Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình Geant4

Và CdTe được coi là một trong những chất bán dẫn nổi bật được áp dụng nhiều trong lĩnh vực hình ảnh y khoa vì hiệu suất và độ nhạy cao với vùng năng lượng rộng và độ phân giải năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

1 I p a g e

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lý Anh Tú

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

2 I p a g e

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT BỨC XẠ GAMMA CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN CdTe BẰNG CHƯONG TRÌNH GEANT4

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tổng quan về tương tác giữa tia gamma với vật chất, đầu dò

- Tổng quan về chất bán dẫn CdTe, cấu tạo đầu dò bán dẫn CdTe, các đặc tính về hiệu suất của đầu dò bán dẫn CdTe

- Tổng quan về mô phỏng, phương pháp Monte carlo, chương trình mô phỏng Geant4

- Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò bán dẫn CdTe

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20-08-2018

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-12-2018

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lý Anh Tú

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

3 I p a g e

LỜI CẢM ƠN

Được sự cho phép và chỉ đạo của Khoa Khoa Học ứng Dụng, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh và sự phân công, hướng dẫn cũng như hỗ trợ của Thầy giáo hướng dẫn TS Lý Anh Tú tôi đã thực hiện đề tài “Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4”

Để hoàn thành được đề tài này tôi đã được hỗ trợ giúp đỡ rất nhiều từ thầy Lý Anh Tú cũng như động viên từ bạn bè, người thân và các thầy cô giáo khác Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

và rèn luyện ở Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn TS Lý Anh Tú đã tận tình, chu đáo hướng dẫn tôi thực hiện khóa luận này

Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Song cũng không thể tránh khỏi những sai sót trong lúc nghiên cứu và thực hiện đề tài mà bản thân chưa thấy được

Tôi rất mong được sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo để khóa luận được hoàn chỉnh hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

4 I p a g e

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài “Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4” là đề tài mô phỏng và nghiên cứu đường cong hiệu suất cũng như những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò bán dẫn CdTe Quá trình

mô phỏng sẽ sử dụng chương trình Geant4 (GEometry ANd Tracking) của CERN với ngôn ngữ lập trình là C++ và phương pháp mô phỏng là Monte Carlo Hiện nay để đảm bảo về

an toàn bức xạ cũng như tiết kiệm chi phí, giảm thiểu thời gian thiết kế, hoặc nghiên cứu những tính chất mới, tất cả đều phải thông qua mô phỏng rồi đi đến sản xuất thực tế, đó là

ý nghĩa của việc mô phỏng Đề tài đi vào cách thực hiện một chương trình mô phỏng bằng Geant4, khảo sát và so sánh các kết quả đạt được với thực tế cũng như đánh giá được những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đầu dò CdTe

ABSTRACT

The master thesis “Simulate and exhausetive the gamma radiation efficiency curve of the CdTe semiconductor detector using the GEANT4 program” is the subject of simulation and study of performance curve as well as factors influencing the efficiency of the CdTe semiconductor detector The simulation will use CERN's program-Geant4 (Geometry ANd Tracking) with the c ++ programming language and the Monte Carlo simulation method

At present, to ensure radiation safety as well as cost savings, minimize design time, or study new properties, almost the producer must go through simulation before actual production, this is the meaning of the simulation The topic goes into how to implement a Geant4 simulation program, examining and comparing the results obtained with reality as well as assessing the factors that affect the efficiency of the CdTe semiconductor detector

5 I p a g e

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi cam đoan luận văn “Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4 ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Kết quả, số liệu đạt được trong luận văn không sao chép lại của người khác Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

Tác giả luận văn Trần Thị Ánh Minh

6 I p a g e

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN 4

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

CHUƠNG 1: MỞ ĐẦU 10

CHUƠNG 2: PHUƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 13

2.1 Nhiệm vụ của đề tài 13

2.2 Hướng giải quyết các yêu cầu chức năng 13

2.3 Tham khảo vào thu thập tài liệu 13

2.4 Thực hiện đề tài 14

CHUƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

3.1 Lý thuyết tương tác gamma với vật chất 15

3.2 Đầu dò bán dẫn và đặc điểm của đầu dò bán dẫn 19

3.3 Hiệu suất của đầu dò bán dẫn 26

3.4 Chất bán dẫn CdTe, cấu tạo đầu dò bán dẫn CdTe 33

3.5 Sơ lượt về đầu dò XR100-CdTe của Ampek 34

CHUƠNG 4: PHẦN MỀM GEANT4 VÀ PHUƠNG PHÁP MONTE CARLO 42

4.1 Tổng quan về mô phỏng 42

4.2 Phương pháp Monte carlo 42

4.3 Chương trình mô phỏng Geant4 44

CHUƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐUỜNG CONG HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ CdTe 51

5.1 Xây đựng hệ mô phỏng 51

5.2 Tiến hành mô phỏng theo từng mục tiêu và thu thập kết quả 59

KẾT LUẬN CHUNG 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

7 I p a g e

PHỤ LỤC CODE 80

8 I p a g e

DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Hiệu suất đầu dò CdTe ỉmm theo năng lượng 73 Bảng 5.2 Hiệu suất đầu dò của đầu dò CdTe lmm theo khoảng cách 75

Bảng 5.4 So sánh hiệu suất của đầu dò bán dẫn CdTe và Si 83 Bảng 5.5 Bảng so sánh hiệu suất của đầu dò bán dẫn CdTe, CdTe có lớp 85 tiếp xúc

Be và CdTe có lớp tiếp xúc Al

18 Hình 3.3 Quá trình tạo cặp

Hĩnh 3.6 Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tứ diện và đối xứng lập 34 phương (a) và cấu trúc vùng Brillouin(b)

Hĩnh 3.11 Bảng vẽ 3D và một số thông số kích thước của XR-100CdTe 38

Hĩnh 3.13 Sơ đồ so sánh hiệu suất giữa đầu dỏ 500um SI, đầu dò 1000 um 39 CdTe và đầu

