Đầu dò bán dẫn trong phổ kế gamma

Trong chương hai, tôi đã trình bày các cơ chế tương tác của gamma với vật chất bao gồm: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton, và tạo cặp. Trong các cơ chế này, gamma đều truyền năng lượng cho electron bên trong môi trường vật chất. Đối với trường hợp tạo cặp, gamma còn truyền năng lượng cho positron. Các hạt này sau đó bị mất động năng do tán xạ bên trong đầu dò, gây ion hóa nguyên tử, và do đó tạo thành các cặp ion. Các cặp ion này là cơ sở để hình thành tín hiệu của đầu dò. Trong chương này tôi sẽ trình bày đặc điểm của các loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò sử dụng trong hệ phổ kế gamma, các nguyên lý trong vận hành và chế tạo đầu dò. Ngoài ra, tôi cũng sẽ tập trung vào một số loại đầu dò phổ biến nhất mà người dùng dễ dàng bắt gặp trong thực tế. Trước khi tiếp tục, tôi nên xem xét các tính chất của một đầu dò đo gamma lý tưởng. Các yêu cầu được tổng hợp lại như sau (trong trường hợp ta chỉ ghi nhận bức xạ (đếm) mà không tạo phổ gamma, một số yêu cầu có thể không cần thiết): Lối ra tỷ lệ với năng lượng tia gamma;Hiệu suất cao, tức là hệ số hấp thụ lớn, Z lớn;Cơ chế thu thập điện tích dễ dàng;Độ phân giải năng lượng tốt;Bền theo thời gian, nhiệt độ, và các tham số vận hành;Giá cả hợp lý;Kích thước hợp lý.Trước nhất, đầu dò cần phải có hệ số hấp thụ gamma đủ lớn để có xác suất hấp thụ hoàn toàn tia gamma đi vào đầu dò cao. Như tôi đã trình bày trong chương trước, sự hấp thụ hoàn toàn tia gamma đi vào đầu dò có thể được đảm bảo nếu kích thước đầu dò đủ lớn. Trong thực tế, vật liệu được chọn cần phải có khả năng hấp thụ hoàn toàn tia gamma trong đầu dò có kích thước vừa phải. Đối với đầu dò chứa khí sử dụng để đo gamma, sự ghi nhận tia gamma chủ yếu là do gamma tương tác với lớp vỏ đầu dò, còn xác suất tương tác giữa gamma với khí là rất nhỏ. Ta cũng cần nhắc lại rằng, hệ số hấp thụ đối với tất cả các quá trình tương tác đều tăng lên khi số nguyên tử của môi trường hấp thụ tăng lên, tức là vật liệu được chọn cần phải có số nguyên tử Z lớn. Sau khi đã hấp thụ được tia gamma và tạo ra các phần tử tải điện (các cặp electron – lỗ trống), vật liệu làm đầu dò cần phải cho phép điện tích được thu thập theo một cách nào đó và chuyển thành tín hiệu điện. Các dễ thấy nhất là cung cấp một điện trường cho đầu dò để “quét” các phần tử tải điện ra khỏi đầu dò. Điều này dĩ nhiên chỉ có thể thực hiện được nếu vật liệu chế tạo đầu dò có các đặc tính điện phù hợp. Điều này chính là cơ sở của các loại đầu dò bán dẫn mà ta sẽ xem xét trong các phần sau. Một loại đầu dò thông dụng khác là đầu dò nhấp nháy, các hạt tải điện thứ cấp truyền năng lượng cho nguyên tử và kích thích nguyên tử môi trường đầu dò, các nguyên tử này sau đó giải kích thích và phát ra photon, các photon này sau đó đập vào điện cực của ống nhân quang điện làm bật ra các electron, các electron này sau đó được nhân lên nhiều lần nhờ ống nhân quang điện và tạo thành tín hiệu của đầu dò. Chi tiết về loại đầu dò này sẽ được trình bày trong Chương 10 của cuốn sách.

sở để hình thành tín hiệu của đầu dò Trong chương này tôi sẽ trình bày đặc điểm của các loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò sử dụng trong hệ phổ kế gamma, các nguyên lý trong vận hành và chế tạo đầu dò Ngoài ra, tôi cũng sẽ tập trung vào một số loại đầu dò phổbiến nhất mà người dùng dễ dàng bắt gặp trong thực tế

Trước khi tiếp tục, tôi nên xem xét các tính chất của một đầu dò đo gamma lý tưởng Các yêu cầu được tổng hợp lại như sau (trong trường hợp ta chỉ ghi nhận bức xạ (đếm) mà không tạo phổ gamma, một số yêu cầu có thể không cần thiết):

- Lối ra tỷ lệ với năng lượng tia gamma;

- Hiệu suất cao, tức là hệ số hấp thụ lớn, Z lớn;

- Cơ chế thu thập điện tích dễ dàng;

- Độ phân giải năng lượng tốt;

- Bền theo thời gian, nhiệt độ, và các tham số vận hành;

- Giá cả hợp lý;

- Kích thước hợp lý

Trước nhất, đầu dò cần phải có hệ số hấp thụ gamma đủ lớn để có xác suất hấp thụ hoàn toàn tia gamma đi vào đầu dò cao Như tôi đã trình bày trong chương trước, sự hấp thụ hoàntoàn tia gamma đi vào đầu dò có thể được đảm bảo nếu kích thước đầu dò đủ lớn Trong thực tế, vật liệu được chọn cần phải có khả năng hấp thụ hoàn toàn tia gamma trong đầu dò

có kích thước vừa phải Đối với đầu dò chứa khí sử dụng để đo gamma, sự ghi nhận tia gamma chủ yếu là do gamma tương tác với lớp vỏ đầu dò, còn xác suất tương tác giữa gamma với khí là rất nhỏ Ta cũng cần nhắc lại rằng, hệ số hấp thụ đối với tất cả các quá trình tương tác đều tăng lên khi số nguyên tử của môi trường hấp thụ tăng lên, tức là vật liệuđược chọn cần phải có số nguyên tử Z lớn

Sau khi đã hấp thụ được tia gamma và tạo ra các phần tử tải điện (các cặp electron – lỗ trống), vật liệu làm đầu dò cần phải cho phép điện tích được thu thập theo một cách nào đó

và chuyển thành tín hiệu điện Các dễ thấy nhất là cung cấp một điện trường cho đầu dò để

“quét” các phần tử tải điện ra khỏi đầu dò Điều này dĩ nhiên chỉ có thể thực hiện được nếu vật liệu chế tạo đầu dò có các đặc tính điện phù hợp Điều này chính là cơ sở của các loại đầu dò bán dẫn mà ta sẽ xem xét trong các phần sau Một loại đầu dò thông dụng khác là đầu dò nhấp nháy, các hạt tải điện thứ cấp truyền năng lượng cho nguyên tử và kích thích

nguyên tử môi trường đầu dò, các nguyên tử này sau đó giải kích thích và phát ra photon, các photon này sau đó đập vào điện cực của ống nhân quang điện làm bật ra các electron, các electron này sau đó được nhân lên nhiều lần nhờ ống nhân quang điện và tạo thành tín hiệu của đầu dò Chi tiết về loại đầu dò này sẽ được trình bày trong Chương 10 của cuốn sách

