Các đetectơliên quan đến ghi đo bức xạ trên kênh ngang số3 lò phản ứng hạt nhân đà lạt

c liên kết. Hình 15 (a) Pha tạp tạo bán dẫn loại p. (b) Pha tạp tạo bán dẫn loại n. 37 Bình thường, do chuyển động nhiệt trong tinh thể luôn có một số electron lấp đầy dải hoá trị do chất pha tạp loại nhận tạo ra như trên hình 15 a. Vì sự khác nhau về năng lượng giữa chất cho và đỉnh của vùng hoá trị là không lớn nên phần lớn các nguyên tử của chất cho ở các nút mạng được lấp đầy bởi các electron đến từ các nguyên tử của chất nhận ở kế bên. Sự di chuyển này tạo ra những lỗ trống trong vùng hoá trị. Sự thừa các phần tử lỗ trống làm cho chất bán dẫn trở thành bán dẫn loại p. III.6. Chất bán dẫn loại n Nếu chất pha tạp có hoá trị 5 như quá trình minh hoạ trên hình 15 b. Nguyên tử pha tạp sẽ chiếm một nút trong mạng tinh thể, bốn trong năm electron của nó liên kết với bốn nguyên tử của chất bán dẫn bằng liên kết cộng hoá trị. Electron còn lại bị các nguyên tử lân cận hút làm giảm năng lượng liên kết của nó với nguyên tử pha tạp đi khoảng ε2 lần, trong đó ε là hằng số điện môi của Ge hoặc Si, (~16 với Ge) do đó chỉ cần một năng lượng rất nhỏ là có thể bứt được electron này khỏi nguyên tử và trở thành phần tử tự do tải điện, nó làm giảm năng lượng của vùng cấm trong tinh thể và tạo nên phần tử mang điện chủ yếu trong chất bán dẫn nên được gọi là bán dẫn loại n. Trong bán dẫn sẽ có một lượng lỗ trống nào đó gây bởi các chuyển dời của electron từ vùng hoá trị, nghĩa là trong sự ion hoá các nguyên tử của chính chất bán dẫn. Tuy nhiên năng lượng đó là đáng kể thế nên phần tử tải điện chính trong bán dẫn này vẫn là các electron. Đơn vị đo mức độ pha tạp trong vật liệu bán dẫn là độ dẫn điện hoặc điện trở suất. Với silicon sạch điện trở suất có thể đạt giá trị vào khoảng 50,000 Ω-cm, theo lý thuyết giá trị này có thể lớn hơn 200,000 Ω-cm. Ở nhiệt độ phòng, ảnh hưởng của sự pha tạp lên điện trở suất của Si là lớn hơn so với Ge vì độ rộng khe năng lượng của Ge bé hơn so với Si do đó đòi 38 hỏi phải pha tạp nhiều hơn để thay đổi độ dẫn. Khi pha tạp với nồng độ 10 13 nguyên tử/cc vào Si để tạo bán dẫn loại p thì điện trở tương ứng vào khoảng 500 Ω-cm, trong khi đó với Ge chỉ đạt giá trị 50 Ω-cm. Cách khác để thay đổi điện trở đó là làm lạnh chất bán dẫn ở nhiệt độ nitơ lỏng, điện trở dẫn của chất bán dẫn khi đó sẽ lớn hơn. III.7. Bán dẫn lưỡng tính Nếu lượng chất cho và nhận trong chất bán dẫn bằng nhau thì vật liệu mang tính bù trừ. Những vật liệu như vậy có đặc điểm giống như chất bán dẫn thuần vì các electron đóng góp từ các chất cho bị loại bỏ do bị bắt ở các vị trí pha tạp của chất nhận. Trong thực tế, rất khó đạt được sự cân bằng một cách chính xác luôn có một sự mất cân bằng nhỏ giữa chất cho và chất nhận, điều đó làm cho chất bán dẫn trở thành bán dẫn loại p hoặc loại n. Trong thực tế chỉ đạt được sự cân bằng trong thể tích Si hoặc Ge lớn có cấy ion Li sau khi chế tạo. Vì chuyển động của Li ở nhiệt độ phòng là lớn do đó các đetectơ Ge này cần được làm lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng và duy trì liên tục để ngăn sự bù trừ. Với Si, sự di chuyển của Li là bé hơn nên nếu để ở nhiệt độ phòng một thời gian ngắn có thể không đủ để làm nóng đetectơ. Đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu bù trừ là điện trở suất của nó cao. III.8. Các đặc điểm của chất bán dẫn tốt Các đặc điểm của một chất bán dẫn tốt sử dụng làm đetectơ đo bức xạ cần có: (a) Năng lượng vùng cấm nhỏ để tạo ra một lượng lớn các cặp electron và lỗ trống khi tương tác với bức xạ hạt nhân. (b) Khi không hoạt động, mật độ của các phần tử mang điện phải thấp để có dòng rò nhỏ. (c) Chuyển động của các electron và lỗ trống nhanh, thời gian tồn tại dài để 39 đảm bảo hiệu suất thu góp và thời gian tăng của tín hiệu nhanh. (d) Không bị trễ do quá trình bắt để thời gian tăng nhanh, không ảnh hưởng nhiều do không gian mang điện. (e) Số Z lớn để có tiết diện quang điện với tia gamma lớn. So với các đetectơ khác, sử dụng các đetectơ bán dẫn thường có nhiều ưu điểm. Các đetectơ này có độ phân giải năng lượng cao, ổn định, không bị trôi giạt, thời gian phân giải rất tốt, cửa sổ có thể rất mỏng. III.9. Độ linh động của các phần tử tải điện Trong buồng ion hoá rắn cũng như buồng ion hoá chứa khí, vận tốc của các phần tử mang điện chuyển động về các điện cực tỷ lệ với tích số giữa độ linh động µ của chúng với cường độ điện trường E đặt lên buồng đo: v+ = µ+.E; v- = µ-.E Nếu µ càng lớn thì thời gian thu thập các phần tử tải điện càng ngắn và độ phân giải thời gian của đetectơ càng tốt. Nếu độ linh động của các phần tử tải điện dương và âm bằng nhau hoặc rất gần nhau thì biên độ tín hiệu từ buồng sẽ không phụ thuộc vào vị trí tạo nên các phần tử mang điện trong thể tích nhạy. Thứ nguyên của v là cm/s, của cường độ điện trường là Vôn/cm nên thứ nguyên của µ là cm2/Vôn.s. III.10. Tính điện trở suất của đetectơ bán dẫn Giả sử giá trị trung bình của dòng đi qua khối bán dẫn là I = U/R với R là trở của