Với tốc độ phát triển nhu ngày này, đặc biệt trong lĩnh vực vi mạch bán dẫn, đã có những

vi mạch bán dẫn với kích thuớc cục kì nhỏ nhung có thể làm việc với các chức năng nhu một máy tính, công nghệ bán dẫn đang phát triển với kích thuớc từ 45nm xuống còn 7nm

và sắp tới là 5nm Nếu ngành y học chú tâm nghiên cứu sâu hơn về tính chất của các bán dẫn, trong tương lai có thể tích hợp hoàn toàn các đầu dò vào các vi mạch bán dẫn, từ đó

11 I p a g

e

có thể cho ra nhiều thiết bị đo luờng có kích thuớc cục kì nhỏ nhung lại có độ chính xác rất cao, sẽ thay thế những cỗ máy cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng và khó vận chuyển Những chất bán dẫn thường được sử dụng trong đầu dò thực tế là Si, Ge, CdTe, HpGe, GaAs,

Tuỳ vào tính chất, hiệu suất của từng chất bán dẫn mà chất đó sẽ được chế tạo thành đầu

đò áp dụng cho từng lĩnh vực riêng Trong y học, thì lĩnh vực hình ảnh y khoa rất cần thiết cho việc chuẩn đoán và khảo sát Một trong những mục tiêu ban đầu của hình ảnh y khoa

là đạt hiệu quả phát hiện cao với việc duy trì độ phân giải năng lượng phù hợp Và CdTe được coi là một trong những chất bán dẫn nổi bật được áp dụng nhiều trong lĩnh vực hình ảnh y khoa vì hiệu suất và độ nhạy cao với vùng năng lượng rộng và độ phân giải năng lượng cao Do đó trong đề tài này, từ những vấn đề đặt ra và những kiến thức nghiên cứu được, tôi chọn đề tài “Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất bức xạ gamma của đầu

dò bán dẫn CdTe bằng chương trình GEANT4” Mục đích để mô phỏng và khảo sát, so sánh, kiểm chứng kết quả so với thực tế để đánh giá được đường cong hiệu suất của đầu dò CdTe cũng như xây dựng một hệ mô phỏng để có thể mở rộng nghiên cứu tính chất của các chất bán dẫn và hệ detector (đầu dò bán dẫn)

12 I p a g

e

Nội dung luận văn gồm 3 phần chính:

1 Phương pháp thực hiện đề tài: Được trình bày trong chương II, nội dung trình bày các vấn đề liên quan đến đề tài đã được lựa chọn: mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài, hướng giải quyết các yêu cầu chức năng, tài liệu cần nghiên cứu, phần mềm mô phỏng và các phần mềm cần thiết khác

2 Cơ sở lý thuyết: Được trình bày trong chương III, chương IV Trình bày nội dung lý thuyết có liên quan đến đề tài đã tham khảo và nghiên cứu được từ các thư viện tin cậy

3 Thực hiện mô phỏng và thu thập kết quả: Được trình bày trong chương V Nội dung cụ thể như sau:

+ Thành lập sơ đồ mô phỏng

+ Mô phỏng hệ vật lý của detector và môi trường, hệ thu phát

+ Thiết lập nguồn phát gamma

+ Thiết lập giá trị ban đầu

+ Thực hiện chạy chương trình và thu thập kết quả

Bố cục luận văn bao gồm Mở đầu, Phương pháp thực hiện đề tài, Cơ sở lý thuyết, Phần mềm Geant4 và phương pháp Monte Carlo, Mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò CdTe, Tóm tắt kết quả đạt được, hạn chế và hướng khắc phục của đề tài

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỤC HIỆN ĐỀ TÀI 2.1 Nhiệm vụ của đề tài

Những nhiệm vụ chính đặt ra cho đề tài là:

- Tổng hợp, chọn lọc và nắm vững các vấn đề về đầu dò bán dẫn, vấn đề về mô phỏng vật lý hạt nhân bằng chương trình Geant4

- Nghiên cứu, nắm rõ các đặc tính của đầu dò bán dẫn CdTe

- Xây dựng hệ mô phỏng để mô phỏng và khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò CdTe

13 I p a g

e

2.2 Hướng giải quyết các yêu cầu chức năng

- Các vấn đề đầu dò, chất bán dẫn CdTe được tìm hiểu kĩ qua các nguồn tài liệu tin cậy

từ internet, các bài báo nghiên cứu chuyên ngành của trong và ngoài nước,

- Xây dựng môi trường mô phỏng bằng ngôn ngữ C++ để lập trình cho Geant4

- Sử dụng thông tin của đầu dò XRlOO-CdTe của Ampek để đánh giá kết quả mô phỏng

2.3 Tham khảo vào thu thập tài liệu

Với yêu cầu đề tài đặt ra, học viên đã tìm hiểu nhiều tài liệu từ internet, sách tham khảo, luận văn của anh chị khóa trên, Đó là các tài liệu về những vấn đề:

- Ngôn ngữ C++, cài đặt Visual studio C++ và cách lập trình C++

- Phần mềm Geant4, các bộ thư viện của Geant4, cách lập trình và cấu trúc của một chương trình Geant4

- Phần mềm CMake, cách sử dụng CMake để build một chương trình Geant4

- Các bài viết về chất bán dẫn CdTe, tính chất, thông số, ứng dụng

14 I Page

- Sử dụng các từ khoá: “Visual studio C++”, “build a geant4 program”, “CdTe detector”,

“principle of CdTe detector”, “C++ tutorial”, “Geant 4 program structure”, để tìm kiếm trên internet

2.4 Thực hiện đề tài

- Tìm hiểu về các vấn đề lý thuyết liên quan đến đầu dò bán dẫn và ứng dụng, các phản ứng, đặc tính của đầu dò bán dẫn, tính chất của chất bán dẫn Tổng kết và liệt kê các lý thuyết liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu về CdTe thông qua các tài liệu để nắm các thông số, các đặc tính, uu nhuợc điểm và ứng dụng của CdTe

