Tán xạ Compton
Một photon tia gamma tới có thể tương tác với một electron tự do duy nhất trong chất hấp thụ thông qua quá trình tán xạ Compton. Trong quá trình này, photon đột ngột thay đổi hướng và truyền một phần năng lượng ban đầu của nó cho electron mà nó tán xạ, tạo ra một electron giật lùi mức năng lượng. Phần năng lượng photon được truyền phụ thuộc vào góc tán xạ. Khi photon tới chỉ bị lệch một chút, một lượng năng lượng nhỏ được truyền cho electron. Sự truyền năng lượng tối đa xảy ra khi photon tới bị tán xạ ngược khỏi electron và hướng ban đầu của nó bị đảo ngược. Vì nhìn chung tất cả các góc tán xạ sẽ xảy ra, nên các electron giật lùi được tạo ra với một chuỗi năng lượng liên tục từ gần bằng không đến cực đại được biểu thị bằng cực đại tán xạ ngược. Năng lượng tối đa này có thể được dự đoán từ sự bảo toàn động lượng và năng lượng trong tương tác photon-electron và thấp hơn khoảng 0,25 MeV so với năng lượng photon tới đối với tia gamma năng lượng cao. Sau khi tương tác, photon bị tán xạ có năng lượng giảm đi một lượng bằng với năng lượng được truyền cho electron giật lùi. Sau đó nó có thể tương tác lại ở một vị trí khác hoặc đơn giản là thoát khỏi máy dò.
Phản ứng tạo cặp
Quá trình tương tác tia gamma thứ ba có thể xảy ra khi năng lượng photon tới lớn hơn 1,02 MeV. Trong trường của hạt nhân vật liệu hấp thụ, photon có thể biến mất và được thay thế bằng sự hình thành cặp electron-positron. Năng lượng tối thiểu cần thiết để tạo ra cặp hạt này là năng lượng khối lượng nghỉ kết hợp của chúng: 1,02 MeV. Do đó, phản ứng tạo cặp không thể xảy ra đối với các năng lượng photon tới dưới ngưỡng này. Khi năng lượng photon vượt quá giá trị này, năng lượng dư thừa xuất hiện dưới dạng động năng ban đầu được chia sẻ bởi positron và electron được hình thành. Positron là một hạt tích điện dương có khối lượng của một electron bình thường. Nó chậm lại và lắng năng lượng của mình trên một khoảng cách trung bình gần bằng khoảng cách của một electron có năng lượng tương đương. Do đó, cả hai hạt đều truyền động năng của chúng trên một khoảng cách không quá vài milimét trong các chất rắn thông thường. Độ lớn của năng lượng được biểu thị bằng năng lượng photon ban đầu trừ đi 1,02 MeV. Khi thành viên positron của cặp này đạt đến cuối đường đi của nó, nó kết hợp với một electron bình thường từ bộ hấp thụ trong một quá trình được gọi là hủy cặp. Trong bước này, cả hai hạt đều biến mất và được thay thế bằng hai photon hủy cặp, mỗi photon có năng lượng 0,511 MeV. Photon hủy cặp tương tự như tia gamma ở khả năng xuyên qua khoảng cách lớn của vật chất mà không tương tác. Chúng có thể trải qua tương tác Compton hoặc tương tác quang điện ở nơi khác hoặc có thể thoát khỏi các máy dò có kích thước nhỏ.
Vai trò của năng lượng và số nguyên tử
Xác suất xảy ra của mỗi cơ chế tương tác trong ba cơ chế này thay đổi tùy theo năng lượng tia gamma và số nguyên tử của chất hấp thụ. Sự hấp thụ quang điện chiếm ưu thế ở năng lượng thấp và được tăng cường đáng kể trong các vật liệu có số nguyên tử cao. Vì lý do này, các nguyên tố có số nguyên tử cao chủ yếu được chọn cho các máy dò được sử dụng trong phép đo năng lượng tia gamma. Tán xạ Compton là tương tác phổ biến nhất đối với năng lượng vừa phải (từ vài trăm keV đến vài MeV). Tạo cặp chiếm ưu thế đối với năng lượng cao hơn và cũng được tăng cường trong các vật liệu có số nguyên tử cao. Trong các máy dò lớn hơn, có xu hướng một photon tới gây ra nhiều tương tác, chẳng hạn như một số tán xạ Compton tuần tự hoặc tạo cặp tiếp theo là tương tác của một photon hủy cặp. Vì thời gian ngắn ngăn cách các sự kiện này, nên các năng lượng lắng đọng cộng lại với nhau để xác định kích thước tổng thể của xung đầu ra.