khối bán dẫn, U là điện áp đặt lên khối bán dẫn. Giả sử t là thời gian di chuyển của các phần tử tải điện giữa các điện cực và e là điện tích của các phần tử tải điện. Khi đó, sau thời gian t, đetectơ sẽ có một số lượng cặp phần tử tải điện tích đi qua là . Nếu coi mật độ các phần tử tải điện tuân /(Re)Utn= 40 theo phân bố Poisson thì chúng ta sẽ thu được độ lệch chuẩn: /(Re)Utn =σ Số cặp phần tử tải điện do hạt có năng lượng E tạo nên trong buồng là E/ω với ω là năng lượng để tạo nên một cặp phần tử tải điện. Yêu cầu để tỷ số tín hiệu nhiễu trên tín hiệu có ích là 10-3 thì ta có: . Điều yêu cầu này là bình thường vì độ phân giải năng lượng ở các đetectơ có chất lượng tốt vào khoảng 0,1÷0,3% đối với E = 1÷2 MeV. 310/ −=Enωσ Như vậy: (11) 62 10)./.()/( eUtER ω≥ hoặc là đối với điện trở suất: 62 10)./.()/)(/( eUtEds ωρ ≥ với s là tiết diện đetectơ, d là khoảng cách giữa các điện cực. Vậy: 62 10))./(.()/( desUtEωρ ≥ Chúng ta coi độ linh động của các phần tử tải điện dương và âm đều như nhau và bằng µ. Khi đó, giới hạn trên của thời gian di chuyển của các phần tử tải điện với khoảng cách d bằng thời gian tập hợp các phần tử tải điện là t = d2/(Uµ). Lúc đó, điện trở suất là: (12) 62 10))./(1.()/( µωρ eEV≥ với V là thể tích của đetectơ tính theo cm3. Ở nhiệt độ phòng, độ linh động của các phần tử tải điện (cả ở chất dẫn điện cũng như chất bán dẫn) thường vào cỡ 103 cm2/(V.s), còn ω vào cỡ 3 ÷ 7 eV. Khi sử dụng V = 1cm3, E = 1 MeV thì ta thu được giá trị điện trở suất tối thiểu là 1010 Ω.cm. 41 Trong tự nhiên thì chất cách điện có trở suất 1016 Ω.cm – không sử dụng làm đetectơ được do quá trình tái hợp mạnh. Do vậy phải dùng chất bán dẫn để tạo vùng nghèo phần tử tải điện. III.11. Sử dụng chất bán dẫn làm đetectơ đo bức xạ Bức xạ đến đetectơ bán dẫn làm tăng số electron hoá trị chuyển lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống mang điện dương trong dải hoá trị. Dưới tác động của điện trường áp vào chất bán dẫn, các electron và lỗ trống dịch chuyển về các điện cực. Các tín hiệu này được thu góp ở mạch ngoài và quá trình xác định bức xạ được thực hiện. Các kiểu đetectơ khác nhau được sử dụng để đáp ứng các ứng dụng khác nhau và cho các loại bức xạ khác nhau. III.12. Đặc điểm của mối nối trong chất bán dẫn Mối tiếp xúc p-n giữ vai trò như một diode. Đặc điểm của mối nối này là sẽ dẫn rất mạnh khi điện áp đặt cùng chiều và dẫn rất bé khi điện áp đặt ngược chiều. Trong cấu hình này khi đặt điện áp dương được vào mặt p của mối nối và phần tương ứng vào mặt n, thế năng sẽ hướng các electron từ mặt n và lỗ trống từ mặt p chuyển động qua mối nối. Nếu độ dẫn qua mối nối bị tăng, có nghĩa dòng dò trở nên lớn hơn và không thể sử dụng được cho các ứng dụng của chúng ta. Nếu phân cực nghịch, mặt p của mối nối được áp điện áp âm và n áp điện dương, bây giờ các phần tử tải điện thiểu số electron ở bên cực p và lỗ trống bên cực n sẽ dịch chuyển qua mối nối và do độ dẫn thấp nên dòng rất nhỏ. Mối nối p-n giống như một phần tử chỉnh lưu, cho dẫn dòng điện đi theo một chiều. Sử dụng phân cực ngược trên diode để tạo ra một vùng trống và tất cả các điện trường là băng ngang qua vùng này vì điện trở của nó là cao hơn so với kiểu vật liệu bán dẫn n hoặc p thông thường. Vì điện áp đặt ngang qua vùng trống và lớp này chỉ kích hoạt khi có bức xạ hạt nhân bay vào. 42 Độ rộng vùng nghèo được xác định bằng điện áp và mật độ phần tử mang điện. Độ dày của vùng nghèo với mối nối chuẩn là tỉ lệ với điện áp phân cực cho đetectơ. Nếu điện áp phân cực ngược quá cao sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng diode và dòng điện sẽ tăng đột ngột làm hỏng cấu trúc của đetectơ. III.13. Các loại đetectơ bán dẫn III.13.1. Đetectơ diode Các đetectơ này thường được chế tạo bằng cách khuếch tán vật liệu loại n (như P) vào một đầu của chất bán dẫn loại p ở nhiệt độ cao (~1000 o C). Bằng cách thay đổi thời gian khuếch tán, có thể tạo ra các mối nối có độ sâu khoảng vài chục micro mét đến hai micro mét. Do quá trình khuếch tán, bề mặt của chất bán dẫn trở nên được pha tạp do đó vùng nghèo được mở rộng với các phần tử loại p. Kiểu đetectơ này tương đối thô, có điện trở lớn hơn so với các đetectơ hàng rào mặt. Lớp bên ngoài vùng nghèo hoạt động giống như một lớp chết hoặc cửa sổ mà bức xạ cần phải đi qua trước khi đến vùng nghèo. Nếu bức xạ mất năng lượng trong lớp này thì nó sẽ không được ghi nhận. Do đó năng lượng ghi nhận được hầu như thấp hơn năng lượng của hạt. Vì quá trình khuếch tán cần được tiến hành ở nhiệt độ cao nên nó làm giảm thời gian thu góp các hạt mang điện nhưng làm tăng nhiễu trong đetectơ. III.13.2. Các đetectơ hàng rào mặt (SSD) Các đetectơ này có mối tiếp xúc được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn và một kim loại nào đó, thường là bán dẫn silic kiểu n với vàng hoặc silic kiểu p với nhôm. Do sự khác nhau của các mức Fermi trong những vật liệu này, mối tiếp xúc gây ra một suất điện động khi cả hai được đặt tiếp xúc với nhau làm tạo ra một dải