Chuyên đề nghiên cứu sinh: Các Đetectơ liên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

_____________________

NGUYỄN XUÂN HẢI

CÁC ĐETECTƠ LIÊN QUAN ĐẾN GHI ĐO BỨC XẠ

TRÊN KÊNH NGANG SỐ 3 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. VƯƠNG HỮU TẤN

2. TS. PHẠM ĐÌNH KHANG

ĐÀ LẠT – 2007

MỞ ĐẦU

Ghi đo bức xạ là một trong những mắt xích quan trọng nhất của vật lý hạt

nhân thực nghiệm. Từ các lĩnh vực cơ bản như nghiên cứu số liệu và cấu trúc

hạt nhân đến các nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh

học, địa chất, môi trường,… tất cả ít nhiều đều liên quan đến đo ghi bức xạ.

Các kết quả này là cơ sở để đưa ra các đánh giá khuyến cáo hay các điều

chỉnh cần thiết trong từng lĩnh vực. Chính vì vậy, các kiến thức hiểu biết về

các loại đetectơ, các phương pháp đo ghi bức xạ, các hệ đo là những kiến thức

căn bản không thể thiếu đối với người làm vật lý hạt nhân thực nghiệm.

Mỗi đối tượng nghiên cứu thường phát ra một hay vài loại bức xạ đặc trưng,

mỗi loại bức xạ có những kiểu tương tác khác nhau với môi trường vật chất vì

vậy cần phải có các phương pháp đo ghi thích hợp với từng loại bức xạ và

từng đối tượng nghiên cứu cụ thể.

Trong tài liệu này nghiên cứu sinh (NCS) tiến hành tìm hiểu và trình bày các

kiểu đetectơ cơ bản như: các đetectơ khí, các đetectơ nhấp nháy, các đetectơ

bán dẫn và một số kiểu hệ đo được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản và

nghiên cứu ứng dụng dựa trên các kiểu đetectơ này.

Hy vọng các kiến thức được NCS tìm hiểu và trình bày trong tài liệu sẽ giúp

cho NCS có thêm kiến thức bổ sung cho quá trình thực hiện luận án của mình.

A. CÁC ĐETECTƠ

Trong đo ghi bức xạ, thành phần cơ bản và quan trọng nhất của thiết bị đo là

các đetectơ. Đây là thiết bị biến đổi tín hiệu cần đo thành các tín hiệu điện để

các thiết bị điện tử có thể ghi nhận và phân tích. Mỗi loại bức xạ khác nhau có

các cơ chế tương tác với vật chất đặc trưng riêng biệt, do đó để ghi nhận được

chúng cần có các loại đetectơ khác nhau như: đetectơ chứa khí, đetectơ nhấp

nháy, đetectơ bán dẫn.

I. Các đetectơ chứa khí

Đetectơ chứa khí, có lẽ đây là kiểu đetectơ ra đời sớm nhất trong các kiểu

đetectơ dùng trong đo ghi bức xạ và vẫn còn được sử dụng đến ngày nay. Các

đetectơ này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì nó hoạt động khá

tin cậy, hiệu quả trong khi giá cả lại không đắt, dễ chế tạo theo nhiều kiểu

hình học và kích thước khác nhau, dễ bảo quản và sử dụng. Sự thay đổi của

một số loại khí nguyên chất hoặc hỗn hợp khi nạp vào đetectơ cùng với sự

phát triển của kỹ thuật vi điện tử hứa hẹn tạo ra những kiểu thiết bị ghi đo bức

xạ mới trong tương lai. Các kiểu đetectơ khí ngày nay đang được phát triển

mạnh theo chiều hướng mảng các đetectơ để phục vụ cho các nghiên cứu

chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì

khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV.

Nguyên tắc hoạt động của đetectơ chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện

dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hoá các phân tử chất khí dọc theo đường

đi của nó - tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là

cặp ion-electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt

mang điện hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ quá

trình ion hoá sơ cấp. Ở đây ta không quan tâm đến năng lượng cơ học của

electron hay ion nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp

ion được tạo ra dọc theo đường đi của hạt bức xạ.

Một đetectơ chứa khí đơn giản chỉ gồm một ống chứa khí và hai điện cực,

thành của ống chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi có thể đi được

vào phía bên trong. Các kiểu đetectơ chứa khí đầu tiên vẫn còn được sử dụng

đến ngày nay là:

(i) Buồng ion hoá,

(ii) Ống đếm tỉ lệ,

(iii) Ống đến Geiger Muller (GM).

Hình 1 minh hoạ một đetectơ được nạp đầy khí và mạch điện tử. Cao áp được

đặt vào catốt (vỏ đetectơ) và anốt (dây ở tâm đetectơ được cách điện với vỏ).

Điện tích tạo ra do quá trình ion hoá được thu góp ở các điện cực của đetectơ.

Khi không có sự ion hoá, chất khi giống như một chất cách điện và không có

dòng điện ở mạch ngoài. Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong đetectơ phụ

thuộc vào điện trường trong đetectơ, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên

trong và hình học của đetectơ,…

Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của một đetectơ chứa khí.

Hình 2 là các đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ đối với hạt

beta. Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa

anốt và catốt của đetectơ.

Hình 2. Đường đặc trưng của buồng ion hoá và ống đếm tỉ lệ.

Vùng I: Vùng tái hợp

Trong vùng I có sự cạnh tranh giữa quá trình mất các cặp ion-electron do sự

tái kết hợp và sự ion hoá do hạt mang điện tạo ra. Khi tăng điện trường, vận

tốc của các ion tăng do đó xác suất tái hợp giảm và lượng điện tích thu góp

được trở nên lớn hơn. Vùng này không được sử dụng làm vùng làm việc của

các đetectơ chứa khí.

Vùng II: Vùng ion hoá

Khi điện trường đủ lớn, quá trình tái hợp giảm, do đó có nhiều cặp ion chuyển

động và được thu góp tại các điện cực. Trong vùng này dòng điện phụ thuộc

chủ yếu vào số ion do bức xạ gây ra, nó hầu như không phụ thuộc vào giá trị

điện áp ở các điện cực. Vùng này được xem như vùng làm việc của buồng ion

hoá.

Vùng III: Vùng Tỉ lệ

Trong vùng III, các electron được gia tốc đến vận tốc cao, nó va chạm với các

phân tử khí gây ion hoá chúng và làm tạo ra các ion thứ cấp do đó lượng điện

tích bên trong ống đếm được nhân lên. Lượng điện tích thu góp được sẽ tỉ lệ

với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hoá tạo ra, ống đếm làm việc

trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Ở cuối vùng tỉ lệ, lượng điện tích

thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào điện áp. Hệ số nhân

5 -10

trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~10 .

Vùng IV: Vùng Geiger

Trong vùng IV, hiệu điện thế giữa các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất

hiện tiếp tục được tăng tốc. Do trường lớn nên chúng có thể thu được năng

lượng lớn hơn trước khi va chạm với các phân tử khí trong ống đếm. Trong

trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự tạo thành ion của phân tử. Sau khi

được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, v.v…, trong chất khí sự ion hoá kiểu

thác phát triển. Khả năng phân biệt các hạt sơ cấp không còn, xung lượng của

các hạt khác nhau đều giống nhau do đó hầu như không có sự khác nhau giữa

loại bức xạ hoặc năng lượng của hạt tới trong vùng này. Các ống đếm hoạt

động trong vùng này được gọi là ống đếm Geiger Muller.

Vùng V: Vùng phóng điện liên tục

Trong vùng V quá trình ion hoá xảy ra trong toàn bộ vùng thể tích khí giữa

hai điện cực, sự phóng điện xảy ra trong thể tích khí của ống đếm. Vùng này

không được sử dụng làm vùng làm việc của các đetectơ chứa khí.

I. 1. Các tiêu chuẩn chung để chọn vật liệu cho các đetectơ khí

Áp suất và loại khí nạp cho các buồng ion hoá phụ thuộc vào mục đích ứng

dụng của nó và có thể thay đổi trong dải khá rộng. Với ống đếm tỉ lệ và ống

đếm GM thì lựa chọn áp suất và loại khí trở nên quan trọng. Độ tinh khiết của

khí giữ vai trò quan trọng quyết định chất lượng của các đetectơ này. Dưới

đây là một số các tiêu chuẩn chọn khí:

- Điện áp làm việc thấp,

- Hệ số khuếch đại khí cao,

- Tỉ lệ tốt,

- Tốc độ cao,

- Thời gian làm việc dài,

- Phục hồi nhanh.

Vật liệu làm catốt và độ dày: Mọi kim loại dẫn điện có thể chế tạo thành các

ống có hình dạng phù hợp với kiểu đetectơ đều có thể sử dụng được để làm

catốt. Tuy nhiên cần chú ý đến kiểu bức xạ cần ghi để chọn loại vật liệu mà

bức xạ đó có thể đi xuyên qua được. Độ dày của cửa sổ và vỏ đetectơ thường

chỉ được chế tạo với độ dày từ vài micron đến vài mm.

Vật liệu làm anốt và đường kính: Bất kỳ một dây dẫn hình trụ nào cũng có thể

sử dụng làm anốt. Tuy nhiên, để tạo điện trường rất cao ở gần dây anốt,

đường kính của dây cần có kích thước khoảng vài chục micron. Đáp ứng yêu

cầu đó chỉ có Vonfam là tốt hơn cả để đáp ứng được các yêu cầu về mặt cơ

học. Nếu sử dụng trong các ứng dụng đo liều cần sử dụng các vật liệu có Z

thấp để tránh tán xạ với anốt.

I.2. Buồng ion hoá

Hoạt động của buồng ion hoá phụ thuộc vào sự thu góp các ion do bức xạ ion

hoá tạo ra trong buồng. Các đetectơ này vận hành trong vùng II của đường

đặc trưng. Dưới tác dụng của điện trường, các electron và ion sẽ chuyển động

về các cực. Nếu thể tích khí được chiếu xạ là không thay đổi thì tốc độ hình

thành các cặp ion-electron là hằng số. Ví dụ khi sử dụng một thể tích khí nhỏ

để kiểm tra, tốc độ hình thành sẽ được xác định chính xác bằng sự cân bằng

giữa tốc độ mất của các cặp ion khỏi thể tích khí, tái kết hợp, bị khuếch tán

hoặc di chuyển khỏi thể tích. Giả thuyết điều kiện tái kết hợp là không đáng

kể, tất cả các hạt mang điện tạo ra đều được thu góp khi đó dòng tạo ra là ổn

3 Gọi I(C) là lượng điện tích được tạo ra trong một đơn vị thể tích khí V(m

định và có thể đo chính xác tốc độ tạo thành các ion trong thể tích.

tốc độ thay đổi của điện tích ở nhiệt độ T( K) và áp suất 760 mm Hg được xác

−

Amp

(

)

359

mV (

)

định theo công thức sau:

dx dt

p mmHg

)

760

(

273 0 KT (

)

(1)

Một số yếu tố có thể làm giảm quá trình thu góp các điện tích trong buồng ion

hoá. Quan trọng nhất trong các yếu tố này là quá trình tái hợp.

(i) Tái hợp dọc theo đường đi của hạt: Trong kiểu này, các cặp ion-electron

vừa được tạo ra dọc theo đường đi của hạt mang điện (hạt anpha, vết phân

hạch) tái hợp lại với nhau ngay sau khi được tạo thành. Để giảm hiệu ứng này

cần tăng điện áp đặt vào các điện cực.

(ii) Tái hợp trong thể tích khí: Hiệu ứng này là quan trọng khi bức xạ có

cường độ lớn (tạo ra nhiều ion, electron và tái hợp trong vùng hoạt của

đetectơ).

Một kiểu mất điện tích khác trong quá trình thu góp đó là mất do quá trình di

chuyển của các điện tích dương về catốt và các điện tích âm về anốt tạo ra

một sự không cân bằng về số lượng điện tích ở các điện cực. Sự mất cân bằng

làm xuất hiện một gradient làm các electron ở bề mặt của điện cực bị bứt ra

và chuyển động theo một hướng, các electron này sẽ tái hợp với các phần tử

mang điện do bức xạ ion hoá tạo nên. Để làm giảm hiệu ứng này cần tạo ra

phân cực ngược với điện trường do sự mất cân bằng điện tích tạo ra để bù trừ.

Kiểu xung là kiểu vận hành chính được sử dụng để xác định các hạt và các

bức xạ tương tự khác. Nhờ đặc trưng tạo ra một lượng lớn ion, các thiết bị này

được cải tiến bằng cách đặt thêm các điện cực dưới dạng lưới giữa anốt và

catốt nên có thể xác định phân bố năng lượng, hoạt độ tuyệt đối, quãng chạy

và mức độ ion hoá.

I.3. Các ống đếm tỉ lệ

Đetectơ làm việc trong vùng giữa vùng ion hoá và vùng GM được gọi là các

ống đếm tỉ lệ. Các ứng dụng kiểu xung là phổ biến trong ống đếm tỉ lệ.

Trong phép đo năng lượng của các electron năng lượng thấp, ống đếm tỉ lệ có

khả năng cho độ phân giải tốt hơn các đetectơ nhấp nháy. Khoảng năng lượng

phù hợp nhất để sử dụng ống đếm tỉ lệ là từ 250 eV đến 200 keV.

Nguyên lý vận hành của ống đếm tỉ lệ: Khi điện trường đủ cao, xảy ra sự nhân

các phần tử mang điện trong chất khí. Ở điện trường này, các electron hoàn

toàn có đủ động năng để ion hoá các phân tử khí trung hoà, các electron thứ

cấp được tạo ra lại tiếp tục gây ion hoá các phân tử trung khí hoà khác. Quá

trình thác lũ xảy ra và số lượng các electron tăng nhanh chóng trong ống đếm

tỉ lệ. Khi tất cả các electron tự do đã được thu góp ở anốt quá trình nhân các

hạt mang điện cũng ngừng. Sự khuếch đại điện tích bên trong ống đếm làm

tăng biên độ tín hiệu thu góp được do đó giảm bớt yêu cầu khuếch đại bên

6 Ống đếm tỉ lệ đòi hỏi một điện trường lớn (~10

ngoài.

V/m). Cường độ điện trường

tại một điểm cách tâm anốt một khoảng r được xác định theo biểu thức sau:

E(r) = V/ r ln (b/a) (2)

Trong đó V = cao áp đặt vào ống đếm, b, a là bán kính của catốt và anốt.

I.4. Các kiểu thiết kế khác nhau của ống đếm tỉ lệ

Ống đếm dạng bản mỏng: Kiểu ống đếm này được sử dụng thay cho các

đetectơ rắn để đo các hạt mang điện nặng ở những chỗ mà các đetectơ rắn

không sử dụng được do bị bức xạ phá hỏng hoặc do đặc trưng phân giải thời

gian của nó.

Ống đếm tỉ lệ nhạy vị trí: Với các ống đếm dài, do sự giới hạn của vị trí và

kích thước của anốt và catốt, phương pháp chia điện tích hoặc nhân tương đối

được sử dụng để cung cấp thêm thông tin về vị trí mà cặp ion được tạo ra.

Ống đếm tỉ lệ nhiều dây (Multi-wire):

Một trong những kiểu đetectơ đặc sắc nhất của ống đếm tỉ lệ đang được phát

triển mạnh sử dụng trong vật lý hạt là ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Nguyên tắc

hoạt động của ống đếm như sau:

Hình 3. Cấu hình của một đetectơ tỉ lệ nhiều dây.

Các lưới anốt được đặt ở giữa hai bản catốt. Khoảng cách giữa các dây anốt

vào khoảng 2mm và khoảng cách giữa các cặp anốt-catốt vào khoảng 7-8mm

(minh hoạ trên hình 3). Nếu một điện áp âm được đặt vào các bản catốt thì

điện trường có dạng như trong hình 4. Ngoại trừ những vùng rất gần với dây

các dây anốt, các đường sức của điện trường là song song và không đổi.

Hình 4. Điện trường trong ống đếm tỉ lệ nhiều dây.