- Tìm hiểu về chuơng trình Geant4, cách cài đặt, các xây dụng một chuơng trình Geant4, cấu trúc của chuơng trình Geant4, các bộ thu viện và các yêu cầu cần thiết khi bắt tay vào thục hiện mô phỏng bằng Geant4 Cài đặt và chạy thủ các ví dụ có sẵn trong chuơng trình Geant4

- Tìm hiểu về ngôn ngữ C++, các câu lệnh và cấu trúc lập trình của ngôn ngữ C++ Thục hành lập trình cho Geant4 bằng ngôn ngữ C++

- Cài đặt và build một chuơng trình Geant4 bằng CMake

- Nghiên cứu và thục hiện chuomg trình ROOT để truy xuất kết quả từ chuomg trình Geant4

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lý thuyết tương tác gamma vó’i vật chất

Tia Gamma là loại bức xạ điện từ có tần số cực cao, gamma là hạt không mang điện nên không bị ảnh hưởng bởi trường lực Coulumb Do vậy tia gamma có khả năng đi sâu vào vật chất tương tác với hạt nhân, electron hay nguyên tử nói chung và suy giảm năng lượng

Khi đi xuyên qua vật chất, tia gamma sẽ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác

3.1.1 Quá trình hấp thụ quang điện

Quá trình hấp thụ quang điện là quá trình mà một photon tương tác và bị hấp thụ hoàn toàn năng lượng bởi electron ở lớp ngoài nguyên tử Electron thoát ra khỏi nguyên tử với năng lượng Ee xấp xỉ bằng:

Ee = Ey - Eb

Trong đó Ey là năng lượng tia gamma tới, Eb là năng lượng liên kết của electron Ngoài

ra, một phần nhỏ năng lượng được truyền cho nguyên tử, năng lượng này không được tính đến trong phương trình trên Do định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, hiện tượng hấp thụ quang điện không xảy ra với electron tự do Electron phát ra để lại lỗ trống

ở lớp vỏ nguyên tử Các electron các lớp khác sẽ chuyển về lấp đầy lỗ trống làm phát tia

X và electron Auger Nếu hiện tuợng này diễn ra trong một khối vật chất thì những tia X phát ra sẽ bị hấp thụ ở vật liệu phía ngoài Do đó, trong hầu hết các truờng hợp có thể xem như toàn bộ năng lượng của photon bị hấp thụ trong vật liệu xung quanh khu vực tương tác Tiết diện tương tác phụ thuộc số z của vật liệu và năng lượng của photon Một cách gần đúng có thể mô tả tiết diện theo công thức:

T = constZ4"E”3

16 I p a g e

Hình 3.1 Quả trình hẩp thụ quang điện

Sự phụ thuộc mạnh vào z cho thấy rằng vật liệu z cao có tác dụng rất lớn trong hấp thụ và che chắn photon Sự suy giảm mạnh theo năng lượng photon là lí do vì sao tương tác này lại chiếm ưu thế ở năng lượng thấp nhưng lại có thể bỏ qua ở năng lượng cao

3.1.2 Tán xạ Compton

Quá trình tán xạ Compton là quá trình mà photon truyền một phần năng lượng cho electron, phần năng lượng còn lại sẽ do photon thứ cấp mang đi Mối liên hệ giữa năng lượng và góc tán xạ được minh họa trong hình bên dưới, trong đó E là năng lượng của photon tới, E’ và

Ee là năng lượng của photon sau tán xạ và của electron, hệ so a = E/moC2, với moC2 là năng lượng tương ứng với khối lượng nghỉ của electron Giá trị năng lượng của photon thứ cấp:

E’= E/[l + ư(l - cosớ)]

Năng lượng của electron sau tán xạ:

Ec = E{1-1/[1 + a(l - cosỡ)]}

Mối liên hệ giữa các góc tán xạ:

tan ộ = l/[ 1 + a.tan(ỡ/2)]

Đối với các gốc tán xạ rất nhỏ, năng lượng electron gần như bằng 0, khi đó photon thứ cấp có năng lượng gần bằng với năng lượng của photon ban đầu đối với gốc tán xạ bằng 180°, photon thứ cấp có năng lượng lớn nhất và bằng E/(l 4- 2à)

Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào z và E được tính gần đúng theo công thức:

ơ = constZ.E 1

hv 0 = 2m e c 2 + T e+ + T e _ + TA

18 I p a g e

oElectron

Hình 3.3 Quả trình tạo cặp

Với T e + ,T e-,T A lần lượt là động năng của positron, electron và nguyên tử giật lùi Các

electron và positron được tạo ra sẽ mau chóng được làm chậm trong môi trường Sau khi mất hết động năng, positron sẽ kết hợp với một electron tạo ra sự hủy cặp, quá trình này tạo ra hai tia gamma với cùng năng lượng 0,51 lMeV

Tiết diện của quá trình tạo cặp ơp tỉ lệ với bình phương nguyên tử số:

ơ p oc z 2

3.1.4 Tán xạ Rayleigh

Tán xạ Rayleigh là quá trình mà photon bị tán xạ lên các electron liên kết của nguyên tử

mà không gây nên sự ion hóa hay kích thích nguyên tử, năng lượng của gamma không thay đổi sau khi xảy ra tán xạ mà chỉ bị lệch pha được minh họa như hình bên dưới Tán xạ này chủ yếu diễn ra ở vùng năng lượng thấp và vật chất có so z lớn

19 I p a g e

Ngoài tán xạ Rayleigh còn có tán xạ Thomson làm thay đổi hướng của photon mà không làm mất năng lượng Tán xạ Rayleigh xảy ra với electron lớp ngoài và tán xạ Thomson xảy

ra với các electron tự do Hai tán xạ này thường bị bỏ qua trong rất nhiều trường hợp

3.2 Đầu dò bán dẫn và đặc điểm của đầu dò bán dẫn

3.2.1 Giói thiệu về đầu dò bán dẫn

Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic Thông thường Gecmani và Silic được dùng làm chất chính, còn các chất như Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho các vật liệu bán dẫn chính Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm tạp chất

