Khóa luận tốt nghiệp Khảo sát các thông số của hệ phổ gamma với đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe GC 2018

Đối với đầu dò phân cực một phần, sự tăng điện thế phân cực không những làm tăng điện trường mà còn tăng bề rộng vùng nghèo, hơn nữa vân tốc trôi của điện tử và lỗ trống biến đổi trong q

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

BỘ MỘN VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ PHỔ

KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ BÁN DẪN Ge SIÊU

TINH KHIẾT (HPGe) GC2018

Cán bộ hướng dẫn: Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN Cán bộ phản biện: Th.S NGUYỄN ĐÌNH GẪM

Sinh viên thực hiện: TRẦN THỊ THUÝ LIÊN

Niên khóa :2001-2006

MỤC LỤC

Trang

PHẦN A LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHỔ KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ

Ge 6

1 Cường độ điện trường và hiệu điện thế làm việc 6

2 Thời gian tăng xung 6

3 Độ phân giải năng lượng (FWHM) 8

4 Chuẩn năng lượng 8

5 Lớp chết của đầu dò 9

CHƯƠNG II TƯƠNG TÁC PHOTON VỚI ĐẦU DÒ VÀ SỰ HÌNH THÀNH PHỔ 10

1 Nguyên tắc của sự hình thành phổ .10

2 Tương tác của photon với đầu dò Ge 11

a Hiệu ứng quang điện .11

b Tán xạ compton 12

c Hiệu ứng tạo cặp .14

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU DÒ BÁN DẪN 1 Đầu dò Ge với năng lượng cực thấp .15

2 Đầu dò Ge với năng lượng thấp 16

3 Đầu dò Ge điện cực ngược 17

4 Đầu dò Ge đồng trục .18

PHẦN B THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE SIÊU TINH

KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN 21

I Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC 2018 21

1 Cấu tạo đầu dò HPGe 21

2 Các thông số kỹ thuật của đầu dò HPGe 22

3 Hoạt động của đầu dò HPGe 22

a Quá trình ion hóa trong tinh thể Ge 22

b Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge 23

II Các bước chuẩn bị và tiến hành đo 23

1 Mô tả nguồn 23

a Nguồn chuẩn Co-60 23

b Nguồn chuẩn Mn-54 24

c Nguồn chuẩn Na – 22 24

d Nguồn chuẩn Cs – 137 24

2 Cách bố trí thí nghiệm 25

3 Chế độ đo 25

CHƯƠNG II KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐẦU DÒ GE SIÊU TINH KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN .26

I Chuẩn năng lượng cho hệ đo theo vị trí kênh .26

1 Mối liên hệ giữa vị trí kênh và năng lượng ghi nhận được 26

2 Phương pháp đo 26

3 Tiến hành thí nghiệm 27

4 Kết quả 27

II Khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò HPGe 28

1 Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe 28

a Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe 28

b Hiệu suất ghi tính theo công thức 29

2 Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng 30

a Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi mở nắp buồng chì.30 b Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi đậy nắp buồng chì.30 c So sánh hiệu suất khi đậy nắp buồng chì với không đậy nắp buồng chì 30