Nếu chúng ta giả thuyết rằng đĩa anốt là bản phẳng vô hạn so với các dây thì

)

sin

sinh

,( yxV

−=

cường độ điện trường được xác định theo công thức:

x π s

y π s

CV 4 πε

⎞ ⎟ ⎠

⎤ ⎥ ⎦

⎡ ⎛ 4ln ⎜ ⎢ ⎝ ⎣

(3)

trong đó: V là cao áp, s là khoảng cách giữa các dây và C là điện dung giữa

anốt và catốt. Nếu khoảng cách giữa anốt và catốt L>>s>>d thì C được xác

2 πε

định như sau:

−

d π s

L π s

(4)

trong đó d là đường kính của dây anốt. Giả thuyết này cho ta kết quả khá

chính xác đối với hầu hết các ống đếm tỉ lệ nhiều dây. Ở gần các dây anốt

điện trường phụ thuộc vào khoảng cách 1/r với tâm của dây anốt. Nếu các

electron và ion tự do ở trong vùng có điện trường không đổi chúng sẽ di

chuyển theo hướng tác động của điện trường và đến dây anốt gần nhất và vị

trí catốt đối diện. Ở vùng có cường độ điện trường cao hơn các electron tạo ra

quá trình thác lũ. Các ion dương tự do được tạo ra trong quá trình nhân tạo ra

một tín hiệu âm trên dây anốt giống như trong ống đếm tỉ lệ bình thường. Các

dây bên cạnh cũng bị tác động, tuy nhiên tín hiệu tạo ra ở đây là khá bé do đó

cần được khuếch đại lên.

Hình 5. Sơ đồ khối của một ống đếm tỉ lệ nhiều dây.

Tín hiệu từ một mặt của anốt chỉ cho biết thông tin về một chiều của sự kiện

gây ion hoá, để có thêm thông tin về chiều thứ hai cần phải sử dụng phương

pháp quét hai chiều XY (đọc theo hai hướng) khi đó ta sẽ thu được đầy đủ các

thông tin về hạt gây ion hoá.

Hình 6. Sơ đồ của lưới anốt và mạng điện trở.

Ngày nay kiểu đetectơ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển và

được ứng dụng rộng rãi trong chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu hoặc trong

vật lý năng lượng cao.

I.5. Ống đếm Geiger Muller (GM)

Từ lâu ống đếm GM đã được sử dụng phổ biến trong đo ghi bức xạ. Các ưu

điểm chính của ống đếm GM là độ nhạy cao, sử dụng được cho nhiều loại bức

xạ, có nhiều dạng hình học và cửa sổ, tín hiệu ra lớn và giá cả hợp lý. Ống

đếm GM thường được chế tạo dưới dạng hình trụ, dây điện cực Vonfam đồng

trục và nạp đầy các khí trơ như helium, argon, neon. Ngoài ra còn có một

phần nhỏ các khí khác được thêm vào để dập tắt hiện tượng phóng điện. Mặc

dù có thể có cấu trúc khác nhau song tất cả các ống đếm GM đều được thiết

kế để vận hành trong vùng IV của hình 2.

Nguyên lý hoạt động của ống đếm GM: Nếu điện áp đặt vào ống đếm phù

hợp thì các electron trong chất khí ở gần anốt và các ion mang điện dương ở

gần catốt được thu góp gần như đồng thời. Các electron và ion còn lại sẽ

chuyển động nhanh về các điện cực đồng thời nhân thêm các electron và ion

trên đường đi. Các xung tạo ra dòng điện gây một điện áp tăng nhanh trên hệ

thống điện trở ở mạch ngoài, nhờ đó các xung này được xác định bằng các

thiết bị đếm hoặc các thiết bị đồng hồ đo. Trong quá trình ion hoá sơ cấp, các

ion dương ở gần catốt cùng với các electron trên bề mặt catốt gây ra một điện

trường yếu tạm thời làm giảm độ nhạy của ống đếm trong một thời gian ngắn

sau khi phóng điện. Sự va chạm của các ion dương năng lượng cao vào catốt

làm bật ra các electron thứ cấp. Các electron này lại được gia tốc đến năng

lượng cao và chuyển động hướng đến anốt, chúng tiếp tục va chạm gây ion

hoá các nguyên tử khí tạo ra một quá trình phóng điện mới. Quá trình này

được lặp lại một hoặc nhiều lần gây ra sự phóng điện liên tục trong ống đếm.

Quá trình phóng điện liên tục như vậy cần phải được dập tắt bằng cách thêm

một số khí vào bên trong ống đếm hoặc bằng mạch điện tử bên ngoài.

Dập tắt quá trình phóng điện bằng mạch ngoài: Các ion dương khi chuyển

động về cực âm sẽ chắn trường ngoài, tạo điều kiện làm tắt sự phóng điện

kiểu thác. Tuy nhiên để dập tắt nó, cần phải hạ thấp đột ngột hiệu điện thế

trong ống đếm, việc này đạt được bằng những sơ đồ điện tử khác nhau.

Phương pháp đơn giản nhất là trong mạch của điện cực âm có mắc một điện

trở cỡ lớn (cỡ 108Ω). Dòng điện xung dẫn đến hiệu điện thế xung trên điện trở

đó, xung này làm giảm đột ngột điện trường giữa các điện cực, do đó sự

phóng điện bị dập tắt và ống đếm sẵn sàng để ghi hạt tiếp sau. Tuy nhiên kiểu

dập tắt sử dụng thời gian phân giải này không phù hợp với các ống đếm làm

việc ở tốc độ cao. Do đó phương pháp này không được sử dụng nhiều so với

phương pháp tự dập tắt.

Dập tắt quá trình phóng điện bằng chất khí: Để dập tắt quá trình phóng điện,

một lượng nhỏ chất khí có tác dụng làm tắt quá trình phóng điện được thêm

vào bên trong ống đếm. Căn cứ vào loại khí được sử dụng người ta chia ống

đếm tự tắt thành hai loại:

(i) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất hữu cơ,

(ii) Các ống đếm làm tắt quá trình phóng điện bằng chất vô cơ.

Trong cả hai trường hợp quá trình dập tắt là tương tự như nhau. Khí tự làm tắt

quá trình phóng điện có thế năng ion hoá thấp hơn khí được sử dụng chính

trong đetectơ khí. Quá trình ion hoá của khí chính được dập tắt nhanh chóng

nhờ quá trình di chuyển chậm của các ion còn lại do khí sử dụng chính tạo ra

kết hợp với các electron của khí dập tắt. Các ion dương mới được tạo ra từ khí

tự dập tắt sẽ di chuyển hướng đến catốt nhưng chúng không đủ năng lượng để

làm bứt các electron ra khỏi catốt vì thế quá trình phóng điện bị dập tắt.

I.6. Đặc trưng của ống đếm GM

Hình 3 là đường đặc trưng của một ống đếm GM, đồ thị vẽ sự phụ thuộc của

tốc độ đếm vào điện áp trong điều kiện tác động của trường bức xạ không đổi

(cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu được từ

~100÷300 cps ở vùng làm việc).

Điện áp bắt đầu làm việc Vs được định nghĩa là điện áp thấp nhất đặt vào ống

đếm để một ống đếm có thể làm việc được với đầy đủ các đặc trưng của nó. Ở

điện áp cao hơn Vs đến VT tốc độ đếm tăng nhanh. Ở điện áp cao hơn VT tất

cả các sự kiện ion hoá khác nhau đều tạo ra các xung giống nhau, quá trình

thu góp các hạt mang điện ở anốt về thực chất không còn phụ thuộc vào số

ion hoá ban đầu được tạo ra.

Điện áp ngưỡng đánh dấu điểm bắt đầu plateau của ống đếm Geiger Muller.

Khoảng điện áp của plateau rất rộng, độ dốc của đường đặc trưng rất thấp do

đó cho phép đo chính xác cường độ bức xạ mà không bị sự tác động của cao

áp.

Hình 7. Đường đặc trưng của một ống đếm GM dưới tác động của trường bức

xạ không đổi (cường độ nguồn và hình học được chọn sao cho tốc độ đếm thu

được từ ~100÷300 cps ở vùng làm việc).

Độ rộng Plateau = (V2 -V1) vôn (5)

( (5.0

N N

)

− +

100 −

) N × 1 VN )( 1

V 1

Độ dốc Plateau = (6)

I.7. Thời gian chết và hồi phục

Khả năng đếm cực đại của ống đếm được xác định bằng hai đặc điểm đó là

“thời gian chết” và “thời gian hồi phục” cả hai đặc điểm này đều liên quan

trực tiếp đến thời gian phóng điện của ống đếm. Hình 8 là minh hoạ thời gian

chết và hồi phục của ống đếm GM ứng với một xung.

Hình 8. Minh hoạ đặc trưng thời gian chết và hồi phục ứng với một xung của ống đếm GM.

“Thời gian chết” của ống đếm GM là một giai đoạn rất ngắn, sau khi quá trình

phóng điện xảy ra, ống đếm không thể phản ứng với bất kỳ bức xạ ion hoá

nào đến ngay sau đó. Thời gian bắt đầu từ khi thời gian chết kết thúc cho đến

khi điện tích được phóng hết (đuôi xung) gọi là “thời gian hồi phục” của ống

đếm.

Thời gian chết và tốc độ đếm: Thời gian chết của mỗi quá trình phóng điện sẽ

giới hạn tốc độ đếm cực đại vì các sự kiện bức xạ gây ion hoá có thể xảy ra

trong khoảng thời gian chết sẽ không thể tạo được một xung ở lối ra. Quan hệ

giữa thời gian chết ‘t’, tốc độ bức xạ N và tốc độ đếm ghi được N1 là:

(7) N1 = N/(1-Nt)

Số đếm N1 thu được chỉ có ý nghĩa khi Nt << 1.

Xung

Bảng 1. Một số thông tin về các kiểu đetectơ chứa khí.

Buồng ion hoá Ống đếm tỉ lệ Chủ yếu

Có thể

Dòng

Chủ yếu

Có thể

Tham số Chế độ vận hành

Khả năng đo phổ

Alpha

Có các thể đo gamma lên đến 200 keV.

Ống đếm GM Chủ yếu Không tỉ lệ với liều của bức xạ. Không thể vì biên độ xung không phụ thuộc năng lượng.

>106

103 ÷ 105

Hệ số khuếch đại khí

α, β, γ, X, n

Kiểu bức xạ có thể ghi nhận

α, β, γ, X, ghi α khi dùng cửa sổ mỏng

Kiểu khí/ áp suất

Không khí hoặc khí bất kỳ / ≥ áp suất khí quyển.

Phụ thuộc khí dập tắt quá trình phóng điện/ Tuỳ vào ứng dụng.

Phụ thuộc khí làm tắt quá trình phóng điện/ Bé hơn áp suất khí quyển.

< 10 mV

≤ 100 mV

≈ hàng chục vôn

Độ lớn của tín hiệu ra

Thiết bị điện tử

Khối ổn định EHT, điều chỉnh phức tạp.

Khuếch đại các xung nhỏ và đo dòng.

Thiết bị điện tử đơn giản, các điều kiện vận hành đơn giản.

Các ứng dụng

Quan trắc, đo liều cá nhân, dùng trong các hệ đếm, đo nhiễm bẩn bề mặt,…

Chuẩn nguồn, trắc, đo quan liều beta/ gamma, đo hoạt độ phóng xạ khí,…

Cửa sổ bé để đo nhiễm bẩn bề mặt với các bức xạ không xuyên sâu, các ứng dụng nhạy điện tích,…

II. Đetectơ nhấp nháy

Ngày nay, các đetectơ nhấp nháy được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều

loại thiết bị đo ghi bức xạ khác nhau dùng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt.

Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc khi vật liệu bị hạt hoặc bức xạ kích

thích do va chạm, nó sẽ phát ánh sáng nhấp nháy. Vật liệu được xác định có

tính nhấp nháy sớm nhất được Crookes phát hiện ra vào 1903 và sử dụng để

xác định các hạt. Sự phát minh ra các ống đếm chứa khí sau đó làm cho các

thiết bị nhấp nháy ít được sử dụng và bị rơi vào quên lãng cho đến năm 1944

Curran và Baker sử dụng ống nhân quang để thay sự quan sát bằng mắt thì

các thiết bị nhấp nháy đã trở nên có hiệu quả và tin cậy giống như các ống

đếm chứa khí.

Các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có thể xác định bức xạ ion hoá và đo phổ

bức xạ trong một dải rộng. Ngày nay, chất nhấp nháy được cung cấp dưới các

dạng khác nhau (rắn, lỏng và khí), các ống nhân quang được chế tạo với chất

lượng cao đã cho phép tạo ra các đetectơ nhấp nháy rắn đo photon cùng với

sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã làm cho các đetectơ nhấp nháy trở nên

được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng. Dưới đây là các quá trình xảy

ra khi xác định bức xạ ion hoá bằng đetectơ nhấp nháy:

Hình 9. Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy.

- Bức xạ hạt nhân bị hấp thụ trong chất nhấp nháy gây ra sự kích thích và ion

hoá chất nhấp nháy.

- Chất nhấp nháy chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng thông qua

quá trình phát quang.

- Lượng tử ánh sáng đi đến catốt của ống nhân quang.

- Lượng tử ánh sáng bị hấp thụ ở catốt của ống nhân quang, quang electron

được phát ra và sau đó là quá trình nhân các electron trong ống nhân quang.

- Khuếch đại xung được hình thành từ ống nhân quang sau đó phân tích các

xung này bằng các thiết bị điện tử như máy đếm hoặc máy phân tích biên độ

nhiều kênh.

Nhìn chung, các đetectơ sử dụng chất nhấp nháy có khả năng cung cấp nhiều

thông tin khác nhau về bức xạ. Một trong những đặc điểm nổi bật của các

đetectơ này là nhạy về năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh và dạng xung

phân biệt rõ ràng.

Chất nhấp nháy lý tưởng cần có các đặc trưng sau:

1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hạt mang điện thành ánh sáng cao.

2. Sự chuyển đổi này là tuyến tính, ví dụ ánh sáng tạo ra tỉ lệ với năng lượng

được hấp thụ trên một khoảng rộng.

3. Chất nhấp nháy cần phải trong suốt với ánh sáng do nó tạo ra.

4. Thời gian phân rã của quá trình phát quang cần ngắn và xung tạo ra phải

nhanh để có thể sử dụng cho các phép đếm tốc độ cao.

5. Vật liệu cần dễ tìm, dễ chế tạo theo các hình học và kích thước khác nhau.

6. Hệ số khúc xạ gần với thuỷ tinh (~1.5) để ánh sáng phát ra không bị khúc

xạ tại điểm nối giữa chất nhấp nháy và ống nhân quang làm thay đổi hiệu

suất.

Trong thực tế, không một chất nhấp nháy nào thoả mãn được tất cả các yêu

cầu trên vì vậy chọn chất nhấp nháy là một sự thoả hiệp giữa các yếu tố này.

II.1. Các đặc điểm chính của một đetectơ nhấp nháy

Đặc điểm đầu tiên đó là ánh sáng phát ra phải tỉ lệ với năng lượng hấp thụ

được một cách trực tiếp hoặc gián tiếp từ bức xạ. Với các hạt mang điện ánh

sáng phát ra phải tỉ lệ trực tiếp với năng lượng hấp thụ từ hạt mang điện. Với

bức xạ các tia gamma thì sự tương tác của gamma với các electron nguyên tử

của chất nhấp nháy làm tia gamma mất một phần hoặc toàn bộ năng lượng

trong đetectơ. Với nơtron, năng lượng của nơtron được suy ra từ quá trình hấp

thụ hoàn toàn năng lượng của các proton giật lùi hoặc của sản phẩm phản ứng

hạt nhân. Nhìn chung, quan hệ giữa ánh sáng phát ra và năng lượng của các

hạt mang điện là tuyến tính.

Đặc điểm thứ hai là các chất nhấp nháy phải có mật độ cao để hạt mang điện

có năng lượng vài MeV bị bắt trong chất nhấp nháy sau khi di chuyển vài

milimet.