các mức thấp hơn trong chất bán dẫn. Nó giống như tiếp xúc np và một vùng nghèo trong chất bán dẫn (thường vào cỡ ~5 mm). Cửa sổ lối vào được chế tạo bằng cách làm bay hơi kim loại và có mật độ ~40 µg/cm 2 để 43 không làm mất nhiều năng lượng của hạt tới. Các đetectơ này là những đetectơ nhạy với ánh sáng và sự nhiễm bẩn bề mặt do đó cần được giữ trong buồng tối và giữ bề mặt sạch sẽ. III.13.3. Các đetectơ cấy ion Tiếp xúc cấy ion được tạo ra bằng cách dung máy gia tốc bắn chùm hạt ion chất pha tạp vào tinh thể chất bán dẫn. Bằng cách thay đổi năng lượng của chùm hạt ion tới, có thể điều khiển được độ sâu và mật độ ion thêm vào tinh thể. Các chất bán dẫn này được tôi ở nhiệt độ ~500 o C để giảm sự hư hỏng do quá trình cấy ion. So với các đetectơ hàng rào mặt, các đetectơ này ổn định hơn, ít nhạy với với các điều kiện môi trường và có cửa sổ mỏng tương đương với cỡ ~34 nm Si. Các đetectơ được chế tạo dựa trên kỹ thuật cấy ion tương đối ổn định và độ tuyến tính, chúng được sử dụng làm các đetectơ đo năng lượng. Các lớp chết ở đầu và cuối là nhỏ, thời gian đáp ứng nhanh. Chi phí cho chế tạo kiểu đetectơ này thường đắt hơn so với các kiểu đetectơ khác. III.13.4. Các đetectơ cửa sổ mỏng Quá trình chế tạo đetectơ cửa sổ mỏng có thể mô tả như sau: Tấm Si sau khi được làm nhẵn và sạch, một lớp oxit trên bề mặt được tạo bằng cách nung nhiệt. Tiếp theo kỹ thuật quang khắc được sử dụng để loại bỏ các vùng oxy hoá ở khu vực cửa sổ vào của đetectơ. Mối tiếp xúc được tạo bằng cách chuyển đổi một lớp mỏng Si trong vùng cửa sổ thành vật liệu kiểu p thông qua quá trình cấy các ion chất nhận bằng máy gia tốc. Để tạo một tiếp xúc điện trên bề mặt của tấm bán dẫn cần chuyển bề mặt thành bán dẫn loại n+ bằng cách cấy các ion của chất nhận. Sự hư hỏng tạo ra do quá trình cấy được loại bỏ bằng ủ nhiệt. Cuối cùng, nhôm được làm bay hơi và gắn vào bề mặt sau của vật liệu bán dẫn bằng kỹ thuật in quang để tạo ra tiếp xúc điện. 44 Ưu điểm nổi bật của các đetectơ này là các mép của mối tiếp xúc được tạo ra bằng kỹ thuật cấy ion nên gắn chắc trong tấm bán dẫn. Quá trình oxy hoá bề mặt giữ cho dòng rò bé hơn trong các đetectơ hàng rào mặt. Sự hình thành các lớp p+ bằng cấy ion cho phép chế tạo các cửa sổ hoặc các lớp chết mỏng, đồng đều và đảm bảo được độ phân giải năng lượng. Mặt trước được nhôm hoá nên chắc chắn và ít hư hỏng hơn so với sử dụng vàng trong các đetectơ hàng rào mặt. III.14. Ứng dụng của các đetectơ bán dẫn trong phổ kế đo các hạt mang điện Các diode Si là các đetectơ được chọn cho xác định các hạt mang điện. Một số ứng dụng phổ biến của nó như phổ kế anpha, đo các sản phẩm phân hạch, các proton, các deuteron và các ion nặng khác. Trong trường hợp vùng nghèo lớn hơn quãng chạy của các hạt tới thì việc xác định rất đơn giản. Với các hạt tới đơn năng, trong phổ quan sát được sẽ chỉ có một đỉnh hấp thụ toàn phần, không có các quá trình tán xạ khác làm mất đáng kể năng lượng. Với các đetectơ thuần, độ sâu vùng nghèo đơn giản là độ dày của tấm Si. Trong một số trường hợp riêng, độ sâu vùng nghèo tăng theo cao áp đặt vào đetectơ do đó cần giới hạn điện áp để không làm hỏng đetectơ. Cao thế cực đại và độ sâu tương ứng là các đặc trưng của đetectơ được nhà sản xuất cung cấp. Các loại diode Si vận hành ở nhiệt độ phòng là tiêu chuẩn lý tưởng để làm đetectơ đo anpha và các ion nhẹ khác. Với nguồn 241 Am (có năng lượng 5.486 MeV), các đetectơ Si nhỏ cho độ phân giải vào cỡ 10-11 KeV, còn với các đetectơ lớn hơn cho độ phân giải vào cỡ 15-20 KeV. III.15. Các đetectơ Ge(Li) Hạn chế chính của các đetectơ tiếp xúc khuếch tán và các đetectơ hàng rào 45 mặt là giới hạn của độ sâu vùng nghèo và thể tích vùng hoạt. Mặc dù sử dụng các vật liệu có điện trở cao nhất và cao áp ở gần giá trị đánh thủng thì độ sâu vùng nghèo cũng chỉ đạt được tối đa từ 2-3 mm. Trong khi đó cần phải có các độ dày lớn hơn để đo gamma. Để khắc phục hạn chế đó, các đetectơ bán dẫn khuếch tán Li thể tích lớn đã chứng tỏ được ưu điểm của mình. Bằng cách tạo ra một vùng của các vật liệu bù trừ sao cho số lượng pha tạp chất nhận là cân bằng với số lượng pha tạp chất cho. Vật liệu Si và Ge kiểu p dù có độ sạch cao nhất và chế tạo bằng quy trình tốt nhất vẫn có một sự mất cân bằng do đó các nguyên tử chất cho cần được thêm vào để duy trì sự cân bằng. Li được sử dụng như một chất cho. Bằng cách khuếch tán Li trên bề mặt tinh thể bán dẫn loại p, các nguyên tử chất cho do Li tạo ra là nhiều hơn các nguyên tử chất nhận ban đầu làm xuất hiện một vùng kiểu n ở gần bề mặt chiếu bức xạ. Kết quả tạo ra một mối nối p-n ngược với phân cực của điện áp. Do tác dụng của điện trường, các ion Li bị làm chậm mức độ xâm nhập vào vùng p, mật độ của chúng tăng dần và xấp xỉ gần bằng lượng pha tạp của chất nhận ban đầu. Một đặc điểm đáng chú ý của quá trình khuếch tán là chúng tự động bù trừ những chỗ cần thiết vì phân bố của Li trong vùng khuếch tán có chiều hướng làm cho điện tích bằng không ở mọi điểm. Mật độ chất pha tạp cần giới hạn