MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của vật lý hạt nhân và bức xạ, việc tiến hành đo đạc và phát hiện hạt nhân và bức xạ đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc. Một loạt các đầu dò bức xạ hạt nhân ion hóa dựa trên sự ion hóa đã đƣợc phát triển trong những thập kỷ qua, và các thiết bị dò có khả năng đo đƣợc vị trí và năng lƣợng của bức xạ. Trong quá trình phát triển của đầu dò bán dẫn, các loại đầu dò đã có đƣợc những bƣớc tiến đáng kể. Từ những đầu dò thô sơ chỉ dùng để phát hiện bức xạ đến những đầu dò có thể đo đƣợc cƣờng độ bức xạ nhƣng thông tin về năng lƣợng còn hạn chế.
Ngày nay, các đầu dò hiện đại hơn đã có độ phân giải tốt, hiệu suất ghi cao cho phép đo đƣợc chính xác cƣờng độ và năng lƣợng của bức xạ. Sự ra đời của đầu dò bán dẫn cải thiện độ phân giải, nâng cao hiệu suất có một ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu và ứng dụng đầu dò bức xạ. Tuy nhiên những đầu dò bán dẫn mới ra đời có một hạn chế rất lớn là phải đƣợc bảo quản ở nhiệt độ nitơ lỏng. Việc nghiên cứu để tìm ra các vật liệu có số Z cao hơn để có thể sử dụng ở nhiệt độ cao là cần thiết.
Các thuộc tính vốn có của kim cƣơng đã chỉ ra rằng đầu dò bằng vật liệu kim cƣơng có thể chịu đƣợc các bức xạ cao nhƣ chùm tia cực tím, tia X, tia gamma, chùm hạt electron, alpha, nơtron, điện tích ion… với mức năng lƣợng từ 5.5eV đến GeV của các tia vũ trụ. Với mức năng lƣợng vùng cấm 5.5 eV, đầu dò này có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng mà không cần làm lạnh. Kim cƣơng có độ bền bức xạ cao do đó đầu dò kim cƣơng có thể sử dụng thƣờng xuyên mà không cần phải thay thế. Độ linh động của các hạt electron và lỗ trống cao do đó có đáp ứng nhanh.
Việc sử dụng của kim cƣơng trong các thí nghiệm quang dẫn bắt đầu vào năm 1923. Kể từ đó những tiến bộ trong công nghệ đƣợc sử dụng để phủ một lơp kim loại lên kim cƣơng ở các cạnh để cho phép tiếp xúc điện đã thúc đẩy việc sử dụng kim cƣơng nhƣ là một đầu dò quang dẫn của bức xạ. Thời gian đáp ứng cực kỳ nhanh chóng (<100 ps) của các đầu dò kim cƣơng với tia X đã đƣợc chứng minh với việc sử dụng các tiến bộ mới trong công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) đã kích hoạt sản xuất phim kim cƣơng chất lƣợng (ít nhất là về các tính chất điện và nhiệt). 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM Kim cƣơng có năng lƣợng vùng cấm lớn 5.5eV, độ bền bức xạ, vận tốc bão hòa lớn và số nguyên tử thấp.
Điều này làm cho kim cƣơng là một ứng cử viên rất hấp dẫn nhƣ là một đầudò bức xạ. Đầu dò bức xạ kim cƣơng phổ biến nhất (DRDs) trong các hình thức của thiết bị điện tử hai đầu cuối với một cấu trúc kim loại - cách điện - kim loại (MIM). Do kim cƣơng không pha tạp là chất cách điện tốtnênđầu dò bức xạ kim cƣơng này không cần lớp tiếp xúc p-n nhƣ là phổ biến với các đầu dò bức xạ dựa trên silicon. Silicon không thể hoạt động với cấu trúc này vì dòng điện rò rỉ nhiệt tạo ra cao.