3 Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn Co-60 34

a Đối với đỉnh năng lượng E= 1173.237 (keV) 34

b Đối với đỉnh năng lượng E= 1332.501 keV 35

4 Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn chuẩn Cs-137 35

III Khảo sát độ phân giải năng lượng của đầu dò HPGe 37

1 Độ phân giải năng lượng 37

2 Cách tính độ phân giải năng lượng 37

3 Kết quả 38

a Kết quả đo 38

b Đường biểu diễn độ phân giải 39

IV Khảo sát phông của buồng chì .39

1 Suất đếm trên toàn phổ 39

a Tiến hành thí nghiệm khảo sát 39

b Kết quả 40

2 Suất đếm theo đỉnh năng lượng 40

a Tiến hành thí nghiệm khảo sát 40

b Kết quả đo 41

3 Tỷ số trong và ngoài buồng chì 41

4 Cách tính phông của buồng chì 41

a Công thức tính phông của một đỉnh phổ 41

b Tính phông của đỉnh Co-60 không đậy nắp buồng chì 42

c Tính phông của đỉnh Co-60 đậy nắp buồng chì 43

V Giới hạn phát hiện của đầu dò .44

1 Mức giới hạn Lc 44

2 Giới hạn dưới của đầu dò 44

3 Giới hạn phát hiện 45

4 Tính giới hạn phát hiện aD và giới hạn đo LD 45

PHẦN C KẾT LUẬN

PHẦN D PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHAÀN A LYÙ THUYEÁT

Chương I

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ

GAMMA

1 Cường độ điện trưòng và hiệu điện thế làm việc:

Để đầu dò làm việc thì phải áp vào một hiệu điện thế phân cực ngược Hiệu điện thế này tạo ra một điện trường để tụ điện tích trong quá trình hoạt động của đầu dò Cường độ điện trường liên quan đến độ rộng vùng nghèo của đầu dò Với cường độ điện trường đủ mạnh sẽ tạo ra vùng nghèo đủ lớn và các hạt tải tụ tập hoàn toàn về hai điện cực Khi điện thế phân cực thấp, biên độ tăng theo điện thế phân cực Nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế phân cực đến một mức độ nào đó thì tất cả điện tích tạo ra bởi bức xạ đều tập trung về các điện cực Vùng điện thế này gọi là miền bão hòa

Nếu điện thế phân cực đủ cao sẽ xảy ra hiện tượng thác lũ Lúc này năng lượng của electron sơ cấp đủ lớn để gây ra ion hóa tạo ra electron thứ cấp trên đường di chuyển về các điện cực Hiện tượng này làm cho các đỉnh phổ kéo dài về miền năng lượng cao

2 Thời gian tăng xung

Đầu dò bán dẫn là loại đầu dò nhạy nhất trong tất cả các loại đầu dò thông dụng, thời gian tăng xung  khoảng 10ns thậm chí còn nhỏ hơn nữa Thời gian tăng của xung phát ra từ đầu dò bán dẫn có thể đo được tại ngõ ra của bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích Nếu tiền khuếch đại có khả năng đáp ứng nhanh thì Tt được xác định bởi các số hạng sau :

- Thời gian thu điện tích TR.

- Thời gian plasma do hiệu ứng plasma gây ra

- Thời gian tăng xung của mạch tương đương đầu dò, thường thành phần này rất bé có thể bỏ qua

Trong hầu hết các trường hợp, TR là thành phần chủ yếu

Đựơc tính bằng :

TR = d 10-8s (ở nhiệt độ Nitơ lỏng )

TR = d.10-7s ( ở nhiệt độ phòng ) Trong đó d là độ rộng vùng nghèo, tính bằng mm (riêng đối với đầu dò đồng trục d là bán kính của khối trụ)

Thời gian thu điện tích là thời gian hạt tải di chuyển từ vị trí hình thành về các điện cực Thời gian này phụ thuộc vào điện thế phân cực và bề rộng vùng nghèo Đối với đầu dò có vùng nghèo toàn phần, thời gian tụ tập điện tích tăng theo điện thế phân cực Đối với đầu dò phân cực một phần, sự tăng điện thế phân cực không những làm tăng điện trường mà còn tăng bề rộng vùng nghèo, hơn nữa vân tốc trôi của điện tử và lỗ trống biến đổi trong quá trình di chuyển về các điện cực do sự không đồng đều của điện trường Do vậy sự phụ thuộc của thời gian thu điện tích vào điện thế phân cực rất phức tạp Giả sử độ linh động của electron là hằng số, thời gian tụ tập điện tích là :

Trong đó :

d: bề rộng vùng nghèo, đo bằng cm

: độ linh động của đầu dò đo bằng cm2/V

V:điện thế phân cực đo bằng Volt

Thời gian plasma là khoảng thời gian để đám mây điện tích phân tán cho tới khi quá trình thu thập điện tích diễn ra bình thường Ngoài ra điện trở của vùng ngoài vùng nghèo làm tăng thời gian tăng xung Vì vậy, các đầu dò có vùng nghèo hoàn toàn thích hợp cho các phổ kế nhanh

