Đầu dò bán dẫn và ứng dụng: phần 1

NGUYỄN XUÂN HẢI<br /> <br /> Đầu dò bán dẫn và ứng dụng<br /> <br /> S¸ch dïng néi bé vµ ®Ó tÆng sinh viªn<br /> <br /> HÀ NỘI 2010<br /> <br /> 1<br /> <br /> Mục lục<br /> Mục<br /> Chương 1. Một số vấn đề cơ sở ..................................................................<br /> 1.1 Bức xạ điện từ ........................................................................................<br /> 1.2. Sự phát triển của phép đo phổ tia X và tia γ .........................................<br /> 1.2.1 Sự phát triển của đầu dò bức xạ ...........................................................<br /> 1.2.2 Các chuẩn năng lượng ..........................................................................<br /> 1.3 Nguồn gốc, đặc điểm của tia X và tia gamma .....................................<br /> 1.3.1. Tia X ...................................................................................................<br /> 1.3.2 Tia gamma ...........................................................................................<br /> 1.3.2.1 Một số quá trình làm hạt nhân bị kích thích .....................................<br /> 1.3.2.2 Phân rã của hạt nhân kích thích ........................................................<br /> 1.4 Tương tác của photon với vật chất ......................................................<br /> 1.4.1 Hấp thụ quang điện ..............................................................................<br /> 1.4.2 Tán xạ compton ....................................................................................<br /> 1.4.3 Tạo cặp .................................................................................................<br /> 1.4.4. Các quá trình tương tác khác ..............................................................<br /> 1.4.5 Sự suy giảm của số photon ..................................................................<br /> 1.5. Xử lý số liệu thống kê ..........................................................................<br /> 1.5.1 Xác suất phân bố ..................................................................................<br /> 1.5.1.1 Phân bố Gauss ..................................................................................<br /> 1.5.1.2 Phân bố Poisson ................................................................................<br /> 1.5.2. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn .....................................................<br /> 1.5.3 Độ tin cậy của phép đo và số liệu thu được .........................................<br /> 1.5.3.1 Độ tin cậy ..........................................................................................<br /> 1.5.3.2 Truyền sai số .....................................................................................<br /> 1.5.3.3 Tương quan giữa các đại lượng ........................................................<br /> 1.5.4 Giới hạn phát hiện ................................................................................<br /> 1.6 Các phương pháp khớp ........................................................................<br /> 1.6.1 Khớp bình phương tối thiểu tuyến tính ................................................<br /> 1.6.2 Khớp bình phương tối thiểu phi tuyến .................................................<br /> 1.6.3 Nội suy và làm trơn số liệu ..................................................................<br /> 1.6.4 Chất lượng khớp số liệu .......................................................................<br /> Chương 2. Thiết lập thực nghiệm ..............................................................<br /> 2.1 Đầu dò ....................................................................................................<br /> 2.1.1 Đặc điểm chung của đầu dò phôtôn .....................................................<br /> 2.1.2 Quá trình vật lý trong các đầu dò bán dẫn ...........................................<br /> 2.1.3 Độ phân giải .........................................................................................<br /> 2.1.4. Các kiểu đầu dò ...................................................................................<br /> 2.1.5 Lắp ráp đầu dò .....................................................................................<br /> 2.1.6 Các ảnh hưởng đến biên độ xung của đầu dò ......................................<br /> 2.1.7 Các đặc trưng kỹ thuật của đầu dò .......................................................<br /> 2.1.8 Tiêu chuẩn để chọn đầu dò ..................................................................<br /> 2.2 Các khối điện tử ....................................................................................<br /> 2.2.1. Cao thế ................................................................................................<br /> 2.2.2 Tiền khuếch đại ...................................................................................