Tổng quan các loại đầu dò phóng xạ

Đối với những người làm việc trong lĩnh vực bức xạ, một trong những yếu tố quan trọng nhất là nhận thức về cường độ bức xạ. Điều này chủ yếu được thực hiện thông qua việc sử dụng các loại đầu dò bức xạ khác nhau. Sự hiểu biết cơ bản về các loại  đầu dò khác nhau hiện có và cách chúng hoạt động có thể giúp ích rất nhiều trong việc lựa chọn loại đầu dò tốt nhất cho nhiệm vụ được yêu cầu và cũng để tối đa hóa lợi ích của việc vận hành đầu dò đó.

1. LỊCH SỬ ĐẦU DÒ

Kể từ những ngày đầu thử nghiệm bức xạ của Roentgen và Becquerel, các nhà khoa học đã tìm cách đo và quan sát bức xạ phát ra từ các vật liệu mà họ làm việc cùng. Một trong những phương tiện sớm nhất để thu thập dữ liệu từ phóng xạ là tấm phim. Một tấm phim sẽ được đặt trên khu vực chiếu của chùm tia hoặc vật liệu phóng xạ. Khi tấm này được rửa, nó sẽ có các đốm đen hoặc bị mờ do tiếp xúc với bức xạ. Henri Becquerel đã sử dụng một phương pháp tương tự để chứng minh sự tồn tại của bức xạ vào năm 1896.

Hình ảnh Roentgen và Becquerel và tấm phim X-quang đầu tiên trên thế giới

Một máy dò sớm phổ biến khác là máy quang điện. Chúng sử dụng một cặp tấm lá kim loại vàng sẽ bị tích điện do sự ion hóa bởi các bức xạ gây ra và đẩy nhau. Điều này cung cấp một phương tiện đo bức xạ với độ nhạy và mức đáng tin cậy tốt hơn so với việc sử dụng tấm phim. Tùy thuộc cấu tạo của thiết bị, chúng có thể được cấu hình để đo các hạt alpha hoặc beta và là công cụ có giá trị cho các thí nghiệm ban đầu liên quan đến phóng xạ.

Hình ảnh máy quang điện

Một thiết bị thú vị xuất phát từ mong muốn đo từng hạt hoặc tia thực tế được phát ra bởi chất phóng xạ lại là kính nhấp nháy Spinthariscope. Kính nhấp nháy Spinthariscope được phát triển bởi William Crookes, người cũng đã phát minh ra Ống Crookes mà sau này Wilhelm Roentgen đã sử dụng để khám phá Tia X. Kính nhấp nháy sử dụng một màn kẽm sunfua ở đầu ống, với một thấu kính ở đầu kia kèm theo một lượng nhỏ chất phóng xạ. chất gần màn kẽm sunfua. Kẽm sunfua sẽ phản ứng với các hạt alpha phát ra và mỗi tương tác sẽ tạo ra một tia sáng nhỏ.

Đây là một trong những phương pháp đầu tiên để đếm tốc độ phân rã, mặc dù là một phương pháp rất khó sử dụng, vì các nhà khoa học phải làm việc theo ca để quan sát và đếm các tia sáng theo đúng nghĩa đen.

Hình ảnh máy quang điện kính nhấp nháy Spinthariscope

Những thiết bị đầu tiên này và nhiều thiết bị khác, chẳng hạn như buồng hơi Cloud Chambers, có giá trị trong việc phát triển sự hiểu biết về các nguyên lý cơ bản của bức xạ và tiến hành các thí nghiệm quan trọng tạo tiền đề cho những phát triển sau này. Điều này bao gồm việc phát triển các loại đầu dò phóng xạxạ mới, nhiều loại vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay, chẳng hạn như Ống G-M, Buồng ion hoá và Đầu dò nhấp nháy.

2. CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

Khi nói về thiết bị phát hiện bức xạ, có ba loại đầu dò được sử dụng phổ biến nhất, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của thiết bị. Đó là: Đầu dò chứa khí, Đầu dò nhấp nháy và Đầu dò tinh thể rắn. Mỗi loại đều có những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau để đưa vào những vai trò, ứng dụng cụ thể.

2.1 ĐẦU DÒ CHỨA KHÍ

Đây là loại đầu dò bức xạ đầu tiên, đầu dò chứa đầy khí và là một trong những loại được sử dụng phổ biến nhất. Có một số loại đầu dò chứa khí dù có những điểm khác biệt về cách hoạt động nhưng tất cả chúng đều dựa trên các nguyên tắc tương tự. Khi khí trong máy dò tiếp xúc với bức xạ, nó sẽ phản ứng, khiến khí bị ion hóa và điện tích được đo bằng đồng hồ đo.