3 Độ phân giải năng lượng (FWHM)1

Độ phân giải năng lượng được xét đến chính là bề rộng nữa của đỉnh phổ đơn năng Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá trị của nó mà phải xem đầu dò đang ghi nhận bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu và mức độ đơn năng của nguồn đó Độ phân giải năng lượng của các đầu dò Germani tinh khiết đối với bức xạ gamma nhỏ hơn 1 %

Sự mở rộng đỉnh phổ do đóng góp của tạp âm là giới hạn dưới của độ phân giải năng lượng trong các tầng khuếch đại Quá trình tụ tập điện tích không hoàn toàn và sự mất mát năng lượng không giống nhau trong của sổ vào của đầu dò cũng góp phần làm mở rộng đỉnh phổ, do đó làm giảm khả năng phân giải của đầu dò Khả năng phân giải không chỉ phụ thuộc vào bản thân đầu dò mà còn phụ thuộc vào các thiết bị điện tử đi kèm theo, chủ yếu là bộ tiền khuếch đại Nếu tạp âm lớn, điện dung lối vào tiền khuếch đại lớn dẫn tới độ phân giải của hệ thống kém

4 Chuẩn năng lượng

Đối với electron nhanh và các ion nhẹ như proton, alpha, đường chuẩn năng lượng hầu như tuyến tính và có thể sử dụng đường chuẩn năng lượng của một loại bức xạ cho các loại bức xạ khác mà không phạm phải sai phạm lớn Chẳng hạn như độ cao xung của hạt alpha và proton cùng năng lượng sai khác khoảng 1% hoặc nhỏ hơn Nguồn chuẩn phổ biến là Am241 phát hạt alpha có năng lượng 5.486MeV(85%) và 5.443MeV(13%) Để chuẩn năng lượng chính

xác cần tính tới sự suy giảm năng lượng của các hạt trong nguồn, trong môi trường vật chất giữa nguồn và đầu dò cũng như trong lớp chết của đầu dò

Đối với các ion nặng như mảnh phân hạch đường chuẩn năng lượng ít tuyến tính hơn và có sự sai khác lớn giữa biên độ xung của ion nặng và ion nhẹ cùng nănglượng Nguyên nhân của sự sai khác này là do sự khác nhau của các năng lượng mất mát tại lớp chết của đầu dò, do va chạm hạt nhân và hiệu ứng plasma

5 Lớp chết của đầu dò

Trước khi vào vùng nghèo của đầu dò, bức xạ phải xuyên qua lớp chết của đầu dò Lớp chết bao gồm điện cực kim loại và lớp chất bán dẫn như là Ge ngay bên dưới điên cực, bề dày của nó có thể phụ thuộc vào điện thế phân cực Khi qua lớp chết này bức xạ sẽ hao phí đi một phần năng lượng và năng lượng hao phí này không được đầu dò ghi nhận Do đó, bề dày của lớp chết cũng rất quan trọng và có phần ảnh hưởng tới độ phân giải năng lượng của đầu dò Nếu bề dày lớp chết quá lớn thì năng lượng hao phí sẽ lớn Khi đó năng lượng đầu dò ghi nhận được không phải là giá trị thực của hạt tới Độ mỏng của lớp chết cỡ 100nm sẽ tương ứng với năng lượng hao phí là4 KeV đối với proton là 1MeV, 14 keV đối với hạt alpha 5 MeV và cỡ vài trăm keV đối với mảnh phân hạch

Ngoài ra, hệ số hình học cũng ảnh hưởng tới sự mất năng lượng trong lớp chết Nếu hạt vào theo hướng vuông góc với bề mặt của đầu dò thì sự hao phí năng lượng là nhỏ nhất, nếu bức xạ đi vào theo một góc xiên thì năng lượng hao phí lớn hơn

Chương II.

TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI ĐẦU DÒ

VÀ SỰ HÌNH THÀNH PHỔ

1 Nguyên tắc của sự hình thành phổ

a Một tia Gamma có năng lượng h đi vào đầu dò Ge

b Các electron thứ cấp với tổng động năng E(eV) sinh ra trong vùng nhạy trong tinh thể Ge bởi sự tương tác photon với Ge

c Các electron thứ cấp sinh ra một lượng lớn (N) cặp electron –lỗ trống bởi sự ion hoá trong tinh thể Ge

d Một tín hiệu xung có biên độ V(volt) được sinh ra ở đầu vào tiền khuếch đại với điên dung C (Farad)

e V được khuếch đại và biến đổi thành số chỉ vị trí kênh (ch) bởi ADC của MCA, một số đếm được công vào số đếm tổng tại vị trí kênh ch

f Nhiều tia Gamma đựơc phân tích bởi quả trình từ a đến e, và sự phân bố độ cao của xung được hình thành (phổ Gamma )

Sơ đồ sự hình thành phổ

2 Tương tác photon với đầu dò Ge:

a Hiệu ứng quang điện :

Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử Một phần năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động năng của electron Theo định luật bảo toàn năng lượng :

E = Te + Io (2)

Với : Io: năng lượng liên kết

Te : động năng electron cực đại

Xung lượng của hệ cũng được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên tử Đặc tính chủ yếu của hiệu ứng quang điện là do điều kiện bảo toàn năng lượng và xung lượng electron tự do hấp thụ hay bức xạ 1 photon hoàn toàn Do đó hiệu ứng quang điện mạnh nhất xảy ra đối với lượng tử gamma có năng lượng có thể so sánh được với năng lượng liên kết của nguyên tử Năng lượng liên kết của nguyên tử lớn hơn đối với các electron vỏ nguyên tử sâu hơn và với nguyên tử có số Z lớn hơn Do đó, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp trong cùng (30%), nghĩa là các electron lớp K, mặt khác hiệu ứng này cũng tăng khi Z của môi trường tăng

Công thức tổng quát của tiết diện tán xạ trong hiệu ứng quang điện được dẫn từ sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ với năng lượng tử gamma và số ngưyên tử của vật chất Tiết diện tán xạ tỉ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố nặng Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của e thì tiết diện tán xạ f (E) tỉ lệ với E-3.5, nghĩa là nó giảm rất nhanh khi giảm năng lượng Khi năng lượng bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết nhiều, f (E) giảm chậm hơn, gần bằng

E-1 Trong khoảng chia của năng lượng liên kết, tiết diện tán xạ thay đổi gián đoạn Thí dụ tiết diện tán xạ thể hiện cực đại rõ ràng hơi cao hơn năng lượng liên kết của electron lớp K, bởi vì nó ở năng lượng thấp hơn, electron lớp K không thể tham gia hiệu ứng quang điện, vì nó bị cấm bởi định luật bảo toàn năng lương Trong khoảng năng lượng liên kết của nguyên tử, tiết diện tán xạ

f

 (E) rất lớn hơn so với tiết diện tán xạ của quá trình khác Khi tăng năng lượng, tiết diện tán xạ f(E) giảm mạnh, vì khi đó electron nguyên tử được xem như electron tự do

Động năng electron :Ee = E –Io

Ơû đây I là thế ion hoá của nguyên tử môi trương

Theo đó hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ trội hơn ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao

b Tán xạ Compton:

Khi năng lượng lượng tử gamma tăng hiện tượng hấp thụ quang điện giảm thành thứ yếu nhường cho hiệu ứng Compton Tán xạ compton trở nên nổi bật như một cơ chế hấp thụ trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều năng lượng liên kết trung bình của nguyên tử Khi tính tiết diện tán xạ của hiệu ứng Compton, có thể xem như electron là tự do với mức độ chính xác phù hợp mục đích thực nghiệm Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma va chạm đàn hồi với electron tự do

Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên, ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có được kết quả :

Sự thay đổi độ dài sóng theo phương xác định không tuỳ thuộc năng lượng photon tới :

Với : là bước sóng của photon ':là bước sóng của photon tới Sự thay đổi năng lượng phụ thuộc nhiều vào năng lượng photon tới

a

a E E

E e





cos11

cos1'