Chất bán dẫn về cơ bản có 2 loại là bán dẫn tinh khiết hay còn gọi là bán dẫn đơn chất như

là Si, Ge, và bán dẫn hợp chất như GaAs, CdTe, ZnS, nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua, và một số chất polime

Điện trở suất p của chất bán dẫn nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện

môi

20 I p a g e

b Đầu dò bán dẫn

Đầu dò bán dẫn là đầu dò sử dụng khối chất bán dẫn để phát hiện bức xạ ion hóa như các hạt tích điện hay photon xâm nhập vào khối dò, và chuyển nó thành tín hiệu điện tử để có thể xử lý bằng mạch điện tử tương ứng

Đầu dò bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong các máy dò và máy đo lường cường độ bức

xạ hạt tích điện, tia X, tia gamma, trong các nghiên cứu khoa học và trong an toàn bức

xạ

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của đầu dò bán dẫn

Khi lượng tử gamma tương tác với chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống Như vậy, thông qua các hiệu ứng tương tác, các điện tích (bao gồm electron và lỗ trống) được tạo ra và được điện trường quét về hai cực p và N tương ứng Điện tích này tỉ lệ với năng lượng tia tới để lại trong đầu dò và được biến đổi thành xung điện bởi mạch tiền khuếch đại

Như vậy, năng lượng của tia gamma được đo bằng đầu dò bởi vì năng lượng của photon đã được chuyển sang cho các electron Các tia gamma năng lượng thấp có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện để tạo ra một electron đơn với hầu hết năng lượng của photon tới Đối với photon có năng lượng từ 100 keV đến dưới 1 MeV, hiệu ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi phải

có một hay nhiều hơn các tán xạ Compton và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện

Sự tạo thành cặp electron- positron đóng vai trò quan trọng ở mức năng lượng trên 2mec2 (1,022 MeV)

Hoạt động của đầu dò bán dẫn

Hoạt động của đầu dò bán dẫn bao gồm các bước sau đây:

- Chuyển năng lượng photon thành động năng của các electron (và positron) bằng hấp thụ

21 I p a g e

quang điện, tán xạ compton hoặc tạo cặp;

-Tạo các cặp ion-electron, electron-lỗ trống hoặc các phân tử bị kích thích bằng các electron này;

- Thu góp và đo các hạt mang điện hoặc ánh sáng phát ra khi các phân tử khử kích thích Trước khi xem xét các đầu dò khác nhau, ta cần chú ý đến các đặc điểm mà ta muốn so sánh Phổ photon phát ra từ một nguồn thường được tạo thành từ một số nhóm photon, mỗi nhóm có một năng lượng xác định Đầu dò sẽ đổi các vạch phổ thành một tố hợp các vạch

và các thành phần liên tục Các vạch quan sát được có thể được sử dụng để xác định năng lượng và cường độ của các photon ban đầu Khả năng tạo ra các đỉnh ứng với các photon đơn năng của đầu dò được đặc trưng bằng độ phân giải (FWHM) và hiệu suất đỉnh Độ phân giải là độ rộng tại nửa chiều cao của đỉnh, đơn vị tính bằng keV Hiệu suất đỉnh của đầu dò là tỉ lệ giữa số đếm thu được tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng photon (đỉnh năng lượng toàn phần) và số các photon ứng với năng lượng đó do nguồn phát ra Độ rộng và hiệu suất đỉnh là các hàm phụ thuộc năng lượng của photon

Trong quá trình đầu tiên, tỉ trọng của vật liệu, số nguyên tử và thể tích của đầu dò là quan trọng Nếu đầu dò làm bằng vật liệu có tỉ họng thấp, số z thấp và thể tích nhỏ thì xác suất

để một photon xảy ra tương tác với đầu dò sẽ thấp, do đó khả năng giữ lại toàn bộ năng lượng photon trong đầu dò sẽ thấp Một đầu dò như vậy chỉ có thể đo các photon năng lượng thấp Với các photon có năng lượng cao, các vạch đơn năng có thể bị mất và chỉ quan sát được một dải liên tục Vì thế, các đầu dò làm bằng vật liệu tỉ trọng thấp, số z thấp và thể tích nhỏ có thể dùng làm máy đếm số photon có mặt nhưng rất hạn chế trong đo phố năng lượng

Một ống đếm khí tiêu biểu là buồng ion hoá, nó gồm một thể tích khí và một điện trường đặt lên Thể tích khí thường có dạng hình trụ, đường kính khoảng 2 hoặc 3 cm, chất khí sử dụng có thể là mêtan hoặc hỗn hợp mêtan-agon Một điện cực là vỏ buồng và đầu kia là một dây kim loại nằm dọc theo hình trụ Các đầu dò này sử dụng vật liệu tỉ trọng thấp và

có độ dày vừa phải nên có hiệu suất thấp khi đo photon và xác suất hấp thụ hoàn toàn năng

Trong quá trình thứ hai, đại lượng quan trọng là có bao nhiêu cặp electron - lỗ trống hoặc các phân tử bị kích thích được tạo ra Sẽ có sự thăng giáng thống kê trong quá trình này Khả năng thu góp điện tích của các đầu dò bán dẫn tốt hơn thu góp ánh sáng từ tinh thể Nal(Tl) Điều đó có nghĩa độ rộng các vạch của bức xạ đơn năng đo được sẽ hẹp hơn Các ống đếm khí và các đầu dò chất bán dẫn có thể so sánh được trực tiếp với nhau, vì về bản chất các đầu dò bán dẫn có thể xem là các buồng ion hoá ở trạng thái rắn Sự khác nhau

cơ bản giữa ống đếm chứa khí và đầu dò bán dẫn là năng luợng trung bình để tạo ra một cặp mang điện Đối với ống đếm khí, giá trị này vào khoảng 30 eV và với đầu dò bán dẫn

là khoảng 3 eV Từ các giá trị này có thể thấy đỉnh phổ của các đầu dò bán dẫn sẽ có phân

bố hẹp (mở rộng chút ít do thăng giáng thống kê) Đầu dò Nal(Tl) không thể so sánh trực tiếp với ống đếm khí hay đầu dò bán dẫn vì hoạt động của nó dụa vào sụ thu góp ánh sáng (tới photocathod) nhiều hơn là vào sụ thu góp các hạt mang điện (tới các anode), năng luợng trung bình cần để tạo ra một photon vào khoảng 100 eV

