khoa học quan tâm hơn. Thiết bị
đo liều bức xạ sử dụng đầu dò BGO sẽ không thay thế hoàn toàn các thiết bị đo liều
gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) nhưng nhờ thế mạnh của mình mà nó sẽ
phát triển và đóng góp rất lớn trong các lĩnh vực của đời sống xã hội trong tương
lai.
11
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2. Cơ sở lý thuyết
I.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử
liên kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma
được truyền cho điện tử.
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
Te = E γ – I i (1.1)
Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron.
Eγ là năng lượng của lượng tử gamma.
Ii là năng lượng liênkết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân.
Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M... và
không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên
lớp vỏ M, N... và không thể xảy ra trên lớp K, L, …
Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện tử
không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng
nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng
nhỏ.
12
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá
năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng,
xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3. Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang
điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là năng lượng liên kết của
electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2. Nhưng khi E >> EK thì xác suất tổng
cộng lại tuân theo quy luật E-1.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện
phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện:
(Khi E ≥ EK)
(1.2)
(Khi E >> EK)
Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở
vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện chủ yếu
chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó
của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp
ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các
tia X đặc trưng hay các electron Auger.
Hình 1.2. Quá trình tạo điện tử Auger
13
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2.2. Tán xạ Compton
Hình 1.3: Mô hình tán xạ Compton
Quá trình tán xạ Compton được thực hiện thông qua một va chạm giữa một
photon với một điện tử ở lớp vỏ ngoài mà chỉ một phần năng lượng của photon
truyền cho nguyên tử hấp thụ. Các eˉ Compton tạo ra trong quá trình tán xạ
Compton của lượng tử với vật chất có năng lượng được xác định bởi biểu thức:
(1.3)
là năng lượng của lượng tử sau tán xạ, phụ thuộc vào góc tán xạ θ như
sau:
(1.4)
là năng lương nghỉ của electron.
Vì góc tán xạ θ có thể thay đổi bất kỳ trong khoảng từ 0 đến π nên theo (1.3)
năng lượng của eˉ sau tán xạ một lần có giá trị trong khoảng từ 0 đến
. Do đó các xung gây bởi sự hấp thụ các eˉ Compton trong đầu dò sẽ cho một
phân bố liên tục trên phổ biên độ xung, gọi là phân bố Compton.
Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên
tử và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:
(1.5)
Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ chế
kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta.
14
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
I.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron
Khi tia gamma có năng lượng lớn hơn ngưỡng tạo cặp (Eγ > 2meC2) thì hiệu
ứng tạo cặp bắt đầu xảy ra. Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không,
mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử, khi không có mặt của hạt nhân
hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử gamma không thể xảy ra.
Hình 1.4: Mô hình sự tạo cặp electron - positron
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc
proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng để xảy
ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của
electron:
(1.6)
Khi đó:
hv Te Te 2mec 2 (1.7)
Ở đây cần lưu ý rằng e+ và e- được sinh ra trong điện trường của hạt nhân, vì
thế e+ bị đẩy ra xa và được tăng tốc, còn e- bị làm chậm. Do đó phổ năng lượng đo
được sẽ khác nhau đối với hai loại hạt này.
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng
lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me.c2= 2.04MeV.
15
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé
hơn tiết diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết
diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2 < E
< 50mec2, tiết diện tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2ln(E). Theo công thức này, tiết diện tạo
cặp electron - positron gần như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có
số nguyên tử lớn.
I.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất
Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính
xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron -
positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:
σ = σphoton + σcompton + σpair (1.8)
Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoton ~ Z , tiết diện quá trình tán
5
E 7/2
xạ Compton là σcompton ~ Z và tiết diện quá trình tạo cặp là σpair ~ Z2ln(E).
E
Hình 1.5: Mối quan hệ trong ba loại tương tác photon chủ yếu
Hình 1.5 chỉ ra xác suất của mỗi loại tương tác phụ thuộc như thế nào tới
năng lượng của photon tới và số nguyên tử của chất hấp thụ. Năng lượng của
photon tới được biểu diễn (đo bằng MeV) trên trục X bằng thang loga. Nguyên tử
số của chất hấp thụ Z biểu diễn trên trục Y bằng thang tuyến tính. Đây chỉ là
16
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
phương pháp biểu đồ để chỉ tương tác gì có thể xảy ra. Nó không tiên đoán được
tương tác gì sẽ xảy ra.
