phần mở đầu và phần kết luận. Chương một là để khái quát về tương tác của photon với vật chất và hiệu suất của đầu dò bán dẫn. Chương hai trình bày các phương pháp tính hiệu suất của đầu dò bán dẫn được đề cập trong quá trình nghiên cứu và chương ba trình bày kết quả nghiên cứu về hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL. Luan van 7 Trong chương một, luận văn trình bày về các tương tác cơ bản của photon với vật chất như hiện tượng quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh, hiện tượng tạo cặp.
Các hiện tượng này diễn ra trong vùng hoạt của đầu dò bán dẫn và được đầu dò chuyển thành tín hiệu ghi nhận. Các đặc trưng của đầu dò bán dẫn như: Hiệu suất của đầu dò, độ phân giải của đầu dò, sự tự hấp thụ trong đầu dò, sự trùng phùng cũng được trình bày tại chương một. Chương hai với nội dung “Phương pháp Monte – Carlo, chương trình mô phỏng MCNP5 và phương pháp chuyển đổi hiệu suất” sẽ trình bày những điểm cơ bản của phương pháp Monte – Carlo, giới thiệu những điểm chính của một trong những chương trình quan trọng ứng dụng phương pháp Monte – Carlo là chương trình mô phỏng MCNP5. Ngoài phương pháp mô phỏng dùng chương trình MCNP5 để tính hiệu suất của đầu dò bán dẫn, chương hai cũng trình bày cách tính hiệu suất của đầu dò bán dẫn bằng phương pháp thực nghiệm và phương pháp bán thực nghiệm.
Nội dung của chương ba sẽ trình bày các kết quả mà luận văn đạt được gồm có hiệu suất của đầu dò GMX – 4076PL cho nguồn chuẩn điểm, mẫu trụ, mẫu Marinelli bằng các phương pháp mô phỏng dùng chương trình MCNP5, phương pháp thực nghiệm cho nguồn điểm, phương pháp bán thực nghiệm cho các nguồn thể tích. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận văn thực hiện là áp dụng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất cho đầu dò HPGe GMX – 4076PL tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, cụ thể nghiên cứu đã xây dựng được bộ số liệu đầu vào đáng tin cậy về đầu dò HPGe GMX – 4076PL cho chương trình MCNP5, áp dụng phương pháp Monte Carlo. Qua đề tài, hiệu suất của đầu dò HPGe GMX – 4076PL sẽ được xác định linh hoạt hơn, phục vụ tốt hơn những nghiên cứu tiếp theo về đầu dò HPGe GMX – 4076PL và các lĩnh vực nghiên cứu của phòng phân tích kích hoạt neutron thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt có liên quan đến hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL. Bước đầu về kết quả nghiên cứu đã được trình bày tại hội nghị vật lý kỹ thuật và ứng dụng toàn quốc lần V tại Đà Lạt vào tháng 10 năm 2017.
Luan van 8 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN Tia gamma phát ra từ nguồn phóng xạ qua cơ chế phân rã phóng xạ truyền qua môi trường bao quanh, lớp bảo vệ đến đầu dò sẽ tương tác với vật chất cấu tạo đầu dò và xung quanh. Phương pháp Monte Carlo cho phép mô tả sự vận chuyển và tương tác của các hạt sơ cấp như electron, photon, neutron với môi trường vật chất. Để xác định hiệu suất ghi nhận của đầu dò bán dẫn bằng phương pháp Monte Carlo, chúng ta xem xét một số loại tương tác chính của photon với vật chất.
Tương tác của photon với vật chất Những tương tác chính xảy ra giữa gamma với vật chất môi trường là hiện tượng quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh, hiện tượng sinh cặp. Mỗi tương tác đều có vai trò nhất định tạo nên phổ tia gamma mà đầu dò ghi nhận như được trình bày trong hình 1. Các tương tác chính tạo nên phổ năng lượng của 137 Cs được ghi nhận bởi đầu dò hạt nhân [26] Luan van 9 1. Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) năm 1887, khi ông thực hiện thí nghiệm chiếu tia tử ngoại vào một tấm kẽm ban đầu tích điện âm, thí nghiệm cho thấy tấm kẽm bị mất điện tích âm khi chiếu tia tử ngoại.
Hiện tượng ánh sáng thích hợp làm bật các electron ra khỏi nguyên tử gọi là hiện tượng quang điện. Photon gây ra hiện tượng quang điện sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron khi tương tác để một quang electron bức ra khỏi nguyên tử và là hiện tượng chính tạo nên đỉnh năng lượng toàn phần của phổ, đỉnh A trong hình 1. Khi một electron (thường là electron ở lớp K) thoát ra, sẽ có một electron ở lớp ngoài nhảy vào lấp chỗ trống vừa để lại, quá trình dịch chuyển đó kèm theo sự phát ra tia X đặc trưng hoặc electron Auger khi tia X đặc trưng bị hấp thụ ngay bởi một electron ở phía ngoài trong cùng nguyên tử như hình 1. Hiện tượng quang điện không thể giải thích bằng lý thuyết sóng ánh sáng.