Đặc điểm thứ ba của chất nhấp nháy để sử dụng làm các hệ đếm là phải phản

-9

ứng rất nhanh với các bức xạ ion hoá. Thời gian phân rã của ánh sáng phát ra

-6

từ chất nhấp nháy nằm trong khoảng từ 10 giây (dung dịch hữu cơ và các khí

trơ) đến 10 giây (tinh thể vô cơ). Thời gian thu góp của các chất nhấp nháy

nhanh ngắn hơn so với ống đếm tỉ lệ thông thường và buồng ion hoá. Đặc

điểm này là quan trọng khi sử dụng đetectơ nhấp nháy trong các thí nghiệm

đòi hỏi tốc độ đếm cao hoặc khi ghi các sự kiện trùng phùng nhanh.

Đặc điểm thứ tư của chất nhấp nháy là khả năng chế tạo dưới nhiều hình dạng

và kích thước khác nhau cho từng ứng dụng cụ thể. Trong các chất nhấp nháy,

chỉ có chất nhấp nháy lỏng là có thể cho phép thiết kế các đetectơ với hình

dạng và kích thước bất kỳ.

II.2. Dạng xung của đetectơ nhấp nháy

Dạng xung ở lối ra của ống nhân quang điện được xác định bằng sự phân bố

theo thời gian của số photon do chất nhấp nháy phát ra, các điện trở có trong

mạch của các đinốt và anốt và cả điện dung giữa các đinốt. Ngoài ra cả sự

thăng giáng của số electron được tạo nên ở photo catốt, thăng giáng thời gian

truyền của chúng khi đi qua ống nhân quang điện, thăng giáng của hệ số

khuếch đại của ống nhân quang điện cũng ảnh hưởng tới dạng xung ở lối ra.

Trong phần này ta khảo sát dạng xung khi bỏ qua các thăng giáng của số

electron và thời gian bay qua ống nhân quang điện của các electron.

Sơ đồ nối của ống nhân quang điện được chỉ ra trên hình 10a. Xung có thể

được lấy ra từ anốt (trở R1) cũng như từ đinốt cuối cùng (trở R2). Tín hiệu

được lấy từ anốt sẽ là xung âm nếu như R2= 0. Tín hiệu từ đinốt sẽ là xung

dương nếu như R1=0. Xung từ đinốt là xung dương vì số electron đến đinốt

nhỏ hơn số electron đi khỏi đinốt về anốt do quá trình phát xạ thứ cấp.

Hình 10a. Sơ đồ lấy tín

hiệu ra từ ống nhân quang

điện.

Hình 10b. Dạng xung phụ

thuộc vào tỷ số τ/R2C.

Chúng ta khảo sát dạng xung điện áp trên trở R2 với giả thiết là trong chất

nhấp nháy, các photon được phát ra theo quy luật hàm emũ với thời gian chớp

sáng τ và tạo ra được N0 electron ở photo catốt, R1 = 0. Rõ ràng là:

V(t) = Q(t)/C

ở đây C là điện dung tương đương của lối ra của ống nhân quang điện; Q(t) là

lượng điện tích theo thời gian trên tụ C này. Dòng của ống nhân quang điện

nếu chú ý đến các phân tích ở trên phụ thộc theo thời gian với dạng sau:

i = m.N0.e.exp(-t/τ)/τ

Dòng này sẽ tích lên tụ C, vận tốc tích điện của tụ C được xác định bằng hằng

số thời gian R2C. Sự thay đổi của điện tích trên tụ C:

dQ/dt = m.N0.e.exp(-t/τ)/τ – Q/(R2.C)

ở đây số hạng đầu tiên là dòng tích điện của tụ, số hạng thứ hai là dòng phóng

của tụ. Nghiệm của phương trình nói trên có dạng sau:

(8) Q(t) = N0.e.m.R2C.[exp(-t/τ) – exp(- t/R2.C)]/(τ- R2.C)

Nếu R2C >> τ thì sau một khoảng thời gian cỡ 5τ xung điện sẽ đạt giá trị cực

đại của mình và nó bằng N0.e.m/C, sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số

thời gian 1/R2C. Thực vậy, trong những điều kiện như trên thì phương trình

(8) có thể được khảo sát trong hai vùng t << R2C và t >> R2C. Khi t << R2C ta

có:

V(t) = N0.e. m. [1 - exp(-t/τ)]/C

và khi t >> τ ta có:

V(t) = N0.e. m. exp(- t/R2C)/C

Như vậy khi R2C >> τ, mặt trước của xung được xác định bằng thời gian phát

quang của tinh thể, còn mặt sau được xác định bằng hằng số thời gian của ống

nhân quang điện R2C.

Nếu τ >> R2C, xung sẽ đạt cực đại của mình sau khoảng thời gian khoảng

5R2C và sau đó giảm theo hàm e mũ với hằng số thời gian τ, tức là trong

trường hợp này mặt trước của xung sẽ được xác định bằng hằng số thời gian

R2C và mặt sau – thời gian phát quang của tinh thể. Giá trị cực đại của biên

độ xung khi đó tỷ lệ với N0e m.R2/τ.

Trường hợp thú vị là khi τ = R2C. Lấy thành phần trong ngoặc của (8), thay

số hạng exp(- t/τ) bằng hai số hạng khai triển đầu tiên ta sẽ thu được:

(9) V(t) = N0e m.t.exp(-t/τ)/(Cτ)

khi đó xung đạt biên độ cực đại khi t = τ và biên độ bằng N0e m.R2/2,71C.

Có thể thu được thời gian t* mà khi đó xung đạt cực đại của mình bằng cách

đạo hàm (8) và cho giá trị đạo hàm bằng 0:

(10) t* = ln [τ/(R2C)].τ.R2C/(τ - R2C),

và có thể tính được giá trị biên độ ở cực đại nếu thay (10) vào (8).

Trên hình 10b là dạng xung của đetectơ nhấp nháy ở các tỷ số (τ/R2C khác

nhau. Trên trục tung là tỷ số của giá trị V(t)/V(t*), còn theo trục hoành là thời

gian theo đơn vị t/τ. Các kết quả tìm được chứng tỏ rằng có thể thu được mặt

trước của xung rất ngắn khi R2C < τ nhưng biên độ lại giảm đi R2C/τ lần.

Thực ra độ dài của mặt trước của xung sẽ bị giới hạn bởi thăng giáng thời

gian của các quá trình khác nhau và thậm chí cả thời gian tạo các trạng thái

kích thích trong tinh thể nhấp nháy cũng không ngắn (10-10÷10-11 giây).

Việc tính dạng xung sẽ phức tạp hơn rất nhiều nếu có tải cả ở mạch anốt và

đinốt cuối cùng – tức là khi R2 và R1 khác 0. Chúng ta xem xét trường hợp khi

thời gian phát sáng τ của tinh thể nhỏ hơn R2C và R1C trở của đinốt cuối cùng

là R2. Xung dòng do chất nhấp nháy gây nên sẽ tích điện cho các tụ của anốt

và đinốt. Giả sử sau một thời gian t1 < τ, điện tích trên anốt bằng Qa. Nếu khi

đó xảy ra Qa/C bằng cỡ hiệu thế giữa anôt và đinôt cuối cùng thì điện tích của

tụ anốt sẽ bị triệt tiêu, trong mạch đinốt, dòng sẽ đổi cực tính của mình. Vì

vậy thế V(t) trên đinôt có thể đổi dấu (trong khi phụ thuộc vào tỷ số thời gian

t1/τ, hiệu điện thế giữa anốt và đinốt cuối cùng, các đại lượng R2C và R1C) và

xung sẽ trở thành lưỡng cực. Rõ ràng là khi R1→∞, xung điện áp ở điện trở ra

của đinốt cuối cùng sẽ trở thành xung âm; trong trường hợp này đinốt cuối

cùng sẽ được coi như anốt.

II.3. Các chất nhấp nháy

Ngày nay có rất nhiều chất nhấp nháy được sử dụng và đều thuộc một trong

hai loại: chất nhấp nháy hữu cơ hoặc chất nhấp nháy vô cơ.

II.3.1. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy hữu cơ

Quá trình phát huỳnh quang trong chất nhấp nháy hữu cơ là do sự dịch

chuyển mức năng lượng của phân tử. Thực nghiệm cho thấy phần lớn phân tử

của các chất nhấp nháy hữu cơ có tính đối xứng, chúng được biết như cấu trúc

π-electron trình bày trên hình 11. Trong hình vẽ S0, S1, S2... là một chuỗi các

trạng thái cơ bản (spin=0) và kích thích tương ứng. Tương tự T1, T2, T3 là ba

trạng thái năng lượng kích thích ứng với với S1 (spin=1). Với các phân tử chất

nhấp nháy hữu cơ, khoảng cách mức năng lượng giữa S0 và S1 là 3 hoặc 4 eV,

còn khoảng cách giữa các mức kích thích ở phía trên thường nhỏ hơn. Cấu

trúc tinh tế làm cho mỗi mức lại bị chia thành một chuỗi các mức năng lượng

với khoảng cách giữa các mức tinh tế hơn (≈0.15 eV) tương ứng với các trạng

thái dao động của phân tử (các trạng thái Sxx trong hình 11). Vì khoảng cách

giữa các trạng thái dao động là lớn so với giá trị trung bình của chuyển động

nhiệt (0.025 eV), gần với chuyển động của tất cả các phân tử ở nhiệt độ phòng

trong trạng thái S00.

Hình 11. Các mức năng lượng của phân tử hữu cơ ứng với cấu trúc electron.

Năng lượng có thể được electron hoá trị hấp thụ và chuyển lên một số các

trạng thái kích thích (biểu diễn bằng các mũi tên hướng lên).

Trong trường hợp nhấp nháy, sự hấp thụ năng lượng của hạt mang điện làm

các electron nhảy lên trạng thái cao hơn và phân tử bị kích thích nhanh chóng

(cỡ pico giây) quá trình khử kích thích về trạng thái S1 bằng biến hoán trong.

Mặt khác, bất kỳ trạng thái có năng lượng dao động lớn (như S11 hoặc S12) do

không cân bằng nhiệt với các phân tử lân cận chúng sẽ mất năng lượng dao

động một cách nhanh chóng.

Do đó, hiệu ứng kích thích mạng trong tinh thể chất hữu cơ chỉ xảy ra trong

khoảng thời gian ngắn có thể bỏ qua, các phân tử hầu như ở trạng thái kích

thích S10. Ánh sáng nhấp nháy (hoặc phát huỳnh quang tức thời) được phát ra

trong quá trình dịch chuyển giữa trạng thái S10 về một trạng thái có năng

lượng thấp hơn (các dịch chuyển này được ký hiệu bằng các mũi tên hướng

xuống).

Thời gian tồn tại của trạng thái T1 không dài hơn trạng thái đơn S1. Thông qua

-3

các dịch chuyển trong hệ, một số trạng thái kích thích đơn có thể chuyển

s và bức xạ thành các trạng thái bội ba. Thời gian tồn tại của T1 vào cỡ 10

phát ra trong quá trình khử kích thích từ trạng thái T1 về trạng thái S0 giống

như sự phát lân tinh (trễ). Vì T1 nằm dưới S1 nên bước sóng của phổ lân tinh

sẽ dài hơn so với bước sóng của phổ huỳnh quang.

Ở trạng thái T1, một số phân tử cũng có thể bị kích thích làm dịch chuyển

ngược lên trạng thái S1 sau đó phân rã bằng phát huỳnh quang. Quá trình này

có thể làm xuất hiện quá trình phát huỳnh quang trễ trong chất hữu cơ.

Độ dài của mũi tên tương ứng với năng lượng của các photon sẽ bị hấp thụ

trong vật liệu. Vì tất cả các dịch chuyển phát huỳnh quang đều được ký hiệu

bằng mũi tên hướng về phía có năng lượng thấp hơn (ngoại lệ trường hợp S10-

S00) để cực tiểu hoá năng lượng kích thích, có rất ít sự trùng lặp giữa hấp thụ

photon và bức xạ trong phổ, do đó hiện tượng tự hấp thụ phát huỳnh quang rất

bé. Đó là lý do tại sao các chất nhấp nháy hữu cơ có thể trong suốt với bức xạ

huỳnh quang của nó phát ra.

II.3.2. Các dạng nhấp nháy hữu cơ

1. Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao nhất

còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh thể

chất nhấp nháy hữu cơ. Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích

thước lớn.

2. Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng

dung dịch hoà tan. Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến

trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như Carbon-14 và Tritium. Hoặc sử

dụng ở những nơi đòi hỏi thể tích đetectơ lớn, trong trường hợp này tỉ lệ ánh

sáng phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau). Các chất

nhấp nháy này còn được sử dụng để đo nơtron. Đôi khi sự dịch chuyển bước

sóng xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân

quang.

3. Chất nhấp nháy dẻo: Là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong dung

môi, sau đó polymer hoá và tạo dạng cần thiết. Các đetectơ này không đắt

được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như

hình trụ, tấm phẳng,… chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng

khác nhau. Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây)

do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng

nhanh.

4. Chất nhấp nháy pha tạp: Chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện cho

việc xác định trực tiếp các hạt anpha hoặc beta. Chúng cũng có thể được sử

dụng để xác định các neutron nhanh thông qua các proton giật lùi. Vì các chất

nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện với

các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ. Để cải thiện

tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha thêm vào

trong chất nhấp nháy (~10% trọng lượng chì hoặc thiếc). Tuy nhiên sự bổ

sung này lại làm giảm cường độ sáng.

II.3.3. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy vô cơ

Các tinh thể chất nhấp nháy vô cơ là tinh thể dưới dạng muối hữu cơ của một

kim loại với với nguyên tố halogen có pha thêm một lượng nhỏ chất phát

quang. Quá trình phát sáng trong chất nhấp nháy được mô tả chi tiết trong

hình vẽ phía dưới.

Hình 12. Dải năng lượng trong nháy vô cơ tinh khiết và pha tạp.

Khi không pha tạp, độ rộng vùng cấm của chất nhấp nháy là khá lớn, để giảm

độ rộng vùng cấm và tăng xác suất phát photon của phân tử từ trạng thái kích

thích về trạng thái cơ bản, một lượng nhỏ chất pha tạp (chất kích hoạt) được

thêm vào chất nhấp nháy vô cơ. Những chất pha này tạo thành những nút đặc

biệt trong cấu trúc mạng tinh thể làm thay đổi cấu trúc của dải năng lượng.

Một hạt mang điện đi qua chất nhấp nháy sẽ tạo ra một lượng lớn các cặp

electron-lỗ trống, làm dịch chuyển các electron từ vùng hoá trị lên vùng dẫn.

Lỗ trống sẽ dịch chuyển về phía tâm kích hoạt và ion hoá nó, do năng lượng

ion hoá của chất pha tạp bé hơn nên electron có thể dịch chuyển tự do trong

tinh thể và bị bắt ở tâm ion hoá để tạo ra một phần tử trung hoà, sự dịch

chuyển như vậy tạo ra một tập hợp các trạng thái năng lượng kích thích. Nếu

-7

trạng thái được tạo ra là một trạng thái kích thích được phép dịch chuyển về

trạng thái cơ bản, nó khử kích thích một cách nhanh chóng (~10 sec.) và phát

ra photon quan sát được (phụ thuộc vào chất kích hoạt thích hợp).

Quá trình cạnh tranh thứ hai là khi các electron ở phía trên di chuyển đến

vùng pha tạp có thể làm kích thích sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản mà lẽ

ra nó bị cấm. Các dịch chuyển như vậy có thể tạo ra các trạng thái kích thích

của phân tử và tạo ra các dịch chuyển về trạng thái cơ bản. Nguồn gốc của

năng lượng kích thích này là kích thích nhiệt và ánh sáng phát ra sau đó gọi là

sự phát lân quang. Quá trình này cũng xảy ra sau quá trình phát sáng rực rỡ

trong chất nhấp nháy. Các nguồn sáng này giống như một nguồn sáng phông.