<br /> <br /> 2<br /> <br /> Trang<br /> 6<br /> 6<br /> 7<br /> 7<br /> 10<br /> 11<br /> 11<br /> 14<br /> 14<br /> 17<br /> 22<br /> 22<br /> 23<br /> 25<br /> 26<br /> 26<br /> 27<br /> 27<br /> 28<br /> 29<br /> 30<br /> 31<br /> 31<br /> 32<br /> 33<br /> 34<br /> 36<br /> 36<br /> 39<br /> 40<br /> 41<br /> 44<br /> 44<br /> 44<br /> 45<br /> 47<br /> 49<br /> 51<br /> 54<br /> 55<br /> 56<br /> 58<br /> 58<br /> 58<br /> <br /> 2.2.3 Khuếch đại ...........................................................................................<br /> 2.2.4 ADC và lưu trữ số liệu .........................................................................<br /> 2.2.5 Thời gian tăng và chồng chập xung .....................................................<br /> 2.2.6 Sử dụng máy phát xung .......................................................................<br /> 2.2.7 Sự ổn định của hệ số khuếch đại và ổn định không ............................<br /> 2.3 Các nguồn tia X và gamma ..................................................................<br /> 2.3.1 Các loại nguồn .....................................................................................<br /> 2.3.2 Các đặc trưng của nguồn .....................................................................<br /> 2.3.3 Bức xạ thứ cấp .....................................................................................<br /> 2.3.4 Các nguồn chuẩn .................................................................................<br /> 2.3.4.1 Các nguồn chuẩn và tài liệu tham khảo ...........................................<br /> 2.3.4.2 Các phép đo hoạt độ tuyệt đối .........................................................<br /> 2.3.4.3 Các nguồn chuẩn đặc biệt .................................................................<br /> 2.4 Bố trí nguồn - đầu dò ............................................................................<br /> 2.4.1 Vị trí nguồn ..........................................................................................<br /> 2.4.2 Hình học các nguồn thể tích .................................................................<br /> 2.4.3 Giá để mẫu ...........................................................................................<br /> 2.4.4 Hấp thụ .................................................................................................<br /> 2.4.5 Chuẩn trực ............................................................................................<br /> 2.4.6 Che chắn ...............................................................................................<br /> 2.5 Kiểm tra hiệu suất .................................................................................<br /> 2.5.1 Hiệu suất ..............................................................................................<br /> 2.5.2 Đánh giá độ phân giải năng lượng và hình dạng đỉnh .........................<br /> 2.5.3 Kiểm tra tinh thể của đầu dò ................................................................<br /> 2.5.4 Cửa sổ và các lớp chết .........................................................................<br /> 2.5.5 Đánh giá phông ....................................................................................<br /> 2.5.6 Qui trình kiểm tra .................................................................................<br /> Chương 3. Phân tích phổ và các phép đo năng lượng .............................<br /> 3.1 Hình dạng của phổ và các đỉnh ...........................................................<br /> 3.1.1 Hình dạng của phổ ...............................................................................<br /> 3.1.2 Hình dạng của phổ phông ....................................................................<br /> 3.1.3 Hình dạng của các đỉnh ........................................................................<br /> 3.2 Xác định vị trí đỉnh ...............................................................................<br /> 3.3 Đánh giá đỉnh ........................................................................................<br /> 3.3.1 Các phương pháp đánh giá diện tích đỉnh đơn giản ............................<br /> 3.3.2 Tính diện tích bằng khớp đỉnh .............................................................<br /> 3.3.3 Phân tích các đỉnh chập ........................................................................<br /> 3.3.4 Hình dạng và phân tích các đỉnh tia X .................................................<br /> 3.4 Chuẩn năng lượng .................................................................................<br /> 3.4.1 Thang năng lượng ................................................................................<br /> 3.4.2 Hàm chuẩn năng lượng ........................................................................<br /> 3.5 Các phép đo năng lượng .......................................................................