dưới 10 9 /cm 3 . Các ion Li có thể được khuếch tán lên cả hai loại tinh thể Si và Ge để chế tạo các đetectơ. Trong Ge, sự chuyển động nhiệt của các ion Li là khá lớn ngay cả ở nhiệt độ phòng, sự khuếch tán mạnh có thể làm hỏng cấu trúc do đó cần giữ cho nhiệt độ tinh thể ở nhiệt độ nitơ lỏng (77 o K). Trong Si, chuyển động nhiệt của các ion ở nhiệt độ phòng bé hơn do đó có thể bảo quản các đetectơ [Si(Li)] mà không cần làm lạnh. Hình 16 là cấu hình p-i-n của một đetectơ Ge(Li) đơn giản. Kỹ thuật khuếch tán được sử dụng cho cả các đetectơ phẳng và đetectơ đồng trục. Ngày nay, 46 sự ra đời của các đetectơ HPGe làm các đetectơ Ge(Li) hầu như không còn được sử dụng nhưng các đetectơ Si(Li) vẫn được sử dụng phổ biến để làm các phổ kế đo các photon năng lượng thấp (LEPS). Hình 16. Cấu hình cơ bản của một đetectơ khuếch tán Li có cấu trúc p-i-n. III.16. Các đetectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe) Nhược điểm của các đetectơ Ge(Li) là sự phân bố của Li trở nên không kiểm soát được ở nhiệt độ phòng. Để ngăn cản sự mất khả năng bù trừ trong vùng nội tại do sự phân bố lại của Li, các đetectơ này phải được bảo quản liên tục trong nitơ lỏng. Chính vì vậy, nghiên chế tạo các đetectơ có thể bảo quản hoặc vận hành ở nhiệt độ phòng vẫn được tiến hành. Nhờ sự tiến bộ của công nghệ, các vật liệu Ge siêu tinh khiết chế tạo bằng kỹ thuật kết tinh đã được cung cấp với mức độ tạp chất vào khoảng 1/1010 nguyên tử Ge. Nhờ vậy, các đetectơ HPGe thể tích lớn đã được chế tạo mà không cần sử dụng Li để bù trừ. Ưu điểm lớn của các đetectơ này là có thể bảo quản chúng ở nhiệt độ phòng khi không sử dụng. Tuy nhiên khi vận hành chúng phải được giữ ở nhiệt độ nitơ lỏng để giảm nhiễu do kích thích nhiệt ở nhiệt độ phòng của Ge là rất cao. Các đetectơ này có cả hai kiểu phẳng, đồng trục (cả hai loại n và p). Với các đetectơ phẳng, đường kính của tinh thể thường không quá vài cm do đó thể tích vùng hoạt không vượt quá cỡ 10-30 cm 3 . Với phổ kế gamma cần các đetectơ có thể tích lớn hơn do đó chúng cần được chế tạo dưới dạng hình trụ hoặc đồng trục. Trong trường hợp này, một 47 điện cực đặt ở mặt ngoài của hình trụ và một điện cực được đặt ở mặt trong của hình trụ. Vì tinh thể có thể chế tạo dài theo hướng trục do đó có thể chế tạo tinh thể có thể tích lớn (các tinh thể có thể tích lên đến 400 cm 3 đã được cung cấp thương mại). Các đetectơ này chủ yếu được sử dụng trong phổ kế gamma. III.17. Các đetectơ nhạy vị trí Trong vật lý năng lượng cao, ngoài việc xác định năng lượng của hạt, vị trí xảy ra phản ứng cũng cần được xác định vì vậy các đetectơ không gian đã được phát triển. Tín hiệu có thể được lấy liên tục hoặc rời rạc trên các điện trở chia thế. Các đetectơ sử dụng phương pháp này đã được chế tạo dưới dạng một chiều và hai chiều. Trong tương lai gần, chúng sẽ được sử dụng trong các ứng dụng chụp ảnh và an toàn bức xạ. Hai loại đetectơ chính loại này là các đetectơ một chiều và các đetectơ không gian. Hình 17. Là sơ đồ nguyên lý của đetectơ xác định vị trí một chiều. Về cơ bản, đầu dò này là một diode chữ nhật có một điện cực ở mặt trước và một điện cực ở mặt sau. Chiều dài đặc trưng cho các đầu dò như vậy là 5 cm. Nếu một hạt tích điện đi qua diode, điện tích thu được tại hai điện cực sẽ tỉ lệ với điện trở giữa điểm tới của hạt (điểm xảy ra tương tác) với các điện cực như sau: )( )( )( )( 1 2 2 1 xR xR xi xi = (13) 48 Độ phân giải vị trí được xác định theo công thức: s DB DDi D B ss n Q TCkCRF R Tk QQ Q NSl l ≈==∝∆ 41 / 1 (14) Để đảm bảo độ tuyến tính của tín hiệu xác định vị trí, điện trở trong các lớp phải có độ đồng nhất cao. Các đầu dò tốt độ phi tuyến có thể nhỏ hơn 1% theo chiều dài của đầu dò và độ phân giải không gian có thể xấp xỉ 250 µm. a) b) Hình 18. a) Sơ đồ nguyên lý của một đetectơ không gian, b) Hình ảnh bên trong của một đetectơ không gian. Để tăng độ nhạy và độ phân giải vị trí, các đầu dò một chiều đã được phát triển thành đầu dò hai chiều (Hình 18 ). Các đầu dò kiểu này có thể được thiết kế bằng cách tạo thêm các lối ra tín hiệu cách nhau rất gần và nối với nhau qua các điện trở để tạo thành mạng chia thế. Về phần nào, các đetectơ này có phần giống với các ống đếm tỉ lệ nhiều dây. III.18. Các vật liệu bán dẫn khác sử dụng chế tạo đetectơ Ge vẫn phải làm lạnh khi vận hành nên các ý tưởng tìm kiếm các vật liệu có Z 49 cao để chế tạo các đetectơ có thể vận hành ở nhiệt độ phòng vẫn tiếp tục. Nhiều hợp chất đã được nghiên cứu tuy nhiên chỉ có hai loại có nhiều triển vọng là cadmium telluride (CdTe) đã được cung cấp thương mại và mercuric iodide (HgI2) vẫn đang được nghiên cứu phát triển. CdTe là vật liệu đầu tiên (ngoài Silicon) được sử dụng để chế tạo đetectơ hoạt động ở nhiệt độ phòng. Độ rộng khe năng lượng của nó là 1.45 eV, số khối của nguyên tử là 48 và 52. Nó cho phép chế tạo ra các đetectơ đo gamma có hiệu suất cao. HgI2 có số Z cao hơn (80 và 53) và độ rộng vùng cấm là 2.14 eV, năng lượng trung bình tạo một cặp electron-lỗ trống có phần