Quá trình dịch chuyển của các lỗ trống là một sự thay thế của các electron-lỗ

trống giống như một sự dịch chuyển mức kích thích. Quá trình đó diễn ra ở

các biên giới hạn của trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích làm cho độ

rộng vùng cấm bị thu hẹp.

II.3.4. Các kiểu nhấp nháy vô cơ

NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất của NaI(Tl) là khả năng phát sáng rất tốt. Ánh

sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các electron (và các tia

gamma). Nó được sử dụng phổ biến và được biết như chất nhấp nháy chuẩn

sử dụng trong phổ kế gamma, được chế tạo dưới nhiều hình dạng và kích

thước khác nhau. Các tinh thể NaI(Tl) cần được bảo quản trong hộp kíp để

tránh hút ẩm và ánh sáng. Tinh thể dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt. Thời

gian phân rã của xung nhấp nháy tạo ra vào khoảng 230 ns nên không phù

hợp với các ứng dụng cần thời gian phân giải nhanh hoặc các ứng dụng có tốc

độ đếm cao.

CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn so với

sodium iodide. Nhờ ưu điểm này nó được sử dụng trong các ứng dụng cần các

đetectơ có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn. Nó

ít bị vỡ hơn sodium iodide nên bảo quản dễ hơn trong các điều kiện dễ gây

sốc và va đập. Khi các thiết bị đo sử dụng photodiode mở rộng sang vùng ánh

sáng đỏ thì chất nhấp nháy này có hiệu suất cao nhất so với các chất nhấp

nháy khác.

6 nơtron dựa trên phản ứng

LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác định

Li(n,α).

3 rất cao (7.3 g/cm

Bismuth Germanate(BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ

) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng quang

điện rất lớn. Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra chỉ bằng 10-20% so với

NaI(Tl) còn độ phân giải thì kém hơn hai lần so với NaI (Tl).

Barium Fluoride (BaF2): Hiện tại vẫn còn đang chế tạo thử nghiệm, đây là

loại vật liệu có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns. Sự kết hợp của các đặc

điểm này tạo nên loại vật liệu đặc biệt sử dụng cho các đetectơ nhấp nháy có

hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh.

ZnS(Ag): Chất nhấp nháy này có hiệu suất rất cao so với NaI(Tl) nhưng chỉ

được cung cấp dưới dạng bột đa tinh thể. Khi chế tạo với mật độ lớn hơn 25mg/cm2 sẽ làm cho vật liệu trở nên mờ đục và giảm cường độ của ánh sáng

phát ra. Nó được sử dụng để đo anpha hoặc các ion nặng.

CaF2(Eu): Chất nhấp nháy này hầu như không hút ẩm và trơ do đó có thể sử

dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Có khả năng chịu được va đập,

hoá chất, bay hơi ở áp suất thấp nên thích hợp khi sử dụng trong môi trường

chân không.

CsF: Rất tốt cho các phép đo thời gian vì thời gian phân giải nhanh nhưng

năng suất phát sáng chỉ bằng 5-10% so với NaI(Tl).

Chất nhấp nháy thủy tinh: Các chất nhấp nháy thuỷ tinh hiện đại được chế tạo

từ hỗn hợp của các chất như SiO2, LiO2, Al2O3, MgO và Ce2O3 có bổ sung

thêm một ít BaO để tăng mật độ. Ánh sáng phát ra thường vào cỡ 20-30% so

với antracen. Các chất nhấp nháy thuỷ tinh thường được sử dụng để đếm

gamma hoặc beta ở các khu vực có điều kiện môi trường khắc nghiệt như dễ

bị hoá chất ăn mòn hoặc vận hành dưới nhiệt độ cao. Thời gian phân giải của

chất nhấp nháy thuỷ tinh thường vào cỡ 50-75 ns. Vì chất nhấp nháy thuỷ tinh

có thể lẫn các chất phóng xạ tự nhiên như Th hoặc K do đó cần đề phòng khi

sử dụng chất nhấp nháy này trong các ứng dụng phông thấp.

Các chất nhấp nháy khí: Các khí tinh khiết như xenon và helium có thể sử

dụng để làm chất nhấp nháy. Bức xạ hoặc hạt mang điện có thể kích thích

phân tử khí khi đi ngang qua môi trường này. Các phân tử khí bị kích thích sẽ

trở về trạng thái cơ bản làm phát ra các photon (có bước sóng nằm gần vùng

tử ngoại). Có thể thêm một lượng nhỏ khí khác như N để làm dịch phổ bức xạ

bằng cách hấp thụ bức xạ tử ngoại sau đó phát bức xạ năng lượng ở bước

sóng dài hơn. Trong chất nhấp nháy này có thể tạo ra một số các kiểu khử

kích thích khác như sự dao động của các phân tử hoặc quá trình tự tắt. Hiệu

suất của các chất nhấp nháy khí khá thấp nhưng thời gian phân giải là khá

ngắn chỉ khoảng vài nano giây hoặc bé hơn.

Bên cạnh ưu điểm nhanh, chất nhấp nháy khí có ưu điểm dễ chế tạo đetectơ

với các kích thước và hình học khác nhau. Có khả năng ghi tất các các loại

bức xạ. Nhược điểm chính của loại nhấp nháy này là năng suất phát sáng thấp

loại tốt nhất cũng nhỏ hơn NaI(Tl) một bậc đối với hạt mất từ 3-10% năng

lượng. Một số khí trơ khi ở trạng thái lỏng hoặc rắn có hiệu suất cao hơn.

II.4. Các thiết bị xác định photon

Hình 13. Các phần tử cơ bản của ống nhân quang.

Ánh sáng đi qua cửa sổ và đập vào catốt của ống nhân quang, nó truyền năng

lượng của mình cho các electron và làm bứt các electron này ra khỏi catốt.

Ứng với một chùm sáng trong tinh thể chất nhấp nháy, ống nhân quang sẽ tạo

ra một xung trong khoảng thời gian tương tự. Để có được một xung phù hợp

cần phải có vài trăm quang electron, do đó tín hiệu điện tạo ra là khá nhỏ. Vì

vậy, cần phải khuếch đại lượng electron tạo ra trong một xung ánh sáng từ

chất nhấp nháy lên đến 10 ÷10 electron. Các electron này được thu góp ở

anốt hoặc ở các điện cực dọc theo hệ thống nhân.

Hầu hết ống nhân quang đều khuếch đại điện tích một cách tuyến tính, các

xung được tạo ra tỉ lệ với số quang electron ban đầu. Có dải biên độ rộng, có

thể lưu được thông tin về mặt thời gian. Một ống nhân quang điển hình khi

chiếu chùm ánh sáng trong một khoảng thời gian ngắn thì sau khoảng 20-50

nano giây một xung các electron có độ rộng vài nano giây sẽ được tạo ra.

Ngày nay các ống nhân quang đã được cung cấp thương mại, có nhiều kích

thước và đặc trưng khác nhau để đáp ứng cho nhiều ứng dụng riêng.

So sánh giữa tế bào quang điện (PV) và ống nhân quang (PM):

Tham số Tế bào quang điện Ống nhân quang

Đáp ứng trên dải rộng, thích Tuỳ thuộc vào kiểu ống nhân Đáp ứng phổ quang ví dụ S-11, S-10, S-20. hợp từ 400 nm ÷ 1150 nm.

Từ pico W đến 1 W, không Rất nhạy, đo photon có Độ tuyến tính với trễ, rất tuyến tính khi cường cường độ sáng ở mức micro cường độ sáng độ ánh sáng yếu. oát. Độ tuyến tính bị giới hạn.

Ảnh hưởng của từ Không bị tác động Dễ bị tác động trường

~ 250 g với loại đường kính Trọng lượng < 10 g 2"

Yêu cầu về điện Có cấp điện ngoài Đòi hỏi phải có cao áp để đạt hệ số nhân ~106-107

Thường có kích thước lớn, Về kích thước Kích thước nhỏ, thô dễ vỡ

Như vậy kỹ thuật nhấp nháy trong đo bức xạ là một kỹ thuật lâu đời, các

đetectơ NaI(Tl) đã được sử dụng như một chất nhấp nháy vô cơ điển hình

trong xác định bức xạ. Các chất nhấp nháy có Z cao như CsI(Tl), BGO, v.v...

có ưu điểm có hệ số hấp thụ bức xạ lớn nhưng có nhược điểm thời gian phân

rã sau khi phát huỳnh quang kéo dài. BaF2, CsI ,… được sử dụng trong các

ứng dụng cần thời gian phân giải nhanh hoặc sử dụng trong các thiết bị vi

điện tử dùng pin, công suất tiêu thụ thấp. Sự phát triển chung của các vật liệu

phát quang mới và sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử đã vẽ nên một viễn cảnh về

các thiết bị ghi đo bức xạ mới trong tương lai.

Các chất nhấp nháy hữu cơ plastic và lỏng có vai trò quan trọng trong đo liều,

đo các bức xạ hạt. Chất nhấp nháy plastic mỏng hầu như không che chắn

gamma nên sử dụng để đo liều beta rất tốt.

Ống nhân quang vẫn chiếm vai trò chủ đạo trong các đetectơ đo photon. Hiện

tại, sự phát triển của các vật liệu bán dẫn làm catốt nhiệt độ cao, độ lợi lớn và

sự thu nhỏ kích thước của ống nhân quang tạo cho các thiết bị này thêm thuận

tiện. Tuy nhiên tế bào quang điện có dải phổ rộng, không chịu tác động của từ

trường có thể trở thành thiết bị thay thế ống nhân quang trong tương lai.

III. Đetectơ bán dẫn

Trong nhiều ứng dụng đo bức xạ, sử dụng vật liệu có khối lượng trung bình

có nhiều thuận lợi hơn so với sử dụng vật liệu khí. Các vật liệu bán dẫn có

mật độ cao thích hợp cho ghi các electron và gamma năng lượng cao. Ngày

nay sử dụng các đetectơ bán dẫn không chỉ thu được nhiều thông tin hơn về

bức xạ cần đo mà còn cho độ phân giải năng lượng tốt nhất so với các loại

đetectơ khác.

Mặc khác, các đetectơ bán dẫn có thêm một số ưu điểm như sự tuyến tính

theo năng lượng của biên độ xung, không bị tác động nhiều bởi từ trường, cửa

sổ mỏng, kích thước phù hợp, thời gian phân giải tương đối nhanh, có thể chế

tạo với các độ dài khác nhau cho các ứng dụng riêng.

III.1. Đặc điểm của các vật liệu bán dẫn

Các vật liệu bán dẫn ở dạng tinh thể, các lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử cho

biết cấu trúc năng lượng của nó. Năng lượng của một electron bất kỳ trong vật

liệu tinh khiết phải thuộc vào một trong các dải năng lượng này. Nó cách

nhau bằng một khe năng lượng hoặc một vùng cấm, hình 14a là cấu trúc năng

lượng của chất cách điện, hình 14b là cấu trúc năng lượng của chất bán dẫn.

Hình 14. Cấu trúc năng lượng trong chất cách điện và chất bán dẫn.

Dải năng lượng thấp nhất được gọi là dải hoá trị, trong dải này các electron

nằm ở các nút mạng tinh thể. Dải năng lượng cao hơn tiếp theo được gọi là

dải dẫn, các electron trong dải này có thể chuyển động tự do trong tinh thể tạo

nên tính dẫn điện của vật liệu. Số các electron tự do trong tinh thể tương ứng

với số các electron được cung cấp từ dải hoá trị. Khi không có kích thích

nhiệt, các electron trong chất cách điện và chất bán dẫn đều đều nằm trong dải

hoá trị, trong dải dẫn hoàn toàn không có các electron. Ở điều kiện này, về

mặt lý thuyết mà nói sẽ không có bất kỳ một sự dẫn điện nào.

Hai dải năng lượng ngăn cách nhau bằng một vùng trống, kích thước của

vùng trống phụ thuộc vào loại vật liệu là cách điện, bán dẫn hay dẫn điện. Tuy

nhiên với các kim loại, các vùng này phủ lên nhau do đó các electron sẽ di

chuyển tự do trong vật liệu nên chúng là những chất dẫn điện tốt.

Khi bức xạ đi vào vật liệu bán dẫn, quá trình xảy ra tương tự như trong buồng

ion hoá khí. Bức xạ hạt nhân đến đetectơ làm tăng số electron dịch chuyển từ

dải hoá trị lên dải dẫn, để lại các lỗ trống mang điện dương trong dải hoá trị.

Điện trường làm cho các electron và lỗ trống dịch chuyển về phía các điện

cực tương ứng. Kết quả là điện tích được tạo ra ở mạch ngoài do đó bức xạ có

thể được xác định.

III.2. Sự tái hợp và bị bắt giữ

Nhiều electron và lỗ trống không đến được các điện cực, chúng bị mất trong

quá trình di chuyển do sự tái kết hợp hoặc bị chất pha tạp bắt ở các nút mạng

tinh thể. Theo lý thuyết, thời gian sống trung bình của phần tử mang điện

trước khi tái hợp trong chất bán dẫn tinh khiết có thể lên đến 1 giây. Tuy

nhiên, các thực nghiệm cho thấy thời gian sống nằm trong dải từ nano giây

đến hàng trăm micro giây chứng tỏ sự phức tạp của quá trình. Sự tái kết hợp

là một cơ chế có nguồn gốc do sự không sạch của vật liệu, ở các vị trí đó các

electron sẽ bị bắt trong dải dẫn làm thay đổi thời gian tách hoặc giữ, các lỗ

trống giống như các bẫy bắt nơtron. Quá trình bắt làm xảy ra sự thu góp

không hoàn toàn các điện tích ở các cực và làm thay đổi độ phân giải.

III.3. Quá trình di chuyển điện tích trong chất bán dẫn

III.3.1. Khi không có trường ngoài tác động

Ở nhiệt độ khác không, do tác dụng của chuyển động nhiệt electron có thể

chuyển động lên dải dẫn (ví dụ chuyển động nhiệt làm bứt các electron ở biên

của dải hoá trị và di chuyển trong tinh thể). Quá trình kích thích tạo ra một

electron trong vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong dải hoá trị. Sự kết hợp

của cặp electron-lỗ trống trong chất bán dẫn gần giống như của cặp ion-

electron trong đetectơ khí. Dưới tác dụng của điện trường, cặp electron-lỗ

trống di chuyển trong vùng dẫn và trong dải hoá trị theo ngược chiều nhau

làm cho vật dẫn điện. Xác suất tạo ra cặp electron-lỗ trống trong một đơn vị

3/2

thời gian do tác dụng của chuyển động nhiệt là:

p(T) = C T (11) exp (-Eg/2kT)

Trong đó T = nhiệt độ tuyệt đối,

Eg = độ rộng khe năng lượng (năng lượng vùng cấm),

k = hằng số Boltzmann,

C = hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào từng vật liệu.

Khi không có điện trường ngoài, các electron và lỗ trống tạo ra do chuyển

động nhiệt lại tái kết hợp và thiết lập trạng thái cân bằng động. Công thức

(11) cho thấy lượng electron-lỗ trống ở trạng thái cân bằng là một hàm phụ

thuộc mạnh vào nhiệt độ và giảm mạnh nếu vật liệu bị làm lạnh.

III.3.2. Khi có trường ngoài tác động

Khi có một điện trường ngoài áp vào chất bán dẫn, một phần các electron và

lỗ trống sẽ tái hợp ngẫu nhiên, phần còn lại sẽ di chuyển theo hướng tác dụng

của điện trường. Sự di chuyển của các electron là quá trình thực còn sự di

chuyển của các lỗ trống là do sự chuyển chỗ của các electron trong dải hoá trị

vào các lỗ trống, sự di chuyển của electron để lại phía sau một lỗ trống, quá

trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi lỗ trống di chuyển đến cực ngoài.

