Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ đo Gamma dựa trên PIN photodiode và tinh thể nhấp nháy

Trong sự phát triển của khoa học, kĩ thuật hiện nay, các thiết bị điện tử ngàycàng được thu nhỏ và chính xác hơn. Kỹ thuật đo đạc phóng xạ cũng khôngnằm ngoài xu hướng đó. Chất nhấp nháy được coi là một trong những cách đođạc hiệu quả cả cường độ và năng lượng của nguồn phóng xạ cũng như phôngmôi trường. Tuy nhiên chất nhấp nháy thường đi kèm theo hệ ống nhân quangcồng kềnh nên các ứng dụng đòi hỏi không gian nhỏ hẹp, chúng thể hiện nhiềubất cập khó có thể khắc phục được. Việc sử dụng PIN Photodiot ghép nối chấtnhấp nháy được coi là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Vậy cần phảihiểu được nguyên lý hoạt động của chất nhấp nháy, PIN photodiot và hệ tiềnkhuếch đại đi kèm. Do đó trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp tại viện Kĩ thuậthạt nhân và Vật lý môi trường em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thửnghiệm hệ đo Gamma dựa trên PIN photodiode và tinh thể nhấp nháy”dưới sự hướng dẫn của TS.Phạm Đình Khang.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Đồ án tốt nghiệp này do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực và có dẫn chứng đầy đủ,

đề tài không trùng với bất kì đề tài ngiên cứu khoa học nào Những thông tin tham khảo trong đồ án đều được trích dẫn cụ thể

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Công

Vũ Chí Công

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án của mình, em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Đình Khang đã tận tình hướng dẫn và luôn luôn động viên em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, đặc biệt là chú Nguyễn Đức Tuấn và các anh chị Phòng Điện tử hạt nhân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và kiến thức giúp em trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa Học-Môi Trường Quân Sự, Thiếu tá Đinh Tiến Hùng và các anh, chị Phòng Phóng Xạ đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành các kết quả trong đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân

và Vật lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt những năm em học tập Với vốn kiến thức trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện, hoàn thành đồ án mà còn

là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin

Cuối cùng em xin kính chúc các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật

lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2017 Sinh viên thực hiện

Công

Vũ Chí Công

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 9

NỘI DUNG 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHẤT NHẤP NHẤP NHÁY VÀ PIN PHOTODIODE 10

1.1 Cơ sở vật lý của ghi đo bức xạ sử dụng tinh thể nhấp nháy 10

1.2 Tổng quan về chất nhấp nháy 10

1.2.1 Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ 12

1.2.2 Chất nhấp nháy CsI(Tl) 13

1.3 Tổng quan về PIN Photodiode 15

1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của PIN Photodiode 15

1.3.2 Các đặc tính của PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08 18

CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ ĐO GAMMA DỰA TRÊN PIN PHOTODIODE VÀ TINH THỂ NHẤP NHÁY 21

2.1 Sơ đồ khối của hệ đo 21

2.3 Khối tiền khuếch đại 24

2.4 Khối khuếch đại và hình thành xung 27

2.5 Khối đếm xung 29

2.5.1 Mạch tạo xung logic 29

2.5.2 Chip vi điều khiển họ ARM-STM32 31

2.5.3 Màn hình LCD 35

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 36

3.1 Lắp ráp, chế tạo thử nghiệm 36

3.2 Đo đáp ứng của hệ đo với suất liều 39

3.3 Sự thay đổi của số đếm khi nhiệt độ môi trường thay đổi 40

3.4 Khảo sát độ tuyến tính của xung tín hiệu ra bằng hệ phân tích đa kênh MCA 42

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

Tài liệu tiếng Việt 45

Tài liệu tiếng Anh 45

PHỤ LỤC 46

1 Chương trình dùng cho vi điều khiển STM32F103C8T6 được viết bằng trình dịch Keil C 5 và chương trình STM CubeMX 46

2 Chương trình thư viện cho màn hình LCD 16x2 55

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ 11 Bảng 1.2: Một vài thông số kỹ thuật của Si PIN Photodiode S3590-08 18 Bảng 2.1: Một vài thông số của IC Max4477 của hãng Maxim Integrated 28 Bảng 2.2: Một vài thông số của dòng chip vi điều khiển STM32F103 33 Bảng 3.1: Đáp ứng số đếm của hệ đo với suất liều khi năng lượng của bức xạ tới thay đổi 39 Bảng 3.2: Sự thay đổi của tốc độ đếm khi nhiệt độ thay đổi 41