3.2 CÁC CHẤT BÁN DẪN VÀ ĐẦU DÒ GAMMA

3.2.1 Cấu trúc dải của chất rắn

Trong nguyên tử tự do, các electron định xứ chính xác trên các mức năng lượng xác định Tổng hợp các nhóm nguyên tử vào trong một cấu trúc chất rắn sẽ mở rộng các mức năng lượng thành các dải năng lượng, mỗi một dải chứa một số lượng electrons cố định Giữa cácdải là các vùng năng lượng cấm đối với electron Dải năng lượng đầu tiên cần phải nhắc tới

là dải hóa trị, dải này quyết định các đặc tính hóa học của vật liệu Để một electron có thể

di chuyển bên trong vật liệu, nó cần phải có khả năng di chuyển ra khỏi mức năng lượng hiện tại của nó sang một mức khác để có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác (điều này được minh họa trong Hình 3.1) Nếu các electron có thể nhảy vào trong các mức năng lượng phù hợp, thì khi đó điện trường ngoài áp lên vật liệu sẽ tạo thành dòng

điện Vật liệu có thể chia làm ba loại: chất cách điện, chất dẫn điện, và bán dẫn Các loại

này khác nhau về cáu trúc điện tử

Hình 3.1 Giản đồ cấu trúc dải điện tử trong chất cách điện, kim loại và chất bán dẫn

Conduction band: vùng dẫn; Valence band: vùng hóa trị; Occupied bands: vùng bị

chiếm; Insulator: chất cách điện; Metal (conductor): kim loại (chất dẫn điện);

Semiconductor: bán dẫn

Trong chất cách điện, dải hóa trị bị lấp đầy và các trạng thái năng lượng khả dĩ tiếp theo

nằm ở dải cao hơn được gọi là dải dẫn, bị phân tách với dải hóa trị bởi vùng cấm Để một

electron có thể di chuyển trong vật liệu, cần phải cung cấp cho nó năng lượng đủ lớn để nhảy từ dải hóa trị vượt qua vùng cấm sang dải dẫn Trong chất cách điện, độ rộng vùng cấm vào khoảng 10eV, lớn hơn nhiều so với năng lượng kích thích nhiệt Các electron do đókhông chuyển động và do vậy vật liệu không cho phép dòng điện truyền qua Trong kim loại, dải hóa trị không bị lấp đầy và dải dẫn nối liền với dải hóa trị Kích thích nhiệt đảm bảo cho sự xuất hiện liên tục của các các electron trong lớp dẫn và do đó một điện trường ngoài, dù nhỏ, cũng đủ tạo ra dòng điện trong kim loại Trong chế tạo đầu dò gamma, loại vật liệu này gần như không có khả năng sử dụng, do dòng bổ sung thêm do tác động của bức xạ gamma là rất nhỏ so với dòng phông vốn có của kim loại

Cấu trúc dải của chất bán dẫn không giống với với chất cách điện Dải hóa trị cũng bị lấp đầy nhưng độ rộng vùng cấm nhỏ hơn rất nhiều, cỡ khoảng 1eV, xấp xỉ năng lượng kích thích nhiệt Dưới các điều kiện thông thường, trong chất bán dẫn luôn luôn có một lượng nhỏ electron nằm trong dải dẫn và vật liệu sẽ có một độ dẫn giới hạn Xác suất một electron nằm trong dải dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ (T trong Phương trình (3.1); là hằng số Boltzmann):

Làm lạnh vật liệu sẽ làm giảm số electron bên trong vùng dẫn, do đó làm giảm dòng phông (dòng dò) và khiến chúng dễ dàng ghi nhận kích thích tăng cường do tương tác với tia gamma Đây là cơ sở của đầu dò bán dẫn ghi gamma

3.2.2 Sự dịch chuyển của lỗ trống

Khi một electron nhảy ra khỏi vùng hóa trị, hoặc các vùng khác để chuyển lên dải dẫn, nó sẽ

để lại một lỗ trống ở vùng mà nó vừa thoát ra Lỗ trống này tích điện dương Lỗ trống cũng

có thể chuyển động Môt electron trong dải hóa trị có thể lấp đầy lỗ trống mà electron vừa thoát ra để lại Electron vừa lấp đầy lỗ trống sẽ lại để lại một lỗ trống khác, và quá trình cứ thế tiếp diễn Như vậy, nếu ta đặt vào một điện trường ngoài, lỗ trống có thể di chuyển về phía ca-tốt (Xem hình 3.2) Do cả electron và lỗ trồng cùng mang điện, cả hai cùng đóng góp vào độ dẫn của vật liệu

Hình 3.2 Mô hình chuyển động của lỗ trống trong chất rắn

Negative: âm; Positive: dương; Hole: lỗ trống;

3.2.3 Sự tạo thành các phần tử tải điện do bức xạ gamma

Tương tác của gamma với chất bán dẫn sẽ tạo thành các electron sơ cấp có năng lượng lớn hơn năng lượng nhiệt Các electron sơ cấp này sau đó truyền năng lượng cho các electron nằm sâu trong dải chiếm cứ ở dưới dải hóa trị và chuyển các electron này lên các lớp năng lượng ở trên biên của lớp dẫn và vùng cấm và để lại các lỗ trống như đã trình bày trong phần 3.2.2 Lỗ trống và electron sau đó sẽ có xu hướng phân bố lại trong các dải năng lượngkhả dĩ cho tới khi lỗ trống nằm ở lớp trên cùng của dải hóa trị còn electron nằm ở lớp dưới cùng của dải dẫn như trong hình phía ngoài cùng bên phải của Hình 3.1 Một electron sơ cấp có thể kích thích nhiều electron của chất bán dẫn, tạo thành nhiều cặp electron – lỗ trống Trong điều kiện bình thường, các electron bị kích thích do bức xạ chuyển lên dải dẫn

là rất nhỏ so với số electron chuyển lên dải dẫn do kích thích nhiệt, hơn nữa các electron bị kích thích chuyển lên dải dẫn còn bị giải kích thích và chuyển về dải hóa trị Khi có sự xuất hiện của điện trường, các electron và lỗ trống sẽ có khả năng dịch chuyển trong chất bán dẫn theo chiều (electron) hoặc ngược chiều (lỗ trống) điện trường Số cặp electron – lỗ trống do bức xạ đi vào đầu dò tạo thành tỷ lệ với năng lượng gamma bị hấp thụ, , tức là, nếu

là năng lượng trung bình cần để tạo thành một cặp electron và lỗ trống thì:

Một thành phần quan trọng trong độ phân giải năng lượng của đầu dò là hàm của (trình bàytrong Chương 6) và một số tham số khác, chúng đều dẫn đến kết luận là: vật liệu chế tạo đầu dò cần phải có nhỏ, tức là lớn

