MỞ ĐẦU Vật lý và công nghệ bán dẫn là lĩnh vực khoa học và công nghệ có sự phát triển vô cùng nhanh chóng. Cột mốc thực sự trong sự phát triển của chất bán dẫn, vào năm 1947, là sự phát hiện ra các bóng bán dẫn. Ké từ đó, nhiều thập ky đã trôi qua, lý thuyết bán dẫn phát triển theo chiều sâu và các ứng dụng thực tế của các chất bán dẫn đã mở rộng đến mức độ đáng kinh ngạc. Lợi thé của thiết bị đò bán dẫn là có hiệu suất tương đối cao trong lĩnh vực năng lượng cân thiết.
Có độ phân giải đủ năng lượng để chụp đồng thời nhiều năng lượng của bức xa (x-ray densitometry). Kích thước nhỏ của detector bán dẫn là cần thiết để có sự phân biệt vi trí cao dam bao phan ứng nhanh (máy anh gamma). Hiện nay, đầu dò bán dẫn được sử dụng thành công cho phát hiện và phép đo phố của các hạt tích điện và lượng tử gamma, chủ yếu là do độ phân giải năng lượng cao, tín hiệu phản ứng nhanh và kích thước nhỏ.Trong y học, đầu dò bán dẫn được ứng dụng cho việc chụp X quang kỹ thuật số. Đây là một nỗ lực để thay thế chụp X-quang và bức xạ y năng lượng thấp bằng phim thành hàng ma trận detector bán dẫn phù hop chuyển đổi hình ảnh sang tín hiệu dạng kỹ thuật số.
Chụp X quang kỹ thuật số hiện đại có lợi ích trong chất lượng: giảm bức xạ trong X-quang chân đoán (hơn 5 lần), và độ phân giải tốt hơn (nhiều hơn hàng nghìn lần), cho phép để có được mật độ của các hình ảnh vật thé và hình ảnh 3D với X-quang hình ảnh của một vật thé từ nhiều góc độ và tái tạo lại các lát cắt không gian các phần của vật thể. Nó có tác động tích cực trong lĩnh vực sinh thái. Hiệu quả kinh tế cho thấy các khoản tiết kiệm thời gian bằng cách thu thập thông tin ngay lập tức, giảm thiểu nhu cầu về không gian lưu trữ và khả năng tiết kiệm lao động. Các nghiên cứu liên quan của các tinh thé bán dẫn đã bat đầu xuất phát từ chất bán dẫn cơ bản như germanium (Ge) va silicon (Si).
LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM Những bất lợi của detector Si là hiệu xuất chi nhận tia gamma thấp. Vì vậy, sự chú ý bat đầu tập trung nhiều hơn nữa vào detector dựa trên Ge, có hiệu xuất ghi nhận cao hơn nhiều cho tia gamma. Tuy nhiên bat lợi của detector Ge là chúng phải được làm lạnh với nitơ lỏng đê làm việc tôi ưu. Do đó, sự chú ý ngày cảng tập trung vào vật liệu bán dẫn khác có thể được chế tạo detector đáng tin cậy hoạt động ở nhiệt độ phòng, hiệu xuất chi nhận cho tia gama cao hơn so với máy dò Ge.
Vật liệu có thể cho chế tạo detector hoạt động ở nhiệt độ phòng là Hglaz, CdTe, Cdi-xZnxTe, Pblo, GaAs và InP. Với những vật liệu bán dẫn trên, ngoài độ phân giải năng lượng và hiệu xuất ghi nhận, tốc độ phản ứng nhanh chóng và độ bền phóng xạ của chúng cũng đóng một vai trò quan trọng. Trong đó, ứng cử viên tối ưu cho các hệ thống di động phát hiện bức xạ ion hóa về chỉ phí chế tạo là vật liệu bán dẫn GaAs. Đầu đò GaAs rẻ hơn 50 lần so với CdTe, có thé làm việc dài hạn trong môi trường bức xạ ion hóa cường độ cao, với một độ phân giải năng lượng tốt ở nhiệt độ phòng và có một tốc độ phản ứng nhanh.