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ vùng năng lượng của chất nhấp nháy vô cơ 12

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của PIN Photodiode 16

Hình 1.3: Si PIN Photodiode S3590-08 của hãng Hamamatsu 18

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào bước sóng ánh sáng 20

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ Gamma sử dụng tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode 21

Hình 2.2: Kết nối thực tế của PIN photodiode S3590-08 22

Hình 2.3: Minh hoạ ghép nối giữa tinh thể nhấp nháy và photodiode 22

Hình 2.4: Sơ đồ bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích 24

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích 26

Hình 2.6: Minh họa dạng xung tín hiệu sau khi qua bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích 26

Hình 2.7: Mạch khuếch đại và hình thành xung 27

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối đếm xung và thu tín hiệu S3590-08 29

Hình 2.9: Mạch tạo xung logic sử dụng Max987 29

Hình 2.10: IC Max987 của hãng Maxim Integrated cùng biến trở chỉnh ngưỡng so sánh 30

Hình 2.11: Kit phát triển STM32F103C8T6 mini 32

Hình 2.12: Kết nối của kit STM32F103C8T6 31

Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán của chương trình đếm xung 34

Hình 2.14: Kết nối của LCD 16x2 35

Hình 2.15: Hình ảnh thực tế của LCD 16x2 35

Hình 3.1: Mạch thu tín hiệu, bên trên là phối cảnh 3D, bên dưới là mạch trên thực tế 36

Hình 3.2: Bo cắm tích hợp cổng kết nối BNC ghép nối với hệ phổ kế đa kênh MCA 37

Hình 3.3: Bộ mạch đếm sử dụng kit STM32F103C8T6 và màn hình LCD 16x2 37

Hình 3.4: Dạng xung ra và xung logic 38

Hình 3.5: Hệ đo được đặt bên trong buồng thay đổi nhiệt độ 40

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của tốc độ đếm khi nhiệt độ thay đổi 41

Hình 3.7: Lắp ráp mạch thu tín hiệu và mạch pole-zero 42

Hình 3.8: Kết quả phân tích trên giao diện phần mềm Genie 2000 43

DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT

ADC Analog to digital converter

MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của khoa học, kĩ thuật hiện nay, các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và chính xác hơn Kỹ thuật đo đạc phóng xạ cũng không nằm ngoài xu hướng đó Chất nhấp nháy được coi là một trong những cách đo đạc hiệu quả cả cường độ và năng lượng của nguồn phóng xạ cũng như phông môi trường Tuy nhiên chất nhấp nháy thường đi kèm theo hệ ống nhân quang cồng kềnh nên các ứng dụng đòi hỏi không gian nhỏ hẹp, chúng thể hiện nhiều bất cập khó có thể khắc phục được Việc sử dụng PIN Photodiot ghép nối chất nhấp nháy được coi là một trong những giải pháp hiệu quả nhất Vậy cần phải hiểu được nguyên lý hoạt động của chất nhấp nháy, PIN photodiot và hệ tiền khuếch đại đi kèm Do đó trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp tại viện Kĩ thuật

hạt nhân và Vật lý môi trường em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ đo Gamma dựa trên PIN photodiode và tinh thể nhấp nháy”

dưới sự hướng dẫn của TS.Phạm Đình Khang

Với mục đích của đề tài:

1 Lắp ráp tinh thể nhấp nháy với hệ PIN photodiode, tiền khuếch đại

2 Đánh giá phổ năng lượng Gamma thu được, hiệu suất ghi và khảo sát sự biến đổi của các thông số trên theo nhiệt độ

Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm ba nhiệm vụ chính:

1 Tìm hiểu về tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode

2 Thiết kế, chế tạo hệ đo Gamma gồm detector, tiền khuếch đại và mạch đếm

3 Thực hiện các phép đo để khảo sát các thông số về phổ gamma, hiệu suất ghi và sự biến đổi các thông số trên theo nhiệt độ

NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHẤT NHẤP NHẤP NHÁY

VÀ PIN PHOTODIODE

1.1 Cơ sở vật lý của ghi đo bức xạ sử dụng tinh thể nhấp nháy

Khi hấp thụ năng lượng từ chùm tia bức xạ ion hoá hoặc bức xạ lượng tử, một số chất có khả năng phát ra những đốm sáng nhìn thấy được Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phát quang hay nhấp nháy Chất bị phát sáng khi hấp thụ chùm tia phóng xạ tới gọi là chất nhấp nháy Việc đo ghi những đốm sáng này là cốt lõi của phương pháp đo ghi bức xạ sử dụng chất nhấp nháy Đầu dò nhấp nháy là thiết bị được sử dụng trong phương pháp đo ghi này Chúng được cấu thành từ hai bộ phận chính như sau:

1 Chất nhấp nháy: có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng hạt bức xạ tới

ra photon Thiết bị ghi nhận đốm sáng sẽ hấp thụ các photon này và chuyển thành tín hiệu xung điện

1.2 Tổng quan về chất nhấp nháy

Chất nhấp nháy là những chất, dưới tác dụng của các hạt mang điện tích hoặc bức xạ điện từ năng lượng cao, phát ra photon trong vùng nhìn thấy hoặc vùng tử ngoại

Chất nhấp nháy có tính chất phát ra những photon với xác suất lớn khi các nguyên tử, phân tử ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản và xác suất hấp thụ các photon cho chính chúng tạo ra thấp

Có nhiều cách để phân loại chất nhấp nháy Dựa vào tính chất vật lý có thể phân loại chất nhấp nháy thành ba loại: rắn như các tinh thể; dạng lỏng như các chất p-terfenyl hoà tan trong sylon; dạng khí như các khí trơ nặng như xênon Dựa vào tính chất hoá học có thể chia thành hai loại: chất nhấp nháy vô cơ như tinh thể như NaI(Tl); chất nhấp nháy hữu cơ như tinh thể Stinben (C14H10) Trên thực tế, việc phân loại theo tính chất hoá học thuận tiện hơn cho việc nghiên cứu đặc tính của chất nhấp nháy Theo đó, ưu nhược điểm của chất nhấp nháy vô cơ và hữu cơ như sau:

Chất nhấp nháy vô cơ Chất nhấp nháy hữu cơ

Nhược điểm - Hạn chế đếm nhanh do thời

gian phát quang dài

- Hiệu suất phát quang thấp hơn chất nhấp nháy vô cơ

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu

cơ

Do trong khuôn khổ đề tài không sử dụng chất nhấp nháy hữu cơ nên chỉ tập trung vào phân tích chất nhấp nháy vô cơ

1.2.1 Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ

Chất nhấp nháy vô cơ chủ yếu là những tinh thể muối vô cơ và phổ biến là các liên kết halogen của một số kim loại kiềm

Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ được giải thích bằng lý thuyết vùng của Vật lý chất rắn [4] Theo đó, các electron bên trong các nguyên tử riêng biệt không tương tác với nguyên tử khác thì chúng ở những mức năng lượng gián đoạn hoàn toàn xác định Trong vật rắn, khoảng cách của các nguyên

tử nhỏ khiến tương tác của chúng đủ mạnh Vì vậy các mức vỏ điện tử ngoài bị tách ra và tạo thành những vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bên ngoài gọi là vùng hóa trị chứa đầy các electron liên kết Vùng năng lượng cao chứa các electron di chuyển tự do gọi là vùng dẫn Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm với bề rộng năng lượng cỡ một vài eV nơi các electron không có chỗ trong đó nếu tinh thể hoàn toàn tinh khiết

Hình 1.1: Sơ đồ vùng năng lượng của chất

nhấp nháy vô cơ.

Quá trình kích thích tinh thể xảy ra khi tinh thể nhận năng lượng từ bức xạ bên ngoài, electron từ vùng hóa trị sẽ nhảy qua vùng cấm lên vùng dẫn Chúng

để lại những vị trí tự do có tính chất của hạt tích điện dương được gọi là lỗ trống Trong khoảng thời gian ngắn, các electron sẽ chuyển ngược lại từ vùng dẫn về vùng hóa trị và tái hợp với các lỗ trống Sự chuyển rời này phát ra photon

có năng lượng nằm trong vùng cấm Như vậy các photon này có mức năng lượng khá cao nằm ngoài vùng nhìn thấy Hơn nữa, tinh thể hoàn toàn tinh khiết

sẽ có mức năng lượng tối thiểu cần thiết tạo ra cặp electron-lỗ trống gần bằng năng lượng giải phóng ra khi chúng tái hơp Việc này đồng nghĩa với phổ photon phát gần trùng với phổ hấp thụ, tức là các photon được sinh ra lại bị chính tinh thể hấp thụ trở lại và không thể thoát ra ngoài