Mặc dù các vật liệu bán dẫn đều cho phép thu thập các cặp electron và lỗ trống, nhưng trongthực tế, vật liệu làm đầu dò còn phải đảm bảo việc thu thập điện tích diễn ra trong thời gian ngắn Electron và lỗ trống cần phải có tính linh động cao bên trong vật liệu và phải không

có các bẫy điện tích bên trong vật liệu dẫn tới việc không thu thập được hết các phần tử tải điện được tạo thành Bẫy điện tích có thể có nhiều dạng khác nhau do hệ quả của:

- Sự không tinh khiết trong mạng tinh thể của chất bán dẫn;

- Các nguyên tử và ô trống ngoài nút bên trong mạng tinh thể do sai hỏng cấu trúc bên trong tinh thể;

- Các nguyên tử ngoài nút do phá hủy của bức xạ

Tóm lại vật liệu chế tạo đầu dò cần phải là loại vật liệu không quá hiếm, do đó có giá thành hợp lý, có độ tinh khiết cao, và trạng thái tinh thể khả dĩ gần như hoàn hảo Sự linh động của phần tử tải điện và các bẫy điện tích sẽ được trình bày cụ thể trong các phần sau

3.2.4 Chất bán dẫn thích hợp để chế tạo đầu dò ghi gamma

Tổng hợp các phần trước, ta thấy rằng vật liệu làm đầu dò bán dẫn lý tưởng cần phải:

- Có hệ số hấp thụ lớn (tức là số nguyên tử, Z, lớn);

- Cung cấp được càng nhiều cặp electron – lỗ trống trên một đơn vị năng lượng càng tốt (tức là nhỏ);

- Độ linh động của electron và lỗ trống trong vật liệu cao;

- Có thể chế tạo được các tinh thể có độ tinh khiết cao và các tinh thể đơn ở trạng thái gần như hoàn hảo (rất ít sai hỏng cấu trúc);

- Không phải là loại vật liệu quá hiếm, và phải có giá thành phù hợp

Bảng 3.1 Các tham số của một số loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò

Vật liệu Số nguyên

tử

Nhiệt độhoạt động

Độ rộng vùngcấm (eV)a (eV)a,b Mật độ

(g/cm-3)

Độ linh động (cm2V

-1s-1)aElectrons Holes

a Giá trị được lấy ở 77oK với Ge và 300oK với các loại bán dẫn khác

bNăng lượng trung bình để tạo một cặp electron – lỗ trống

Xem xét tất cả các yếu tố trên, chỉ có một vài chất bán dẫn khả dĩ mà ta có thể xem xét, các loại bán dẫn này được liệt kê cùng với các tham số của chúng trong Bảng 3.1 Chất bán dẫn đầu tiên ta xem xét là Si, lợi thế của Si là công nghệ chế tạo tinh thể có độ tinh khiết cao, giá thành rẻ đã được phát triển từ lâu nhờ công nghiệp điện tử Nhược điểm của Si là số nguyên tử nhỏ, dẫn tới trong thực tiễn, đầu dò dùng Si chỉ có thể sử dụng để đo gamma năng lượng thấp Thông thường, đầu dò loại này thường được sử dụng trong các hệ phổ kế tia X Phổ kế tia X thuộc về một lĩnh vực khác với các đặc điểm riêng, do đó chúng ta sẽ không đi sâu tìm hiểu về đầu dò Si

Ge là loại vật liệu chế tạo đầu dò gamma phổ biến nhất Số nguyên tử cao của Ge lớn hơn của Si, và do đó nó có thể được sử dụng để chế tạo đầu dò đo gamma năng lượng cao hơn Trong vài năm trở lại đây, để đáp ứng nhu cầu chế tạo loại đầu dò này, công nghệ chế tạo tinh thể Ge độ tinh khiết cao cũng đã có rất nhiều tiến bộ Ta có thể thấy điều này thông qua việc so sánh giữa đầu dò Ge thương mại đầu tiên (kích thước chỉ vài cm3, công nghệ nuôi kéo bằng Li có độ tinh khiết không cao, và độ phân giải năng lượng 4 đến 5 keV ở 1332 keV) với các đầu dò hiện đại (kích thước hàng trăm cm2, độ tinh khiết cao và cho độ phân giải chỉ 1.8 keV ở 1332 keV) Ge là vật liệu duy nhất trong Bảng 3.1 mà đầu dò chế tạo từ

nó cần phải được sử dụng ở nhiệt độ thấp để triệt tiêu dòng dò, như tôi đã lý giải ở phần trước thông qua Phương trình (3.1)

3.2.5 Các loại vật liệu bán dẫn mới

Ngoài Ge, chúng ta còn có một số các loại vật liệu khác có các đặc tính phù hợp, và có độ rộng vùng cấm lớn hơn của Ge, dẫn tới khả năng chế tạo các đầu dò hoạt động ở nhiệt độ phòng như.CdTe, CdZnTe (CZT) và HgI2 là các vật liệu khả dĩ có khả năng thương mại hóa nhưng chỉ trong một số ứng dụng giới hạn Số nguyên tử lớn, do đó hệ số hấp thụ cao, khiếncho các loại vật liệu này trở thành các vật liệu rất hấp dẫn để chế tạo đầu dò Ví dụ, 2 mm CdTe tương đương với 10 mm Ge về khả năng hấp thụ gamma Tuy nhiên, trong thực tế, một số yếu tố giới hạn khả năng sử dụng chúng Chúng ta có công nghệ để chế tạo tinh thể của các vật liệu nói trên với độ tinh khiết và hoàn hảo cao Tuy nhiên, giới hạn của các loại vật liệu này là ở tính linh động của các phần tử tải điện trong tinh thể

Như trong Bảng 3.1, độ linh động của các phần tử tải điện trong các loại vật liệu kể trên đềunhỏ hơn so với của Ge Điều này là do tính linh động của các lỗ trống, vốn nhạy với bẫy điện tích, kém hơn nhiều so với tính linh động của electron, dẫn tới vấn đề nghiêm trọng trong thu thập điện tích của đầu dò Trong thực tế, các bẫy lỗ trống khiến cho việc thu thập hoàn toàn điện tích tạo ra trong đầu dò rất khó đạt được nếu độ dài tinh thể lớn hơn 1 mm Điều này có nghĩa là các loại vật liệu này chỉ có thể được sử dụng để chế tạo các đầu dò kích thước nhỏ Do kích thước nhỏ, chúng thích hợp nhất để chế tạo đầu dò gamma năng lượng thấp Hiệu năng của đầu dò CdTe và CZT được cải thiện bởi các công cụ điện tử hiện đại, có khả năng cải thiện khả năng thu thập điện tích Vấn đề này sẽ được trình bày trong Chương 4, phần 4.3.5 sau khi chúng ta đã tìm hiểu về công cụ điện tử để thu thập điện tích Năng lượng trung bình để tạo ra một phần tử tải điện trong các loại vật liệu nói trên cũng lớn hơn so với của Ge và do đó, trong trường hợp tất cả các tham số khác là giống nhau, đầu