Trong quá trình thứ ba, các đặc trung quan trọng trong thu góp và đo điện tích hoặc photon

sẽ phụ thuộc vào từng kiểu đặc trung của đầu dò và không thể mô tả chung trừ khi nói đến chất luợng của các vật liệu làm đầu dò

23 I p a g e

Một đặc điểm khác có thể so sánh đuợc giữa các loại đầu dò là tốc độ đếm bức xạ phông (tốc độ đếm tổng hoặc trong một vùng năng luợng) Ngoài còn cần phải so sánh chi phí của một hệ thống đầu dò và khả năng sử dụng của chúng Các đặc điểm này có thể quan trọng trong sử dụng, thiết kế hệ đo nhung sẽ không đuợc đề cập ở đây

3.2.3 Quá trình vật lý trong các đầu dò bán dẫn

Trong một đơn tinh thể bán dẫn nhu Silic hoặc Gecmani, các electron trong nguyên tủ phân

bố trên các mức năng luợng của nguyên tủ Khi không bị kích thích, các electron ở lớp ngoài nằm trong vùng hoá trị Các trạng thái kích thích cao hơn tiếp theo của electron sẽ nằm trong vùng dẫn Khoảng cách giữa hai vùng gọi là vùng trống

Vùng trống trong các tinh thể này có giá trị cỡ 1 eV Nếu không có sụ pha tạp, thì vùng trống sẽ không có trạng thái năng luợng đuợc phép (vùng cấm) Có thể chuyển một electron

từ vùng hoá trị sang vùng dẫn bằng cách truyền cho nó một năng luợng tối thiểu bằng với năng luợng của độ rộng vùng trống Trong vùng dẫn, electron di chuyển tụ do duới tác dụng của điện trường ngoài và có thể bị thu góp tại điện cực của đầu dò Những chỗ trống hoặc

lỗ trống trong vùng hoá trị tạo ra do các electron kích thích cũng có thể di chuyển cơ học theo hướng ngược với hướng của các electron Vì cơ chế di chuyển cơ

24 I Page

học của lỗ hống và electron là khác nhau nên tốc độ di chuyển của hai loại phần tử mang điện này trong tinh thể sẽ khác nhau Ở 77 K, tốc độ này khác nhau gần 2 lần đối với Si và khoảng 15% đối với Ge Cả electron và lỗ trống được thu góp tạo nên các xung điện Vì vậy dạng xung sẽ phản ánh sự chuyển động khác nhau của các phần tử tải điện

Khi một photon tương tác trong tinh thể, các electron hấp thụ năng lượng của photon (thông qua hiệu ứng quang điện hoặc tán xạ compton) bay ra khỏi nguyên tử Trong quá trình di chuyển, electron sẽ gây ion hoá và tạo thêm các electron thứ cấp khác Các quá trình nối tiếp này làm electron sơ cấp bị mất dần năng lượng, các cặp electron-lỗ trống được tạo ra

sẽ bị thu góp ở các điện cực Để thu góp các hạt mang điện, điện trường trong đầu dò cần

cỡ 1000V/cm Mỗi đầu dò sẽ có một giá trị cao áp làm việc do nhà sản xuất cung cấp Cao

áp này được chọn đủ thấp để giảm nhỏ xác suất đánh thủng do điện áp, nhưng cũng đủ cao

để thu góp tốt các hạt mang điện đảm bảo được dạng tốt của đỉnh

3.2.4 Đặc điểm của đầu dò bán dẫn

_ TA zy _ zy _ • 2 •

a Độ phân giải

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của đầu dò là độ phân giải năng lượng Trong nhiều ứng dụng thực tế, các detector thường được dùng để đo sự phân bố của các bức xạ theo năng lượng Sự phân bố này được gọi là hàm đáp ứng của detector đối với năng lượng Detector có độ phân giải càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau

b Tỉ số đỉnh/Compton (peak/Compton ratio)

Đầu dò với độ phân giải cho ta dạng chính xác của phần diện tích dưới đỉnh, tuy vậy phần đuôi ở phía năng lượng thấp có nhiều khác biệt, phần đuôi này có thể xuất hiện do: sự thu gom điện tích không hoàn toàn trong một số vùng đầu dò, ảnh hưởng của phông, hoặc do các electron thứ cấp và bức xạ hãm (bremsstrahlung) trong vùng thể tích hoạt động Vùng tán xạ Compton trên phổ xuất hiện khi năng lượng toàn phần của photon tới không được hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò và thoát ra khỏi đầu dò với chỉ có một phần năng

c Hiệu suất của đầu dò bán dẫn

Hiệu suất của đầu dò bán dẫn là đặc điểm quan trọng của đầu dò Chỉ số hiệu suất của từng loại đầu dò giúp chúng ta đưa ra quyết định sử dụng đầu dò đó trong môi trường nào, đo loại phóng xạ nào và đo như thế nào Chi tiết cụ thể về hiệu suất của đầu dò bán dẫn sẽ được mô tả ở phần 3.3

3.2.3 Các kiểu đầu dò

Thông thường đầu dò sẽ có dạng tấm phẳng Để tăng thể tích vùng hoạt và hiệu suất đo gamma ở năng lượng cao, các đầu dò đồng trục, đầu dò hình giếng đã được nghiên cứu chế tạo Để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng, các đầu dò vẫn đang được nghiên cứu chế tạo dưới các dạng hình học khác nhau

