Thuật ngữ bức xạ ion hóa đề cập đến các hạt hạ nguyên tử và photon có năng lượng đủ để gây ra sự ion hóa trong vật chất mà chúng tương tác. Quá trình ion hóa bao gồm việc loại bỏ một electron khỏi một nguyên tử hoặc phân tử ban đầu trung tính. Đối với nhiều vật liệu, năng lượng tối thiểu cần thiết cho quá trình này là khoảng 10 electron vôn (eV) và điều này có thể được coi là giới hạn dưới của phạm vi năng lượng bức xạ ion hóa. Các loại bức xạ ion hóa phổ biến hơn được đặc trưng bởi năng lượng hạt hoặc lượng tử được đo bằng hàng nghìn hoặc hàng triệu electron vôn (tương ứng là keV hoặc MeV). Ở đầu trên của thang năng lượng, việc đo đạc bức xạ thông thường được giới hạn ở các bức xạ có năng lượng lượng tử nhỏ hơn khoảng 20 MeV. Phạm vi năng lượng này bao gồm các loại bức xạ ion hóa phổ biến gặp phải trong các hệ thống phân rã phóng xạ, phân hạch và tổng hợp hạt nhân và các ứng dụng y tế và công nghiệp của đồng vị phóng xạ.
Tương tác bức xạ trong vật chất
Chúng ta có thể chia các loại bức xạ ion hóa khác nhau thành hai loại chính: loại mang điện tích và loại không mang điện tích. Nhóm đầu tiên là các bức xạ thường được coi là các hạt tích điện hạ nguyên tử riêng lẻ. Bức xạ như vậy xuất hiện dưới dạng các hạt alpha tự phát phát ra trong quá trình phân rã của một số hạt nhân nặng không ổn định. Các hạt alpha này bao gồm hai proton và hai neutron và mang điện tích dương là hai đơn vị. Một ví dụ khác là bức xạ beta- cũng phát ra trong quá trình phân rã của một số hạt nhân phóng xạ. Trong trường hợp này, mỗi phân rã hạt nhân tạo ra một electron nhanh mang điện tích âm là một đơn vị. Ngược lại, có những loại bức xạ ion hóa khác không mang điện tích. Ví dụ phổ biến là tia gamma, có thể được biểu diễn dưới dạng các photon điện từ tần số cao và neutron, các hạt hạ nguyên tử không mang điện tích.
Chỉ có các bức xạ tích điện mới tương tác liên tục với vật chất, và do đó chúng là loại bức xạ duy nhất có thể phát hiện trực tiếp trong các thiết bị đo đạc. Ngược lại, các lượng tử không tích điện trước tiên phải trải qua một tương tác lớn biến đổi toàn bộ hoặc một phần năng lượng của chúng thành các bức xạ tích điện thứ cấp. Sau đó, các đặc tính của các bức xạ không tích điện ban đầu có thể được suy ra bằng cách nghiên cứu các hạt tích điện được tạo ra. Những tương tác lớn này xảy ra rất hiếm, vì vậy không có gì bất thường khi một bức xạ không tích điện di chuyển qua các vật liệu rắn với khoảng cách nhiều cm trước khi tương tác như vậy xảy ra. Do đó, các thiết bị được thiết kế để phát hiện hiệu quả các lượng tử không tích điện này có xu hướng có độ dày tương đối lớn để tăng khả năng quan sát kết quả của tương tác như vậy trong thể tích máy dò.