dò CdTe, CZT, và HgI2 không thể có độ phân giải tốt bằng đầu dò Ge Bảng 3.2 so sánh độ phân giải và dải năng lượng cho hiệu suất cao nhất của một số đầu dò đo gamma năng lượng thấp Qua đó ta nhận thấy, độ phân giải năng lượng của các đầu dò này mặc dù khôngtốt bằng đầu dò Ge, nhưng vẫn tốt hơn rất nhiều so với đầu dò nhấp nháy Dữ liệu trong bảng là chưa đầy đủ, một số yếu tố quan trọng chưa được đưa ra Ví dụ, đầu dò CdTe có thể

có độ phân giải tốt hơn đầu CdZnTe, đặc biệt là khi được làm lạnh Tuy nhiên, các đỉnh trong phổ của đầu dò CdTe cócác đuôi phụ thuộc năng lượng về phía năng lượng thấp Trong một vài trường hợp, các đuôi năng lượng có thể gây ra các khó khăn khi phân tách các phổ chập Sử dụng kỹ thuật lưới đồng phẳng, các đỉnh trong phổ CZT sẽ có dạng Gauss mặc dù độ phân giải tồi hơn(Vấn đề này sẽ được thảo luận tiếp trong phần 4.3.5 của

Chương 4)

Bảng 3.2 So sánh độ phân giải và dải năng lượng của các loại đầu dò gamma năng lượng thấp

Vật liệu Kích thước đầu dò Độ phân giải (keV) ở: Dải năng lượng

tối ưu (keV) a

5.9 keV

122keV

661.66 keV

Mặc dù kích thước của đầu dò bị giới hạn, các loại đầu dò bằng vật liệu mới này vẫn được

sử dụng trong thực tế Ví dụ trong các hệ thống theo hướng y học, đầu dò có thể có độ phân giải không cao, nhưng kích thước của chúng phải nhỏ, thì các loại đầu dò này rất hữu dụng Ngoài ra, đầu dò loại này còn được ứng dụng rộng rãi trong các điều kiện giới hạn về khônggian đặt đầu dò, giới hạn về khả năng cung cấp nitơ lỏng để làm lạnh, hoặc các ứng dụng di động (các thiết bị xách tay) sử dụng trong các chương trình an toàn hạt nhân

TlBr là một vật liệu có một vài triển vọng TlBr có mật độ lớn và độ rộng vùng cấp rộng Các đầu dò TlBr đã được chế tạo cho thấy khả năng dựng phổ ít nhất là với gamma 661.6 keV của 137Cs, ngay cả với các đầu dò có kích thước chỉ một vài cm3

Theo lý thuyết, GaAs là loại vật liệu có triển vọng để chế tạo đầu dò, nhưng chưa thông dụng tại thời điểm hiện nay do các kỹ thuật nuôi kéo tinh thể chưa đảm bảo Các loại vật liệu khác được liệt kê trong Bảng 3.1 đều là các vật liệu có tiềm năng để sản xuất đầu dò bán dẫn đo gamma, nhưng bị loại bỏ nhiều lý do khác nhau Trong thực tế, vật liệu thông dụng nhất được dùng để chế tạo đầu dò gamma là Ge và chúng ta sẽ không đi sâu hơn vào xem xét các loại đầu dò khác trong cuốn sách này, trừ đầu dò nhấp nháy Đầu dò nháp nháy

sẽ được trình bày riêng trong Chương 10

3.2 BẢN CHẤT CỦA BÁN DẪN

Trước khi đi vào tìm hiểu quá trình sản xuất đầu dò bán dẫn ghi gamma, không cần đi quá chi tiết vào vật lý chất rắn, nhưng ta cần phải hiểu bản chất cơ bản của các vật liệu bán dẫn Trong vật liệu bán dẫn sạch, kích thích nhiệt có thể đưa một số electron từ dải hóa trị lên dảidẫn và để lại một số lượng lỗ trống mang điện dương tương ứng Vật liệu loại này có số

electron và lỗ trống bằng nhau, và được gọi là bán dẫn nội.

Dĩ nhiên, cho đến thời điểm này, chưa có loại vật liệu nào có thể được tạo ra với độ tinh khiết 100% Trong các chấn bán dẫn, sự không tinh khiết có thể tạo ra các hiệu ứng đáng kể lên độ dẫn Ge là một ví dụ, nguyên tố này có hóa trị 4 và trong mạng tinh thể, một nguyên

tử Ge sẽ được bao quanh bởi 4 nguyên tử Ge khác, mỗi nguyên tử đóng góp số electron nhưnhau để tạo thành liên kết Nếu một trong số các nguyên tử Ge này được thay thế bởi

nguyên tử khác (tạp chất) có hóa trị khác thì sự cân bằng điện tử trong tinh thể sẽ bị rối loạn Ví dụ, nếu tạp chất có hóa trị ba như Ga (Gallium) hoặc Bo (Boron), thì tại vị trí bị pha tạp, cấu trúc điện tử của tinh thể sẽ bị khuyết một electron Nói cách khác, ở đó xuất

hiện một lỗ trống Kiểu tạp chất này được gọi là tạp chất acceptor và khi được trộn lẫn với

vật liệu bán dẫn, nó sẽ tạo thành các trạng thái năng lượng bổ sung nằm ngay trên dải hóa

trị, được gọi là các trạng thái acceptor Ge với loại tạp chất này được gọi là Ge loại p (“p”

ký hiệu cho tạp chất acceptor dương)

Hình 3.3(a) Tiếp xúc p-n trước khi phân bố lại phần tử tải điện(b) Vùng nghèo được

tạo ra do sự phân bố lại điện tích(c) Sự biến thiên của thế qua lớp tiếp xúc(d) sự biếnthiên của không gian điện tích qua lớp tiếp xúc

Space charge: không gian điện tích

Contact potential: Thế tiếp xúc

Mặt khác, tạp chất là nguyên tố có hóa trị năm, giống như As (Arsenic) hoặc P

(Phosphorus), sẽ có một electron dư thừa trong cấu trúc điện tử của mạng tinh thể Các

nguyên tử tạp chất loại này được gọi là các nguyên tử donor nằm tại các vị trí donor và sẽ

tạo ra các trạng thái donor ngay phía dưới dải dẫn Ge với loại tạp chất này được gọi là Ge loại n(“n” ký hiệu cho tạp chất donor âm).