Các loại đầu dò chứa khí khác nhau là: buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ và ống Geiger-Mueller (G-M). Yếu tố khác biệt chính giữa các loại đầu dò này là điện áp đặt trên đầu dò, từ đó xác định loại phản hồi mà đầu dò ghi lại từ sự kiện ion hóa.

Hình ảnh cơ chế đầu dò khí

2.2 BUỒNG ION HOÁ

Nằm ở mức điện áp thấp là Buồng ion hóa hoặc Buồng ion. Do hoạt động ở điện áp thấp, nghĩa là đầu dò chỉ ghi lại các phép đo từ các ion “sơ cấp” (là cặp ion được tạo ra: ion tích điện dương và electron tự do) do tương tác với photon phóng xạ trong buồng phản ứng. Do đó, phép đo mà đầu dò ghi lại tỷ lệ thuận với số lượng cặp ion được tạo ra. Điều này đặc biệt hữu ích khi đo liều hấp thụ theo thời gian. Buồng ion hoá cũng có giá trị trong việc đo tia gamma năng lượng cao vì chúng không gặp phải bất kỳ vấn đề nào về thời gian chết – điều mà các loại đầu dò khác có thể gặp phải.

Tuy nhiên, buồng ion không thể phân biệt giữa các loại bức xạ khác nhau, nghĩa là chúng không thể được sử dụng cho việc xác định quang phổ. Chúng cũng có giá thành đắt hơn các sản phẩm khác. Mặc dù vậy, chúng vẫn là đầu dò có tính ứng dụng trong máy đo khảo sát. Sản phẩm cũng được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để thiết lập các tiêu chuẩn tham chiếu cho việc hiệu chuẩn liều phóng xạ dùng cho bệnh nhân.

Hình ảnh cơ chế buồng ion hóa

2.3 ỐNG G-M

Loại đầu dò chứa đầy khí chính cuối cùng là ống Geiger-Mueller (ống đếm G-M). Đầu dò hoạt động ở điện áp cao hơn nhiều so với các loại đầu dò khác, điều khác biệt là phản ứng ion hóa, bất kể đó là tương tác hạt đơn lẻ hay trong điện trường mạnh sẽ đều gây ra hiệu ứng khuếch đại khí trên toàn bộ chiều dài của cực dương đầu dò. Do đó, đầu dò chỉ có thể hoạt động như những thiết bị đếm đơn giản, được sử dụng để đo tốc độ đếm hoặc, với các thuật toán chính xác được áp dụng, đo liều lượng.

Sau mỗi xung, G-M phải được “đặt lại” về trạng thái ban đầu. Được thực hiện bằng cách dập tắt sự khuếch đại khí trong đầu dò bằng cách tạm thời hạ thấp điện áp cực dương trên đầu dò sau mỗi xung. Điều này cho phép các ion kết hợp với nhau và trở lại trạng thái trơ của chúng. Ngoài ra cũng thể được thực hiện về mặt hóa học bằng khí làm nguội như halogen, chất này hấp thụ các photon thừa sinh ra do bão hòa mà không bị ion hóa.

Do ống G-M đều phản ứng với mỗi xung bức xạ, chúng có thể gặp phải thứ gọi là “thời gian chết” tại suất liều cao, thứ có thể hiểu là thời gian mà ống đếm hoàn thành công việc đếm trở về trạng thái ban đầu để bắt đầu phát hiện một xung khác. Điều này có thể được điều chỉnh bằng cách hiệu chuẩn hoặc bằng thuật toán trong chính các thiết bị phát hiện để “tính toán” các xung bổ sung sẽ dựa trên dữ liệu đo hiện có.

Hình ảnh cơ chế ống đếm tỷ lệ

2.4 ỐNG ĐẾM TỶ LỆ

Nằm ở thang điện áp cao hơn đối với đầu dò chứa khí là ống đếm tỷ lệ. Nhìn chung, chúng được thiết kế tương tự như buồng ion là tương tác với bức xạ tạo ra các cặp ion. Tuy nhiên, chúng có điện áp đủ mạnh để các ion “trôi” về phía cực dương của đầu dò. Khi các ion tiếp cận cực dương của đầu dò, điện áp sẽ tăng lên cho đến khi chúng đạt đến điểm xảy ra hiệu ứng “khuếch đại khí”.

Khuếch đại khí có nghĩa là các ion ban đầu được tạo ra bởi phản ứng với một photon bức xạ sẽ gây ra các phản ứng ion hóa tiếp theo, làm tăng cường độ của xung đầu ra đo được trên máy dò. Xung thu được tỷ lệ thuận với số cặp ion ban đầu được hình thành, tương quan với năng lượng của trường phóng xạ mà nó đang tương tác.