cao hơn trong Si và Ge (khoảng 4.4 eV). Các đetectơ này có ưu điểm trong đo gamma nhưng vẫn còn nhiều vấn đề. HgI2 ở góc độ nào đó gây khó khăn do quá trình thu góp điện tích không hoàn toàn vì sự bắt giữ và hiệu ứng phân cực do đó thiết kế không gian bị giới hạn làm giới hạn hiệu suất và độ phân giải. CdTe có phần khả thi hơn nhưng trong cả hai trường hợp vẫn còn khó khăn để chế tạo được các đetectơ có thể tích lớn do sự không đồng nhất của nó. Chế tạo ra các tinh thể tốt vẫn còn rất đắt, quá trình nghiên cứu vẫn đang tiếp tục, hy vọng các hiểu biết vật lý về các vật liệu này tốt hơn sẽ làm cho khả năng chế tạo các đetectơ này trở nên thực tế hơn. III.19. Sử dụng các đetectơ Si và Ge cho các ứng dụng khác nhau III.19.1. Các ưu điểm của đetectơ Si và Ge Các đetectơ Si có thể vận hành ở nhiệt độ phòng, có thể đo được năng lượng tia X (<30 KeV), các đetectơ Si được ưa chuộng vì mép K nằm ở năng lượng thấp hơn Ge ~11 KeV. Sự hấp thụ photon ở năng lượng này sẽ tạo ra các electron có động năng bằng không. Ưu điểm của các đetectơ Ge: Sự làm lạnh không phải là một trở ngại lớn vì 50 các ứng dụng cần độ phân giải cao các đetectơ Si cũng cần phải làm lạnh. - Khả năng cung cấp thương mại các vật liệu Ge siêu tinh khiết là lớn. - Số Z cao hơn Si nên tiết diện hấp thụ quang điện tốt hơn, hiệu suất tốt hơn,... - Năng lượng trung bình cần thiết cho cặp electron lỗ là bé hơn Si điều đó mang ý nghĩa thu được nhiều thông tin hơn và có độ thống kê tốt hơn. - Chuyển động của các phần tử mang điện cao hơn (độ dày bé hơn Si do đó khả năng thu góp nhanh hơn) III.19.2. Sự hư hỏng do bức xạ gây ra với các đetectơ bán dẫn Sự vận hành thích hợp của bất kỳ đetectơ bán dẫn nào đều phụ thuộc vào sự hoàn hảo của mạng tinh thể, nó ảnh hưởng đến sự bắt các hạt mang điện gây ra quá trình thu góp không hoàn toàn. Các đetectơ bán dẫn tương đối nhạy với sự tác động của bức xạ. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào hệ số tác động của các loại bức xạ (các hạt nhẹ như electron hoặc các hạt nặng như alpha/các sản phẩm phân hạch), cường độ bức xạ, kiểu vật liệu (n hoặc p), năng lượng,... Dạng chung của hầu hết các bức xạ là ‘Frenkel defect’, gây ra sự dịch chuyển một nguyên tử của vật liệu bán dẫn khỏi vị trí của nó trong mạng tinh thể. Sự phá hỏng cấu trúc này làm tăng các mức bắt giữ trong vùng cấm và làm giảm số điện tích thu góp được trong chất bán dẫn. Ngoài ra nó còn làm thay đổi độ dẫn của vật liệu. Tác động chính của bức xạ đến đetectơ là làm tăng dòng rò và làm tồi độ phân giải năng lượng. Trong các đetectơ bị tác động mạnh, các đỉnh thoát đôi và thoát đơn trong phổ thể hiện rõ. Ngoài ra, thời gian phân giải của các đetectơ sẽ chậm hơn. Nhìn chung, các đetectơ khuếch tán có phần nào ít bị tác động hơn các đetectơ hàng rào mặt. Các đetectơ thuần ít nhạy hơn các thiết bị pha tạp vì điện trường đặt vào tinh thể có phần cao hơn. Sự giảm thời gian thu góp điện tích ít bị tác động hơn. 51 Ưu điểm của các đetectơ bán dẫn là năng lượng tạo cặp electron-lỗ trống nhỏ hơn 10 lần so với chất khí. Do đó tín hiệu điện thu được lớn hơn, độ phân giải năng lượng tốt hơn. Mật độ vật chất lớn hơn, do đó có khả năng bắt bức xạ tốt hơn chất khí. Được chế tạo với kích thước gọn nên thời gian đáp ứng nhanh. Ngoại trừ Si, nhìn chung tất cả các đetectơ bán dẫn đều phải được làm lạnh khi vận hành do đó phải có cần làm lạnh, bị hư hỏng do tác động của bức xạ nên thời gian sử dụng bị giới hạn. Các vật liệu mới (CdTe, HgI2) đang được nghiên cứu để chế tạo các đetectơ vận hành ở nhiệt độ phòng. Ngày nay đã có các thiết bị làm lạnh bằng điện kích thước nhỏ để làm lạnh tinh thể của chất bán dẫn thay cho việc làm lạnh bằng nitơ lỏng. Các đetectơ bán dẫn hoạt động theo nguyên tắc thác lũ không sử dụng tiền khuếch đại có độ lợi ~100 có kích thước nhỏ có thể được chế tạo và cung cấp thương mại nhưng giá thành sẽ cao. 52 B. MỘT SỐ HỆ ĐO I. Máy phân tích biên độ đa kênh Về nguyên tắc máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) là một hệ nhiều máy phân tích biên độ một kênh (SCA) nối tiếp nhau, ngưỡng trên của khối ngưỡng vi phân này là ngưỡng dưới của khối ngưỡng vi phân tiếp sau. Sơ đồ khối được chỉ ra như hình 19. Hình 19. Sơ đồ máy phân tích biên độ nhiều kênh cấu tạo từ nhiều máy phân tích biên độ một kênh Máy phân tích biên độ nhiều kênh có cấu trúc như trên không thuận tiện vì số khối điện tử tăng theo số kênh. Do đó người ta xây dựng máy phân tích biên độ nhiều kênh trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành chuỗi số ADC. Sơ đồ khối của một MCA như trên được chỉ ra như hình 20. 53 Khối khuếch đại SCA thứ 1 SCA thứ 2 SCA thứ n Khối đếm n Khối đếm 2 Khối đếm 1 SCA Làm chậm Đồng hồ thời gian thực (live time) Cổng tuyến tính Cổng lối vào mở khi ADC không bận Bộ nhớ Kênh n Kênh 1 ADC “Không bận” Máy tính Khối khuếch đại Hình 20. Sơ đồ nguyên tắc của một máy phân tích biên độ nhiều kênh. Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Khi một xung được ADC chuyển từ tín hiệu biên độ sang số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ tìm vị trí trong thang địa chỉ tương ứng với số và tăng thêm một đơn vị vào vị trí đó. Như vậy một đơn vị được ghi vào ô địa chỉ ứng với một xung vào. Sau thời gian đo chúng ta có thể biểu diễn kết quả trên toạ độ hai chiều về phổ năng lượng của bức xạ ghi nhận được. Các khối khác trong sơ đồ MCA đóng vai trò hỗ trợ. Cổng lối vào dùng để ngăn không cho xung vào ADC trong thời thời gian mạch ADC bận biến đổi tín hiệu trước đó, trong thời gian này có thể sẽ có một số xung không được biến đổi, thời gian này còn gọi là thời gian chết của đetectơ. Nhiều MCA có thêm cổng tuyến tính qua đó chỉ cho phép biến đổi các xung có giá trị vượt ngưỡng dưới và thấp hơn ngưỡng trên. Nội dung trong bộ nhớ sau khi ghi đo được đưa vào máy tính để xử lý. II. Phổ kế gamma đơn tinh thể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết Đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải bảo quản liên tục trong nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi cũng hơn hẳn các đetectơ bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích. Việc sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn giản. Cấu hình chủ yếu của hệ đo là như trong hình 18. Hình 21. Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể. Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối Interface sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số lượng xung có cùng giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà 54 đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra theo kiểu nào. Thường thì quá trình tương tác tuân theo một trong ba hiệu ứng tương tác dưới đây: - Đetectơ hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện. - Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 1800 nên phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện). - Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1500 keV (lý thuyết là 1022 keV). Quá trình tương tác do hiệu ứng tạo cặp sinh ra cặp electron - pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt tích điện rất ngắn và năng lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn pozitron sẽ nhanh chóng bị huỷ cặp tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma cùng bị hấp thụ thì quá trình này tương đương hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn, nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. Như vậy quá trình tạo cặp của một chuyển dời sẽ đóng góp thêm 2 đỉnh ngoài đỉnh hấp thụ toàn phần và thêm phần phông liên tục do tán xạ compton khi có huỷ cặp. Trên hình 22 là phổ bức xạ gamma của Cl35(n,γ)Cl36: Để đánh giá chất lượng đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh trên phông và nhiều khi số đếm của phông lớn gấp nhiều lần diện tích đỉnh. Do vậy, sai số của việc xác định tiết diện đỉnh - cường độ chuyển dời tăng lên đáng kể. 55 Hình 22. Phổ bức xạ gamma đơn tinh thể. Phổ bức xạ gamma trên hình 22 có nền phông lớn và bản thân nền phông cũng phức tạp chứ không đơn thuần là giảm tuyến tính theo chiều tăng của năng lượng. Số lượng đỉnh rất lớn, có cả những đỉnh thoát đơn và thoát kép rất mạnh và nhiều khi mạnh hơn hẳn những đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng gần kề. Như vậy, việc xác định các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ chịu hai nguồn sai số lớn: Sai số do phông và sai số do có các chuyển dời mạnh ảnh hưởng tới. Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, từ các chuyển dời thu được trong phổ bức xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không biết được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ này thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời thứ cấp, những chuyển dời nào thuộc về cặp phân rã nối tầng... Do vậy cũng không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực của chuyển dời gamma... Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông, độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma. 56 III. Phổ kế gamma đối trùng giảm phông compton Hình 23. Phổ kế đối trùng giảm phông compton. Do các thông tin thu được về đối tượng đo chủ yếu nằm ở các đỉnh hấp thụ quang điện nên các hệ phổ kế đối trùng giảm phông compton được sử dụng khá nhiều. Nguyên tắc chung của hệ đo phức hợp kiểu này là các lượng tử gamma tán xạ compton đi ra khỏi đetectơ chính sẽ được các đetectơ phụ bao quanh ghi nhận. Xung điện từ các đetectơ bao quanh sẽ khoá không cho phép ghi nhận xung từ đetectơ chính trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ các đetectơ xung quanh không có xung ra thì xung từ đetectơ chính sẽ được ghi (được coi là tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn). Với hệ đo loại này, có hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết là: * Hệ đetectơ bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt: Nếu hấp thụ được 30% số lượng tử gamma sau tán xạ compton thì tức là phông đã giảm đi 30%. Với các hệ tốt nhất hiện nay, phông compton giảm đi được khoảng 30- 50%. Ví dụ rõ ràng nhất được trình bày trên hình 20 với đetectơ nhấp nháy. 57 * Hệ cần được che chắn kỹ vì phông gamma cao sẽ dẫn tới giảm khả năng ghi đo sự kiện có ích do trùng phùng ngẫu nhiên. Đồng thời cũng phải tăng độ phân giải thời gian của hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên. Chúng ta biết rằng tốc độ trùng phùng ngẫu nhiên Nnn = N1.N2.