Đến năm 1900, nhà vật lý người Đức Max Planck (1858 – 1947) đã đề xướng giả thuyết về lượng tử năng lượng để giải thích hiện tượng quang điện, theo đó lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định gọi là lượng tử năng lượng, kí hiệu là , xác định theo công thức 1.1) trong đó, f là tần số của ánh sáng, h là hằng số Planck ( h 6,625. Đến năm 1905, Albert Eistein (1879 – 1955) đã phát triển giả thuyết của Planck lên thành thuyết lượng tử với nội dung cơ bản là: Chùm ánh sáng là chùm các photon (các lượng tử ánh sáng), mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f các photon giống nhau, mỗi photon mang năng lượng là hf. Phân tử, nguyên tử, phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ photon. Các photon bay dọc theo tia sáng với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, không có photon đứng yên.
Einstein đã giải thích thành công hiện tượng quang điện nhờ vào thuyết lượng tử, khi photon truyền toàn bộ năng lượng cho electron, electron dùng năng lượng này để thắng lực liên kết với mạng tinh thể, đặc trưng bởi năng lượng gọi là công thoát, (kí Luan van 10 hiệu bởi EB ) phần còn lại là động năng của electron để thoát ra ngoài, (kí hiệu là E K ) được xác định theo công thức 1. EK hf EB (1.2) M L Electron nhảy từ K lớp L vào lớp K Photon tới X Electron thoát ra ở lớp K Hình 1. Mô tả hiện tượng quang điện Đối với photon có năng lượng hf EB ( K ) (năng lượng liên kết của electron ở lớp K), động năng trung bình của electron thoát ra được ước lượng theo công thức 1.3 [27] E K hf PK K EB K (1.3) K là hiệu suất phát huỳnh quang ở lớp K, PK là một hệ số để chỉ tỉ lệ số tương tác quang điện xảy ra ở lớp K. Theo như hình 1.3, hiệu suất phát huỳnh quang K khi hf EB ( K ) và L khi EB (L) hf EB ( K ).
Tỉ lệ xảy ra hiệu ứng quang điện PK khi hf EB ( K ) và PL khi EB (L) hf EB ( K ). Xác suất xảy ra hiện tượng quang điện phụ thuộc vào số thứ tự của nguyên tử môi trường thông qua hệ số hấp thụ quang điện khối và phụ thuộc vào năng lượng của photon tới theo công thức 1.4) E3,5 trong đó Z là nguyên tử số, E là năng lượng của gamma, n nằm trong khoảng 4 và 5. Luan van 11 Hiện tượng quang điện xảy ra với xác suất lớn đối với những tia gamma có năng lượng dưới 100 keV. Xác suất phát huỳnh quang Hệ số Nguyên tử số Z Hình 1.
Biểu diễn sự phụ thuộc vào nguyên tử số Z [27] Giả sử hiệu ứng xảy ra với electron tự do thì các quy luật bảo toàn năng lượng và động lượng dẫn tới các công thức 1.6) 1 c Từ hai phương trình 1.6 suy ra phương trình 1.7) c c v 1 c Luan van 12 v Từ phương trình 1.7 ta thấy, với 1 thì không có ý nghĩa vật lý vì khối lượng c v electron khác không, còn nghiệm 0 thì sẽ làm cho Ee 0. Như vậy, hiện tượng c quang điện xảy ra với electron liên kết [29]. Hiện tượng tán xạ Compton Vào khoảng những năm hai mươi của thế kỉ 20, Arthur Compton thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu sự tán xạ của tia X trên tinh thể Graphite. Sau khi tia X đi qua tinh thể Graphite sẽ bị tán xạ theo nhiều phương.
Kết quả thí nghiệm còn cho thấy, ngoài vạch có bước sóng của chùm tia tới còn những vạch có bước sóng ' . Những vạch có bước sóng bằng tương ứng với sự tán xạ của tia X với các electron ở sâu trong nguyên tử, liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử. Những vạch có bước sóng ' tương ứng với sự tán xạ của tia X lên các electron liên kết yếu với hạt nhân, những electron lớp vỏ ngoài của nguyên tử, minh họa như hình 1. Năng lượng liên kết của các electron này rất nhỏ so với năng lượng của photon tới nên được xem là các electron tự do.
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng cho hệ kín photon tia X – electron, tính được độ tăng bước sóng giữa photon tán xạ và photon tới, năng lượng của photon tán xạ Ec và động năng của electron sau va chạm lần lượt xác định theo các công thức 1.8) me c E0 Ec E0 1 1 cos (1.9) me c 2 E0 1 cos me c 2 Ee Eo Ec E0 (1.10) E 1 0 2 1 cos me c Trong đó: me là khối lượng nghỉ của electron c là tốc độ ánh sáng trong chân không Luan van 13 h là hằng số Planck là góc tán xạ, góc hợp bởi phương chuyển động của photon tới và phương chuyển động của photon tán xạ Eo là năng lượng của photon tới h c 2, 43 1012 m bước sóng Compton me c Hình 1. Tán xạ Compton của photon lên electron tự do [30] 1. Hiện tượng tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh được xem như là tán xạ của photon với toàn bộ nguyên tử, photon không truyền năng lượng cho nguyên tử, vì vậy năng lượng của photon tới và photon tán xạ bằng nhau và chỉ thay đổi hướng bay, còn nguyên tử không bị kích thích hay bị ion hóa.