Trong thực tế, tất cả các khối Ge đều chứa cả hai loại tạp chất nói trên Hai loại tạp chất sẽ

bù trừ lẫn nhau và do đó đặc tính bán dẫn của vật liệu sẽ phụ thuộc vào loại tạp chất nào nhiều hơn.Trong trường hợp hai loại tạp chất bù trừ hoàn toàn cho nhau, vật liệu được gọi là

Ge cân bằng Quá trình thay đổi bản chất của chất bán dẫn bằng cách bổ sung một lượng

nhỏ tạp chất thích hợp được gọi là quá trình pha tạp

Như tôi đã trình bày ở trên, sự xuất hiện của các nguyên tử tạp chất bên trong chất bán dẫn

sẽ làm xuất hiện các trạng thái năng lượng bổ sung, hoặc ở ngay trên dải hóa trị, hoặc ở ngay dưới dải dẫn Hiệu ứng này làm hẹp độ rộng vùng cấm Do độ dẫn của vật liệu phụ thuộc vào số electron trong dải dẫn, độ dẫn của vật liệu bị pha tạp sẽ lớn hơn độ dẫn nội Với mức pha tạp cao, độ dẫn của vật liệu cao, chất bán dẫn được gọi tương ứng theo loại pha tạp là p+ hoặc n+ Các loại vật liệu này đôi khi được chế tạo bằng l phương pháp bay hơi hoặc bắn phá ion của các tạp chất thích hợp để tạo ra các liên kết điện cho đầu dò (mặt khác, các vật liệu loại p có độ tinh khiết rất cao đôi khi được gọi là loại và độ tinh khiết caoloại n được gọi là loại – và là các chữ cái Hy Lạp tương đương với p và n)

Đầu dò bán dẫn ghi gamma phụ thuộc vào sự tái phân bố điện tử xảy ra khi các loại chất bán dẫn khác nhau được “kết nối” với nhau (ta sẽ xem xét kỹ hơn sự “kết nối” này trong thực tế ở Phần 3.4.1) Hình 3.3 đưa ra một giản đồ Vật liệu loại p có thừa lỗ trống, vật liệu loại n thừa electron Chúng khuếch tán dưới tác động của nhiệt, lỗ trống có thể “chạy” từ lớp p đi qua lớp liên kết sang lớp n, và ngược lại, các electron có thể “chạy” từ lớp n sang lớp p Lỗ trống dư thừa gặp electron dư thừa kết hợp lại và hủy nhau (điện tích tổng bằng không) Kết quả là tại biên tiếp xúc của hai loại chất bán dẫn hình thành một vùng liên kết

mà ở đó các điện tích trái dấu hủy nhau Vùng này có tên gọi là vùng nghèo (Hình 3.3(b))

Sự dịch chuyển của các điện tích tạo thành một không gian điện tích trong vùng này và hình

thành một hiệu điện thế qua vùng liên kết được gọi là thế tiếp xúc hoặc thế khuếch tán, có

biên độ khoảng 0.4 V đối với Ge (Hình 3.3(c)) Vùng nghèo là thành phần chủ động của đầu dò Vùng này rất mỏng, nhưng nếu một thế dương được kết nối với biên phía bán dẫn loại n của vùng liên kết, độ rộng lớp cấm sẽ tăng lên do electron bị lấy ra khỏi chất bán dẫn Thế âm kết nối với biên phía bán dẫn loại p của lớp liên kết sẽ “lấy” các lỗ trống ra khỏi vật

liệu Do thế dương kết nối với bán dẫn loại âm, nó được gọi là tiếp xúc dịch chuyển ngược

(tiến hành xem xét lối ra của phổ kế Ge khi bị chiếu bức xạ và không bật cao thế, ta có thể

dễ dàng thấy được tín hiệu lối ra, dù nhiều nhiễu và dạng tín hiệu tồi, nhưng luôn luôn bắt nguồn từ các tương tác trong vùng cấm Đặt một thế chỉ vài vôn vào hai điện cực của đầu dò

để thu thập điện tích chủ động sẽ cải thiện ngay lập tức tín hiệu và giảm nhiễu) Độ rộng vùng cấm , có thể được đánh giá bằng cách sử dụng phương trình:

Trong đó và là thế tiếp xúc và thế ngoài, là hằng số điện môi, là điện trở suất của vật liệu

và (m2V-1s-1) là độ dẫn của phần tử tải điện chính trong vật liệu Đối với bán dẫn loại p, do tạp chất gây ra sự dư thừa lỗ trống, các phần tử tải điện chính là lỗ trống; đối với loại n, electron là các phần tử tải điện chính lớn hơn rất nhiều so với và Phương trình (3.3) dẫn chúng ta đến kết luận rằng

Đối với các hệ ghi đo bức xạ mang điện, khả năng thay đổi độ dày của lớp nghèo là cách hữu dụng mà để tính toán kích thước đầu dò phù hợp với năng lượng của bức xạ cần đo Trong hệ phổ kế gamma, kích thước chủ động của đầu dò luôn luôn được thiết lập cực đại bằng cách tăng điện thế ngoài để mở rộng vùng cấm trong toàn bộ thể tích đầu dò khả dụng(Thực tế, thế ngoài được tăng cao hơn thế cấm (thế mà kích thước chủ động của đầu dòđạt cực đại) để cải thiện quá trình thu thập điện tích

Điện trở suất, , là hàm của độ tập trung của nguyên tử pha tạp trong vật liệu, , và có thể được tính như sau (e là điện tích của electron):

Một cách lý tưởng, ta mong muốn vùng nghèo có độ rộng cực đại, mà thế ngoài càng nhỏ càng tốt Phương trình (3.4) cho thấy việc sử dụng đầu dò Ge với độ tập trung pha tạp càng thấp càng tốt Trong thực tế, khi kích thước đầu dò tăng, độ tập trung pha tạp phải bị giảm, tuy nhiên, thế ngoài lại phải tăng lên rất nhiều (ví dụ, tăng đường kính từ 3 lên 7 cm yêu cầu

sự cải thiện độ tinh khiết lên 10 lần) Cải thiện lớn nhất trong hiệu suất ghi của các đầu dò trong thời gian gần đây là hệ quả của việc sử dụng Ge siêu tinh khiết Ge để sản xuất đầu dògamma là vật liệu có độ tinh khiết cao nhất

3.4 SẢN XUẤT CÁC ĐẦU DÒ Ge

3.4.1 Giới thiệu

Trong thực tế, các đầu dò gamma không được chế tạo bằng cách ghép nối các loại vật liệu bán dẫn khác nhau, mà bằng cách biến đổi một mặt của khối Ge thành loại bán dẫn khác bằng cách bốc hơi và khuếch tán hoặc bằng cách nuôi cấy ion Hình 3.3 cho thấy cơ chế củavùng nghèo Nếu độ tập trung của tạp chất ở hai phía của lớp tiếp xúc là khác nhau (trong Hình 3.3, có nhiều tạp chất loại p ở phía tay trái của lớp tiếp xúc hơn tạp chất loại n ở phía tay phải), thì phân bố không gian điện tích sẽ không đối xứng trong lớp tiếp xúc Như đã được chỉ ra trong Hình 3.3(d), độ rộng vùng nghèo lớn hơn về phía có độ tập trung pha tạp thấp (về nguyên lý, sản phẩm của sự tập trung pha tạp và độ rộng vùng nghèo cần phải bằngnhau ở cả hai phía của tiếp xúc)