<br /> 3.5.1 Qui trình đo năng lượng .......................................................................<br /> 3.5.2 Các phép đo năng lượng chính xác ......................................................<br /> 3.5.2.1 Thiết kế thực nghiệm ........................................................................<br /> 3.5.2.2. Các hiệu ứng do vị trí nguồn ...........................................................<br /> 3.5.2.3 Khớp sơ đồ phân rã ..........................................................................<br /> <br /> 3<br /> <br /> 60<br /> 62<br /> 63<br /> 64<br /> 64<br /> 65<br /> 65<br /> 66<br /> 67<br /> 68<br /> 68<br /> 69<br /> 70<br /> 71<br /> 71<br /> 73<br /> 74<br /> 74<br /> 76<br /> 78<br /> 79<br /> 80<br /> 80<br /> 82<br /> 83<br /> 84<br /> 88<br /> 90<br /> 90<br /> 91<br /> 95<br /> 99<br /> 103<br /> 105<br /> 105<br /> 106<br /> 109<br /> 110<br /> 112<br /> 112<br /> 114<br /> 115<br /> 115<br /> 117<br /> 117<br /> 119<br /> 120<br /> <br /> Chương 4. Chuẩn hiệu suất và xác định tốc độ phát ..............................<br /> 4.1 Các phương pháp chuẩn hiệu suất và giá trị các đại lượng vật lý đo được<br /> ........................................................................................................<br /> 4.1.1 Tính hiệu suất ......................................................................................<br /> 4.1.2 Các phép đo hiệu suất ..........................................................................<br /> 4.2. Chuẩn hiệu suất theo năng lượng .......................................................<br /> 4.2.1. Hiệu suất trong vùng từ 60 keV đến 3 MeV .......................................<br /> 4.2.1.1 Nguồn chuẩn .....................................................................................<br /> 4.2.1.2 Các hàm khớp ...................................................................................<br /> 4.2.1.3 So sánh và đánh giá độ tin cậy ..........................................................<br /> 4.2.2 Hiệu suất dưới 60 keV .........................................................................<br /> 4.2.2.1 Các nguồn chuẩn ..............................................................................<br /> 4.2.2.2 Các hàm khớp ...................................................................................<br /> 4.2.2.3 Sai số .................................................................................................<br /> 4.2.3. Chuẩn hiệu suất trên 3 MeV ...............................................................<br /> 4.2.3.1. Các nguồn chuẩn ..............................................................................<br /> 4.2.3.2. Các hàm khớp ..................................................................................<br /> 4.2.3.3 Hiệu suất các đỉnh thoát ....................................................................<br /> 4.3. Tổng hiệu suất ......................................................................................<br /> 4.3.1 Các tính toán ........................................................................................<br /> 4.3.2 Đo hiệu suất .........................................................................................<br /> 4.4 Sự thay đổi hiệu suất theo hình học giữa nguồn và đầu dò ..............<br /> 4.4.1 Hiệu suất với nguồn điểm ở các khoảng cách khác nhau ....................<br /> 4.4.2 Hiệu suất với các nguồn diện tích ........................................................<br /> 4.4.3 Các nguồn thể tích ...............................................................................<br /> 4.5 Hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng tổng ..............................................<br /> 4.5.1. Hiệu chỉnh với sơ đồ phân rã đơn giản ...............................................<br /> 4.5.2. Hiệu chỉnh với sơ đồ phân rã phức tạp ...............................................<br /> 4.5.3 Tính toán cho các nguồn mở rộng .......................................................<br /> 4.5.4 Kết quả tính toán hiệu chỉnh trong một số trường hợp đặc biệt ..........<br /> 4.5.5 Tính tất yếu cần phải hiệu chỉnh của thực nghiệm ..............................<br /> 4.6 Hiệu chỉnh thời gian chết và chồng chập ............................................<br /> 4.6.1 Hiệu chỉnh thời gian chết .....................................................................<br /> 4.6.2 Hiệu ứng chồng chập ...........................................................................<br /> 4.6.3 Hiệu chỉnh chồng chập dựa vào đo thời gian chết ...............................<br /> 4.6.4 Phương pháp hiệu chỉnh dùng máy phát xung .....................................<br /> 4.7 Hiệu chỉnh sự suy giảm của phôtôn .....................................................<br /> 4.8 Xác định tốc độ phát .............................................................................