Bởi vì yêu cầu chung cho một vật liệu bán dẫn dùng trong một đầu dò hạt nhân và máy quang phô hoạt động ở nhiệt độ phòng thì phụ thuộc vào năng lượng vùng cắm. Năng lượng vùng cam tương đối lớn thì nhiệt của các điện tích được giữ ở mức tối thiểu. Ngược lại, đối với quang phố kế tia gamma dé độ phân giải cao thì cần năng lượng vùng cam nhỏ để một số lượng lớn các cặp electron-lỗ trồng được tạo ra.Vi vậy một quang pho ké thỏa ca hai điều kiện đó thì năng lượng vùng cắm ở khoảng 1. Ngoài ra các vật liệu bán dẫn cũng cần phải có số nguyên tử trung bình tương đối cao nếu được sử dụng trong quang pho kế tia gamma để tăng khả năng tương tác tia gamma.
Độ linh động của hạt mang điện phải cao để đảm bảo hiệu suất khai thác điện tích và chịu ảnh hưởng tối thiểu vào vị trí thu nhận điện tích. Gallium Arsenide (GaAs) là hợp chất bán dẫn nhóm III-V với một số đặc tính tốt phù hợp cho một đầu dò như thế. LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM GaAs đã được công nhận là một vật liệu với vận tốc electron lớn có thể phù hợp với ngành điện tử tốc độ cao và nó đã được nghiên cứu bởi vô số các nhóm nghiên cứu khác nhau trong hơn năm thập kỷ từ những năm 1960. (Phụ lục) Hiện tại ban dẫn GaAs chiếm một vai phan trăm của tong thé thị trường chất bán dẫn.
Mặc dù GaAs dường như không gây nhiều sự chú ý, nhưng tầm quan trọng của nó năm trong các ứng dụng cho phép của nó. Chăng hạn như GaAs có thể ứng dụng trong thiết bị điện tử và thiết bị quang tử như với thiết bị điện tử thì ứng dụng trong transistor lưỡng cực, transistor và diode hiệu ứng trường, với thiết bị quang tử thì ứng dụng lam diode phát xạ ánh sáng (LEDs), laser diode (LDs), bộ tách sóng quang và ông dân sóng. Cũng kế từ khi các detector bán dẫn đã đạt được su thống trị vào khoảng năm 1970, đã khiến cho các nhà nghiên cứu bắt đầu có sự quan tâm về các ứng dụng phương pháp Monte carlo trong việc tính toán hiệu suất của detector. Khi hiệu suất của đầu dò được đo ở nhiều năng lượng bang cách sử dụng nguồn chuẩn, người ta nhận thay cần thiết phải làm khớp nó thành một đường cong từ các điểm này dé có thé mô tả hiệu suât toàn vung năng lượng ma ta quan tâm.
Việc xây dựng đường cong hiệu suât của các detector là rât cân thiết vì từ đó có thê chọn lựa những thuộc tính của detector đề tôi ưu hiệu suât của detector, việc sử dụng sẽ đạt kết quả cao hơn. Do đó trong dé tài này từ tín hiệu có được bằng chương trình mô phỏng PENELOPE. Tôi sẽ xây dựng, đánh giá đường cong hiệu suất của detector bán dẫn GaAs, khảo sát đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng photon, độ dày lớp tỉnh thể, và lớp tiếp xuc bang các loại vat liệu dẫn điện khác nhau, khoảng cách giữa nguồn và đâu dò. LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM CHUONG 1 MO PHONG MONTE CARLO VA CHUONG TRINH PENELOPE 1.