Điều này dẫn tới việc nếu ta lấy một khối Ge loại p độ tinh khiết cao và biến đổi một mặt của nó thành lớp n+ (như trong Hình 3.4), rồi đặt vào đầu dò một thế ngược, thì ta sẽ tạo ra được một lớp nghèo giàu vật liệu loại p Đây chính là cơ sở để sản xuất tất cả các loại đầu

dò Ge Từng có lúc, các loại đầu dò này được gọi với một cái tên không chính xác, đầu dò nội (tên gọi này đồng nghĩa với việc Ge được sử dụng là loại có pha tạp loại n bằng pha tạp

loại p) Tên gọi này đã được thay thế bằng tên gọi chính xác hơn, đầu dò Ge siêu tinh khiết, hay đầu dò Ge độ tinh khiết cao

Hình 3.4 Cấu trúc cơ bản của đầu dò Ge

Hiệu suất ghi tương đối của đầu dò HPGe có thể được đánh giá bằng cách chia thể tích chủ động của đầu dò cho 4.33 Lấy mật độ khối của Ge bằng 5.33 g.cm-3, 23g Ge sẽ tương ứng với 1% hiệu suất ghi tương đối Năm 2003, đầu dò HPGe lớn nhất được sản xuất là đầu dò đồng trục loại p làm từ 4.4 kg của Ge với hiệu suất ghi tương đối bằng 207.6% và độ phân giải năng lượng FWHM là 2.4 keV ở 1332.54 keV (Sangsingkeow et al., 2003) Hình 3.5(f)

so sánh trực quan kích thước của đầu dò hiệu suất ghi tương đối 15% và đầu dò hiệu suất ghi tương đối 150% với kích thước của quả bóng gôn chuẩn

3.4.2 Quá trình chế tạo

Mặc dù có rất nhiều nhà sản xuất cả hệ thống đầu dò, chỉ có ba nhà sản xuất đầu dò Ge chất lượng cao: ORTEC, PGT và Canberra Các nhà sản xuất còn lại sản xuất đầu dò bằng các vật liệu khác Với các nhả sản xuất Ge, điểm bắt đầu là Ge đa tinh thể điện tử chất lượng cao Mặc dù đã có độ tinh khiết rất cao, chúng vẫn phải tiếp tục được làm tinh khiết bằng

cách lọc theo vùng Ge bị nung chảy trong gra-phít nhiệt phân bọc bên ngoài bởi chén nung

thạch anh sử dụng cuộn nhiệt tần số radio (RF) Sau một thời gian, chất lỏng bị đóng băng

và chuyển thành dạng rắn, tạp chất sẽ tập trung lại trong pha lỏng, và do đó chất rắn mới thuđược sẽ sạch hơn khối được nung chảy ban đầu (nguyên lý được áp dụng trong quá trình nấu rượu trái phép trong thời gian dài!)

Mỗi cuộn nung lọc theo vùng (Xem hình 3.5(a)) nấu chảy một phần Ge trong cốc nung Do cuộn nung chuyển động dọc theo chiều dài cốc nung, vùng bị nóng chảy di chuyển theo nó

Ge nóng chảy khi cuộn nung tiến lại gần và rắn lại khi cuộn nung di chuyển ra xa Như đã trình bày ở trên, trong chất lỏng độ tập trung của tạp chất sẽ cao hơn trong chất rắn Theo cách này, các tạp chất bị “quét” dọc theo vùng bị nóng chảy đến cuối của thanh Cần phải tiến hành nhiều lần quét, bằng cách dùng ba cuộn nung, sau đó độ tập trung tạp chất sẽ đượcgiảm xuống khoảng 100 lần hoặc hơn Đuôi hình nón của thỏi (Hình 3.5(b)) lúc này chứa

phần lớn tạp chất và sẽ bị cắt bỏ Ge tại bước này vẫn là đa tinh thể và chưa phù hợp để làm đầu dò Thỏi được lọc theo vùng được kiểm tra độ tinh khiết bằng các đo hiệu ứng Hall và cắt mỏng để chuẩn bị biến độ thành vật liệu đơn tinh thể

Các đơn tinh thể lớn được nuôi bằng phương pháp Czochralski Ge được nung chảy trong cốc nung thạch anh bằng cuộn nung RF và được giữ ở nhiệt độ ngay trên nhiệt độ nóng chảy (937oC) Một tinh thể giống nhỏ, cắt chính xác theo mặt phẳng tinh thể của nó, được nhúng vào trong Ge nóng chảy và rút khỏi từ từ (Hình 3.5(c)) Kích thước của tinh thể có thể được kiểm soát bằng tốc độ rút và nhiệt độ nóng chảy Toàn bộ quá trình nuôi tinh thể diễn ra trong khí hydro Ge làm ướt thạch anh và nếu có dư Ge trong cốc nung, trong quá trình biến thành dạng rắn, sự giãn nở của Ge có thể làm vỡ cốc nung Do vậy, sự nấu chảy cần phải kết thúc hoàn toàn khi quá trình tạo hình kết thúc, tinh thể cần phải được vuốt nhọn

để làm giảm tối đa áp suất nhiệt Nuôi tinh thể cần phải có sự thành thạo, và trong một chừng mực nào đó, điều này giới hạn kích thước đầu dò sản xuất được Chế tạo các tinh thể

có kích thước lớn đòi hỏi sự điều khiển rất chính xác các tham số kéo tinh thể để thu được sản phẩm có độ tập trung tạp chất đồng đều theo đường kính của tinh thể Sự khó khăn này càng thể hiện rõ trong sản xuất Ge loại n Sự phân bố lại các tạp chất có thể làm chất bán dẫn loại n biến thành loại p trong tinh thể Hiển nhiên, chi tiết của quá trình này gần như là một bí mật công nghệ

Sau khi đã tạo thành được các đơn tinh thể, chúng cần phải được cắt để có kích thước phù hợp Điều này không phải là một công việc dễ dàng như ta nghĩ Cưa theo phương pháp thông thường sẽ làm hỏng cấu trúc tinh thể ở bề mặt cắt, gây ra sự không hoàn hảo của cấu trúc, là nguyên nhân của các bẫy điện tích trong đầu dò Cưa đặc biệt đã được phát triển để cho phép tạo dạng tinh thể mà không gây ra các sai hỏng cấu trúc (Hình 3.5(d) là hình vẽ của một cưa chuỗi sử dụng SiC và bùn nước để bào mòn khối Ge)

Các phép đo hiệu ứng Hall một lần nữa lại được sử dụng để xác định độ tập trung tạp chất

và loại bán dẫn (n hoặc p) dọc theo chiều dài của khối Ge Các phần Ge đủ chất lượng sẽ được cắt ra và phần vật liệu còn lại (vẫn còn có giá trị sử dụng) được lọc theo vùng một lần nữa Ge được chọn có được gia công thành dạng trụ hoàn hảo Nếu đầu dò là đầu dò đồng trục, thì biên của một mặt cuối của tinh thể sẽ bị làm tròn để cải thiện khả năng thu thập

điện tích; Quá trình này được gọi là quá trình mài tròn đầu tinh thể (điều này sẽ được giải

thích kỹ hơn trong các phần sau) Tinh thể của đầu dò đồng trục sau đó sẽ được gia công một lỗ để làm chỗ đặt kết nối trung tâm Tinh thể sau đó bọc lại để làm giảm tối đa sự phá hủy bề mặt tinh thể do cơ học (va chạm trong quá trình sử dụng)