Như vậy để đo đạc được người ta phải thêm vào tinh thể các tạp chất kích hoạt để nâng cao xác xuất phát photon trong vùng nhìn thấy của tinh thể Trong trường hợp này, tinh thể có những nguyên tử tạp chất làm cho vùng cấm xuất hiện những mức năng lượng rời rạc Sau khi quá trình kích thích tinh thể xảy

ra, các electron sẽ không đi một mạch về vùng hóa trị mà sẽ qua các mức năng lượng rời rạc trong vùng cấm Chính điều này sẽ tạo ra các photon có năng lượng thấp hơn và trong vùng nhìn thấy Hơn nữa phổ năng lượng của photon phát xạ đã không còn trùng với phổ hấp thụ nữa nên xác xuất photon bị hấp thụ bên trong tinh thể giảm đi rõ rệt Vậy kết quả của việc thêm các tạp chất kích hoạt làm lượng suất ánh sáng của tinh thể lớn hơn nhiều so với trường hợp tinh thể hoàn toàn tinh khiết

1.2.2 Chất nhấp nháy CsI(Tl)

Khi nhắc đến chất nhấp nháy vô cơ, tinh thể NaI(Tl) được biết đến nhiều nhất và được coi là thước ngắm cho các chất nhấp nháy khác vì có hiệu suất

biến đổi lớn nhất Chúng rất phù hợp khi được ghép nối với ống nhân quang điện trong đo đạc Tuy nhiên trong ứng dụng ghép nối với photodiode thì tinh thể CsI lại có những ưu điểm trội hơn do có đỉnh phổ phát xạ photon ở bước sóng dài hơn

Cesium là chất nằm ở chu kỳ 6, thuộc nhóm IA trong bảng hệ thống tuần hoàn Dễ thấy nó có số khối lớn hơn nên phù hợp với đo Gamma năng lượng cao Dưới đây là một số thông số của tinh thể nhấp nháy CsI(Tl)

Bước sóng các xác xuất phát xạ lớn nhất 550 nm

Hiệu suất biến đổi so với NaI(Tl) với γ 45 %

Bảng 1.2: Một vài thông số của tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) hãng

Saint-Gobain

1.3 Tổng quan về PIN Photodiode

PIN Photodiode là một loại diode bán dẫn có thể ghi nhận những chớp sáng Chức năng chính của chúng là biến đổi năng lượng từ các chớp sáng thành tín hiệu xung điện có thể ghi nhận được để đo đạc

1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của PIN Photodiode

PIN Photodiode có cấu tạo tương tự như diode bán dẫn thông thường ngoại trừ có phần bề mặt dùng để tiếp xúc cho phép ánh sáng tiếp xúc với phần nhạy của thiết bị Nhược điểm của photodidode là có bề dày vùng nhạy nhỏ, để khắc phục vấn đề này người ta dùng phương pháp bù trừ: đưa thêm chất cho như Li vào bán dẫn Si loại p (chứa chất nhận) Kết quả tạo ra miền i gần như không có hạt dẫn

Hình 1.2: Một số loại PIN Photodiode thông dụng

Bên trái là BPW34, bên phải là S11499

Nguyên lý hoạt động của PIN photodiode như sau:

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do nên khi ghép với khối bán dẫn N chứa các điện tử tự do thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm trong khi khối N tích điện dương

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối

N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian

kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.7V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo

Dưới tác dụng của bức xạ, các hạt tải điện sẽ được sinh ra trong vùng nghèo sau đó chúng sẽ đi về hai cực do tác dụng của điện trường Từ đây, người ta có

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của PIN Photodiode

thể thu được tín hiệu ghi nhận sự thay đổi về hiệu điện thế giữa hai cực của photodiode

Chế độ làm việc của Photodiode:

1 Photodiode quang điện (Photovoltaic mode) làm việc không đặt thiên áp (bias), dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và có thể dùng làm nguồn cấp điện như các pin mặt trời Trong đo đạc người ta có thể đo hở mạch hoặc

