phần mở đầu và kết luận, bản luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng Chƣơng 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani Chƣơng 2. Phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3. Kết quả thực nghiệm.
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI 1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani 1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma và tia X Nhờ sự phát triển của thiết bị ghi đo ngày nay phép đo phổ đã có những tiến bộ đáng kể.
Giai đoạn đầu các đầu dò còn khá thô sơ và chỉ có thể dùng để xác định sự hiện diện của bức xạ. Ở giai đoạn thứ hai các đầu dò có thể đo đƣợc cƣờng độ bức xạ nhƣng thông tin về năng lƣợng cung cấp đƣợc còn rất hạn chế. Ngày nay các đầu dò hiện đại có độ phân giải tốt hiệu suất ghi cao cho phép đo đƣợc chính xác cƣòng độ và năng lƣợng của bức xạ. Sau đây là các mốc thời gian đáng chú ý trong suốt quá trình phát triển và ứng dụng đetectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma [10] Năm 1895, Rơnghen đã thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện chứa khí.
Tia X có thể đƣợc đo bằng phƣơng pháp huỳnh quang vì chúng có khả năng làm phát quang một số vật liệu. Phổ kế quang học ứng dụng hiện tƣợng tán sắc ánh sáng có thể đƣợc dùng để đo bƣớc sóng tia X nhƣng cũng chỉ đo đƣợc bƣớc sóng tia X lớn hơn 0,1nm. Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể tinh khiết tự nhiên, Bragg đã đo đƣợc tia X có bƣớc sóng bé hơn và nhận thấy rằng phổ tia X có cấu trúc vạch phân rõ trên nền phông liên tục. Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tƣợng phóng xạ tự nhiên khi tình cờ đặt các mẫu quặng phóng xạ uranium gần kính ảnh.
Năm 1900, Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không những phát ra các tia α và β có thể bị lệch trong từ trƣờng mà còn phát ra một loại bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh đƣợc gọi là tia gamma. Cùng với những nghiên cứu đầu tiên về tia X và tia gamma, các thiết bị ghi bức xạ tia X và tia gamma cũng phát triển theo. Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện Năm 1908, Rutherford và Geiger đã phát minh ra ống đếm chứa khí cho phép đo cƣờng độ của chùm tia X và tia gamma, đây là tiến bộ nhảy vọt so với kỹ thuật xử lý bằng kính ảnh trƣớc đó. Năm 1948, Hofstadter đã chế tạo ra đêtectơ nhấp nháy NaI(T1) có khả năng đo đƣợc phổ gamma với dải năng lƣợng rộng hơn.
Tinh thể chất nhấp nháy đƣợc chế tạo có kích thƣớc ngày càng lớn cho nên có khả năng hấp thụ các tia gamma có năng lƣợng cao thậm chí lên tới 1 MeV. Các đặc trƣng cơ bản của đêtectơ nhấp nháy là có hiệu suất ghi và độ phân giải tƣơng đối cao ( FWHM cỡ 45 keV tại vạch năng lƣợng 662 keV của đồng vị phóng xạ 137Cs), tinh thể nhấp nháy có tính chất vật lý và hóa học ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng. Hiện nay đêtectơ nhấp nháy vẫn còn đang đƣợc sử dụng khá phổ biến vì chúng đơn giản và dễ vận hành, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng ,giá thành rẻ. Năm 1960, một thế hệ phổ kế gamma mới đƣợc nghiên cứu chế tạo dựa theo cơ chế nhiễu xạ chùm tia gamma trên tinh thể của Bragg, gọi là hệ phổ kế tinh thể.
Loại phổ kế gamma này có độ phân giải rất cao ( FWHM cỡ 1 eV tại vạch năng lƣợng 100 keV) ở vùng năng lƣợng thấp. Nhƣợc điểm cơ bản của loại phổ kế gamma này là hiệu suất ghi rất thấp, do đó chỉ dùng để đo một số ít nguồn phóng xạ tia gamma có cƣờng độ lớn và nhờ có độ chính xác cao nên chúng đƣợc dùng để chuẩn các hệ phổ kế gamma khác trong suốt một thời gian dài của kỷ nguyên ứng dụng đêtectơ nhấp nháy. Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công đêtectơ Ge (Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng nhƣ các loại đetectơ phát hiện các hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại đêtectơ này phải chế tạo dƣới dạng tinh thể.
Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn nhƣ silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma có độ phân giải cao này. Các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Ge cho phép đo đƣợc một dải năng lƣợng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Si chỉ đo đƣợc ở vùng năng lƣợng thấp vì số nguyên tử của silicon Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện thấp. Việc nâng cao độ phân giải có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lịch sử chế tạo phổ kế gamma ở cả hai mặt nghiên cứu gamma đơn năng có mặt trong phổ. Đặc biệt từ năm 1980 ngƣời ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn trƣớc đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phƣơng pháp phân tích hạt nhân.