Trong đầu dò dạng phẳng, điện trường tương đối đồng đều trong các vùng nên khả năng thu góp điện tích tương đối tốt Tuy nhiên, sự suy giảm theo thời gian cũng có thể làm thay đổi khả năng thu góp các hạt mang điện tại các mép Đầu dò phẳng có thể được chế tạo với các độ dày khác nhau và điều này cho phép tối ưu các phép đo Nếu chỉ quan tâm đến các photon năng lượng thấp, ví dụ dưới 80 keV chỉ cần sử dụng một đầu dò mỏng để giảm nền phông từ các photon năng lượng cao Đầu dò dạng phẳng có điện dung lớn nếu có thể tích lớn, điều này làm tồi độ phân giải năng lượng nên để có đầu dò thể tích lớn, người ta chế tạo loại đồng trục

Trong các đầu dò thể tích lớn, đầu dò đồng trục có điện trường đồng dạng theo hướng của trục Sự đồng dạng này cho đặc trưng thời gian tốt hơn trong các phép đo trùng phùng Trong đầu dò, các bề mặt không phải là điện cực phải được chú ý cẩn thận Chúng có thể tạo ra dòng rò theo bề mặt làm ảnh hưởng đến đặc tính của đầu dò Cường độ của dòng phụ

26 I p a g e

thuộc vào việc xử lý bề mặt của tinh thể Một trong các ưu điểm của đầu dò đồng trục là làm giảm diện tích bề mặt

3.3 Hiệu suất của đầu dò bán dẫn

3.3.1 Kiểm tra hiệu suất

Các đầu dò bán dẫn mới sau khi lắp đặt phải được kiểm tra và so sánh với các đặc trưng do nhà sản xuất cung cấp Đối với đầu dò, ngoài các đặc điểm như hiệu suất, độ phân giải năng lượng còn có các đặc trưng về hình học như kích thước tinh thể và độ dày cửa sổ Khi so sánh đánh giá các đặc trưng của đầu dò cần lưu ý đến hệ thống điện tử được sử dụng để đánh giá các tham số khi xuất xưởng của nhà sản xuất Các phổ đánh giá cần được lưu trữ

để dễ dàng so sánh, đánh giá lại các tham số của đầu dò sau một quá trình sử dụng

Các giá trị được nhà sản xuất chỉ rõ như hiệu suất, độ phân giải năng lượng, hình dạng đỉnh

và tỉ số đỉnh trên compton được thực hiện với một hệ thống khuếch đại - tiền khuếch đại - đầu dò và trong các điều kiện được chọn lựa bởi nhà cung cấp Vì vậy khi kiếm ưa lại các đặc trưng của đầu dò xem có đúng với các tham số trong tài liệu chỉ dẫn không, cần phải thực hiện phép đo với một hệ thống và vận hành tíong điều kiện có thể so sánh được

3.3.2 Các loại hiệu suất đầu dò

Chúng ta có thể chia hiệu suất của đầu dò thành các loại: hiệu suất tuyệt đối, hiệu suất nội, hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh

3.3.2.1 Hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency)

Hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency) £abs được định nghĩa là tỉ số giữa các xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ phát ra bởi nguồn Hiệu suất này phụ thuộc vào tính chất của đầu dò mà còn phụ thuộc vào bố trí hình học

số đếm ghi nhản

£abs sổ photon phát ra từ nguồn

3.3.2.2 Hiệu suất thực/nội (intrinsic efficiency)

27 I p a g e

Hiệu suất nội (intrinsic efficiency) £int được định nghĩa là tỉ số giữa các xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ đến được đầu dò Hiệu suất đỉnh nội chỉ phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đầu dò, năng lượng bức xạ, độ dày vật lý của đầu dò theo chiều của bức

xạ tới

số đếm ghi nhận int sỗ photon tới detector

Biểu thức liên hệ giữa hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất riêng là:

Hĩnh 3.5 Minh họa góc khối nguồn - đầu dò

33.2.3 Hiệu suất toàn phần (hiệu suất tổng)

Hiệu suất toàn phần (total efficiency) là xác suất một photon phát ra từ nguồn để lại bất

cứ năng lượng nào khác không trong vùng thể tích hoạt động của detector Loại này tương ứng khi xét toàn bộ tương tác của photon, bất chấp năng lượng của nó có được chuyển đổi toàn bộ hay không Là tỉ số của số xung ghi được trong phổ với số photon phát ra từ nguồn Hiệu suất toàn phần quan trọng trong việc tính toán hiệu chính trùng phùng tổng

vì việc mất số đếm từ đỉnh năng lượng của một vạch photon là tỉ lệ với hiệu suất toàn phần:

28 I p a g e

Trong đó:

-1: Bề dày của tinh thể đầu dò

- li: Hệ số suy giảm tuyến tính của tinh thể đầu dò (CdTe)

- Ịiị: Hệ số suy giảm tuyến tính của các vật liệu giữa nguồn và đầu dò

33.2.4 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (hiệu suất đỉnh)

Hiệu suất đỉnh (peak efficiency) là xác suất của một photon phát ra từ nguồn để lại toàn

bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt động của detector Loại này tương ứng khi xét các tương tác của bức xạ gamma mà có thể chyển đổi toàn bộ năng lượng của nó trong

detector Trong thực nghiệm hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần Sp được xác định bởi

-1: Thời gian đo

- A = Ao e~ Ảtr : Hoạt độ nguồn tại thời điểm đo

- Ao: Hoạt độ nguồn ban đầu (tại thời điểm sản xuất)

- Ả = ln(2)/71 ỵ2: Hằng số phân rã

■ 71/2: Chu kỳ bán rã

- 7y(E): Xác suất phát tia gamma

*Xác định hiệu suất ghi của đầu dò bằng thực nghiệm Quy trình chuẩn hiệu suất ghi

(1 - e’^)

29 I p a g e

detector bằng thực nghiệm như sau:

- Chọn vị trí khảo sát sát mặt

- Xác định sai số của hiệu suất

Sai số hiệu suất ghi được xác định theo công thức:

Trong đó:

ỔJ40: sai số hoạt độ ban đầu (cung cấp bời nhà sản xuất)