τ với N1 là tốc độ đếm ở đetectơ 1, N2 là tốc độ đếm ở đetectơ 2, τ là độ rộng cửa sổ thời gian trùng phùng (hoặc đối trùng). Như vậy để giảm ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu nhiên chúng ta cần giảm cả 3 tham số trên bằng che chắn và tăng tốc độ làm việc của hệ điện tử. Tất nhiên, do bản chất quá trình tương tác nên với các đetectơ bán dẫn, cửa sổ trùng phùng τ không thể nhỏ hơn một giá trị nào đó đặc trưng riêng cho hệ đo. Giá trị τ tối thiểu thường được lấy bằng khoảng 3 lần thời gian của đetectơ (khoảng cách giữa hai điện cực chia cho tốc độ trôi dạt của các phần tử tải điện chính tại giá trị cao áp làm việc được lựa chọn của đetectơ) do tốc độ của hệ điện tử thường rất lớn, ảnh hưởng của độ phân giải thời gian hệ không đáng kể so với thời gian di chuyển của các phần tử tải điện trong đetectơ. IV. Phổ kế compton Tán xạ compton cũng có thể được sử dụng theo một cách khác để đo bức xạ năng lượng của tia gamma. Khi bức xạ gamma tới có năng lượng là hν0 tương tác với electron theo hiệu ứng tán xạ compton, năng lượng của electron giật lùi (đetectơ hấp thụ được phần năng lượng này) của lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc θ cố định được xác định như sau: ;MeV )cos1(1 11hE 0 0 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ θ−α+−ν=β với α0 = 20 0 cm hν Như vậy, năng lượng của electron giật lùi chỉ phụ thuộc vào năng lượng hν0 của lượng tử gamma tới khi góc tán xạ θ không đổi. Việc xây dựng hệ đo theo 58 định hướng này cũng cho phép giảm được phông do tán xạ compton. Trên hình 24 là bố trí các đetectơ: Hình 24. Cách bố trí đầu đo trong phổ kế compton. Cách bố trí các đetectơ trong phổ kế compton được mô tả trên hình 24 bao gồm hai đetectơ I và II được đặt sao cho đường thẳng nối hai tâm của hai tinh thể tạo thành một góc θ với phương của chùm tia gamma ban đầu. Đetectơ I được gọi là đetectơ phân tích và nó ghi nhận các electron giật lùi trong hiệu ứng tán xạ compton. Đetectơ II được gọi là đetectơ điều khiển, nó ghi nhận các lượng tử gamma tán xạ từ đetectơ I với góc tán xạ θ. Quá trình tạo các chớp sáng trong tinh thể điều khiển và tinh thể phân tích là đồng thời. Do vậy, nhờ sơ đồ trùng phùng để phân tích, có thể lựa chọn những xung do electron giật lùi có lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc θ gây nên. Năng lượng của electron giật lùi phụ thuộc đơn trị vào năng lượng của lượng tử gamma ban đầu khi góc tán xạ cố định nên có thể xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu theo năng lượng của electron giật lùi. 59 Hình 25. Phổ đơn tinh thể (a, b) và phổ compton (c, d) của Cs137 và Mn54. Tất nhiên là những lượng tử gamma tán xạ rơi vào đetectơ điều khiển không chỉ với góc θ mà là θ ± ∆θ (hình 25). Vì vậy sẽ xuất hiện thăng giáng trong phổ năng lượng của electron giật lùi và do vậy có sai số bổ sung khi xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu. Tất nhiên để giảm thăng giáng khi xác định năng lượng electron giật lùi cần giảm góc đặc ∆θ, còn để tăng hiệu suất ghi thì lại phải tăng góc đặc này ∆θ. Để giảm sai số trong việc xác định năng lượng của electron giật lùi, các tác giả trong [3] đã đặt đetectơ điều khiển ở góc lớn hơn 1500. Trên hình 25 là các phổ minh hoạ khả năng giảm phông của phổ kế compton với các đetectơ nhấp nháy NaI(Tl). 60 IV. Phổ kế tạo cặp Để ghi nhận bức xạ gamma năng lượng lớn, người ta còn sử dụng phổ kế tạo cặp. Quá trình vật lý xảy ra trong đetectơ ghi nhận như sau: Hiện tượng tạo cặp electron - pôzitron xảy ra trong đetectơ ghi nhận. Do mật độ chất tạo nên đetectơ cao nên electron sẽ mất năng lượng rất nhanh, pôzitron sẽ nhanh chóng bị huỷ cặp và tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu như chúng ta đặt các cặp đetectơ ngược nhau 1800 bao quanh đetectơ chính thì khi hiện tượng tạo cặp xảy ra, từ đetectơ ghi nhận sẽ cho ra một xung điện có biên độ tỷ lệ với Eγ-1022 keV (nếu hai lượng tử gamma huỷ cặp 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ-511 keV (nếu chỉ một lượng tử gamma 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc Eγ nếu không có lượng tử gamma 511 keV nào bay ra khỏi đetectơ chính. Như vậy, lựa chọn cách ghi nhận là 2 xung điện từ các cặp đetectơ đối diện nhau (tương ứng các lượng tử gamma 511 keV) mở khoá trùng phùng cho phép phân tích biên độ xung từ đetectơ chính, chúng ta sẽ chỉ ghi lượng tử gamma khi có hiện tượng tạo cặp xảy ra (xung ra sẽ có biên độ tương ứng với năng lượng Eγ-1022 keV). Điều này cho phép giảm hoàn toàn phông compton và các đỉnh thoát đơn, các đỉnh hấp thụ hoàn toàn trong phổ gamma thu được. Như vậy, phổ gamma sẽ đơn giản rất nhiều (chỉ lưu ý là khi xử lý phổ, cần cộng thêm 1022 keV vào vị trí mỗi đỉnh). Tuy nhiên cũng có những nhược điểm rõ ràng của loại phổ kế này như sau: - Chỉ ghi nhận được bức xạ gamma có năng lượng khá cao - trên 2,5 MeV cho dù về mặt lý thuyết, hiện tượng tạo cặp đã xảy ra khi lượng tử gamma có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV. - Hiệu suất ghi thấp do ghi đo quá trình trùng phùng của 3 đetectơ. 