Năng lượng photon tán xạ là :

 





cos1

'

' '







c m

c M

e Z

E = T- + T+ + 2mec2 (6)

Các e+,e- sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e+ sẽ bay

ra khỏi hạt nhân (do lực đẩy Coulomb), còn các electron bị hãm lại Do đó phổ năng lượng đo đựơc khác nhau đối với năng lượng E Sự khác nhau càng tăng đối với môi trường có Z lớn

Chương III

GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU

DO BÁN DẪN

1 Đầu dò Ge có năng lượng cực thấp (ULEGe: Ultra low energy Ge)

Đầu dò ULEGe của hãng Canberra mở rộng dải đặc tính của đầu dò Ge xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải,dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên nền khi mà ta nghĩ là không thể đạt tới được đối với đầu dò bán dẫn Đầu dò ULEGe giữ lại hiệu suất năng lượng cao đối với đầu dò Ge Đầu dò ULEGe cung cấp những ưu điểm về khả năng phân giải và hiệu suất vốn có của đầu dò

Ge mà không có những nhược điểm của các đầu dò Ge thông thường, vì vậy nó có tầm áp dụng trong phạm vi năng lượng rộng hơn

Khả năng phân giải của ULEGe 100 mm2 là nhỏ hơn 150 eV (FWHM) tại 5,9 keV Đầu dò Si(Li) tốt nhất có cùng kích thước có khả năng phân giải

175 eV(FWHM)

Để tận dụng độ nhạy với năng lượng thấp của ULEGe, người ta chon của sổ là một màng polymer Cửa sổ polymer này là một màng có nhiều lớp được hỗ trợ bởi một khung làm bằng Silic Màng này được mở rộng ra trên các xương Silic cỡ 100 m, có độ dày 0.3mm và hoạt động như một ống chuẩn trực(collimator) Đối với các máy điều hoà nằm ngang, sự định hướng khung sườn hỗ trợ có thể được chọn bởi việc thiết kế mẫu cửa sổ thích hợp : V đối với khung xường thẳng đứng và H cho các khung xường nằm ngang Cấu trúc đỡ được mở 75% do đó diện tích hiệu dụng của đầu dò bị giảm 25% từ diện tích tổng cộng Độ dày màng tổng cộng là cỡ 340nm, 400nm là lớp nhôm giảm độ

nhạy với ánh sáng môi trường Tuy nhiên, các đầu dò có của sổ polymer phải được vận hành trong môi trường tối

Hình 3.1: Cấu trúc đỡ của sổ và đầu dò

2 Đầu dò Ge có năng lượng thấp (LEGe).

Đầu dò Ge năng lượng thấp miêu tả một khái niệm mới trong hình học đầu dò Ge với những ưu điểm so với đầu dò planar hoặc đồng trục thông thường trong nhiều ứng dụng Đầu dò LEGe được chế tạo với lớp tiếp xúc phía trước mỏng Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần và do đó điện dung của đầu dò bé hơn điện dung của đầu dò planar có cùng kích thước Vì vậy tạp âm của tiền khuếch đại là hàm số điện dung của tụ đầu dò thấp, cho nên LEGe cố gắng làm cho tạp âm thấp hơn và do đó khả năng phân giải tốt hơn tại năng lượng thấp và vừa với bất kỳ hình học của đầu dò khác nào Không giống các đầu dò planar rãnh, có ít Ge chết ngoài vùng hoạt Thực tế bề mặt tụ tích hơn là cách điện, điều này dẫn thời gian tăng xung ngắn hơn với đặc trưng của tần số và tỷ số đỉnh trên nền được cải thiện Đầu dò LEGe là có sẵn vùng hoạt từ 50 mm2 đến 38 cm2 và với độ dày từ 5 tới 25 mm Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lượng gamma

Elemen Window

trung bình, LEGe có thể thay thế một đầu dò đồng trục dung tích lớn đắt tiền Lợi dụng ưu điểm của đáp ứng năng lượng thấp của đầu dò cửa sổ nhỏ

cơ bản này, LEGe thường được trang bị với của sổ Be mỏng Đối với những ứng dụng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể được cung cấp với một của sổ nhôm 0.5 mm thông thường