<br /> Chương 5. Các ứng dụng ............................................................................<br /> 5.1. Các chương trình máy tính cho phân tích hạt nhân phóng xạ ........<br /> 5.1.1. Đặc điểm chung ..................................................................................<br /> 5.1.2 Các quá trình chuẩn .............................................................................<br /> 5.1.2.1 Chuẩn năng lượng và độ phân giải ...................................................<br /> 5.1.2.2 Các hàm hiệu suất .............................................................................<br /> 5.1.2.3 Các hàm dạng đỉnh ...........................................................................<br /> 5.1.3 Thư viện các số liệu phân rã ................................................................<br /> 5.1.4 Các thao tác trước khi khớp đỉnh .........................................................<br /> <br /> 4<br /> <br /> 121<br /> 121<br /> 122<br /> 123<br /> 125<br /> 125<br /> 125<br /> 129<br /> 131<br /> 132<br /> 132<br /> 135<br /> 140<br /> 141<br /> 141<br /> 144<br /> 144<br /> 145<br /> 145<br /> 146<br /> 147<br /> 147<br /> 150<br /> 153<br /> 154<br /> 154<br /> 155<br /> 157<br /> 158<br /> 161<br /> 162<br /> 162<br /> 163<br /> 165<br /> 167<br /> 169<br /> 172<br /> 175<br /> 175<br /> 175<br /> 176<br /> 176<br /> 178<br /> 178<br /> 178<br /> 178<br /> <br /> 5.1.5 Phân tích đỉnh và nhận diện các hạt nhân phóng xạ ............................<br /> 5.1.6 Tính toán hoạt độ tương ứng với từng hạt nhân phóng xạ ..................<br /> 5.1.6.1 Phương pháp cơ bản .........................................................................<br /> 5.1.6.2 Phân tách ma trận hạt nhân-đỉnh và tính hoạt độ .............................<br /> 5.1.6.3 Đánh giá độ tin cậy ...........................................................................<br /> 5.1.7 Phân tích có lựa chọn ...........................................................................<br /> 5.2 Một số ví dụ về phân tích nguyên tố và hạt nhân phóng xạ ..............<br /> 5.2.1 Kiểm tra độ sạch phóng xạ ...................................................................<br /> 5.2.2 Phân tích kích hoạt ...............................................................................<br /> 5.2.3 Phân tích tia X ......................................................................................<br /> 5.2.4 Kiểm tra nhiên liệu hạt nhân ................................................................<br /> 5.2.4.1 Đo Uran .............................................................................................<br /> 5.2.4.2 Phân tích Plutôni ...............................................................................<br /> 5.3 Các phương pháp đặc biệt ...................................................................<br /> 5.3.1 Đo phông thấp .....................................................................................<br /> 5.3.2 Đo trong điều kiện hoạt độ cao ............................................................<br /> 5.3.3 Phân tích thành phần phổ .....................................................................<br /> Chương 6. Số liệu nguyên tử và hạt nhân ...............................................<br /> 6.1 Các hệ số suy giảm ..............................................................................<br /> 6.2 Số liệu liên quan tới các mức nguyên tử ...........................................<br /> 6.3 Số liệu hạt nhân ...................................................................................<br /> <br /> 180<br /> 182<br /> 182<br /> 183<br /> 185<br /> 185<br /> 187<br /> 187<br /> 189<br /> 192<br /> 195<br /> 195<br /> 196<br /> 200<br /> 200<br /> 203<br /> 204<br /> 206<br /> 206<br /> 211<br /> 211<br /> <br /> Lời tựa:<br /> Quyển sách này được biên soạn trên cơ sở quyển “Gamma-And X-Ray<br /> spectrometry with semiconductor detectors” của tác giả Klaus Debertin và<br /> Richard G. Helmer. Về cơ bản những nội dung chính và cấu trúc của sách vẫn<br /> được giữ nguyên. Những thông tin mới về thiết bị và số liệu cũng được cập nhật.<br /> Theo kinh nghiệm của các tác giả thì đây là một tài liệu tham khảo rất tốt về ghi đo<br /> bức xạ với các đầu dò bán dẫn ở mức chuyên sâu đối với các sinh viên đại học,<br /> cao học và nghiên cứu sinh ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân. Quyển sách cũng<br /> có thể xem là một tài liệu cẩm nang về ghi đo bức xạ khi sử dụng các đầu dò bán<br /> dẫn ở các phòng thí nghiệm.<br /> Trong lần biên dịch và xuất bản đầu tiên, do thời gian có hạn nên những kiến thức<br /> về sử dụng các chương trình đo và xử lý mới như Geni 2K, Gammavision chưa<br /> được cập nhật. Những kiến thức này sẽ được bổ sung cập nhật trong thời gian gần<br /> nhất để đảm bảo tính thời sự của một quyển cẩm nang về sử dụng đầu dò bán dẫn<br /> trong ghi đo bức xạ.<br /> Đà Lạt, 2011<br /> Nguyễn Xuân Hải<br /> <br /> 5<br /> <br />