Tương tác của các hạt tích điện nặng
Thuật ngữ hạt tích điện nặng dùng để chỉ các hạt năng lượng có khối lượng bằng một đơn vị khối lượng nguyên tử hoặc lớn hơn. Loại này bao gồm các hạt alpha, cùng với proton, deuteron, mảnh phân hạch và các hạt nặng năng lượng khác thường được tạo ra trong máy gia tốc. Các hạt này mang ít nhất một điện tích điện tử và chúng tương tác với vật chất chủ yếu thông qua lực Coulomb tồn tại giữa điện tích dương trên hạt và điện tích âm trên các electron là một phần của vật liệu hấp thụ. Trong trường hợp này, lực là lực hấp dẫn giữa hai điện tích trái dấu. Khi một hạt tích điện đi qua gần một electron trong vật liệu hấp thụ, nó truyền một phần nhỏ động lượng của mình cho electron. Kết quả là, hạt tích điện chậm lại một chút và electron hấp thụ một phần động năng của nó. Tại bất kỳ thời điểm nào, hạt tích điện đồng thời tương tác với nhiều electron trong vật liệu hấp thụ và kết quả ròng của tất cả các lực Coulomb hoạt động giống như lực cản nhớt lên hạt. Từ thời điểm hạt đi vào bộ hấp thụ, hạt liên tục chậm lại cho đến khi dừng hẳn. Vì hạt tích điện có khối lượng lớn hơn hàng nghìn lần so với các electron mà nó tương tác, nên nó bị lệch tương đối ít khỏi đường thẳng khi dừng lại. Thời gian trôi qua trước khi hạt dừng lại dao động từ vài pico giây (1 × 10−12 giây) trong chất rắn hoặc chất lỏng đến vài nano giây (1 × 10−9 giây) trong chất khí. Những khoảng thời gian này đủ ngắn để có thể coi thời gian dừng là tức thời cho nhiều mục đích và phép tính gần đúng này được giả định trong các phần sau mô tả phản ứng của máy dò bức xạ.
Tương tác của các electron nhanh
Các electron năng lượng (như các hạt beta-), chúng mang điện tích, cũng tương tác với các electron trong vật liệu hấp thụ thông qua lực Coulomb. Trong trường hợp này, lực là lực đẩy chứ không phải lực hút, nhưng kết quả ròng tương tự như những kết quả quan sát được đối với các hạt tích điện nặng. Electron nhanh chịu tác động tích lũy của nhiều lực Coulomb đồng thời và trải qua quá trình giảm tốc liên tục cho đến khi dừng lại. So với một hạt tích điện nặng, khoảng cách di chuyển của electron nhanh lớn hơn nhiều lần đối với một năng lượng ban đầu tương đương. Ví dụ, một hạt beta có năng lượng ban đầu là 1 MeV di chuyển một hoặc hai milimét trong chất rắn thông thường và vài mét trong chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn. Ngoài ra, vì một electron nhanh có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với một hạt tích điện nặng, nên nó dễ bị lệch hơn nhiều trên đường đi của nó. Đường đi của electron nhanh thông thường lệch đáng kể so với đường thẳng và độ lệch qua các góc lớn không phải là hiếm. Bởi vì một electron nhanh có thể di chuyển xa hơn khoảng 100 lần trong một vật liệu nhất định so với một hạt tích điện nặng có cùng năng lượng ban đầu, năng lượng của nó được lắng đọng ít dày đặc hơn nhiều dọc theo đường đi của nó. Vì lý do này, các electron nhanh thường được gọi là bức xạ dE/dx thấp.
Có một sự khác biệt đáng kể khác trong sự mất năng lượng của các electron nhanh so với sự mất năng lượng của các hạt tích điện nặng. Trong khi trải qua các độ lệch góc lớn, các electron nhanh có thể bức xạ một phần năng lượng của chúng dưới dạng bức xạ điện từ được gọi là bremsstrahlung hay bức xạ hãm. Dạng bức xạ này thường nằm trong vùng tia X của quang phổ. Tỷ lệ năng lượng electron nhanh bị mất dưới dạng bremsstrahlung ít hơn 1 % đối với các electron năng lượng thấp trong vật liệu nhẹ nhưng trở thành một tỷ lệ lớn hơn nhiều đối với các electron năng lượng cao trong vật liệu có số nguyên tử cao.