Dưới tác dụng của một điện trường thấp, vận tốc trôi dạt của electron và lỗ

trống là tỉ lệ với điện trường. Ở các giá trị điện trường cao hơn, sự tăng vận

tốc trôi dạt dần đạt đến sự bão hoà. Sự bão hoà xảy ra vì một phần tỉ lệ với

năng lượng thu được từ các electron và lỗ trống bị mất do va chạm với các nguyên tử của mạng. Ở vận tốc bão hoà vào khoảng 107cm/s, thời gian cần

thiết để thu góp điện tích trên kích thước 0.1cm vào khoảng 10 n giây. Do đó,

các đetectơ bán dẫn có thời gian đáp ứng nhanh nhất so với tất cả các kiểu

đetectơ ghi bức xạ khác.

III.4. Tác dụng của việc pha tạp

Khi không có bức xạ ion hoá, trong tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết, số

-3

electron và lỗ trống là bằng nhau và vật liệu khi đó được gọi là bán dẫn thuần.

-3

cm đối Mật độ lỗ trống và electron ở nhiệt độ phòng vào khoảng ρ≈1.5×10

cm đối với Ge. với Si và ≈2.4×10

Khi pha tạp một lượng nhỏ các nguyên tử có hoá trị ba vào silic và hoá trị

năm vào Germani sự cân bằng này sẽ thay đổi và chất bán dẫn được gọi là

bán dẫn pha tạp.

III.5. Chất bán dẫn loại p

Nếu chất pha tạp có hoá trị ba, trường hợp hình 15 a, nó chiếm hoặc thay thế

một nút mạng, do có 3 electron hoá trị nên nó vẫn thiếu một liên kết. Để hoàn

thành liên kết đó nguyên tử pha tạp phải chiếm một electron thuộc nguyên tử

của chất bán dẫn. Như vậy nguyên tử của chất pha tạp biến thành một ion âm

còn nguyên tử của chất bán dẫn mất một electron sẽ chiếm electron của một

nguyên tử khác tạo liên kết, sự dịch chuyển lang thang của liên kết chưa được

hoàn thành là sự dịch chuyển của điện tích lỗ dương chưa được bù trừ trong

các liên kết.

Hình 15 (a) Pha tạp tạo bán dẫn loại p. (b) Pha tạp tạo bán dẫn loại n.

Bình thường, do chuyển động nhiệt trong tinh thể luôn có một số electron lấp

đầy dải hoá trị do chất pha tạp loại nhận tạo ra như trên hình 15 a. Vì sự khác

nhau về năng lượng giữa chất cho và đỉnh của vùng hoá trị là không lớn nên

phần lớn các nguyên tử của chất cho ở các nút mạng được lấp đầy bởi các

electron đến từ các nguyên tử của chất nhận ở kế bên. Sự di chuyển này tạo ra

những lỗ trống trong vùng hoá trị. Sự thừa các phần tử lỗ trống làm cho chất

bán dẫn trở thành bán dẫn loại p.

III.6. Chất bán dẫn loại n

Nếu chất pha tạp có hoá trị 5 như quá trình minh hoạ trên hình 15 b. Nguyên

tử pha tạp sẽ chiếm một nút trong mạng tinh thể, bốn trong năm electron của

nó liên kết với bốn nguyên tử của chất bán dẫn bằng liên kết cộng hoá trị.

Electron còn lại bị các nguyên tử lân cận hút làm giảm năng lượng liên kết

của nó với nguyên tử pha tạp đi khoảng ε2 lần, trong đó ε là hằng số điện môi

của Ge hoặc Si, (~16 với Ge) do đó chỉ cần một năng lượng rất nhỏ là có thể

bứt được electron này khỏi nguyên tử và trở thành phần tử tự do tải điện, nó

làm giảm năng lượng của vùng cấm trong tinh thể và tạo nên phần tử mang

điện chủ yếu trong chất bán dẫn nên được gọi là bán dẫn loại n. Trong bán

dẫn sẽ có một lượng lỗ trống nào đó gây bởi các chuyển dời của electron từ

vùng hoá trị, nghĩa là trong sự ion hoá các nguyên tử của chính chất bán dẫn.

Tuy nhiên năng lượng đó là đáng kể thế nên phần tử tải điện chính trong bán

dẫn này vẫn là các electron.

Đơn vị đo mức độ pha tạp trong vật liệu bán dẫn là độ dẫn điện hoặc điện trở

suất. Với silicon sạch điện trở suất có thể đạt giá trị vào khoảng 50,000 Ω-cm,

theo lý thuyết giá trị này có thể lớn hơn 200,000 Ω-cm.

Ở nhiệt độ phòng, ảnh hưởng của sự pha tạp lên điện trở suất của Si là lớn

hơn so với Ge vì độ rộng khe năng lượng của Ge bé hơn so với Si do đó đòi

hỏi phải pha tạp nhiều hơn để thay đổi độ dẫn. Khi pha tạp với nồng độ 10

nguyên tử/cc vào Si để tạo bán dẫn loại p thì điện trở tương ứng vào khoảng

500 Ω-cm, trong khi đó với Ge chỉ đạt giá trị 50 Ω-cm. Cách khác để thay đổi

điện trở đó là làm lạnh chất bán dẫn ở nhiệt độ nitơ lỏng, điện trở dẫn của chất

bán dẫn khi đó sẽ lớn hơn.

III.7. Bán dẫn lưỡng tính

Nếu lượng chất cho và nhận trong chất bán dẫn bằng nhau thì vật liệu mang

tính bù trừ. Những vật liệu như vậy có đặc điểm giống như chất bán dẫn thuần

vì các electron đóng góp từ các chất cho bị loại bỏ do bị bắt ở các vị trí pha

tạp của chất nhận.

Trong thực tế, rất khó đạt được sự cân bằng một cách chính xác luôn có một

sự mất cân bằng nhỏ giữa chất cho và chất nhận, điều đó làm cho chất bán

dẫn trở thành bán dẫn loại p hoặc loại n. Trong thực tế chỉ đạt được sự cân

bằng trong thể tích Si hoặc Ge lớn có cấy ion Li sau khi chế tạo. Vì chuyển

động của Li ở nhiệt độ phòng là lớn do đó các đetectơ Ge này cần được làm

lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng và duy trì liên tục để ngăn sự bù trừ. Với Si, sự di

chuyển của Li là bé hơn nên nếu để ở nhiệt độ phòng một thời gian ngắn có

thể không đủ để làm nóng đetectơ. Đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu bù

trừ là điện trở suất của nó cao.

III.8. Các đặc điểm của chất bán dẫn tốt

Các đặc điểm của một chất bán dẫn tốt sử dụng làm đetectơ đo bức xạ cần có:

(a) Năng lượng vùng cấm nhỏ để tạo ra một lượng lớn các cặp electron và lỗ

trống khi tương tác với bức xạ hạt nhân.

(b) Khi không hoạt động, mật độ của các phần tử mang điện phải thấp để có

dòng rò nhỏ.

đảm bảo hiệu suất thu góp và thời gian tăng của tín hiệu nhanh.

(d) Không bị trễ do quá trình bắt để thời gian tăng nhanh, không ảnh hưởng

nhiều do không gian mang điện.

(e) Số Z lớn để có tiết diện quang điện với tia gamma lớn.

So với các đetectơ khác, sử dụng các đetectơ bán dẫn thường có nhiều ưu

điểm. Các đetectơ này có độ phân giải năng lượng cao, ổn định, không bị trôi

giạt, thời gian phân giải rất tốt, cửa sổ có thể rất mỏng.

III.9. Độ linh động của các phần tử tải điện

Trong buồng ion hoá rắn cũng như buồng ion hoá chứa khí, vận tốc của các

phần tử mang điện chuyển động về các điện cực tỷ lệ với tích số giữa độ linh

động µ của chúng với cường độ điện trường E đặt lên buồng đo:

v+ = µ+.E; v- = µ-.E

Nếu µ càng lớn thì thời gian thu thập các phần tử tải điện càng ngắn và độ

phân giải thời gian của đetectơ càng tốt. Nếu độ linh động của các phần tử tải

điện dương và âm bằng nhau hoặc rất gần nhau thì biên độ tín hiệu từ buồng

sẽ không phụ thuộc vào vị trí tạo nên các phần tử mang điện trong thể tích

nhạy. Thứ nguyên của v là cm/s, của cường độ điện trường là Vôn/cm nên thứ

nguyên của µ là cm2/Vôn.s.

III.10. Tính điện trở suất của đetectơ bán dẫn

Giả sử giá trị trung bình của dòng đi qua khối bán dẫn là I = U/R với R là trở

của khối bán dẫn, U là điện áp đặt lên khối bán dẫn. Giả sử t là thời gian di

chuyển của các phần tử tải điện giữa các điện cực và e là điện tích của các

/(Re)

n =

phần tử tải điện. Khi đó, sau thời gian t, đetectơ sẽ có một số lượng cặp phần

. Nếu coi mật độ các phần tử tải điện tuân tử tải điện tích đi qua là

/(Re)

n =σ

theo phân bố Poisson thì chúng ta sẽ thu được độ lệch chuẩn:

310 −

Số cặp phần tử tải điện do hạt có năng lượng E tạo nên trong buồng là E/ω với ω là năng lượng để tạo nên một cặp phần tử tải điện. Yêu cầu để tỷ số tín

=E

hiệu nhiễu trên tín hiệu có ích là 10-3 thì ta có: . Điều yêu cầu

/ nωσ

này là bình thường vì độ phân giải năng lượng ở các đetectơ có chất lượng tốt

vào khoảng 0,1÷0,3% đối với E = 1÷2 MeV.

E

)

.(

eUt /

10).

R ω≥ ( /

Như vậy: (11)

hoặc là đối với điện trở suất:

E

)

.(

eUt /

10).

ρ≥

ds ω )( /( /

với s là tiết diện đetectơ, d là khoảng cách giữa các điện cực. Vậy:

/

)

.(

sUt

/(

de

)).

10 Eωρ≥ (

Chúng ta coi độ linh động của các phần tử tải điện dương và âm đều như nhau

và bằng µ. Khi đó, giới hạn trên của thời gian di chuyển của các phần tử tải

điện với khoảng cách d bằng thời gian tập hợp các phần tử tải điện là t =

d2/(Uµ). Lúc đó, điện trở suất là:

(

E

)

/(1.(

)).

10 V≥ / ωρ

e µ

(12)

với V là thể tích của đetectơ tính theo cm3. Ở nhiệt độ phòng, độ linh động

của các phần tử tải điện (cả ở chất dẫn điện cũng như chất bán dẫn) thường

vào cỡ 103 cm2/(V.s), còn ω vào cỡ 3 ÷ 7 eV. Khi sử dụng V = 1cm3, E = 1

MeV thì ta thu được giá trị điện trở suất tối thiểu là 1010 Ω.cm.

Trong tự nhiên thì chất cách điện có trở suất 1016 Ω.cm – không sử dụng làm

đetectơ được do quá trình tái hợp mạnh. Do vậy phải dùng chất bán dẫn để tạo

vùng nghèo phần tử tải điện.

III.11. Sử dụng chất bán dẫn làm đetectơ đo bức xạ

Bức xạ đến đetectơ bán dẫn làm tăng số electron hoá trị chuyển lên vùng dẫn

và để lại một lỗ trống mang điện dương trong dải hoá trị. Dưới tác động của

điện trường áp vào chất bán dẫn, các electron và lỗ trống dịch chuyển về các

điện cực. Các tín hiệu này được thu góp ở mạch ngoài và quá trình xác định

bức xạ được thực hiện. Các kiểu đetectơ khác nhau được sử dụng để đáp ứng

các ứng dụng khác nhau và cho các loại bức xạ khác nhau.

III.12. Đặc điểm của mối nối trong chất bán dẫn

Mối tiếp xúc p-n giữ vai trò như một diode. Đặc điểm của mối nối này là sẽ

dẫn rất mạnh khi điện áp đặt cùng chiều và dẫn rất bé khi điện áp đặt ngược

chiều. Trong cấu hình này khi đặt điện áp dương được vào mặt p của mối nối

và phần tương ứng vào mặt n, thế năng sẽ hướng các electron từ mặt n và lỗ

trống từ mặt p chuyển động qua mối nối. Nếu độ dẫn qua mối nối bị tăng, có

nghĩa dòng dò trở nên lớn hơn và không thể sử dụng được cho các ứng dụng

của chúng ta.

Nếu phân cực nghịch, mặt p của mối nối được áp điện áp âm và n áp điện

dương, bây giờ các phần tử tải điện thiểu số electron ở bên cực p và lỗ trống

bên cực n sẽ dịch chuyển qua mối nối và do độ dẫn thấp nên dòng rất nhỏ.

Mối nối p-n giống như một phần tử chỉnh lưu, cho dẫn dòng điện đi theo một

chiều. Sử dụng phân cực ngược trên diode để tạo ra một vùng trống và tất cả

các điện trường là băng ngang qua vùng này vì điện trở của nó là cao hơn so

với kiểu vật liệu bán dẫn n hoặc p thông thường. Vì điện áp đặt ngang qua

vùng trống và lớp này chỉ kích hoạt khi có bức xạ hạt nhân bay vào.

Độ rộng vùng nghèo được xác định bằng điện áp và mật độ phần tử mang

điện. Độ dày của vùng nghèo với mối nối chuẩn là tỉ lệ với điện áp phân cực

cho đetectơ. Nếu điện áp phân cực ngược quá cao sẽ xảy ra hiện tượng đánh

thủng diode và dòng điện sẽ tăng đột ngột làm hỏng cấu trúc của đetectơ.

III.13. Các loại đetectơ bán dẫn

III.13.1. Đetectơ diode

o (như P) vào một đầu của chất bán dẫn loại p ở nhiệt độ cao (~1000

Các đetectơ này thường được chế tạo bằng cách khuếch tán vật liệu loại n

C). Bằng

cách thay đổi thời gian khuếch tán, có thể tạo ra các mối nối có độ sâu khoảng

vài chục micro mét đến hai micro mét. Do quá trình khuếch tán, bề mặt của

chất bán dẫn trở nên được pha tạp do đó vùng nghèo được mở rộng với các

phần tử loại p. Kiểu đetectơ này tương đối thô, có điện trở lớn hơn so với các

đetectơ hàng rào mặt. Lớp bên ngoài vùng nghèo hoạt động giống như một

lớp chết hoặc cửa sổ mà bức xạ cần phải đi qua trước khi đến vùng nghèo.

Nếu bức xạ mất năng lượng trong lớp này thì nó sẽ không được ghi nhận. Do

đó năng lượng ghi nhận được hầu như thấp hơn năng lượng của hạt. Vì quá

trình khuếch tán cần được tiến hành ở nhiệt độ cao nên nó làm giảm thời gian

thu góp các hạt mang điện nhưng làm tăng nhiễu trong đetectơ.

III.13.2. Các đetectơ hàng rào mặt (SSD)

Các đetectơ này có mối tiếp xúc được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn và một

kim loại nào đó, thường là bán dẫn silic kiểu n với vàng hoặc silic kiểu p với

nhôm. Do sự khác nhau của các mức Fermi trong những vật liệu này, mối tiếp

xúc gây ra một suất điện động khi cả hai được đặt tiếp xúc với nhau làm tạo ra

một dải các mức thấp hơn trong chất bán dẫn. Nó giống như tiếp xúc np và

2 được chế tạo bằng cách làm bay hơi kim loại và có mật độ ~40 µg/cm

một vùng nghèo trong chất bán dẫn (thường vào cỡ ~5 mm). Cửa sổ lối vào

để

không làm mất nhiều năng lượng của hạt tới. Các đetectơ này là những

đetectơ nhạy với ánh sáng và sự nhiễm bẩn bề mặt do đó cần được giữ trong

buồng tối và giữ bề mặt sạch sẽ.

III.13.3. Các đetectơ cấy ion

Tiếp xúc cấy ion được tạo ra bằng cách dung máy gia tốc bắn chùm hạt ion

chất pha tạp vào tinh thể chất bán dẫn. Bằng cách thay đổi năng lượng của

o thể. Các chất bán dẫn này được tôi ở nhiệt độ ~500

chùm hạt ion tới, có thể điều khiển được độ sâu và mật độ ion thêm vào tinh

C để giảm sự hư hỏng do

quá trình cấy ion. So với các đetectơ hàng rào mặt, các đetectơ này ổn định

hơn, ít nhạy với với các điều kiện môi trường và có cửa sổ mỏng tương đương

với cỡ ~34 nm Si.