đo ngắn mạch Ưu điểm của chế độ là ít nhiễu nhưng bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ Ứng dụng đo cường độ của bức xạ

2 Photodiode quang dẫn (Photoconductive mode) làm việc có đặt thiên áp ngược Thiên áp ngược làm mở rộng vùng nghèo, tăng dòng dò, tăng tiếng

ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng không tác động đến dòng quang điện Đối với một vùng phổ ánh sánh nhất định, dòng quang điện tỷ lệ tuyến tính với độ rọi, và có đặc trưng đáp ứng nhanh hơn chế độ quang điện Do tính chất này chúng được ứng dụng trong các trường hợp cần phải đo phổ của bức xạ

1.3.2 Các đặc tính của PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08

Si PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08 là photodiode có điện dung thấp, đáp ứng thời gian nhanh, ổn định và có độ phân giải năng lượng tốt Được ứng dụng trong thực tế làm các hệ đo nhấp nháy phù hợp với các tinh thể BGO và CsI(Tl) Vì vậy đề tài lựa chọn photodiode này để ghép nối với tinh thể CsI(Tl)

Bảng 1.0-2: Một vài thông số kỹ thuật của Si PIN Photodiode S3590-08

Ngoài ra các thông số quan trọng khác được biểu thị qua các đồ thị sau:

Hình 1.3: Si PIN Photodiode S3590-08 của hãng Hamamatsu

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của điện dung của photodiode

vào điện áp phân cực ngược.

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của dòng rò của photodiode

vào điện áp phân cực ngược.

Nhận xét: Qua ba đồ thị ta có thể thấy S3590-08 nếu sử dụng với điện áp

ngược nhỏ cỡ 12V thì có dòng rò cỡ 1nA, điện dung cỡ vài chục pico Fara, điều này cho thấy tín hiệu ra là tương đối tốt Hơn nữa vùng bước sóng có độ nhạy ánh sáng cao phù hợp với bước sóng có xác xuất phát ra lớn nhất của tinh thể CsI(Tl) là 550nm

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất quang

điện vào bước sóng ánh sáng.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ ĐO GAMMA DỰA TRÊN PIN PHOTODIODE

VÀ TINH THỂ NHẤP NHÁY

2.1 Sơ đồ khối của hệ đo.

Nguyên lý hoạt động của hệ đo như sau:

Photon được sinh ra khi tia phóng xạ đi vào tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) sẽ được hấp thụ bởi PIN photodiode Tại đây sẽ xảy ra hiệu ứng quang điện và cho tín hiệu ra tại Cathode của PIN photodiode Tín hiệu lúc này rất nhỏ và trở kháng ra lớn nên được đi qua bộ tiền khuếch đại để phối hợp trở kháng Sau đó chúng được khuếch đại về biên độ và tạo dạng Gauss Cuối cùng sẽ được cho qua bộ tạo xung vuông để đếm bằng vi điều khiển và hiển thị kết quả trên màn hình LCD 16x2

Như vậy để hiện thực được nguyên lý trên chúng ta cần có 4 khối như sau:

1 Khối tinh thể nhấp nháy, PIN photodiode

2 Khối tiền khuếch đại

3 Khối khuếch đại và tạo dạng xung

4 Khối đếm xung

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ Gamma sử dụng tinh thể nhấp

nháy và PIN photodiode

2.2 Khối tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode

 Chức năng

Khối tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode có chức năng biến đổi năng lượng của tia phóng xạ tới thành tín hiệu điện Cụ thể, tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) sẽ hấp thụ năng lượng của tia bức xạ tới và biến đổi chúng thành các chớp sáng trong vùng năng lượng nhìn thấy Các chớp sáng này được PIN photodiode hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện

 Kết nối thực tế

Tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) được đặt khít vào vùng nhạy của PIN photodiode S3590-08 Mặt tiếp giáp giữa tinh thể và photodiode được bôi một lớp keo dẫn quang mỏng Cuối cùng cả khối được bọc cố định bằng băng dính đen

Hình 2.3: Minh hoạ ghép nối

giữa tinh thể nhấp nháy và

photodiode

Hình 2.2: Kết nối thực tế của PIN photodiode S3590-08

PIN photodiode S3590-08 được mắc theo chế độ quang dẫn với điện áp phân cực ngược là 12V Ngoài ra photodiode được lắp nối tiếp với điện trở 10Mohm