I.2.5. Cấu trúc phổ gamma
Hình 1.6: Mô hình tổng thể các tương tác có thể xảy ra trong đầu dò ghi tia gamma
và dạng phổ tương ứng
Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng lượng
E0. Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng của photo
electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò. Kết quả là tất cả
năng lượng E0 của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên xung điện, mà xung này
có biên độ tỉ lệ với năng lượng E0 và tạo nên một đỉnh trong phổ gamma. Đỉnh này
được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp thụ toàn phần. Khi các tia gamma đơn
năng E0 gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán xạ có động năng
2 E0 E0
Ec phân bố liên tục từgiá trị 0 đến giá trị cực đại: Emax = trong đó
1 2 me c 2
Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton. Phần
năng lượng E0 - Ec của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá trình khác
nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện. Ngoài ra trên hình còn có thể xuất
17
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ ngược của các lượng
tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh đầu dò. Năng lượng Eng của
tán xạ ngược liên quan với năng lượng E0 của photon tới và góc tán xạ θ theo công
thức:
E0
Khi θ = π thì Eng (1.9)
1 2
Nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng E0 = 2mec2= 1,022 MeV, thì khi
đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron (positron có
khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +1e). Positron
khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự huỷ và sinh ra hai photon với
năng lượng 0,511 MeV. Các photon này có thể bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá
trình đã biết. Do đó, trên phổ ứng với quá trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp
thụ toàn phần. Ngoài ra có khả năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò.
Vì thế trên phổ hình thành thêm hai đỉnh tương ứng với đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát
kép ứng với năng lượng E0 - 0,511MeV và E0 - 1,022MeV.
Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò
tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng nêu
trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu được có dạng
phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng. Ngoài ra trong thực tế chùm
gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí tưởng, do đó phổ năng
lượng gamma thực tế có phân bố như Hình 1.6 Độ rộng của đỉnh hấp thụ toàn phần
ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM) gọi là độ phân giải của đầu dò.
I.2.6. Thiết bị đo liều gamma sử dụng đầu dò chất nhấp nháy
Nguyên lý hoạt động của đầu dò nhấp nháy dựa trên khả năng của nhiều
chất hữu cơ và vô cơ có khả năng phát ra những nháy sáng khi bị chiếu bởi các tia
bức xạ. Tia sáng yếu này được nhận biết bởi katôt của một khuếch đại quang điện.
Cường độ phát sáng tỉ lệ với năng lượng của tia bức xạ, do đó biên độ thế ra của
18
Luận văn thạc sĩ khoa học Khóa 2011B
nhân quang điện tỉ lệ với năng lượng, trên cơ sở đó cho phép phác họa giản đồ năng
lượng hạt. Chất phát quang gọi là chất nhấp nháy.
Hình 1.7. Cấu trúc của đầu dò nhấp nháy
Đầu dò nhấp nháy bao gồm chất nháp nháy và nhân quang (xem hình 1.7)
quá trình hoạt động như sau: Hạt bức xạ bị hấp thụ vào chất nhấp nháy, chất nhấp
nháy phát photon, năng lượng càng cao phát ra ánh sáng càng mạnh. Phôtôn này
được truyền đến katôt của nhân quang điện nhờ chất quang dẫn (photoconduction)
các photon này phát ra các quang điện tử nhờ photocathod, điện cực hội tụ hướng
các điện tử này đến anôt đầu tiên gọi là đinôt. Các đinốt này được chế tạo từ các
chất có khả năng phát ra hơn một điện tử thứ cấp nếu nó nhận một điện tử sơ cấp
đập vào. Điện tử thứ cấp này được gia tốc bởi điện trường của đinốt thứ hai và như
vậy quá trình nhân điện được xảy ra và lặp lại. Hệ số nhân này sẽ rất lớn nếu số
đinốt càng nhiều vì quá trình nhân này có đặc trưng hàm lũy thừa, chuỗi điện thế
thu được cho các đinốt tạo ra bởi mạch chia điện trở. Lối ra của ống đếm nhấp nháy
tại điện cực cuối cùng gọi là anốt là một xung thế có biên độ từ vài mv đến vài vol
phụ thuộc năng lượng của hạt.
Hiệu suất của ống đếm nhấp nháy lớn có thể đến 100% cho hạt , và từ
20% đến 30% cho tia . Chất nhấp nháy có chứa Bo hay Li có thể sử dụng để đo
nơtron, cả hai chất này đều hấp thụ nơtron và phát ra tia , tia này được chất nhấp
19