Điều này làm cho ống đếm tỷ lệ trở nên rất hữu ích cho một số ứng dụng quang phổ, vì chúng đưa ra các phản ứng khác nhau với các năng lượng khác nhau và do đó có thể cho biết sự khác biệt giữa các loại bức xạ khác nhau mà chúng tiếp xúc. Chúng cũng có độ nhạy cao, cùng với hiệu quả phát hiện và phân biệt alpha và beta, khiến loại máy dò này rất có giá trị như một máy dò sàng lọc ô nhiễm

Hình ảnh cơ chế ống đếm tỷ lệ

2.5 ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY

Loại đầu dò thường được sử dụng thứ hai trong các thiết bị phát hiện bức xạ là đầu dò nhấp nháy. Nhấp nháy là hiện tượng phát ra ánh sáng dạng photon để phát hiện bức xạ. Chúng là một số vật liệu phát ra photon khi tiếp xúc với bức xạ khiến chúng trở nên hữu ích như đầu dò. Mỗi photon bức xạ tương tác với vật liệu nhấp nháy sẽ tạo ra một tia sáng riêng biệt, nghĩa là ngoài độ nhạy cao, đầu dò nhấp nháy còn có thể ghi lại các cấu hình quang phổ cụ thể cho vật liệu phóng xạ đo được.

Đầu dò nhấp nháy hoạt động thông qua việc kết nối vật liệu nhấp nháy với ống nhân quang (PM). Ống PM sử dụng vật liệu quang điện để chuyển đổi từng xung ánh sáng thành electron, sau đó khuếch đại tín hiệu đó một cách đáng kể để tạo ra xung điện áp có thể hiển thị và phân tích. Số xung này được đo theo thời gian cho biết cường độ của nguồn phóng xạ và thông tin về năng lượng riêng của bức xạ được biểu thị bằng số lượng photon ánh sáng bị bắt trong mỗi xung. Nhờ đó cung cấp thông tin về loại chất phóng xạ có mặt.

Do độ nhạy cao và khả năng “xác định” nguồn phóng xạ, đầu dò nhấp nháy đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng an ninh bức xạ. Chúng có thể có nhiều dạng, từ các thiết bị cầm tay cho đến các thiết bị giám sát hoặc đo độ tập trung.

Hình ảnh cơ chế đầu dò nhấp nháy

2.6 ĐẦU DÒ TRẠNG THÁI RẮN

Công nghệ đầu dò chính cuối cùng được sử dụng trong các thiết bị phát hiện bức xạ là đầu dò trạng thái rắn. Nhìn chung đầu dò sẽ sử dụng vật liệu bán dẫn như silicon và hoạt động giống như buồng ion hóa. Điều khác biệt ở đây là đầu dò sử dụng có quy mô nhỏ hơn nhiều và ở điện áp thấp hơn nhiều. Chất bán dẫn là vật liệu có điện trở suất cao đối với dòng điện tử, nhưng điện trở không cao bằng chất cách điện. Chúng bao gồm một mạng lưới các nguyên tử chứa “các hạt mang điện”, đây là các electron có sẵn để gắn vào một nguyên tử khác, hoặc các “lỗ trống” electron hoặc các nguyên tử có một vị trí trống nơi có thể có một electron.

Đầu dò rắn silicon bao gồm hai lớp vật liệu bán dẫn silicon, một “loại n” chứa số lượng electron lớn hơn lỗ trống và một “loại p” có số lượng lỗ lớn hơn số electron. Các electron thuộc loại n di chuyển qua điểm nối giữa hai lớp để lấp đầy các lỗ trống trong loại p, tạo ra khu vực vùng tiếp giáp.

Vùng tiếp giáp này hoạt động giống như vùng phát hiện của buồng ion. Bức xạ tương tác với các nguyên tử bên trong vùng tiếp giáp này khiến chúng tái ion hóa và tạo ra xung điện tử có thể đo được. Do kích thước nhỏ của đầu dò và vùng tiếp giáp nên các cặp ion có thể được ghi nhận nhanh chóng. Điều này có nghĩa là các thiết bị sử dụng loại đầu dò tinh thể bán dẫn có thời gian phản hồi đặc biệt nhanh. Điều này khi kết hợp với kích thước nhỏ của chúng sẽ khiến cho loại đầu dò trạng thái rắn này trở nên rất hữu ích cho các ứng dụng đo liều điện tử. Chúng cũng có thể chịu được lượng bức xạ cao hơn nhiều trong suốt vòng đời của chúng so với các loại đầu dò khác như Ống G-M. Điều này có nghĩa là chúng cũng hữu ích cho các thiết bị hoạt động ở những khu vực có trường bức xạ đặc biệt mạnh.

Hình ảnh cơ chế đầu dò trạng thái rắn – bán dẫn