 Diễn giải kết nối

Để thu được tối đa các photon được phát ra bởi tinh thể nhấp nháy đòi hỏi việc ghép nối photodiode phải có diện tích vùng hoạt lớn hơn hoặc bằng mặt tiếp xúc giữa tinh thể và photodiode Không những vậy, mặt tiếp xúc giữa tinh thể và photodiode còn được bôi thêm một lớp keo dẫn quang tốt và có chiết suất phù hợp để tránh các photon bị khúc xạ ra ngoài Trên thực tế Si PIN photodiode S3590-08 có vùng hoạt rộng 10x10mm ta lựa chọn ghép nối với tinh thể CsI(Tl) 10x10x10mm là hoàn toàn phù hợp cho toàn bộ ánh sánh đi ra

từ tinh thể được hấp thụ tối đa vào vùng nhạy của PIN photodiode

PIN photodiode S3590-08 được lắp với Anode nối xuống đất (GND) còn Cathode được mắc treo lên nguồn với trở R6 = 10 Mohm Khi không có ánh sáng đi vào cùng nhạy của photodiode, nó sẽ ở trạng thái đóng với điện trở vô cùng lớn được coi như hở mạch Khi có ánh sáng tử tinh thể nhấp nháy đi vào vùng nhạy, hiện tượng quang điện sẽ sinh ra cặp electron-lỗ trống trong vùng nghèo Dưới tác dụng của điện trường sinh ra bởi điện áp phân cực ngược làm các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dòng điện Điều này sinh ra sụt thế trên cathode của photodiode, đây chính là tín hiệu cần ghi nhận Sử dụng tụ nối tầng C6 = 0.01 uF để ngăn áp phân cực ngược 12V tràn sang tầng tiền khuếch đại nhưng vẫn đảm bảo truyền được tín hiệu sang khối tiền khuếch đại Ngoài ra trở R4 và C1 được sử dụng

để giảm tối đa nhiễu từ nguồn DC 12V vào khối tinh thể nhấp nháy và photodiode

2.3 Khối tiền khuếch đại

 Chức năng

Khi tín hiệu ra từ photodiode vào khối tiền khuếch đại, chúng sẽ được biến đổi từ trở kháng lớn về tín hiệu ra có trở kháng nhỏ, khuếch đại về biên độ tín hiệu và đảm bảo tối ưu tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N

 Kết nối thực tế

Mạch tiền khuếch đại được mắc theo kiểu tiền khuếch đại nhạy điện tích sử dụng khuếch đại thuật toán Max4477 của Maxim Hằng số thời gian là:

𝑡1 = 𝑅1𝐶2 = 4,7.10 −12 10 10 6 = 47𝜇𝑠

 Diễn giải kết nối

Trong quan niệm về khuếch đại xung điện, người ta chia bộ khuếch đại thành 2 phần: tiền khuếch đại và khuếch đại cơ bản

Tín hiệu ra của detector chủ yếu là xung dòng hoặc xung điện áp có trở kháng ra rất lớn Điều này gây khó khăn cho các bộ khuếch đại cơ bản có hệ số

Hình 2.4: Sơ đồ bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích

khuếch đại lớn Vì vậy cần phải có một khối đệm, có hệ số khuếch đại nhỏ hơn nhưng có thể biến đổi xung dòng thành xung áp hoặc phối hợp trở kháng giữa tín hiệu ra của detector và khối khuếch đại cơ bản Đây chính là lý do cần thiết phải có bộ tiền khuếch đại

Để giảm điện dung kí sinh, nâng cao biên độ xung tín hiệu và tỷ lệ S/N các khối tiền khuếch đại được đặt ở vị trí đầu tiên và ngay cạnh detector

Theo đặc điểm của từng mạch tiền khuếch đại, ta chia làm 3 loại sau:

- Tiền khuếch đại nhạy dòng được dùng cho các tín hiệu có trở kháng thấp nên ít được sử dụng trong khuếch đại các tín hiệu có trở kháng cao

- Tiền khuếch đại nhạy điện thế dùng trong các trường hợp có tín hiệu đủ lớn như ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ, ống đếm G-M Tuy nhiên nhược điểm của loại này là không ổn định về điện dung của detector trong thời gian hoạt động