ÔN", sai số diện tích đỉnh

từ nguồn đến detector, những sai số gặp phải khi xây dựng đường cong hiệu suất bằng việc khớp dữ liệu thực nghiệm, sai số của nguồn chuẩn Vì vậy, nhiều phưomg pháp tính toán

hỗ trự cho việc chuẩn hiệu suất detector đã được quan tâm và nghiên cứu Ưu điểm của mô phỏng là tiết kiệm thời gian, tiền bạc và giải quyết nhiều bài toán phức tạp Khi mô hình

30 I p a g e

hóa chính xác detector, Monte Carlo có thể mô phỏng phổ gamma của các nhân phóng xạ

ở nhiều cấu hình khác nhau

3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đầu dò

Nhờ vào việc sử dụng các nguồn chuẩn (đã biết hoạt độ), chúng ta xây dựng được đường cong hiệu suất, tuy nhiên hiệu suất của đầu dò phụ thuộc vào nhiều yếu tố sau:

- Loại đầu dò

- Kích thước và hình dạng đầu dò

- Khoảng cách từ nguồn đến đầu dò

- Loại đồng vị phóng xạ và kiểu bức xạ được đo (alpha, beta, gamma) và năng lượng của chúng

- Tán xạ ngược của bức xạ tới đầu dò

- Sự hấp thụ bức xạ trước khi nó tới đầu dò (không khí, lớp vỏ bọc)

Tất cả các loại đầu dò ghi bức xạ nói chung đều sẽ tăng các số đếm xung cho mỗi hạt vào tương tác với vùng thể tích hoạt động của nó Các hạt bức xạ mang điện cơ bản chẳng hạn như alpha và beta, tương tác bằng cách ion hóa hay kích thích sẽ diễn ra một cách tức thời ngay khi hạt vào trong vùng thể tích hoạt động Sau khi đi một phần nhỏ trong tầm quãng chạy của nó, các hạt này sẽ hình thành đủ các cặp ion dọc theo quãng đường đi của nó để chắc chắn rằng các xung kết quả đủ lớn để được ghi nhận Do vậy, rất dễ dàng để đầu dò ghi nhận được mỗi hạt alpha hay beta vào trong thể tích hoạt động của nó Với những điều kiện này, đầu dò xem như là có hiệu suất 100%

Mặt khác, các hạt không mang điện chẳng hạn như tia gamma hay neutron, đầu tiên phải trải qua các tương tác vật lý trong đầu dò trước khi việc ghi nhận có thể được tiến hành Bởi vì các bức xạ này có thể đi qua một quãng đường lớn trước khi tương tác, hiệu suất ghi nhận của đầu dò thường nhỏ hơn 100% Do đó cần thiết phải có được cấu hình dự đoán cho hiệu suất của đầu dò để có thể liên hệ được giữa số đếm xung với số photon hoặc neutron

31 I p a g e

đến đầu dò

3.3.4 Đường cong hiệu suất

Hiệu suất năng lượng toàn phần hay hiệu suất đỉnh của đầu dò bán dẫn có thể được trình bày bằng nhiều cách khác nhau Đại lượng thường xuyên được đo là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối, được xác định bằng tỉ số của số đếm trong đỉnh năng lượng toàn phần chia cho số tia gamma phát ra từ nguồn

Khi hiệu suất của đầu dò được đo ở nhiều năng lượng bằng cách sử dụng nguồn chuẩn, ta nhận thấy cần thiết phải làm khóp nó thành một đường cong từ các điểm này để có thể miêu

tả hiệu suất toàn vùng năng lượng mà ta quan tâm Đối với một hệ phổ kế gamma, bố trí hình học đo nguồn phóng xạ - detector xác định và tại vạch năng lượng gamma quan tâm, hiệu suất của detector có giá trị xác định trong thực nghiệm được tính theo công thức sau:

s - N pe

tmyAe 1/2Trong đó: Ee là hiệu suất thực nghiệm của detector, Npe là số đếm đóng góp

trong quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm, tm là thời gian đo, y là cường độ phát xạ của tia gamma, A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm chứng nhận, k là hệ số chuyển đổi từ đơn vị đo hoạt độ phóng xạ khác sang đơn vị Bq, tw là thời gian phân rã từ thời điểm chứng nhận đến thời điểm đo và Tl/2 là chu kì bán rã

Nói chung, đối với mỗi loại cấu hình của đầu dò, ta lại có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau, ở đây chỉ đề cập đến đường cong hiệu suất của đầu dò dạng đồng trục

Để bao quát các khoảng năng lượng rộng lớn, ta thường sử dụng một công thức tuyến tính thể hiện mối tương quan giữa logarit của hiệu suất và logarit của năng lượng

3.3.5 Mô phỏng và ghi nhận hiệu suất ghi bằng phần mềm mô phỏng Geant4

Hiệu suất ghi detector £ được xác định bằng biểu thức (hiệu suất tuyệt đối):

32 I p a g e

N

Trong đó:

No: số photon phát ra từ nguồn

Đối với hiệu suất đỉnh hấp thụ toàn phần: N là số photon phát ra từ nguồn để lại toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt của đầu dò

Đối với hiệu suất toàn phần: N là số photon phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng lượng nào khác không trong thể tích vùng hoạt của đầu dò

3.4 Chất bán dẫn CdTe, cấu tạo đầu dò bán dẫn CdTe

3.4.1 Chất bán dẫn CdTe

Cadmium telluride là một hợp chất tinh thể ổn định được hình thành từ cadmium và tellurium Chủ yếu được sử dụng làm vật liệu bán dẫn trong quang điện cadmium telluride

và một cửa sổ quang hồng ngoại

CdTe có độ rộng vùng cấm 1.52 eV có khả năng phát huỳnh quang trong vùng nhìn thấy Bước sóng huỳnh quang có thể thay đổi nhờ hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các chấm lượng tử có kích thước khác nhau

CdTe có khối lượng phân tử 240,01 g.mol'1 Mật độ 5,85 g/cm3 Điểm nóng chảy 1092 ° c Nhiệt độ sôi 1130 ° c Độ hòa tan ưong các dung môi khác không hòa tan dải khoảng cách 1,44 eV (300 K) Chiết suất (nD) 2,67 ( 10 pm)