Tương tác của neutron
Neutron là một loại bức xạ chính gồm các hạt không tích điện. Do không có lực Coulomb, neutron có thể xuyên qua nhiều centimet qua các vật liệu rắn trước khi chúng tương tác theo bất kỳ cách nào. Khi chúng tương tác, chủ yếu là với hạt nhân của các nguyên tử của vật liệu hấp thụ. Các loại tương tác quan trọng trong việc phát hiện neutron một lần nữa lại là thảm họa vì neutron có thể biến mất hoặc trải qua sự thay đổi lớn về năng lượng và hướng của chúng.
Trong trường hợp tia gamma, những tương tác lớn như vậy tạo ra các electron nhanh. Ngược lại, các tương tác neutron quan trọng dẫn đến sự hình thành các hạt tích điện nặng năng lượng. Do đó, nhiệm vụ phát hiện neutron không tích điện được chuyển thành nhiệm vụ đo các kết quả có thể quan sát trực tiếp của năng lượng được các hạt tích điện thứ cấp lắng đọng trong máy dò. Vì các loại tương tác hữu ích trong việc phát hiện neutron là khác nhau đối với các neutron có năng lượng khác nhau, nên việc chia nhỏ cuộc thảo luận thành các cơ chế tương tác neutron chậm và neutron nhanh là thuận tiện.
Nơtron chậm
Đây là các nơtron có động năng dưới khoảng 1 eV. Nơtron chậm thường trải qua tương tác tán xạ đàn hồi với hạt nhân và trong quá trình đó có thể truyền một phần năng lượng của chúng cho hạt nhân tương tác. Tuy nhiên, vì động năng của nơtron rất thấp nên hạt nhân giật lùi tạo ra không có đủ năng lượng để được phân loại là hạt ion hóa. Thay vào đó, các tương tác quan trọng để phát hiện nơtron chậm liên quan đến phản ứng hạt nhân trong đó nơtron bị hạt nhân hấp thụ và các hạt tích điện được hình thành. Tất cả các phản ứng quan tâm trong máy dò nơtron chậm đều là phản ứng tỏa năng lượng, nghĩa là một lượng năng lượng (gọi là giá trị Q) được giải phóng trong phản ứng. Các hạt tích điện được tạo ra với một lượng lớn động năng do phản ứng hạt nhân cung cấp. Do đó, sản phẩm của các phản ứng này là các hạt ion hóa và chúng tương tác theo cách tương tự như đã mô tả trước đây đối với bức xạ trực tiếp bao gồm các hạt tích điện nặng. Một số ví dụ cụ thể về phản ứng hạt nhân quan tâm trong phát hiện nơtron chậm được đưa ra bên dưới trong phần Máy dò hoạt động: Máy dò nơtron.
Nơtron nhanh
Nơtron có động năng trên khoảng 1 keV thường được phân loại là nơtron nhanh. Các phản ứng do nơtron gây ra thường được sử dụng để phát hiện nơtron chậm có xác suất xảy ra thấp khi năng lượng nơtron cao. Các máy dò dựa trên các phản ứng này có thể khá hiệu quả đối với nơtron chậm, nhưng chúng không hiệu quả đối với việc phát hiện nơtron nhanh. Thay vào đó, các máy dò nơtron nhanh thường dựa trên sự tán xạ đàn hồi của nơtron từ hạt nhân. Chúng khai thác thực tế là một phần đáng kể động năng của nơtron có thể được truyền đến hạt nhân mà nó va chạm, tạo ra hạt nhân giật lùi năng lượng. Hạt nhân giật lùi này hoạt động theo cách tương tự như bất kỳ hạt tích điện nặng nào khác khi nó chậm lại và mất năng lượng trong bộ hấp thụ. Lượng năng lượng được truyền thay đổi từ gần bằng không đối với tán xạ góc lướt đến mức tối đa đối với trường hợp va chạm trực diện. Hydro là lựa chọn phổ biến cho hạt nhân mục tiêu và các proton giật lùi (hoặc hạt nhân hydro giật lùi) tạo ra đóng vai trò là cơ sở cho nhiều loại máy dò nơtron nhanh. Hydro cung cấp một lợi thế độc đáo trong ứng dụng này vì một neutron nhanh có thể truyền tới toàn bộ năng lượng của nó trong một tương tác tán xạ đơn lẻ với một hạt nhân hydro. Đối với tất cả các nguyên tố khác, hạt nhân nặng hơn giới hạn sự truyền năng lượng tối đa trong một lần tán xạ đơn lẻ chỉ bằng một phần nhỏ năng lượng neutron. Trong bất kỳ tương tác tán xạ đàn hồi nào, năng lượng không được truyền đến hạt nhân giật lùi sẽ được giữ lại bởi neutron tán xạ, tùy thuộc vào kích thước của máy dò, có thể tương tác lại hoặc chỉ thoát khỏi thể tích máy dò.
Từ khóa: bức xạ; neutron;
– CMD –