Hình 3.2 : Mô hình đầu dò Germanium năng lượng thấp cấu hình phẳng

3 Đầu dò Ge đồng trục điện cực ngược (REGe)

Tượng tự về hình học như đối với đầu dò Ge đồng trục khác với một sự khác nhau quan trọng Điện cực của REGe ngược với đầu dò đồng trục thông thường trong đó điện cực loại p, (Bo được nuôi cấy ion) là bên ngoài và tiếp xúc loại n ( khuếch tán Li) là bên trong Có hai ưu điểm cho bố trí điện cực này : độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ

Tiếp xúc ngoài nuôi cấy ion là hết sức mỏûng (0.3m) so với tiếp xúc khuếch tán Li Kết hợp với cửa sổ của cryostat mỏng sẽ mở rộng độ nhạy năng lượng xuống khoảng 5 keV, cung cấp cho đầu dò một khoảng động học lớn hơn

2000 lần

Rõ ràng khoảng động học này lớn hơn khoảng 100 lần mà được cung cấp bởi hầu hết các hệ thống phân tích vì thế đầu dò này không thể bao phủ khoảng năng lượng 5keV đến 10keV cùng một lúc

Các đặc tính hạn chế sự tổn hại do bức xạ của đầu dò REGe ở chỗ : người ta đã phát hiện rằng sự tổn hại do bức xạ chủ yếu là vì các neutron hoặc các hạt mang điện gây ra việc bẫy lỗ trống trong mạng tinh thể Ge

Không giống trường hợp các đầu dò đồng trục theo quy ước, các lỗ trống

bị cắt bởi lớp điện cực bên ngoài của đầu dò REGe

Do phần lớn thể tích làm việc của đầu dò mà được đặc bên trong một khoảng cách cho trước của lớp tiếp xúc bên trong, vì thế về trung bình các lỗ trống có quãng chạy ngắn hơn trong tường hợp nó bị hút về bên ngoài so với trường hợp nó bị hút về bên trong Với khoảng chạy ngắn hơn các lổ trống dường như ít bị bắt trong các vật liệu bị sai hỏng do bức xạ

Dĩ nhiên, việc gia tăng sự ngăn chặn các tổn hại do bức xạ còn phụ thuộc các thừa số khác, vì các bằng chứng thực nghiệm đã cho thấy rằng sự ngăn chặn các tổn hại của đầu dò REGe tốt hơn 10 lần so với các đầu dò Ge đồng trục theo quy ước

Hình 3.3: Mô hình đầu dò điện cực ngược

4 Đầu dò Germani đồng trục

Đầu dò đồng trục thông thường hay được xem như Ge tinh khiết, HPGe,

Ge bên trong hay Ge siêu sạch Bất chấp cấp độ được sử dụng, đầu dò về cơ bản là Ge hình trụ tiếp xúc với loại n trên mặt ngoài tiếp xúc loại p trên mặt của giếng đồng trục Cấu hình của đầu dò đồng trục được trình bày trên hình 3.3 Germani có mức tạp chất cỡ 1010 nguyên tử / cm3 sao cho với thiên áp ngược thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng hoạt này Tương tác của photon trong vùng này tạo nên các phần tử mang điện bị quét bằng điện trường tới các điện cực tụ của nó,

ở đây một tiền khuếch đại nhạy điện tích biến đổi điện tích này thành xung thế tỷ lệ với năng lượng bị mất trong đầu dò Tiếp xúc n và p hay các điện cực là

Li khuếch tán và Bo được nuôi cấy ion tương ứng Tiếp xúc Li khuếch tán ngoài loại n này có độ dày cỡ 0,5 mm Tiếp xúc phía trong có độ dày cỡ 0,3

mm Hàng rào bề mặt có thể được thay cho Bo nuôi cấy ion với kết quả như nhau

Đầu dò đồng trục có thể vận chuyển và giữ không cần làm mạnh Mặc dù vậy, sự ổn định dài hạn được bảo quản tốt nhất bằng giữ lạnh đầu dò Giống như tất cả các đầu dò Ge, nó phải được làm lạnh khi sử dụng để tránh dòng rò nhiệt quá mức Bản chất không dễ hỏng của đầu dò loại này mở rộng ứng dụng của phổ kế Ge bao gồm lĩnh vực sử dụng hiện trường các phổ kế xách tay