Các đetectơ được chế tạo dựa trên kỹ thuật cấy ion tương đối ổn định và độ

tuyến tính, chúng được sử dụng làm các đetectơ đo năng lượng. Các lớp chết

ở đầu và cuối là nhỏ, thời gian đáp ứng nhanh. Chi phí cho chế tạo kiểu

đetectơ này thường đắt hơn so với các kiểu đetectơ khác.

III.13.4. Các đetectơ cửa sổ mỏng

Quá trình chế tạo đetectơ cửa sổ mỏng có thể mô tả như sau: Tấm Si sau khi

được làm nhẵn và sạch, một lớp oxit trên bề mặt được tạo bằng cách nung

nhiệt. Tiếp theo kỹ thuật quang khắc được sử dụng để loại bỏ các vùng oxy

hoá ở khu vực cửa sổ vào của đetectơ. Mối tiếp xúc được tạo bằng cách

chuyển đổi một lớp mỏng Si trong vùng cửa sổ thành vật liệu kiểu p thông

qua quá trình cấy các ion chất nhận bằng máy gia tốc. Để tạo một tiếp xúc

điện trên bề mặt của tấm bán dẫn cần chuyển bề mặt thành bán dẫn loại n+

bằng cách cấy các ion của chất nhận. Sự hư hỏng tạo ra do quá trình cấy được

loại bỏ bằng ủ nhiệt. Cuối cùng, nhôm được làm bay hơi và gắn vào bề mặt

sau của vật liệu bán dẫn bằng kỹ thuật in quang để tạo ra tiếp xúc điện.

Ưu điểm nổi bật của các đetectơ này là các mép của mối tiếp xúc được tạo ra

bằng kỹ thuật cấy ion nên gắn chắc trong tấm bán dẫn. Quá trình oxy hoá bề

mặt giữ cho dòng rò bé hơn trong các đetectơ hàng rào mặt. Sự hình thành các

lớp p+ bằng cấy ion cho phép chế tạo các cửa sổ hoặc các lớp chết mỏng,

đồng đều và đảm bảo được độ phân giải năng lượng. Mặt trước được nhôm

hoá nên chắc chắn và ít hư hỏng hơn so với sử dụng vàng trong các đetectơ

hàng rào mặt.

III.14. Ứng dụng của các đetectơ bán dẫn trong phổ kế đo các hạt mang

điện

Các diode Si là các đetectơ được chọn cho xác định các hạt mang điện. Một

số ứng dụng phổ biến của nó như phổ kế anpha, đo các sản phẩm phân hạch,

các proton, các deuteron và các ion nặng khác.

Trong trường hợp vùng nghèo lớn hơn quãng chạy của các hạt tới thì việc xác

định rất đơn giản. Với các hạt tới đơn năng, trong phổ quan sát được sẽ chỉ có

một đỉnh hấp thụ toàn phần, không có các quá trình tán xạ khác làm mất đáng

kể năng lượng. Với các đetectơ thuần, độ sâu vùng nghèo đơn giản là độ dày

của tấm Si. Trong một số trường hợp riêng, độ sâu vùng nghèo tăng theo cao

áp đặt vào đetectơ do đó cần giới hạn điện áp để không làm hỏng đetectơ. Cao

thế cực đại và độ sâu tương ứng là các đặc trưng của đetectơ được nhà sản

xuất cung cấp.

241

Các loại diode Si vận hành ở nhiệt độ phòng là tiêu chuẩn lý tưởng để làm

đetectơ đo anpha và các ion nhẹ khác. Với nguồn Am (có năng lượng 5.486

MeV), các đetectơ Si nhỏ cho độ phân giải vào cỡ 10-11 KeV, còn với các

đetectơ lớn hơn cho độ phân giải vào cỡ 15-20 KeV.

III.15. Các đetectơ Ge(Li)

Hạn chế chính của các đetectơ tiếp xúc khuếch tán và các đetectơ hàng rào

mặt là giới hạn của độ sâu vùng nghèo và thể tích vùng hoạt. Mặc dù sử dụng

các vật liệu có điện trở cao nhất và cao áp ở gần giá trị đánh thủng thì độ sâu

vùng nghèo cũng chỉ đạt được tối đa từ 2-3 mm. Trong khi đó cần phải có các

độ dày lớn hơn để đo gamma.

Để khắc phục hạn chế đó, các đetectơ bán dẫn khuếch tán Li thể tích lớn đã

chứng tỏ được ưu điểm của mình. Bằng cách tạo ra một vùng của các vật liệu

bù trừ sao cho số lượng pha tạp chất nhận là cân bằng với số lượng pha tạp

chất cho. Vật liệu Si và Ge kiểu p dù có độ sạch cao nhất và chế tạo bằng quy

trình tốt nhất vẫn có một sự mất cân bằng do đó các nguyên tử chất cho cần

được thêm vào để duy trì sự cân bằng. Li được sử dụng như một chất cho.

Bằng cách khuếch tán Li trên bề mặt tinh thể bán dẫn loại p, các nguyên tử

chất cho do Li tạo ra là nhiều hơn các nguyên tử chất nhận ban đầu làm xuất

hiện một vùng kiểu n ở gần bề mặt chiếu bức xạ. Kết quả tạo ra một mối nối

p-n ngược với phân cực của điện áp. Do tác dụng của điện trường, các ion Li

bị làm chậm mức độ xâm nhập vào vùng p, mật độ của chúng tăng dần và xấp

xỉ gần bằng lượng pha tạp của chất nhận ban đầu. Một đặc điểm đáng chú ý

của quá trình khuếch tán là chúng tự động bù trừ những chỗ cần thiết vì phân

bố của Li trong vùng khuếch tán có chiều hướng làm cho điện tích bằng

3 /cm

không ở mọi điểm. Mật độ chất pha tạp cần giới hạn dưới 10 .

Các ion Li có thể được khuếch tán lên cả hai loại tinh thể Si và Ge để chế tạo

các đetectơ. Trong Ge, sự chuyển động nhiệt của các ion Li là khá lớn ngay cả

o cho nhiệt độ tinh thể ở nhiệt độ nitơ lỏng (77

ở nhiệt độ phòng, sự khuếch tán mạnh có thể làm hỏng cấu trúc do đó cần giữ

K). Trong Si, chuyển động nhiệt

của các ion ở nhiệt độ phòng bé hơn do đó có thể bảo quản các đetectơ

[Si(Li)] mà không cần làm lạnh.

Hình 16 là cấu hình p-i-n của một đetectơ Ge(Li) đơn giản. Kỹ thuật khuếch

tán được sử dụng cho cả các đetectơ phẳng và đetectơ đồng trục. Ngày nay,

sự ra đời của các đetectơ HPGe làm các đetectơ Ge(Li) hầu như không còn

được sử dụng nhưng các đetectơ Si(Li) vẫn được sử dụng phổ biến để làm các

phổ kế đo các photon năng lượng thấp (LEPS).

Hình 16. Cấu hình cơ bản của một đetectơ khuếch tán Li có cấu trúc p-i-n.

III.16. Các đetectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe)

Nhược điểm của các đetectơ Ge(Li) là sự phân bố của Li trở nên không kiểm

soát được ở nhiệt độ phòng. Để ngăn cản sự mất khả năng bù trừ trong vùng

nội tại do sự phân bố lại của Li, các đetectơ này phải được bảo quản liên tục

trong nitơ lỏng. Chính vì vậy, nghiên chế tạo các đetectơ có thể bảo quản

hoặc vận hành ở nhiệt độ phòng vẫn được tiến hành.

Nhờ sự tiến bộ của công nghệ, các vật liệu Ge siêu tinh khiết chế tạo bằng kỹ thuật kết tinh đã được cung cấp với mức độ tạp chất vào khoảng 1/1010

nguyên tử Ge. Nhờ vậy, các đetectơ HPGe thể tích lớn đã được chế tạo mà

không cần sử dụng Li để bù trừ. Ưu điểm lớn của các đetectơ này là có thể

bảo quản chúng ở nhiệt độ phòng khi không sử dụng. Tuy nhiên khi vận hành

chúng phải được giữ ở nhiệt độ nitơ lỏng để giảm nhiễu do kích thích nhiệt ở

nhiệt độ phòng của Ge là rất cao. Các đetectơ này có cả hai kiểu phẳng, đồng

trục (cả hai loại n và p). Với các đetectơ phẳng, đường kính của tinh thể

3 cm

thường không quá vài cm do đó thể tích vùng hoạt không vượt quá cỡ 10-30

. Với phổ kế gamma cần các đetectơ có thể tích lớn hơn do đó chúng cần

được chế tạo dưới dạng hình trụ hoặc đồng trục. Trong trường hợp này, một

điện cực đặt ở mặt ngoài của hình trụ và một điện cực được đặt ở mặt trong

3 tạo tinh thể có thể tích lớn (các tinh thể có thể tích lên đến 400 cm

của hình trụ. Vì tinh thể có thể chế tạo dài theo hướng trục do đó có thể chế

đã được

cung cấp thương mại). Các đetectơ này chủ yếu được sử dụng trong phổ kế

gamma.

III.17. Các đetectơ nhạy vị trí

Trong vật lý năng lượng cao, ngoài việc xác định năng lượng của hạt, vị trí

xảy ra phản ứng cũng cần được xác định vì vậy các đetectơ không gian đã

được phát triển. Tín hiệu có thể được lấy liên tục hoặc rời rạc trên các điện trở

chia thế. Các đetectơ sử dụng phương pháp này đã được chế tạo dưới dạng

một chiều và hai chiều. Trong tương lai gần, chúng sẽ được sử dụng trong các

ứng dụng chụp ảnh và an toàn bức xạ. Hai loại đetectơ chính loại này là các

đetectơ một chiều và các đetectơ không gian.

Hình 17. Là sơ đồ nguyên lý của đetectơ xác định vị trí một chiều.

Về cơ bản, đầu dò này là một diode chữ nhật có một điện cực ở mặt trước và

một điện cực ở mặt sau. Chiều dài đặc trưng cho các đầu dò như vậy là 5 cm.

Nếu một hạt tích điện đi qua diode, điện tích thu được tại hai điện cực sẽ tỉ lệ

với điện trở giữa điểm tới của hạt (điểm xảy ra tương tác) với các điện cực

như sau:

xi )( 1 )( xi 2

xR )( 2 xR )( 1

(13)

∝

≈

Độ phân giải vị trí được xác định theo công thức:

CRF DDi

l ∆ l

1 NS /

Q n Q

1 Q

Tk 4 B R

TCk B Q

(14)

Để đảm bảo độ tuyến tính của tín hiệu xác định vị trí, điện trở trong các lớp

phải có độ đồng nhất cao. Các đầu dò tốt độ phi tuyến có thể nhỏ hơn 1% theo

chiều dài của đầu dò và độ phân giải không gian có thể xấp xỉ 250 µm.

Hình 18. a) Sơ đồ nguyên lý của một đetectơ không gian, b) Hình ảnh bên

trong của một đetectơ không gian.

Để tăng độ nhạy và độ phân giải vị trí, các đầu dò một chiều đã được phát

triển thành đầu dò hai chiều (Hình 18 ). Các đầu dò kiểu này có thể được thiết

kế bằng cách tạo thêm các lối ra tín hiệu cách nhau rất gần và nối với nhau

qua các điện trở để tạo thành mạng chia thế. Về phần nào, các đetectơ này có

phần giống với các ống đếm tỉ lệ nhiều dây.

III.18. Các vật liệu bán dẫn khác sử dụng chế tạo đetectơ

Ge vẫn phải làm lạnh khi vận hành nên các ý tưởng tìm kiếm các vật liệu có Z

cao để chế tạo các đetectơ có thể vận hành ở nhiệt độ phòng vẫn tiếp tục.

Nhiều hợp chất đã được nghiên cứu tuy nhiên chỉ có hai loại có nhiều triển

vọng là cadmium telluride (CdTe) đã được cung cấp thương mại và mercuric

iodide (HgI2) vẫn đang được nghiên cứu phát triển.

CdTe là vật liệu đầu tiên (ngoài Silicon) được sử dụng để chế tạo đetectơ hoạt

động ở nhiệt độ phòng. Độ rộng khe năng lượng của nó là 1.45 eV, số khối

của nguyên tử là 48 và 52. Nó cho phép chế tạo ra các đetectơ đo gamma có

hiệu suất cao. HgI2 có số Z cao hơn (80 và 53) và độ rộng vùng cấm là 2.14

eV, năng lượng trung bình tạo một cặp electron-lỗ trống có phần cao hơn

trong Si và Ge (khoảng 4.4 eV).

Các đetectơ này có ưu điểm trong đo gamma nhưng vẫn còn nhiều vấn đề.

HgI2 ở góc độ nào đó gây khó khăn do quá trình thu góp điện tích không hoàn

toàn vì sự bắt giữ và hiệu ứng phân cực do đó thiết kế không gian bị giới hạn

làm giới hạn hiệu suất và độ phân giải. CdTe có phần khả thi hơn nhưng trong

cả hai trường hợp vẫn còn khó khăn để chế tạo được các đetectơ có thể tích

lớn do sự không đồng nhất của nó. Chế tạo ra các tinh thể tốt vẫn còn rất đắt,

quá trình nghiên cứu vẫn đang tiếp tục, hy vọng các hiểu biết vật lý về các vật

liệu này tốt hơn sẽ làm cho khả năng chế tạo các đetectơ này trở nên thực tế

hơn.

III.19. Sử dụng các đetectơ Si và Ge cho các ứng dụng khác nhau

III.19.1. Các ưu điểm của đetectơ Si và Ge

Các đetectơ Si có thể vận hành ở nhiệt độ phòng, có thể đo được năng lượng

tia X (<30 KeV), các đetectơ Si được ưa chuộng vì mép K nằm ở năng lượng

thấp hơn Ge ~11 KeV. Sự hấp thụ photon ở năng lượng này sẽ tạo ra các

electron có động năng bằng không.

Ưu điểm của các đetectơ Ge: Sự làm lạnh không phải là một trở ngại lớn vì

các ứng dụng cần độ phân giải cao các đetectơ Si cũng cần phải làm lạnh.

- Khả năng cung cấp thương mại các vật liệu Ge siêu tinh khiết là lớn.

- Số Z cao hơn Si nên tiết diện hấp thụ quang điện tốt hơn, hiệu suất tốt hơn,...

- Năng lượng trung bình cần thiết cho cặp electron lỗ là bé hơn Si điều đó

mang ý nghĩa thu được nhiều thông tin hơn và có độ thống kê tốt hơn.

- Chuyển động của các phần tử mang điện cao hơn (độ dày bé hơn Si do đó

khả năng thu góp nhanh hơn)

III.19.2. Sự hư hỏng do bức xạ gây ra với các đetectơ bán dẫn

Sự vận hành thích hợp của bất kỳ đetectơ bán dẫn nào đều phụ thuộc vào sự

hoàn hảo của mạng tinh thể, nó ảnh hưởng đến sự bắt các hạt mang điện gây

ra quá trình thu góp không hoàn toàn. Các đetectơ bán dẫn tương đối nhạy với

sự tác động của bức xạ. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào hệ số tác động của

các loại bức xạ (các hạt nhẹ như electron hoặc các hạt nặng như alpha/các sản

phẩm phân hạch), cường độ bức xạ, kiểu vật liệu (n hoặc p), năng lượng,...

Dạng chung của hầu hết các bức xạ là ‘Frenkel defect’, gây ra sự dịch chuyển

một nguyên tử của vật liệu bán dẫn khỏi vị trí của nó trong mạng tinh thể. Sự

phá hỏng cấu trúc này làm tăng các mức bắt giữ trong vùng cấm và làm giảm

số điện tích thu góp được trong chất bán dẫn. Ngoài ra nó còn làm thay đổi độ

dẫn của vật liệu.