Hình 3.5 Các bước sản xuất đầu dò Ge: (a) ba cuộn nung lọc theo vùng; (b) Lọc tạp

chất; (c) Nuôi (“kéo”) tinh thể Ge bằng kỹ thuật Czochralski; (d) Tinh thể được cắt lát bằng các cưa chuỗi; (e) Mài tinh thể Ge; (f) từ trái sang phải – Quả bóng gôn chuẩn, đầu dò hiệu suất ghi tương đối 15% và đầu dò hiệu suất ghi tương đối 150% Hình vẽ được ORTEC cho phép trích dẫn

Tiếp xúc n+ được tạo thành bằng cách khuếch tán Li lên các phần thích hợp của bề mặt đầu

dò Các phần này thay đổi tùy theo loại đầu dò ta muốn Đầu dò loại p sẽ có lớp n+ trên toàn

bộ bề mặt ngoài trừ phần đáy phẳng Sau đó, đầu dò sẽ được thêm một lần nữa làm bóng hóa học và bọc bảo vệ bề mặt bằng cách phun H2Ge Tiếp xúc p+ được tạo thành bằng cách

cấy ion nguyên tử Bo lên trên bề mặt tinh thể Hình 3.5(f) cho thấy hai loại đầu dò hoàn toàn khác nhau, một rất nhỏ và một rất lớn, hiệu suất ghi tương đối lần lượt là 15% và 150%

Tinh thể đầu dò cuối cùng cần được giữ rất sạch Cao thế hoạt động thông thường là từ 1000đến 3000 V đi qua chỉ một vài cm Ge Chỉ cần một vết nhẹ của tạp chất bề mặt có thể tạo ra dòng dò bề mặt không mong muốn Chính vì lý do này, để tạo ra cách chất cách điện truyền nhiệt đối với các đầu dò cần làm lạnh, bước cuối cùng trong công nghệ sản xuất đầu dò là đặt đầu dò vào trong một hộp kín có sẵn các kết nối điện cho đầu dò Thông thường, tiền khuếch đại cũng được gắn trong hộp này, nhờ đó các thành phần điện tử quan trọng cũng được làm lạnh Toàn bộ khối sau đó sẽ được gắn với bộ ổn nhiệt để được làm lạnh (bộ ổn nhiệt sẽ được trình bày riêng trong Phần 3.7)

3.4.3 Đầu dò khuếch tán Li

Đầu dò khuếch tán Li, thường được viết tắt là Ge(Li) hiện đã không còn được sản xuất, tuy nhiên ta vẫn có thể gặp loại đầu dò này trong một số phòng thí nghiệm Ở thời điểm ban đầu, công nghệ chế tạo tinh thể chưa cho phép các nhà sản xuất đầu dò bán dẫn tạo ra các tinh thể độ tinh khiết cao có kích thước lớn, khuếch tán Li là giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề nói trên Nguyên tử Li nhỏ và có thể dễ dàng định xứ trong các khe hở của mạng tinh thể Ge, ở đó chúng đóng vai trò của tạp chất loại n (tạp chất donor) Thông thường Ge ở mức độ tinh khiết chưa cao sẽ chứa nhiều tạp chất loại p và nếu Li bị phân tán trong mạng tinh thể Ge thì các nguyên tử Li sẽ triệt tiêu các tạp chất loại p (tạp chất

acceptor) Do vậy, Li có độ linh động rất cao bên trong tinh thể Ge và do đó có thể dễ dàng

di chuyển bên trong tinh thể

Li được bọc lên trên bề mặt của tinh thể loại p bằng nhiều cách thích hợp – lắng đọng chân không hoặc thậm chí sơn dung dịch Li (dung dịch ở dạng thể vẩn) Bằng cách đặt vào một thế ngược ở nhiệt độ 50oC, các ion Li di chuyển bên trong tinh thể Ở bề mặt pha tạp Li, tinhthể giàu tạp chất loại n được gọi là vùng n+ Tại tâm của khối tinh thể, các Li triệt tiêu các tạp chất loại p Các điện cực của đầu dò được làm bằng vàng mạ điện hoặc bằng hỗn hợp In.Ngày nay, trong khi Ge(Li) đã bị thay thế hoàn toàn bởi đầu dò HPGe, các đầu dò photon Sivẫn sử dụng phương pháp khuếch tán Li trong Si (thường được gọi là đầu dò Si(Li)) Quá trình sản xuất đầu dò Si(Li) về cơ bản giống với đầu dò Ge(Li), tuy vậy, chi tiết trong quá trình khuếch tán Li vào tinh thể là khác nhau

Tính linh động của Li trong Ge tại nhiệt độ phòng là rất lớn, và trong các điều kiện bình thường, Li sẽ tiếp tục dịch chuyển bên trong tinh thể và phá hủy dần dần sự cân bằng đã được tạo thành giữa các tạp chất Do đó, không giống đầu dò Si(Li), các đầu dò Ge(Li) cần phải được giữ ở nhiệt độ nitơ lỏng trong suốt “cuộc đời” của nó, dù có sử dụng hay không

sử dụng

3.4.4 Các dạng hình học của đầu dò

Đầu dò Ge có nhiều dạng hình học khác nhau ứng với các ứng dụng riêng Hình 3.6 tổng hợp một cách đơn giản các dạng hình học chuẩn của đầu dò, đi kèm với các chỉ dẫn về dải năng lượng sử dụng tương ứng với từng loại (đường cong hiệu suất trong hình chỉ mang tính khái quát Đường cong hiệu suất của một đầu dò cụ thể sẽ phụ thuộc vào kích thước và loại đầu dò) Khả năng ghi đo năng lượng cao của đầu dò bị giới hạn bởi sự suy giảm của hệ

số hấp thụ ở vùng năng lượng cao và bởi kích thước của tinh thể đầu dò (cần nhắc lại rằng xác suất hấp thụ toàn phần của tia gamma phụ thuộc vào không gian khả dĩ (kích thước đầu dò) để xảy ra tương tác nhiều lần) Giới hạn 3 MeV đưa ra trong Hình 3.6 là giá trị cắt hoàn toàn tùy ý, giá trị này có thể mở rộng đến 10 MeV hoặc cao hơn nữa Ở vùng năng lượng thấp, hệ số hấp thụ tia gamma là rất lớn và đầu dò sẽ có hiệu suất ghi cao Tuy nhiên, hiệu suất của đầu dò trong vùng này bị giới hạn bởi sự hấp thụ các photon trước khi chúng tới được vùng tương tác của đầu dò