Hình 3.4 : Mô hình đầu dò dạng đồng trục

PHẦN B

THỰC NGHIỆM

Chương I

GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE

I Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC2018

1 Cấu tạo của đầu dò HPGe:

- Tinh thể Ge đường kính ngoài 32 mm

- Chiều cao 49,5 mm

- Hốc hình trụ đường kính 7 mm

- Độ sâu của hốc 35 mm

- Mặt ngoài là lớp tiếp xúc loại n nối với điện cực dương

- Mặt trong là lớp tiếp xúc loại p nối với điện cực âm

- Mặt ngoài hình trụ có lớp Lithium với bề dày tương đương 0,86

mm Ge

- Mặt trong hốc là lớp Bo với bề dày tương đương 3.10-3 mm Ge

- Mặt trên có lớp chết với bề dày tương đương 0,86 mm Ge

- Đựng trong hộp kín nhôm với bề dày 1,5 mm Đường kính 54 mm (chưa có thông số ) chiều cao 115 mm ( chưa có thông số )

- Các điện cực cách điện bằng Teflon

- Cửa sổ tinh thể Cryostat bề dày 1,5 mm

- Vật liệu làm cửa sổ IR có 1/3 mil metalized mylar + 4 mil Kapton

- Vật liệu chứa tinh thể bằng nhôm bề dày 0,76 mm

- Vật liệu của lớp endcap bằng nhôm bề dày 3,2 mm

- Lớp nhôm bên ngoài có bề dày 2,5 mm

Lõi tiếp xúc

32.00

7

Cực âm Cực dương Tinh thể Ge

0.76

Cửa sổ IR Cửa sổ tinh thể

Lớp chứa tinh thể

Tiếp xúc điện thế cao

Chất cách điện Teflon

Mô hình của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết nói trên

2 Các thông số kỹ thuật của đầu dò:

- Đầu dò GC2018

- Cryostat thẳng đứng 7500SL

- Dewar 30 lít

- Bộ tiền khuếch đại 2002 C

- Hiệu suất ghi 20 % so với đầu dò nhấp nháy NaI(Ti) kích

thước 3 inch x 3 inch

- Độ phân giải năng lượng 1,8 KeV tại vạch năng lượng 1332 KeV

của Co60

- Tỉ số của đỉnh / Comton 50:1

3 Hoạt động của đầu dò HPGe:

a Quá trình ion hóa trong tinh thể Ge

Khi một bức xạ ion hóa đi vào đầu dò bán dẫn, chúng sẽ bức

electron ra khỏi liên kết cộng hóa trị Các electron chuyển lên vùng dẫn và trở

thành các electron tự do, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương ở

trong vùng hóa trị Các cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo

dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới Chúng được kéo về hai điện cực bởi điện

trường do hiệu điện thế ngược áp vào đầu dò Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò xuất hiện một tín hiệu điện thế Xung điện thế này được ghi nhận ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò ta có thể biết được những thông tin về bức xạ đã ghi nhận

b Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge:

Khi động năng (E) của electron thứ cấp được hấp thụ trong vùng nhạy của tinh thể Ge, số cặp electron – lỗ trống la:

N= E/ (7) Trong đó :  là năng lượng trung bình sinh ra một cặp electron – lỗ trống ( = 2.96 eV trong tinh thể Ge )

Bề rộng một nữa là :

FWHM = 2.355 ( F E)1/2 (8) Với F là hệ số Fano

II Các bước chuẩn bị và tiến hành đo

1 Mô tả các nguồn thí nghiệm

Trong thí nghiệm này ta sử dụng 5 nguồn chuẩn điểm là Co-60, Mn-54,Cs-137,Co-57,Na-22 của Mỹ sản xuất, dùng để khảo sát hiệu suất ghi tương đối của đầu dò HPGe đồng trục

a Nguồn Co 60

- Hoạt độ nguồn : 40,81 kBq (1,103 Ci)