Tác động chính của bức xạ đến đetectơ là làm tăng dòng rò và làm tồi độ phân

giải năng lượng. Trong các đetectơ bị tác động mạnh, các đỉnh thoát đôi và

thoát đơn trong phổ thể hiện rõ. Ngoài ra, thời gian phân giải của các đetectơ

sẽ chậm hơn. Nhìn chung, các đetectơ khuếch tán có phần nào ít bị tác động

hơn các đetectơ hàng rào mặt. Các đetectơ thuần ít nhạy hơn các thiết bị pha

tạp vì điện trường đặt vào tinh thể có phần cao hơn. Sự giảm thời gian thu góp

điện tích ít bị tác động hơn.

Ưu điểm của các đetectơ bán dẫn là năng lượng tạo cặp electron-lỗ trống nhỏ

hơn 10 lần so với chất khí. Do đó tín hiệu điện thu được lớn hơn, độ phân giải

năng lượng tốt hơn. Mật độ vật chất lớn hơn, do đó có khả năng bắt bức xạ tốt

hơn chất khí. Được chế tạo với kích thước gọn nên thời gian đáp ứng nhanh.

Ngoại trừ Si, nhìn chung tất cả các đetectơ bán dẫn đều phải được làm lạnh

khi vận hành do đó phải có cần làm lạnh, bị hư hỏng do tác động của bức xạ

nên thời gian sử dụng bị giới hạn.

Các vật liệu mới (CdTe, HgI2) đang được nghiên cứu để chế tạo các đetectơ

vận hành ở nhiệt độ phòng.

Ngày nay đã có các thiết bị làm lạnh bằng điện kích thước nhỏ để làm lạnh

tinh thể của chất bán dẫn thay cho việc làm lạnh bằng nitơ lỏng.

Các đetectơ bán dẫn hoạt động theo nguyên tắc thác lũ không sử dụng tiền

khuếch đại có độ lợi ~100 có kích thước nhỏ có thể được chế tạo và cung cấp

thương mại nhưng giá thành sẽ cao.

B. MỘT SỐ HỆ ĐO

I. Máy phân tích biên độ đa kênh

Về nguyên tắc máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) là một hệ nhiều máy

phân tích biên độ một kênh (SCA) nối tiếp nhau, ngưỡng trên của khối

ngưỡng vi phân này là ngưỡng dưới của khối ngưỡng vi phân tiếp sau. Sơ đồ

Khối đếm n

SCA thứ n

Khối khuếch đại

Khối đếm 2

SCA thứ 2

SCA thứ 1

Khối đếm 1

Hình 19. Sơ đồ máy phân tích biên độ nhiều kênh cấu tạo từ nhiều máy phân tích

biên độ một kênh

khối được chỉ ra như hình 19.

Máy phân tích biên độ nhiều kênh có cấu trúc như trên không thuận tiện vì số

khối điện tử tăng theo số kênh. Do đó người ta xây dựng máy phân tích biên

độ nhiều kênh trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành chuỗi số ADC. Sơ

ADC

Làm chậm

Cổng tuyến tính

“Không bận”

Khối khuếch đại

Cổng lối vào mở khi ADC không bận

Bộ nhớ Kênh n Kênh 1

SCA

Máy tính

Đồng hồ thời gian thực (live time) 53

đồ khối của một MCA như trên được chỉ ra như hình 20.

Hình 20. Sơ đồ nguyên tắc của một máy phân tích biên độ nhiều kênh.

Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Khi một xung

được ADC chuyển từ tín hiệu biên độ sang số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ

sẽ tìm vị trí trong thang địa chỉ tương ứng với số và tăng thêm một đơn vị vào

vị trí đó. Như vậy một đơn vị được ghi vào ô địa chỉ ứng với một xung vào.

Sau thời gian đo chúng ta có thể biểu diễn kết quả trên toạ độ hai chiều về phổ

năng lượng của bức xạ ghi nhận được. Các khối khác trong sơ đồ MCA đóng

vai trò hỗ trợ. Cổng lối vào dùng để ngăn không cho xung vào ADC trong

thời thời gian mạch ADC bận biến đổi tín hiệu trước đó, trong thời gian này

có thể sẽ có một số xung không được biến đổi, thời gian này còn gọi là thời

gian chết của đetectơ. Nhiều MCA có thêm cổng tuyến tính qua đó chỉ cho

phép biến đổi các xung có giá trị vượt ngưỡng dưới và thấp hơn ngưỡng trên.

Nội dung trong bộ nhớ sau khi ghi đo được đưa vào máy tính để xử lý.

II. Phổ kế gamma đơn tinh thể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết

Đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải

bảo quản liên tục trong nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu

suất ghi cũng hơn hẳn các đetectơ bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Việc

sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn giản.

Cấu hình chủ yếu của hệ đo là như trong hình 18.

Hình 21. Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể.

Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của

đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho

ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối Interface sẽ thu nhận dữ

liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số lượng xung có cùng giá

trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà

đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng

lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra

theo kiểu nào. Thường thì quá trình tương tác tuân theo một trong ba hiệu ứng

tương tác dưới đây:

- Đetectơ hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu

ứng quang điện.

- Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 1800 nên

phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành

đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng

lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào

các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện).

- Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn

1500 keV (lý thuyết là 1022 keV). Quá trình tương tác do hiệu ứng tạo cặp

sinh ra cặp electron - pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt tích

điện rất ngắn và năng lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn

pozitron sẽ nhanh chóng bị huỷ cặp tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV.

Nếu cả hai lượng tử gamma cùng bị hấp thụ thì quá trình này tương đương

hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần

năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn, nếu cả hai lượng tử gamma

bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. Như vậy

quá trình tạo cặp của một chuyển dời sẽ đóng góp thêm 2 đỉnh ngoài đỉnh hấp

thụ toàn phần và thêm phần phông liên tục do tán xạ compton khi có huỷ cặp.

Trên hình 22 là phổ bức xạ gamma của Cl35(n,γ)Cl36: Để đánh giá chất lượng

đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh trên phông và nhiều khi số

đếm của phông lớn gấp nhiều lần diện tích đỉnh. Do vậy, sai số của việc xác

định tiết diện đỉnh - cường độ chuyển dời tăng lên đáng kể.

Hình 22. Phổ bức xạ gamma đơn tinh thể.

Phổ bức xạ gamma trên hình 22 có nền phông lớn và bản thân nền phông

cũng phức tạp chứ không đơn thuần là giảm tuyến tính theo chiều tăng của

năng lượng. Số lượng đỉnh rất lớn, có cả những đỉnh thoát đơn và thoát kép

rất mạnh và nhiều khi mạnh hơn hẳn những đỉnh hấp thụ toàn phần có năng

lượng gần kề. Như vậy, việc xác định các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ chịu

hai nguồn sai số lớn: Sai số do phông và sai số do có các chuyển dời mạnh

ảnh hưởng tới.

Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, từ các chuyển dời thu được trong phổ

bức xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không

biết được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ

này thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời

thứ cấp, những chuyển dời nào thuộc về cặp phân rã nối tầng... Do vậy cũng

không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực

của chuyển dời gamma... Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông,

độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các

phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma.

III. Phổ kế gamma đối trùng giảm phông compton

Hình 23. Phổ kế đối trùng giảm phông compton.

Do các thông tin thu được về đối tượng đo chủ yếu nằm ở các đỉnh hấp thụ

quang điện nên các hệ phổ kế đối trùng giảm phông compton được sử dụng

khá nhiều. Nguyên tắc chung của hệ đo phức hợp kiểu này là các lượng tử

gamma tán xạ compton đi ra khỏi đetectơ chính sẽ được các đetectơ phụ bao

quanh ghi nhận. Xung điện từ các đetectơ bao quanh sẽ khoá không cho phép

ghi nhận xung từ đetectơ chính trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc

vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ các đetectơ xung quanh không có

xung ra thì xung từ đetectơ chính sẽ được ghi (được coi là tương ứng với sự

hấp thụ hoàn toàn). Với hệ đo loại này, có hai vấn đề quan trọng cần được

giải quyết là:

* Hệ đetectơ bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt: Nếu hấp thụ

được 30% số lượng tử gamma sau tán xạ compton thì tức là phông đã giảm đi

30%. Với các hệ tốt nhất hiện nay, phông compton giảm đi được khoảng 30-

50%. Ví dụ rõ ràng nhất được trình bày trên hình 20 với đetectơ nhấp nháy.

* Hệ cần được che chắn kỹ vì phông gamma cao sẽ dẫn tới giảm khả

năng ghi đo sự kiện có ích do trùng phùng ngẫu nhiên. Đồng thời cũng phải

tăng độ phân giải thời gian của hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên. Chúng ta

biết rằng tốc độ trùng phùng ngẫu nhiên Nnn = N1.N2.τ với N1 là tốc độ đếm ở

đetectơ 1, N2 là tốc độ đếm ở đetectơ 2, τ là độ rộng cửa sổ thời gian trùng

phùng (hoặc đối trùng). Như vậy để giảm ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu

nhiên chúng ta cần giảm cả 3 tham số trên bằng che chắn và tăng tốc độ làm

việc của hệ điện tử. Tất nhiên, do bản chất quá trình tương tác nên với các

đetectơ bán dẫn, cửa sổ trùng phùng τ không thể nhỏ hơn một giá trị nào đó

đặc trưng riêng cho hệ đo. Giá trị τ tối thiểu thường được lấy bằng khoảng 3

lần thời gian của đetectơ (khoảng cách giữa hai điện cực chia cho tốc độ trôi

dạt của các phần tử tải điện chính tại giá trị cao áp làm việc được lựa chọn của

đetectơ) do tốc độ của hệ điện tử thường rất lớn, ảnh hưởng của độ phân giải

thời gian hệ không đáng kể so với thời gian di chuyển của các phần tử tải điện

trong đetectơ.

IV. Phổ kế compton

Tán xạ compton cũng có thể được sử dụng theo một cách khác để đo bức xạ

năng lượng của tia gamma. Khi bức xạ gamma tới có năng lượng là hν0 tương

tác với electron theo hiệu ứng tán xạ compton, năng lượng của electron giật

lùi (đetectơ hấp thụ được phần năng lượng này) của lượng tử gamma tán xạ

;MeV

−

bay ra với góc θ cố định được xác định như sau:

h ν=β

cos

1 1( −

α+

) θ

hν 0 cm 0

⎡ 1 ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎦

với α0 =

Như vậy, năng lượng của electron giật lùi chỉ phụ thuộc vào năng lượng hν0

của lượng tử gamma tới khi góc tán xạ θ không đổi. Việc xây dựng hệ đo theo

định hướng này cũng cho phép giảm được phông do tán xạ compton. Trên

hình 24 là bố trí các đetectơ:

Hình 24. Cách bố trí đầu đo trong phổ kế compton.

Cách bố trí các đetectơ trong phổ kế compton được mô tả trên hình 24 bao

gồm hai đetectơ I và II được đặt sao cho đường thẳng nối hai tâm của hai tinh

thể tạo thành một góc θ với phương của chùm tia gamma ban đầu. Đetectơ I

được gọi là đetectơ phân tích và nó ghi nhận các electron giật lùi trong hiệu

ứng tán xạ compton. Đetectơ II được gọi là đetectơ điều khiển, nó ghi nhận

các lượng tử gamma tán xạ từ đetectơ I với góc tán xạ θ. Quá trình tạo các

chớp sáng trong tinh thể điều khiển và tinh thể phân tích là đồng thời. Do vậy,

nhờ sơ đồ trùng phùng để phân tích, có thể lựa chọn những xung do electron

giật lùi có lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc θ gây nên. Năng lượng của

electron giật lùi phụ thuộc đơn trị vào năng lượng của lượng tử gamma ban

đầu khi góc tán xạ cố định nên có thể xác định năng lượng của lượng tử

gamma ban đầu theo năng lượng của electron giật lùi.

Hình 25. Phổ đơn tinh thể (a, b) và phổ compton (c, d) của Cs137 và Mn54.

Tất nhiên là những lượng tử gamma tán xạ rơi vào đetectơ điều khiển không

chỉ với góc θ mà là θ ± ∆θ (hình 25). Vì vậy sẽ xuất hiện thăng giáng trong

phổ năng lượng của electron giật lùi và do vậy có sai số bổ sung khi xác định

năng lượng của lượng tử gamma ban đầu. Tất nhiên để giảm thăng giáng khi

xác định năng lượng electron giật lùi cần giảm góc đặc ∆θ, còn để tăng hiệu

suất ghi thì lại phải tăng góc đặc này ∆θ. Để giảm sai số trong việc xác định

năng lượng của electron giật lùi, các tác giả trong [3] đã đặt đetectơ điều khiển ở góc lớn hơn 1500. Trên hình 25 là các phổ minh hoạ khả năng giảm

phông của phổ kế compton với các đetectơ nhấp nháy NaI(Tl).

IV. Phổ kế tạo cặp

Để ghi nhận bức xạ gamma năng lượng lớn, người ta còn sử dụng phổ kế tạo

cặp. Quá trình vật lý xảy ra trong đetectơ ghi nhận như sau: Hiện tượng tạo

cặp electron - pôzitron xảy ra trong đetectơ ghi nhận. Do mật độ chất tạo nên

đetectơ cao nên electron sẽ mất năng lượng rất nhanh, pôzitron sẽ nhanh

chóng bị huỷ cặp và tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu như chúng ta đặt các cặp đetectơ ngược nhau 1800 bao quanh

đetectơ chính thì khi hiện tượng tạo cặp xảy ra, từ đetectơ ghi nhận sẽ cho ra

một xung điện có biên độ tỷ lệ với Eγ-1022 keV (nếu hai lượng tử gamma huỷ

cặp 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ-511 keV (nếu chỉ một lượng tử

gamma 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ nếu không có lượng tử gamma

511 keV nào bay ra khỏi đetectơ chính. Như vậy, lựa chọn cách ghi nhận là 2

xung điện từ các cặp đetectơ đối diện nhau (tương ứng các lượng tử gamma

511 keV) mở khoá trùng phùng cho phép phân tích biên độ xung từ đetectơ

chính, chúng ta sẽ chỉ ghi lượng tử gamma khi có hiện tượng tạo cặp xảy ra

(xung ra sẽ có biên độ tương ứng với năng lượng Eγ-1022 keV). Điều này cho

phép giảm hoàn toàn phông compton và các đỉnh thoát đơn, các đỉnh hấp thụ

hoàn toàn trong phổ gamma thu được. Như vậy, phổ gamma sẽ đơn giản rất

nhiều (chỉ lưu ý là khi xử lý phổ, cần cộng thêm 1022 keV vào vị trí mỗi

đỉnh).

Tuy nhiên cũng có những nhược điểm rõ ràng của loại phổ kế này như sau:

- Chỉ ghi nhận được bức xạ gamma có năng lượng khá cao - trên 2,5

MeV cho dù về mặt lý thuyết, hiện tượng tạo cặp đã xảy ra khi lượng tử

gamma có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV.

- Hiệu suất ghi thấp do ghi đo quá trình trùng phùng của 3 đetectơ.

- Trùng phùng ngẫu nhiên cao do hệ đetectơ bố trí gần kênh nơtron, cửa

sổ thời gian trùng phùng phải đặt cỡ µs để đáp ứng các đetectơ nhấp nháy

(thời gian phát sáng của đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) là khoảng 0,25 µs) đặt

quanh đetectơ ghi nhận chính.

Hình 26. Hệ đo trùng phùng nhanh chậm.

VI. Phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng

Năm 1958, Hoogenboom A.M. đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về phổ kế

cộng biên độ các xung trùng phùng bằng các đetectơ nhấp nháy. Hệ cộng biên

độ xung từ hai đetectơ được thực hiện bằng khối điện tử cộng tương tự để

cộng biên độ xung. Các thiết bị phân tích biên độ vào thời điểm đó là các máy

phân tích biên độ 256 kênh.