3.4.5 Hấp thụ ở vỏ đầu dò và các lớp chết

Trước hết, ta sẽ xem xét sự hấp thụ bức xạ ở vỏ của đầu dò và tiếp sau đó là ở lớp tiếp xúc trên mặt mà đầu dò đón tia bức xạ tới Hình 3.7 đưa ra các tỷ lệ gamma truyền qua theo tinhtoán với nhiều loại vật liệu khác nhau Phần vỏ đầu dò được làm bằng nhôm (đôi khi là bằngMg) dày khoảng 1.5 mm, hoặc đôi khi là cửa sổ (cửa số là mặt đầu dò hứng tia bức xạ) Beryli có độ dày khoảng 0.5 mm Quá trình sản xuất Li liên kết n+ tạo ra một lớp chết dày khoảng 700 bên trong tinh thể Ge Lớp chết hình thành trong quá trình nuôi cấy ion để tạo

ra liên kết p+ chỉ khoảng 0.3 Nếu ta lấy độ truyền qua 10% là giới hạn, thì ta sẽ thấy rằng,

vỏ đầu dò bằng nhôm sẽ giới hạn năng lượng nhỏ nhất mà đầu dò có thể ghi nhận được là

15 keV, trong khi đó do hệ số hấp thụ cao hơn, lớp chết của đầu dò liên kết n+ sẽ giới hạn năng lượng cực tiểu mà đầu dò có thể ghi nhận được là 40 keV Do vậy, đầu dò liên kết p+ với cửa sổ beryli được sử dụng trong các bài toán đo năng lượng thấp

Một đầu dò được gọi là có “cấu hình chuẩn” tức là đầu dò đồng trục loại p có vỏ bọc nhôm Loại đầu dò này có lớp chết khoảng 700 liên kết n+ và không thể sử dụng để đo gamma dưới 40 keV với mọi loại cửa sổ Để đo gamma năng lượng thấp ta có thể mua các đầu dò HPGe loại p hiện đại với lớp n+ rất mỏng ở mặt trước của đầu dò Kết hợp với cửa số beryli, đầu dò loại này cho phép đo gamma có năng lượng nhỏ hơn 10 keV (đầu dò dải mở rộng Canberra XtRa)

Sự giới hạn do lớp n+ dày ở mặt ngoài của đầu dò có thể được loại bỏ bằng cách “lộn đầu

dò ra ngoài” Nếu Ge loại n được chọn để sản xuất đầu dò, liên kết n+ sẽ nằm ở bên trong của đầu dò và một lớp p+ rất mỏng, có thể dễ dàng được tạo ra bằng phương pháp nuôi cấy

ion Bo, sẽ nằm ở bên ngoài Các đầu dò loại này thường được gọi là đầu dò điện cực ngược Kết hợp với của sổ Beryli, các đầu dò điện cực ngược có thể được sử dụng để đo

gamma cỡ một vài keV, như đã được chỉ ra trong đường cong hiệu suất ở Hình 3.6 Trong các đường cong hiệu suất, ta thấy xuất hiện một “khía” ở phía vùng năng lượng thấp Sự

thay đổi hiệu suất đột ngột này có thể được liên hệ với biên hấp thụ lớp K của hiệu ứng quang điện (cỡ 11 keV đối với Ge, xem Chương 2) Như ta sẽ thấy sau đây, đầu dò loại n, ngoài khả năng mở rộng khả năng đo xuống dải năng lượng thấp, còn có một ưu thế khác là bền với sự phá hủy phóng xạ của nơtron Tuy nhiên, đầu dò loại này lại có giá cao hơn (do công nghệ chế tạo phức tạp hơn) và bị ảnh hưởng mạnh bởi vấn đề tổng trùng phùng thực Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 8

Theo truyền thống, các vỏ bọc của đầu dò thường được làm bằng nhôm hoặc ma-giê Các phát triển gần đây hướng tới việc sử dụng lớp vỏ làm hoàn toàn từ sợi các-bon hoặc

compôsít cácbon Các loại vỏ bọc này có khả năng bị kích hoạt thấp, so với các loại truyền thống, do đó có thể sử dụng trong các hệ đo phông thấp Đồng thời lớp vỏ này còn có mật

độ thấp, nghĩa là khả năng truyền qua của gamma cao, và do vậy nó sẽ có hiệu suất ghi nănglượng thấp cao hơn

3.4.6 Các đầu dò đo năng lượng thấp

Trong thực tế, các ứng dụng đo gamma năng lượng thấp, các đầu dò có kích thước nhỏ là đủ

để hấp thụ toàn bộ năng lượng của tia gamma phát ra Do đó, nếu đầu dò chỉ sử dụng cho mục đích đo các tia gamma có năng lượng thấp thì các đầu dò kích thước nhỏ là một lựa chọn hợp lý Các đầu dò phẳng là các đầu dò mỏng với đường kính thông thường là 50 nm

và chiều sâu thông thường cỡ 20 nm Trên nguyên lý, chúng tương đương với với các đầu

dò đĩa và có thể là Ge loại n hoặc loại p Cấu trúc của loại đầu dò này được thiết kế sao cho

nó có độ phân giải năng lượng tốt nhất có thể Ví dụ, vùng liên kết n+ có thể được giảm thành một màng rất mỏng để giảm dung kháng và do đó cải thiện độ phân giải của đầu dò Trong một vài đầu dò ( ví dụ Canberra LEGe và ORTEC LO-AXTM – xem dưới đây), lớp liên kết p+ mở rộng quanh cạnh của đầu dò Để mở rộng khả năng đo tới các gamma có năng lượng nhỏ hơn 3 keV, ta có thể mua các đầu dò phẳng với của sổ bằng phim polime đi kèm Dải năng lượng làm việc của đầu dò này cho phép nó thay thế đầu dò Si(Li) truyền thống Các nhà sản xuất đầu dò gamma tuyên bố rằng, hiện nay, với sự cải tiến công nghệ,

họ hoàn toàn có thể chế tạo các đầu dò Ge với độ phân giải tốt hơn đầu dò Si(Li)

Một loại đầu dò khác cho phép đo gamma năng lượng thấp là đầu dò “LO-AX” của

ORTEC Về cơ bản, đầu dò này là đầu dò đồng trục ngắn loại n (Xem Hình 13.7) Sự giảm dung kháng mạnh của đầu dò này cho phép nó đạt được độ phân giải năng lượng rất tốt

3.4.7 Đầu dò hình giếng

Hình 3.6 Các dạng hình học thông thường của đầu dò, đường hiệu suất khái quát, và

chỉ dẫn dải năng lượng sử dụng đối với các loại đầu dò

Coaxial: đồng trục

p-type, n-type: loại n, loại p

Planar: phẳng; Well: hình giếng; active volume: thể tích làm việc

Direction of gamma radiation: hướng bức xạ

Polymer window: cửa sổ polyme

Thin-sided well: Giếng thành mỏng

Efficency: Hiệu suất

Tất cả các loại đầu dò ta đã nhắc đến ở trên đều có hiệu suất ghi khả dĩ tối đa là 50% do cấu hình hình học của nó (Thực ra là nhỏ hơn một chút, vì tinh thể bán dẫn bản thân nó phải đặt sau lớp vỏ dày một vài mm) Đầu dò Ge dạng giếng về cơ bản là đầu dò đồng trục loại p vớiliên kết âm, được đục một lỗ có kích thước đủ lớn để đặt mẫu vào bên trong đầu dò (xem Chương 13, Phần 13.2.2) Loại đầu dò này có cấu hình hình học đạt tới gần , do đó trên một