My OperaKhoa học
Friday, November 27, 2009 8:01:23 AM
5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ DETECTOR NHẤP NHÁY
5.1.1 Nguyên tắc hoạt động của 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 sang nhấp nháy, đó là các photon ánh sang. Qua một lớp dẫn sang, 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. Sơ đồ của một detector nhấp nháy nối với các bộ phận cần thiết được cho trong hinh 5.1:
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.
5.1.2 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 sang 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. Vì vậy, tốt nhất là chọn chất nhấp nháy mà sự đóng góp của thành phần lân quang nhỏ.
5.1.3 Những tính chất chung của các chất nhấp nháy
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 vạt lý).
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 sang Cps.
Hiệu suất phát sáng của của tinh thể NaI(Tl) khoảng 10%
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.
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 sang của bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt.
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 sang). Do đó, trong thời gian rất ngắn to ban đầu, cường độ sang 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:
Ở đây t tính từ thời điểm t = to. Đại lượng 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 sang 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.
5.2 BỘ PHẬN NHÂN QUANG ĐIỆN
5.2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
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.
Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode K của nhân quang điện, các photoelectron bật ra, dưới tác dụng của điện trường, 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 sãy 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.
5.2.2 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.
Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất có hệ số phát xạ thứ cấp (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 .
Ngoài sự phụ thuộc của vật liệu, hệ số phát xạ thứ cấp 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 .
Cũng như hệ số phát xạ thứ cấp , 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 . Hệ số khuếch đại của nhân quang điện có thể được xác định như sau:
(5.5)
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:
(5.6)
Ta có: (5.7)
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:
(5.8)
(5.9)
Độ thăng giáng tương đối gây ra bởi sự thăng giáng hiệu điện thế sẽ là:
(5.10)
Như vậy một sự thăng giáng nhỏ 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.
5.3 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 dung làm nhấp nháy không nhiều. Thành phần cơ bản của các chất nhấp nháy này thường là muối halogen của kiêm loại kềm 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 sang riêng khác nhau.
5.3.1 Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ
Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ được mô tả trên hình 5.3 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 sswj 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 rang, 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.
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 them 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 rang 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 them Tl vào NaI hoặc Ag vào ZnS. Tuy nhiên, không thể pha tạp chất với nồng độ tùy ý, mà pahir 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.
5.3.2 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ.
Nếu trong tinh thể vô cơ đã xét ở mục 5.3.1 các quá trình phát photon lien 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 lien 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 lien 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 sang.
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 trương 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 tửm 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 sang 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 nhaysbes 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 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 5.4.
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 sang 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 than 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 sang 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 sang nhấp nháy lien quan 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 sang đó không thích hợp với vùng nhạy của nhân quang điện. Do đó, cần có chất dịch phổ chuyển ánh sang 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.
5.1.1 Nguyên tắc hoạt động của 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 sang nhấp nháy, đó là các photon ánh sang. Qua một lớp dẫn sang, 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. Sơ đồ của một detector nhấp nháy nối với các bộ phận cần thiết được cho trong hinh 5.1:
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.
5.1.2 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 sang 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. Vì vậy, tốt nhất là chọn chất nhấp nháy mà sự đóng góp của thành phần lân quang nhỏ.
5.1.3 Những tính chất chung của các chất nhấp nháy
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 vạt lý).
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 sang Cps.
Hiệu suất phát sáng của của tinh thể NaI(Tl) khoảng 10%
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.
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 sang của bản nhấp nháy có phần chồng chất càng nhiều càng tốt.
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 sang). Do đó, trong thời gian rất ngắn to ban đầu, cường độ sang 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:
Ở đây t tính từ thời điểm t = to. Đại lượng 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 sang 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.
5.2 BỘ PHẬN NHÂN QUANG ĐIỆN
5.2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
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.
Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode K của nhân quang điện, các photoelectron bật ra, dưới tác dụng của điện trường, 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 sãy 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.
5.2.2 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.
Bề mặt của dynode thường phủ một lớp vật chất có hệ số phát xạ thứ cấp (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 .
Ngoài sự phụ thuộc của vật liệu, hệ số phát xạ thứ cấp 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 .
Cũng như hệ số phát xạ thứ cấp , 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 . Hệ số khuếch đại của nhân quang điện có thể được xác định như sau:
(5.5)
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:
(5.6)
Ta có: (5.7)
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:
(5.8)
(5.9)
Độ thăng giáng tương đối gây ra bởi sự thăng giáng hiệu điện thế sẽ là:
(5.10)
Như vậy một sự thăng giáng nhỏ 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.
5.3 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 dung làm nhấp nháy không nhiều. Thành phần cơ bản của các chất nhấp nháy này thường là muối halogen của kiêm loại kềm 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 sang riêng khác nhau.
5.3.1 Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ
Cơ chế phát sáng của tinh thể vô cơ được mô tả trên hình 5.3 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 sswj 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 rang, 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.
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 them 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 rang 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 them Tl vào NaI hoặc Ag vào ZnS. Tuy nhiên, không thể pha tạp chất với nồng độ tùy ý, mà pahir 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.
5.3.2 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ.
Nếu trong tinh thể vô cơ đã xét ở mục 5.3.1 các quá trình phát photon lien 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 lien 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 lien 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 sang.
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 trương 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 tửm 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 sang 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 nhaysbes 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 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 5.4.
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 sang 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 than 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 sang 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 sang nhấp nháy lien quan 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 sang đó không thích hợp với vùng nhạy của nhân quang điện. Do đó, cần có chất dịch phổ chuyển ánh sang 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.