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lƣợng tia gamma quan tâm, ngƣời ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng Canberra nhƣ Ultra LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6]. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani Đêtectơ Gecmani Đêtectơ Gecmani [6] là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng bên trong ( I ) là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ. Khi photon tƣơng tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ trống và electron) và dƣới tác dụng của thế ngƣợc chúng di chuyển tới cực P và N. Lƣợng điện tích này tỉ lệ với năng lƣợng của các photon tới và đƣợc chuyển thành các xung điện đƣa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích.
Vì Gecmani có độ rộng vùng cấm thấp cho nên các đêtectơ phải đƣợc làm lạnh để làm giảm nhiệt của việc phát sinh các hạt tải điện tới một mức có thể chấp nhận đƣợc, nếu không việc rò rỉ tiếng ồn có thể làm phá hủy độ phân giải năng lƣợng của đêtectơ. Nitơ lỏng, có nhiệt độ 770K là nguyên liệu phổ biến để làm lạnh cho các đêtectơ. Các đêtectơ thƣờng đƣợc gắn vào một buồng chân không đƣợc kết nối hoặc chèn vào hệ thống làm mát LN2, khi đó các bề mặt rất nhạy của đetectơ sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc độ ẩm và những chất gây ô nhiễm khác. Khi năng lƣợng bức xạ gamma bay vào vật chất nó sẽ tạo nên electron tự do – lỗ trống thông qua ba quá trình tƣơng tác hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp [3].
Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống. Nhƣ vậy thông qua các hiệu Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện ứng tƣơng tác, bức xạ gamma đã tạo ra hàng loạt các electron và các lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dƣới tác dụng của điện trƣờng các electron chuyển động về cực dƣơng, các lỗ trống chuyển động về cực âm, kết quả ta có một xung dòng ở lối ra. Một số đêtectơ Ge do hãng Canberra đã chế tạo ra: đêtectơ Ultra- LEGe, đêtectơ năng lƣợng thấp (LEGe), đêtectơ giếng Gecmani, đêtectơ phân cực ngƣợc, đêtectơ đồng trục khoảng rộng (XtRa), đêtectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe), đêtectơ dải năng lƣợng rộng ( BEGe).
Đêtectơ Gecmani năng lƣợng siêu thấp ( Ultra- LEGe ) Đêtectơ ULEGe [1] của hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính của đêtectơ Ge xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải, dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên nền khi mà ta nghĩ là không thể đạt đƣợc đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử ( Z=32) và do đó phủ một dải rộng năng lƣợng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào trên thị trƣờng. Đêtectơ ULEGe có khả năng phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM) tại 5,9 keV. Do đặc trƣng năng lƣợng thấp của ULEGe, Canberra cung cấp sự chọn lựa cửa sổ cryostat màng polymer. Cửa sổ Polymer này là một màng nhiều lớp đƣợc đỡ bằng cấu trúc xƣơng Silic.
Màng đƣợc mở rộng ra trên các xƣơng Silic cỡ 100μm, có độ dày 0,3mm và hoạt động nhƣ một Collimator. Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới trong hình học đêtectơ Ge với những ƣu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản mỏng (planar) hoặc đồng trục thông thƣờng có nhiều ứng dụng. Đêtectơ LEGe đƣợc chế tạo với tiếp xúc phía trƣớc mỏng. Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần và do đó điện dung của đêtectơ bé hơn điện dung của đêtectơ planar có cùng kích thƣớc.
Vì tạp âm của tiền khuếch đại là hàm số của tụ đêtectơ, cho nên LEGe cố gắng làm cho tạp âm thấp hơn và do đó khả năng phân giải tốt hơn tại năng lƣợng thấp và vừa so với bất kỳ hình học đêtectơ nào khác. Không giống các đêtectơ planar rãnh, có ít gecmani chết ngoài vùng hoạt. Thực tế là bề mặt tụ điện tích hơn là cách điện , điều này dẫn đến ít xung thời gian tăng dài với đặc trƣng tần số và tỷ số đỉnh trên nền đƣợc cải thiện. Đêtectơ LEGe có vùng hoạt từ 50 mm2 tới 38 cm2 Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện và với độ dày từ 5 tới 25mm.
Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lƣợng gamma trung bình, LEGe có thể thay thế một đêtectơ đồng trục dung tích lớn đắt tiền. Lợi dụng ƣu điểm đáp ứng năng lƣợng thấp của đetectơ cửa sổ mỏng cơ bản này, LEGe thƣờng đƣợc trang bị với cửa sổ Be mỏng. Đối với bài toán đo bức xạ gamma hoặc tia X có năng lƣợng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể đƣợc trang bị với một cửa sổ nhôm 0,5 mm thông thƣờng.