Các quan sát quang dẫn sớm đã phát triển các ứng dụng của kim cƣơng trong lĩnh vực đo liều tia X. Mặc dù phim chụp ảnh vẫn là phƣơng pháp mà hình ảnh X- quang thƣờng đƣợc ghi nhận, nhƣng nó không cung cấp một phƣơng tiện đo đạc tốt nguồn tia X hoặc là cho các ứng dụng chẩn đoán hoặc điều trị vì thiếu tái lặp trong các nhũ tƣơng và trong quá trình phát triển. Sự tạo thành các tín hiệu điện trong môi trƣờng rắn thích hợp và đo lƣờng bằng các mạch phù hợp là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn, hơn nữa kim cƣơng đặc biệt đƣợc ƣa thích bởi vì carbon với số nguyên tử 6 phù hợp chặt chẽ với số nguyên tử hiệu dụng của các mô của con ngƣời thƣờng đƣợc biết đến là 7. Sự tƣơng tác của tia X với vật chất phụ thuộc vào số lƣợng nguyên tử cũng nhƣ năng lƣợng tia X, do đó việc sử dụng các máy phát hiện có sự khác biệt đáng kể về số nguyên tử so với mô là một vấn đề cần giải quyết.
Trong các ứng dụng nhƣ vậy, tính trơ hóa học của kim cƣơng cũng là lợi thế rất lớn, đặc biệt là trong các ứng dụng giám sát các quá trình diễn ra trong cơ thể sống (phƣơng pháp in vivo) Trong thí nghiệm vật lý năng lƣợng cao, kim cƣơng CVD là một vật liệu đang đƣợc tích cực theo đuổi nhƣ là một vật liệu chịu bức xạ sử dụng rất gần với khu vực tƣơng tác nơi đầu dò hoạt động trong điều kiện bức xạ cực cao. Trong vài năm qua nhiều cảm biến kim cƣơng CVD đã đƣợc sản xuất và thử nghiệm. Là một đầudò cho các môi trƣờng bức xạ cao, CVD kim cƣơng mang lại lợi ích đáng kể từ độ cứng bức xạ của nó, dòng rò rỉ rất thấp, hằng số điện môi thấp, thu tín hiệu nhanh và khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng. 12 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM Nhƣng không phải kim cƣơng nào cũng có thể đƣợc sử dụng, một số loại tạp chất trong kim cƣơng có thể làm tăng tuyến tính hiệu suất bức xạ, nhƣng việc dƣ thừa tạp chất có thể làm giảm độ nhạy đầu dò và làm tăng hiệu suất phân cực.
Do đó việc sử dụng kim cƣơng tự nhiên sẽ dẫn đến hạn chế là giá thành rất cao và việc lựa chọn vật liệu kim cƣơng phù hợp sẽ tốn rất nhiều thời gian. Hạn chế này đƣợc khắc phục bằng cách sản xuất kim cƣơng nhân tạo bằng phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Tuy nhiên, việc sử dụng đầu dò bằng vật liệu kim cƣơng tự nhiên hay kim cƣơng CVD không hề dễ dàng và nó cũng có một số những hạn chế nhất định. Do vậy, việc phân tích và tìm hiểu các thuộc tính của đầu dò kim cƣơng CVD là cần thiết.
Thông qua các kết quả mô phỏng về hiệu suất của đầu dò với việc thay đổi các thông số về kích thƣớc, năng lƣợng bức xạ hay cách đo, ta có thể đánh giá các thuộc tính của đầu dò, qua đó phân tích đánh giá việc sử dụng đầu dò trong thực tế. Từ những thí nghiệm thực hiện bởi nhóm NIRIM (National Institute for Research in Inorganic Materials) tại Nhật Bản nhằm chứng minh tính khả thi của kim cƣơng tổng hợp CVD vào những năm 1980, cho đến nay nhiều nhà khoa học trên thế giới đã sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau để khảo sát tính chất của đầu dò. Pace et al. 13 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM Luận văn nhằm mục tiêu tìm hiểu vật liệu kim cƣơng CVD và đầu dò bức xạ kim cƣơng CVD.