- Ngày sản xuất : 1-10-2001

- Chu kì bán hủy : 5,271  0,001 y

- Đỉnh năng lượng : 1173,273 ( keV) – 1332,501 ( keV)

- Đường kính hoạt động : 1 mm

- Đường kính toàn phần : 25,4 mm

- Bề dày nguồn : 6,4 mm

- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm

b Nguồn Mn-54

- Hoạt độ nguồn : 43.57 kBq (1.178 Ci )

- Ngày sản xuất : 1-10-2001

- Chu kì bán hủy : 312.2 0.07 y

- Đỉnh năng lượng : 834.826 ( keV)

- Đường kính hoạt động : 1 mm

- Đường kính toàn phần : 25,4 mm

- Bề dày nguồn : 6,4 mm

- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm

c Nguồn Na-22

- Hoạt độ nguồn : 36.55 kBq (987.9 Ci)

- Ngày sản xuất : 1-10-2001

- Chu kì bán hủy : 2.602  0.002 y

- Đỉnh năng lượng : 1274.53 ( keV) – 511 ( keV)

- Đường kính hoạt động : 1 mm

- Đường kính toàn phần : 25,4 mm

- Bề dày nguồn : 6,4 mm

- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm

d Nguồn Cs-137

- Hoạt độ nguồn : 38.21 kBq (1.033Ci)

- Ngày sản xuất : 1-10-2001

- Chu kì bán hủy : 30  0,2 y

- Đỉnh năng lượng : 661.66 ( keV)

- Đường kính hoạt động : 1 mm

- Đường kính toàn phần : 25,4 mm

- Bề dày nguồn : 6,4 mm

- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm

2 Cách bố trí thí nghiệm

Cách bố trí mô hình của nguồn – đầu dò :

Nắp chụp

Nơi chứa Detector

Buồng chân không Cửa sổ vào Be

Holder chứa nguồn Nguồn

Khi khảo sát theo khoảng cách ta đặc vào trong buồng chì một giá đở, với mỗi khoảng thay đổi là 1.6 cm

3 Chế độ đo

+ Chế độ đo :

- Nhiệt độ làm việc : 77K

- Thời gian đo: 1800 giây

- Sử dụng nguồn điểm : Co-60; Mn-54; Cs-137; Na-22; Co-57

- Máy được khởi động ổn định 15 phút

- Cao thế : 4 KV

- Khoảng cách nguồn đến đầu dò : 12,8 cm

Khi khảo sát theo khoảng cách thì ta bắt đầu đặt nguồn từ 3.3 cm cách mặt đầu dò, mỗi thí nghiệm ta thay đổi 1,6 cm

I Chuẩn năng lượng cho hệ đo theo vị trí kênh

1 Mối liên hệ giữa vị trí kênh và năng lượng ghi nhận được

Khi bức xạ tia X đi vào đầu dò ta sẽ ghi nhận được các xung điện thế có biên độ tỷ lệ với năng lượng của bức xạ tới trong vùng nhạy Sau khi qua bộ tiền khuếch đại và khuếch đại chính đến bộ đếm MCA các xung có biên độ khác nhau được sắp xếp vào các kênh khác nhau Xung có biên độ cao hơn được xếp vào vị trí kênh cao hơn, do đó có sự tỉ lệ giữa vị trí kênh với năng lượng của bức xạ tới Vì vậy, khi ghi nhận bức xạ ta cần thiết lập quan hệ giữa

vị trí kênh với năng lượng của nó, và quá trình đó gọi là chuẩn năng lượng theo

vị trí kênh Đối với mỗi hệ số khuếch đại khác nhau thì đường chuẩn năng lượng khác nhau Nghĩa là, khi năng lượng trên mỗi kênh sẽ khác đi Cho nên khi đo ở mỗi hệ số khuếch đại khác nhau, phải chuẩn lại năng lượng theo vị trí