- Tiền khuếch đại nhạy điện tích được sử dụng trong các trường hợp tín hiệu ra nhỏ, trở kháng cao và quan trọng là khắc phục được nhược điểm của tiền khuếch đại nhạy điện thế là cho tín hiệu ra không phụ thuộc vào điện dung của detector

Như vậy việc lựa chọn tiền khuếch đại nhạy điện tích là phù hợp nhất với khuếch đại tín hiệu từ photodiode

Nguyên lý làm việc của mạch như sau:

Với Q là tổng điện tích được detector sinh ra được bơm vào 𝐶𝑓và 𝑅𝑓 Với

Biến đổi Laplace ta có 𝒗𝟏(𝒕) = 𝑸

𝑪𝒇 𝒆−

𝒕 𝑹𝒇𝑪𝒇

Ta thấy tín hiệu ra không phụ thuộc vào điện dung của detector và có thời

gian suy giảm 𝒕𝟏 = 𝑹𝒇𝑪𝒇

Xung tín hiệu ra có dạng như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch tiền

khuếch đại nhạy điện tích.

Hình 2.6: Minh họa dạng xung tín hiệu sau khi qua bộ tiền

khuếch đại nhạy điện tích

2.4 Khối khuếch đại và hình thành xung

 Chức năng

Tín hiệu sau khi qua tiền khuếch đại là xung điện áp có trở kháng ra nhỏ Tuy nhiên biên độ tín hiệu còn nhỏ và dạng xung sườn trước dốc, đỉnh nhọn và đuôi sườn sau dài Sườn sau của xung dài gây ra hiện tượng chồng chập xung cho kết quả sai lệch về biên độ Đỉnh xung còn nhọn gây khó khăn cho mạch biến đổi ADC và không đảm bảo tỷ lệ S/N tốt Các xung này cần được làm ngắn sườn sau, bớt nhọn đỉnh và tăng về biên độ Đây là chức năng chính của khối khuếch đại và hình thành xung

 Kết nối thực tế

 Diễn giải kết nối

Việc tạo dạng xung được thực hiện bằng việc kết hợp mạch vi phân CR để làm ngắn sườn sau của xung, mạch tích phân RC để cong sườn trước của xung

Hệ số khuếch đại K = - R2/R1 = - 10/1 = - 10 lần Dấu " - " thể hiện tín hiệu

ra được đảo chiều so với tín hiệu vào

Tương tự với các opam 2A và 2B ta đều có hệ số khuếch đại bằng 10 Hằng

số thời gian của mạch vi phân và tích phân lần lượt là 𝑡3 = 10𝜇𝑠 và 𝑡4 = 1𝜇𝑠 Thông số thời gian này được lựa chọn áng chừng với hình dạng của xung ra của tầng cuối cùng trên dao động ký mà chưa có điều kiện đo đạc và kiểm nghiệm qua từng khối Như vậy sau khi khuếch đại và tạo dạng, xung ra được khuếch đại về biên độ khoảng 1000 lần

Ngoài ra toàn bộ khối điện tử tương tự bao gồm khối tiền khuếch đại, khối khuếch đại và hình thành xung, khối tinh thể nhấp nháy và photodode được bọc kim chống nhiễu để đảm bảo tín hiệu Đặc biệt khối tiền khuếch đại, khối tinh thể nhấp nháy và photodode rất nhạy với ánh sáng và sóng điện từ bên ngoài

IC khuếch đại thuật toán được sử dụng là MAX4477 của hãng Maxim Integrated Đây là IC khuếch đại thuật toán có độ nhiễu thấp, dải thông lớn phù hợp cho mạch khuếch đại cho chất lượng tốt phù hợp với tầm giá rẻ Một vài thông số nổi bật của IC như sau:

2.5 Khối đếm xung

Khối đếm xung có chức năng đếm số lượng xung tín hiệu được tạo ra bởi khối khuếch đại và hình thành xung trong khoảng thời gian nhất định có thể đặt trước

Để thực hiện được việc này, khối đếm xung gồm ba mục hỗ trợ sau bao gồm: mạch tạo xung logic; mạch vi điều khiển và màn hình LCD

2.5.1 Mạch tạo xung logic

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối đếm xung và thu tín hiệu S3590-08

Hình 2.9: Mạch tạo xung logic sử dụng Max987