Sử dụng phƣơng pháp Monte Carlo dùng chƣơng trình PENELOPE để xác định các tính chất của đầu dò kim cƣơng CVD, chủ yếu bằng mô phỏng xác định hiệu suất ghi bức xạ của đầu dò bằng vật liệu kim cƣơng CVD. Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan về đầu dò bán dẫn. Sau đó giới thiệu về vật liệu kim cƣơng CVD, cách chế tạo và tính chất của vật liệu, cấu tạo đặc điểm của đầu dò bức xạ kim cƣơng CVD. Tiếp theo giới thiệu về chƣơng trình mô phỏng PENELOPE, tìm hiểu đặc điểm, cơ sở, cấu trúc, thành phần dữ liệu trong chƣơng trình.
Cuối cùng vận dụng chƣơng trình PENELOPE để tính toán tín hiệu và hiệu suất của đầu dò kim cƣơng CVD. Vì thời gian có hạn nên phạm vi đề tài chỉ thực hiện tính toán hiệu suất đối với photon và electron phụ thuộc vào năng lƣợng bức xạ, bề dày tinh thể, vật liệu điện cực và vị trí nguồn. 14 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM CHƢƠNG 1 LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN 1.1 Lịch sử phát triển của đầu dò bức xạ Vào năm 1895 Roentgen đã bắt đầu đo các tia X khi ông phát hiện ra chúng phát ra từ ống phóng điện chứa khí. Những phép đo tia X đầu tiên sử dụng các phƣơng pháp huỳnh quang, chụp ảnh và buồng ion hoá.
Do bƣớc sóng của tia X ngắn nên phƣơng pháp tán sắc trong quang phổ không sử dụng đƣợc để xác định độ dài bƣớc sóng (bƣớc sóng cỡ 0. Sau đó Bragg khám phá ra rằng có thể sử dụng mặt phẳng của tinh thể tự nhiên có độ sạch cao làm tinh thể nhiễu xạ. Phƣơng pháp này đƣợc gọi là phƣơng pháp nhiễu xạ Bragg, phƣơng pháp Bragg có thể quan sát đƣợc cấu trúc liên tục và cấu trúc vạch của phổ [6]. Vào thời điểm đó, các nghiên cứu về tia γ cũng đƣợc tiến hành.
Năm 1896, Becquerel tình cờ phát hiện ra hiện tƣợng phóng xạ tự nhiên nhờ sự làm đen phim ảnh của bức xạ phát ra. Năm 1900, Villard thấy rằng tia phóng xạ tự nhiên có tính chất đâm xuyên giống nhƣ hạt α và β nhƣng đƣờng đi không bị lệch trong từ trƣờng và điện trƣờng. Thành phần mới này đƣợc gọi là tia γ. Sau những quan sát đầu tiên tia X và tia γ bằng phim ảnh, những tiến bộ trong đo đạc đã dẫn đến sự phát triển đa dạng của các loại ống đếm chứa khí vào đầu năm 1908 (Rutherford và Geiger 1908).
So với chụp ảnh, các ống đếm khí cho phép đo và xác định nhanh chóng sự hiện diện của bức xạ (không phải đợi tráng rửa phim). Với các tia X và tia γ có năng lƣợng đủ thấp để có thể gây ra hiệu ứng quang điện, electron thứ cấp sinh ra có thể bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích khí, nên ống đếm tỉ lệ có thể đo phổ của các tia X và γ năng lƣợng thấp. Nhìn chung các thiết bị ghi nhận này chỉ cho phép xác định đƣợc số sự kiện xảy ra trong ống đếm chứ không xác định đƣợc năng lƣợng của các photon. Vào khoảng năm 1948 (Hofstadter 1948), đầu dò NaI(Tl) ra đời đã mang lại những thay đổi căn bản trong phép đo phổ tia X và γ.
Các đầu dò nhấp nháy có khả 15 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM năng đo phổ năng lƣợng trên một dải rộng. Sau một thời gian phát triển, các nhà sản xuất đã chế tạo đƣợc những tinh thể kích thƣớc lớn có khả năng hấp thụ một tỉ lệ lớn các photon tới, thậm chí với các năng lƣợng trên 1 MeV.