3.4.2 Cấu trúc của tinh thể CdTe

Tinh thể CdTe thường có cấu trúc lập phưomg giả kẽm (cubic zincblende) cấu trúc này được mô tả như cặp các mặt đan xen vào nhau ở tâm mặt lập phưomg Nguyên tử Cd hình thành một mạng con và nguyên tử Te hình thành một mạng con khác Đặc điểm quan trọng của sắp xếp mạng zinblende kiểu này là sự thiếu trục đối xứng kết quả tinh

33 I Page

thể CdTe có tính phân cực cao trừ hướng không phân cực Ở nhiệt độ phòng hằng số mạng của CdTe lớn nhất trong họ bán dẫn A2B6 Các kết quả nghiên cứu cho thấy hằng số mạng của CdTe thay đổi từ 6.480 Ả tới 6.488 Ả từ thuộc vào điều kiện chế tạo hay xử lý mẫu Từ phổ nhiễu xạ tia X có thể tình các định được hằng số mạng và hệ số dãn nở nhiệt của CdTe

theo phương trình sau: a(T) = 6.4802 + 31.94 xio-6r + 31.94 XỈQ- 9 T 2 + 31.94 xlO'12 T 3 p (T) = 4.932 X1O'6+ 1.165 xio-9r + 1.428 xlO'12 T 2

Trong đó: a(T) là hằng số mạng p (T) là hệ số giãn nở nhiệt

Liên kết trong CdTe được đặc trưng bởi liên kết trung gian giữa liên kết ion và liên kết hóa trị trong đó liên kết ion chiếm khoảng 72%

Hình 3.6 Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tủ diện và đối xứng lập phương (a)

và cẩu trúc vùng Brillouin(b)

3.5 Sơ lượt về đầu dò XR100-CdTe của Ampek

3.5.1 Giói thiệu về đàu dò bán dẫn XR-100T-CdTe

XR-100CdTe là thiết bị dò tìm tia X và tia gamma của hãng Amptek, sử dựng đầu dò diode Cadmium Telluride (CdTe) 5x5x1 mm gắn trên bộ làm mát nhiệt hai giai đoạn XR-100-CdTe có khả năng phát hiện năng lượng từ vài keV đến vài trăm keV, với hiệu suất cao trong khoảng năng lượng từ 10 đến 100 keV

Cư chế hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống

Tia X và tia gamma tương tác với các nguyên tử CdTe để tạo ra trung bình một cặp electron

(b)

34 I p a g e

/ lỗ cho mỗi 4,43 eV năng lượng bị mất trong CdTe Tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ tới, sự mất mát năng lượng này bị chi phối bời hiệu ứng quang điện hoặc tán xạ Compton Xác suất hoặc hiệu suất của máy dò để “dừng” bức xạ tới và tạo cặp electron / lỗ trống tăng theo độ dày của CdTe

Để tạo thuận lợi cho quá trình thu thập electron / lỗ trong máy dò CdTe, một điện áp + 500 Volt được cấp vào máy dò Điện áp này quá cao để hoạt động ở nhiệt độ phòng, vì nó sẽ gây ra sự rò rỉ quá mức và nguy cơ gây ra sự cố Vì vậy máy dò trong XR-100T- CdTe phải được làm mát để dòng rò được giảm đáng kể, do đó cho phép cấp điện áp cao

Một cảm biến giám sát nhiệt độ được đặt trên bề mặt làm mát để theo dõi nhiệt độ của thành phần bên trong detector để hiệu chỉnh theo nhiệt độ phòng Khi nhiệt độ bên trong xuống dưới âm 10 ° c, hiệu suất của XR-100CdTe sẽ không thay đổi với nhiệt độ thay đổi vài độ

Do đó, kiểm soát nhiệt độ chính xác là không cần thiết khi sử dụng XR- lOOCdTe bên trong phòng thí nghiệm

XR-100CdTe X-Ray and Gamma Ray Detector

MeV

35 I p a g e

Be: 4 mil thick (100 pm)

envữonment Typical Storage and Shipping: -20°C to +50°C, 10 to 90% humidity non condensing

TUV Certification Certificate #: cu

72072412 01 Tested to: UL 61010-1: 2004 R7 05 CAN/CSA-C22.2 61010-1: 2004

Inputs

V maximum Outputs

max load)

Bảng 3.1 Thông sổ cơ sở của XR-100CdTe

37 I p a g e

Hình 3.11 Bảng vẽ 3D và một sổ thông sổ kích thước của XR-100CdTe

Hình 3.10 Bảng vẽ kĩ thuật XR-100CdTe

38 I p a g e

Tbermoeleetrk *• < Detector Cools, 'S^ọÌ^saimaK

TO-S Header

Hĩnh 3.12 Các thành phần cấu tạo của XR-100CdTe

Hiệu suất của XR-100T-CdTe detector

XR-100T-CdTe của Amptek là một hệ thống dò tia X và tia gamma hiệu suất cao Các sản phẩm CdTe thay thế các điốt Si được sử dụng trong các sản phẩm XR-100 khác với cadmium telluride, một dải băng rộng, chất bán dẫn phức hợp làm nguyên tố đầu dò Ưu điểm chính của CdTe là hiệu suất lớn hơn nhiều, do số nguyên tử cao hơn, z Mặt cắt quang điện có tỷ lệ là z5 Đối với Si, z = 14, trong khi đối với CdTe, z = 50

Hình 3.13 Sơ đồ so sánh hiệu suất giữa đầu dò 500um SI, đầu dò 1000 um CdTe và

đầu dò 2250 um CdTe.

Mounting stud

39 I p a g e

Hình 3.14 Ô log-ỉog cứa xác suất tương tác giữa 1 keV và ỉ MeV

Hình 3.15 Ô log-log của xác suất tương tác gỉữa 1 keV và ỉ MeV cho 1 mm CdTe