Tương tác tia gamma và tia X
Bức xạ ion hóa cũng có thể ở dạng tia điện từ. Khi được phát ra bởi các nguyên tử bị kích thích, chúng được gọi là tia X và có năng lượng lượng tử thường được đo từ 1 đến 100 keV. Khi được phát ra bởi các hạt nhân bị kích thích, chúng được gọi là tia gamma và năng lượng đặc trưng có thể cao tới vài MeV. Trong cả hai trường hợp, bức xạ ở dạng photon năng lượng điện từ. Vì photon không tích điện nên nó không tương tác thông qua lực Coulomb và do đó có thể đi qua khoảng cách lớn trong vật chất mà không có tương tác đáng kể. Khoảng cách trung bình di chuyển giữa các tương tác được gọi là đường đi tự do trung bình và trong vật liệu rắn, phạm vi từ vài milimét đối với tia X năng lượng thấp đến hàng chục centimet đối với tia gamma năng lượng cao. Tuy nhiên, khi tương tác xảy ra, nó sẽ gây ra thảm họa theo nghĩa là một tương tác duy nhất có thể ảnh hưởng sâu đến năng lượng và hướng của photon hoặc có thể khiến nó biến mất hoàn toàn. Trong tương tác như vậy, toàn bộ hoặc một phần năng lượng của photon được truyền cho một hoặc nhiều electron trong vật liệu hấp thụ. Vì các electron thứ cấp được tạo ra như vậy có năng lượng và tích điện, chúng tương tác theo cách tương tự như đã mô tả trước đó đối với các electron nhanh sơ cấp. Thực tế là tia X hoặc tia gamma ban đầu có mặt được chỉ ra bởi sự xuất hiện của các electron thứ cấp. Thông tin về năng lượng được mang bởi các photon tới có thể được suy ra bằng cách đo năng lượng của các electron này.
Hấp thụ quang điện
Trong quá trình này, photon tia X hoặc tia gamma chiếu tới tương tác với một nguyên tử của vật liệu hấp thụ và photon biến mất hoàn toàn; năng lượng của nó được truyền đến một trong các electron quỹ đạo của nguyên tử. Vì năng lượng này nói chung vượt xa năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử chủ, nên electron bị đẩy ra với vận tốc cao. Động năng của electron thứ cấp này bằng với năng lượng tới của photon trừ đi năng lượng liên kết của electron trong lớp vỏ nguyên tử ban đầu. Quá trình này để lại một chỗ trống trong một trong các lớp vỏ electron thường được lấp đầy, sau đó được lấp đầy lại sau một thời gian ngắn bởi một electron tự do gần đó. Quá trình lấp đầy này một lần nữa giải phóng năng lượng liên kết dưới dạng một photon tia X đặc trưng, sau đó thường tương tác với các electron từ các lớp vỏ ít liên kết chặt chẽ hơn trong các nguyên tử gần đó, tạo ra các electron nhanh bổ sung. Do đó, hiệu ứng tổng thể là sự chuyển đổi hoàn toàn năng lượng photon thành năng lượng do các electron nhanh mang theo. Vì các electron nhanh hiện có thể phát hiện được thông qua tương tác Coulomb của chúng, chúng có thể đóng vai trò là cơ sở để chỉ ra sự hiện diện của tia gamma hoặc photon tia X ban đầu, và phép đo năng lượng của chúng tương đương với việc đo năng lượng của photon tới. Vì quá trình quang điện dẫn đến sự chuyển đổi hoàn toàn năng lượng photon thành năng lượng electron, nên theo một nghĩa nào đó, đây là bước chuyển đổi lý tưởng. Đo năng lượng tia gamma sau đó được giảm xuống chỉ còn đo năng lượng tương đương do các electron nhanh lắng đọng.
Từ khóa: bức xạ; tia X; tia gamma
– CMD –