Phương pháp Mote Carlo [1] 1. Giới thiệu Phương pháp Monte Carlo được đưa ra cùng với sự phát triển của máy tính điện tử và là một phương pháp có thé đưa ra những hứa hẹn cho tương lai. Phương pháp Monte Carlo là phương pháp giải số cho bài toán mà mô phỏng sự tương tác của những vật thể này với những vật thể khác hay là với môi trường dựa trên các mối quan hệ vật thể — vật thé và vật thé — môi trường đơn giản. Nó cố găng mô hình hoá tự nhiên thông qua sự mô phỏng trực tiếp các lý thuyết động lực học cần thiết dựa theo yeu cầu của hệ.
Lời giải được xác định băng cách lay mau ngẫu nhiên của các quan hệ, hay là các tương tac vi mô, cho đến khi kết quả đồng quy. Do vậy cách thực hiện lời giải bao gm các hành động hay phép tính được lặp đi lặp lại. Trong trường hợp nhiều tương tác vi phân có thể được mô hình hoá một cách toán học, lời giải lặp lại có thể được thực hiện trên máy tính. Nếu phương pháp Monte Carlo không tồn tại, sẽ có một động cơ mạnh mẽ thúc đây chúng ta phải phát minh ra nó.
Phương pháp Monte Carlo vĩ mô mà chúng ta gọi là các phương pháp tất định hay giải tích. Lý thuyết vĩ mô, đặc biệt là lý thuyết vận chuyển, cho phép một người có khả năng suy luận có thể xem xét một trường hạt vĩ mô sẽ hoạt động như thế nào. Phương pháp Monte Carlo không thể cạnh tranh được trong việc này. Trong việc khám phá các tính chất của trường vĩ mô, phương pháp Monte Carlo rất gidng vớimột người làm thí nghiệm.
Nếu không có sự hướng dẫn của lý thuyết, công việc khám phá sẽ trở nên rất khó khăn và có thé bị sai lệch. Tuy nhiên khi bai toán trở LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM nên quá phức tạp, kĩ thuật Monte Carlo trở nên thuận lợi trong trường hợp bài toán có độ phức tạp tăng cao. Điều nay được diễn tả trong hình 1.1 + Bài toán mồ hình Thực tế ˆ - rs »=" ~* + Tất định =a ¬ 2 ” Monte Carlo Lá Độ phức tạp của bai toán (hình học) Hình 1.1: So sánh thời gian giải quyết của 2 phương pháp: tất định và Monte Carlo Chúng ta có thé dé dang thay được khi độ phức tạp của bài toán (chang hạn như độ phức tạp của hình học) tăng, thời gian để tính toán của các phương pháp tất định sẽ tăng nhiều hơn là phương pháp Monte Carlo. Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo xác định tính chat dau dò Trong những năm gan đây, các chương trình mô phỏng vận chuyển bức xa băng phương pháp Monte Carlo được sử dụng ngày càng rộng rãi.
Mặt khác, các chi phí thực nghiệm tăng lên và các chi phí tính toán giảm xuống cũng đang làm cho việc mô phỏng sự vận chuyền trở nên hấp dẫn hơn, đặc biệt khi các thí nghiệm được tiến hành trong các môi trường nguy hiểm. Hơn nữa, các kỹ thuật tính trong LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM những chương trình nảy cũng nhanh hơn và các máy tính cũng tốt hơn đang làm cho mô phỏng số trở nên đáng tin cậy hơn. Hiện nay đã có nhiều chương trình đáng tin cậy sử dụng phương pháp Monte Carlo để đánh giá đặc trưng đầu dò tiêu biểu như các phần mềm GEANT (R. Brun et al.1986, CERN Data Handling Division, Geneva), MCNP (J.
Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA-12625-M), PENELOPE (Penetration and Energy Loss of Photon and Electrons, Salvat et al. Nhờ đó người sử dụng có thé mô phỏng lại hệ do của minh và từ đó đánh giá các đặc trưng mong muốn. Đa số các công trình trên thé giới tập trung vào các van dé về mô phỏng đáp ứng phố, sử dụng mô phỏng trong việc hỗ trợ tính toán hiệu suất đối với các dạng hình học nguén và mẫu khác nhau.