Từ năm 1981, tại Viện Liên hợp nghiên cứu Hạt nhân Dubna đã đưa ra vấn đề

ghi nhận, lưu trữ và xử lý số trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo

cộng biên độ các xung trùng phùng. Phương pháp này khác xa hẳn những

nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom A.M. đưa ra. Nó cho phép tiết kiệm thời

gian thực hiện một nghiên cứu nhiều lần, độ chính xác cao hơn hẳn, loại trừ

được ảnh hưởng chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương

ứng với một cặp chuyển dời nối tầng, khai thác và xử lý thông tin thuận lợi

hơn hẳn. Phương pháp do Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna đưa ra

có cấu hình giống như hệ phổ kế trùng phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ

và cộng bằng số.

Sơ đồ nguyên tắc của hệ đo được thể hiện trên hình 26. Các lượng tử gamma

của một phân rã nối tầng sẽ tạo nên hai xung điện xuất hiện đồng thời ở các

lối ra của đetectơ. Các xung ở lối ra T của hai đetectơ qua các khối khuếch đại

nhanh 2, gạt ngưỡng nhanh 3 và đến khối trùng phùng nhanh 6. Khối trùng

phùng nhanh sẽ cho ra 1 xung điện khi hai lối vào có xung xuất hiện trong

khoảng thời gian ∆T được lựa chọn trước. Các xung ở lối ra E sẽ được khuếch

đại bằng khuếch đại phổ 4. Các khối 5 cho ra xung nếu biên độ xung ở lối vào

nằm trong dải đo được lựa chọn tương ứng khoảng năng lượng từ 0,5 đến 8

MeV. Như vậy, từ một cặp gamma trùng phùng có năng lượng từ 0,5 đến 8

MeV được ghi nhận sẽ có một xung ra ở khối trùng phùng chậm 7. Xung ra ở

khối này là tín hiệu để các khoá tuyến tính 8 mở cho các ADC nhận xung

phân tích và Interface sẽ ghi nhận các giá trị bằng số (code) của biên độ xung

của cặp chuyển dời gamma nối tầng. Trên hình 26 đã lược bỏ các khối dây trễ

tập trung cỡ µs trước các khối khoá tuyến tính 8, các dây trễ cỡ ns trước khối

trùng phùng nhanh 6.

Có thể tóm tắt lại như sau: Các khối khuếch đại nhanh, gạt ngưỡng nhanh và

trùng phùng nhanh xác định tính chất đồng thời của các chuyển dời gamma

nối tầng; các khối phân tích đơn kênh, trùng phùng chậm, khoá tuyến tính

được sử dụng để lựa chọn dải năng lượng đo của bức xạ gamma; các khối

khuếch đại phổ, ADC làm nhiệm vụ biến đổi tạo code và Interface thu nhận

đồng bộ dữ liệu.

VII. Hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc hai sử dụng

ADC

AMP

CFD

FFT

TAC

1 T E D

TAC

ADC

DELAY

CFD

2 T E D

I N T E R F A C E

FFT

ADC

AMP

Hình 27. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng γ-γ đo nối tầng bậc hai sử dụng TAC.

Trong đó:

ADC: Khối biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital

Converter)

AMP: Các khối khuếch đại phổ (Amplifier)

FFT: Các khối khuếch đại lọc lựa thời gian nhanh (Fast Filter Amplifier)

CFD: Các khối phân biệt ngưỡng (Constant Fraction Discriminator)

DELAY: Khối làm trễ

INTERFACE: Khối thu nhận dữ liệu từ hai ADC và ghép với máy tính.

COIN: Khối trùng phùng nhanh

Nguyên tắc hoạt động như sau: Khác với sơ đồ hình 1, ở đây tín hiệu ở lối ra

của hai khối phân biệt ngưỡng nhanh sẽ được đưa đến hai lối vào (START và

STOP) của khối biến đổi thời gian thành biên độ (TAC), trong đó có một

đường tín hiệu được làm trễ nhằm nâng cao biên độ tín hiệu ở lối ra của TAC

với các sự kiện xuất hiện quá gần. Khi INTERFACE nhận được tín hiệu

VALID từ TAC thì INTERFACE sẽ gửi tín hiệu tác động vào cửa Gate để

cho phép các ADC biến đổi, khi đó hai ADC biến đổi xung sau khuếch đại

phổ, ADC còn lại biến đổi biên độ từ lối ra của TAC thành các giá trị code

biên độ. Máy tính ghi ba giá trị này nhờ thiết bị giao diện kết nối giữa các

ADC và máy tính.

Sau khi máy tính ghi xong số liệu, các ADC trở về trạng thái chờ tín hiệu

VALID tiếp theo. Các ADC sẽ không làm việc khi chưa có tín hiệu tác động

vào cửa Gate cho dù có xung tác động lối vào phân tích. Số liệu ghi được viết

thành ba cột E1(n), E2(n) và E3(n) tương ứng với biên độ của các cặp xung

trùng phùng và độ chênh thời gian giữa hai sự kiện. Trong đó các giá trị E1(n)

và E2(n) lần lượt là các code biên độ của hai xung tới từ các đetectơ 1 và

đetectơ 2 tương ứng, E3(n) là giá trị tương ứng với độ chênh thời gian giữa hai

sự kiện, n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt

đầu đo. Từ các số liệu (các code) thu được, sau khi sử dụng các chương trình

xử lý số liệu ta sẽ thu được những thông tin cần thiết về năng lượng, cường độ

chuyển dời, thời gian sống của mức và sơ đồ phân rã của hạt nhân được

nghiên cứu.

VIII. Sơ đồ khối hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc

ba sử dụng TAC

Nguyên tắc hoạt động của hệ giống như hệ trùng phùng đo nối tầng bậc hai sử

dụng TAC. Trong quá trình đọc dữ liệu, sau khi đọc xong dữ liệu từ các kênh

1, kênh 2 và độ chênh thời gian từ ADC thứ 3 thì đọc thêm dữ liệu của kênh

thứ 3 từ ADC thứ 4. Số liệu ghi được viết thành bốn cột E1(n), E2(n), E3(n) và

E4(n) tương ứng với năng lượng của các gamma phân rã nối tầng và độ chênh

thời gian giữa hai sự kiện phân rã. Trong đó các giá trị E1(n), E2(n) và E3(n)

lần lượt là các code biên độ của các xung đến từ các đetectơ 1, đetectơ 2 và

đetectơ 3 còn E4(n) là giá trị tương ứng với độ chênh thời gian giữa hai sự

kiện E1(n) và E2(n), n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời

điểm bắt đầu đo. Như vậy code E3(n) sẽ cho ta biết thông tin về phân rã

gamma nối tầng bậc ba và chỉ các giá trị E1(n)+E2(n)+E3(n)≤ Bn-Ef mới được

chọn để xử lý. Như vậy lượng thông tin thu được trong một phép đo sẽ cao

ADC

AMP

CFD

FFT

hơn so với khi sử dụng hai cấu hình trên.

1 T E D

TAC

ADC

DET 3

DELAY

CFD

FFT

2 T E D

I N T E R F A C

ADC

AMP

ADC

Hình 28. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng đo nối tầng bậc ba có sử dụng TAC

Ghi chú: Ký hiệu của các khối trong sơ đồ tương tự như trong hình 1.

IX. Hệ phổ kế trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số

A1,t1

Det 1

DSP1

A2,t2

Phổ trùng phùng theo các ∆T

DSP2

Det 2

A…,t…

Det …

DSP…

An,tn

Det n

DSPn

I N T E R F A C E

Det: Các detectơ DSP: Các khối xử lý tín hiệu số

Hình 29. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số.

Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Khi có tín hiệu bức xạ rơi vào đetectơ,

khối xử lý tín hiệu số (DSP) sẽ xử lý tín hiệu này và ở lối ra cho ra hai giá trị

dưới dạng số là An và tn tương ứng với năng lượng của bức xạ gamma và thời

điểm xuất hiện của nó trong tinh thể đetectơ. Khi kênh nào có tín hiệu xuất

hiện thì khối giao diện sẽ đọc và lưu lại giá trị biên độ và thời điểm xuất hiện

của sự kiện trong từng kênh. Số liệu lưu trữ trên máy tính sẽ gồm hai cột

tương ứng với các giá trị An và tn. Thống kê chuỗi các sự kiện này ta sẽ chọn

được các sự kiện trùng phùng (hoặc không trùng phùng) xảy ra trong khoảng

thời gian ∆T nào đó. Như vậy so với cách thiết kế truyền thống thì cách sử

dụng kỹ thuật số có hiệu suất ghi cao hơn và lượng thông tin thu được trong

một phép đo nhiều hơn gấp nhiều lần (cả trùng phùng và đối trùng hoặc nhiều

kênh độc lập). Một hệ đo như vậy có thể được sử dụng cho nhiều mục đích

khác nhau, gọn nhẹ trong thiết kế chế tạo và rất dễ sử dụng do không có nhiều

các thao tác bằng tay nên khá chuẩn xác góp phần làm giảm các sai số hệ

thống. Tuy nhiên, phần giao diện của hệ đo tương đối phức tạp, đòi hỏi phải

sử dụng các vi mạch có tốc độ xử lý cao và thường phải tự thiết kế do không

có nhà cung ứng sẵn. Số liệu thu được trong một phép đo có dung lượng rất

lớn và đòi hỏi các công cụ xử lý tương đối phức tạp hơn.

X. Sự thay đổi của các thiết bị điện tử hạt nhân

Sự phát triển của công nghệ điện tử và các vi mạch bán dẫn, đặc biệt là kỹ

thuật FPGA và kỹ thuật DSP đã làm cho các thiết bị điện tử hạt nhân có

những thay đổi cơ bản về thiết kế và hệ thống. Sự thu nhỏ kích thước của các

vi mạch và các chức năng lặp trình được làm cho một hệ phổ kế truyền thống

gồm các khối cơ bản như khuếch đại phổ, cao thế, ADC và MCA có thể tích

hợp vào làm một khối hoàn chỉnh hoạt động độc lập, các công tắc chuyển

mạch hoặc chiết áp chỉnh ngoài được thay bằng các giá trị số được thiết lập

bằng tay hoặc tự động trên các phần mềm điều khiển. Sự thay đổi đó đã làm

không còn một biên giới rõ ràng về các tiêu chuẩn trong chế tạo thiết bị điện

tử hạt nhân như NIM, CAMAC hay EROURCARD,…

Hình 30. Thiết bị giao diện cho hệ phân tích đa tham số do hãng Fast Comtec

chế tạo.

Các tiêu chuẩn như vậy có thể sẽ không còn tồn tại trong tương lai mà sẽ chỉ

còn tiêu chuẩn về kỹ thuật chế tạo như sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, kỹ

thuật mảng các phần tử logic lập trình hay tiêu chuẩn về các ứng dụng của

chúng,… hoặc cũng có thể sẽ ra đời những tiêu chuẩn mới cho các thiết bị

này.

Hình 31. Sơ đồ nguyên lý của một hệ phổ kế gamma với các đetectơ 4π-Ge.

Hình 32. Sự tích hợp hệ phổ kế theo sơ đồ nguyên lý hình 31 trên một bản

mạch.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Vương Hữu Tấn , Báo cáo tổng kết đề tài kho a học công nghệ cấp bộ

năm 2005-2006, Đà lạt tháng 12/2006.

[2]. Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, Viện năng lượng Nguyên tử

Việt nam, 2002.

[3]. Vartanop N.A. Phổ kế nhấp nháy gamma ứng dụng. Nhà xuất bản

Atomizdat, Matx cơva 1975.

for Nuclear and Particle Physics Berlin Heidelberg 1987, 1994 Printed

[4]. W. R. Leo, Techniques Experiments, Springer-Verlag in Germany.

[5].

R Alfaro, Construction and operation of a small multiwire proportional chamber, Journal of Physics: Conference Series 18 (2005) 362–367.

[6].

IAEA regional basic professional Training on radiation protection, Bhabha atomic re search centre, Mumbai, October 26 - December 18, 1998.

[7].

Nicola Massari, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi, Andrea Simoni, High S peed Digital CMOS 2D Optical Position Sensitive Đetectơ, ESSCIRC 2002.

[8].

Atsushi Kimura, Yosuke Toh, Mitsuo Koizumi, Akihiko Osa, Masumi Oshima, Jun Goto, and Masayuki Igashira, Development of a Data Acquisition System for a Multiple Gamma-Ray Detection Method, AIP Conference Proceedings, Volume 769, Melville, New York, 2005.

Ở ĐẦU

MỤC LỤC

ectơ chứa khí

hung để chọn vật liệu cho các đetectơ khí

ệ

đếm tỉ lệ

uller (GM)

t đetectơ nhấp nháy

tectơ nhấp nháy

nháy hữu cơ

y hữu cơ

n dẫn

bắt giữ

hất bán dẫn

goài tác động

A. CÁC ĐETECTƠ I. Các đet I. 1. Các tiêu chuẩn c I.2. Buồng ion hoá I.3. Chế độ xung trong buồng ion hoá I.3. Các ống đếm tỉ l I.4. Các kiểu thiết kế khác nhau của ống I.5. Ống đếm Geiger M I.6. Đặc trưng của ống đếm GM I.7. Thời gian chết và hồi phục II. Đetectơ nhấp nháy II.1. Các đặc điểm chính của mộ II.2. Dạng xung của đe II.3. Các chất nhấp nháy II.3.1. Sự phát sáng trong các chất nhấp II.3.2. Các dạng nhấp nhá II.3.3. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy vô cơ II.3.4. Các kiểu nhấp nháy vô cơ II.4. Các thiết bị xác định photon III. Đetectơ bán dẫn III.1. Đặc điểm của các vật liệu bá III.2. Sự tái hợp và bị III.3. Quá trình di chuyển điện tích trong c III.3.1. Khi không có trường n III.3.2. Khi có trường ngoài tác động III.4. Tác dụng của việc pha tạp III.5. Chất bán dẫn loại p III.6. Chất bán dẫn loại n III.7. Bán dẫn lưỡng tính III.8. Các đặc điểm của ch III.9. Độ linh động của các ất bán dẫn tốt phần tử tải điện Trang 1 2 2 5 6 8 8 9 12 13 15 17 19 20 24 24 26 27 29 31 33 34 35 35 36 36 37 37 38 39 40 40

bức xạ n

t (SSD)

tectơ bán dẫn trong phổ kế đo các hạt 41 37 42 43 43 44 44 45 45

etectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe) rí

ạo đetectơ

à Ge cho các ứng dụng khác nhau

ể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết

phông compton

độ các xung trùng phùng

ng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc hai sử 46 47 48 50 51 51 52 54 55 58 59 61 63 64

ng TAC

thiết bị điện tử hạt nhân

67 67 71

III.10. Tính điện trở suất của đetectơ bán dẫn III.11. Sử dụng chất bán dẫn làm đetectơ đo III.12. Đặc điểm của mối nối trong chất bán dẫ III.13. Các loại đetectơ bán dẫn III.13.1. Đetectơ diode III.13.2. Các đetectơ hàng rào mặ III.13.3. Các đetectơ cấy ion III.13.4. Các đetectơ cửa sổ mỏng III.14. Ứng dụng của các đe mang điện III.15. Các đetectơ Ge(Li) III.16. Các đ III.17. Các đetectơ nhạy vị t III.18. Các vật liệu bán dẫn khác sử dụng chế t III.19. Sử dụng các đetectơ Si v III.19.1. Các ưu điểm của đetectơ Si và Ge III.19.2. Sự hư hỏng do bức xạ gây ra với các đetectơ bán dẫn B. MỘT SỐ HỆ ĐO I. Máy phân tích biên độ đa kênh II. Phổ kế gamma đơn tinh th III. Phổ kế gamma đối trùng giảm IV. Phổ kế compton IV. Phổ kế tạo cặp VI. Phổ kế cộng biên VII. Hệ phổ kế trù dụng TAC VIII. Sơ đồ khối hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc ba sử dụ IX. Hệ phổ kế trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số X. Sự thay đổi của các TÀI LIỆU THAM KHẢO