61 - Trùng phùng ngẫu nhiên cao do hệ đetectơ bố trí gần kênh nơtron, cửa sổ thời gian trùng phùng phải đặt cỡ µs để đáp ứng các đetectơ nhấp nháy (thời gian phát sáng của đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) là khoảng 0,25 µs) đặt quanh đetectơ ghi nhận chính. VI. Phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng Hình 26. Hệ đo trùng phùng nhanh chậm. Năm 1958, Hoogenboom A.M. đã đưa ra những phác thảo đầu tiên về phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng bằng các đetectơ nhấp nháy. Hệ cộng biên độ xung từ hai đetectơ được thực hiện bằng khối điện tử cộng tương tự để cộng biên độ xung. Các thiết bị phân tích biên độ vào thời điểm đó là các máy phân tích biên độ 256 kênh. Từ năm 1981, tại Viện Liên hợp nghiên cứu Hạt nhân Dubna đã đưa ra vấn đề ghi nhận, lưu trữ và xử lý số trên máy tính các thông tin thu được từ hệ đo cộng biên độ các xung trùng phùng. Phương pháp này khác xa hẳn những nguyên tắc ban đầu do Hoogenboom A.M. đưa ra. Nó cho phép tiết kiệm thời 62 gian thực hiện một nghiên cứu nhiều lần, độ chính xác cao hơn hẳn, loại trừ được ảnh hưởng chênh lệch về thời điểm xuất hiện các xung từ đetectơ tương ứng với một cặp chuyển dời nối tầng, khai thác và xử lý thông tin thuận lợi hơn hẳn. Phương pháp do Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna đưa ra có cấu hình giống như hệ phổ kế trùng phùng nhanh chậm hiện đại có lưu trữ và cộng bằng số. Sơ đồ nguyên tắc của hệ đo được thể hiện trên hình 26. Các lượng tử gamma của một phân rã nối tầng sẽ tạo nên hai xung điện xuất hiện đồng thời ở các lối ra của đetectơ. Các xung ở lối ra T của hai đetectơ qua các khối khuếch đại nhanh 2, gạt ngưỡng nhanh 3 và đến khối trùng phùng nhanh 6. Khối trùng phùng nhanh sẽ cho ra 1 xung điện khi hai lối vào có xung xuất hiện trong khoảng thời gian ∆T được lựa chọn trước. Các xung ở lối ra E sẽ được khuếch đại bằng khuếch đại phổ 4. Các khối 5 cho ra xung nếu biên độ xung ở lối vào nằm trong dải đo được lựa chọn tương ứng khoảng năng lượng từ 0,5 đến 8 MeV. Như vậy, từ một cặp gamma trùng phùng có năng lượng từ 0,5 đến 8 MeV được ghi nhận sẽ có một xung ra ở khối trùng phùng chậm 7. Xung ra ở khối này là tín hiệu để các khoá tuyến tính 8 mở cho các ADC nhận xung phân tích và Interface sẽ ghi nhận các giá trị bằng số (code) của biên độ xung của cặp chuyển dời gamma nối tầng. Trên hình 26 đã lược bỏ các khối dây trễ tập trung cỡ µs trước các khối khoá tuyến tính 8, các dây trễ cỡ ns trước khối trùng phùng nhanh 6. Có thể tóm tắt lại như sau: Các khối khuếch đại nhanh, gạt ngưỡng nhanh và trùng phùng nhanh xác định tính chất đồng thời của các chuyển dời gamma nối tầng; các khối phân tích đơn kênh, trùng phùng chậm, khoá tuyến tính được sử dụng để lựa chọn dải năng lượng đo của bức xạ gamma; các khối khuếch đại phổ, ADC làm nhiệm vụ biến đổi tạo code và Interface thu nhận đồng bộ dữ liệu. 63 VII. Hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc hai sử dụng TAC Hình 27. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng γ-γ đo nối tầng bậc hai sử dụng TAC. D ET 1 FFT AMP D ET 2 CFD I N R T E F A C E HV FFT TAC DELAY ADC ADC CFD AMP ADC PC Trong đó: ADC: Khối biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Converter) AMP: Các khối khuếch đại phổ (Amplifier) FFT: Các khối khuếch đại lọc lựa thời gian nhanh (Fast Filter Amplifier) CFD: Các khối phân biệt ngưỡng (Constant Fraction Discriminator) DELAY: Khối làm trễ COIN: Khối trùng phùng nhanh INTERFACE: Khối thu nhận dữ liệu từ hai ADC và ghép với máy tính. Nguyên tắc hoạt động như sau: Khác với sơ đồ hình 1, ở đây tín hiệu ở lối ra của hai khối phân biệt ngưỡng nhanh sẽ được đưa đến hai lối vào (START và STOP) của khối biến đổi thời gian thành biên độ (TAC), trong đó có một đường tín hiệu được làm trễ nhằm nâng cao biên độ tín hiệu ở lối ra của TAC với các sự kiện xuất hiện quá gần. Khi INTERFACE nhận được tín hiệu VALID từ TAC thì INTERFACE sẽ gửi tín hiệu tác động vào cửa Gate để 64 cho phép các ADC biến đổi, khi đó hai ADC biến đổi xung sau khuếch đại phổ, ADC còn lại biến đổi biên độ từ lối ra của TAC thành các giá trị code biên độ. Máy tính ghi ba giá trị này nhờ thiết bị giao diện kết nối giữa các ADC và máy tính. Sau khi máy tính ghi xong số liệu, các ADC trở về trạng thái chờ tín hiệu VALID tiếp theo. Các ADC sẽ không làm việc khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa Gate cho dù có xung tác động lối vào phân tích. Số liệu ghi được viết thành ba cột E1(n), E2(n) và E3(n) tương ứng với biên độ của các cặp xung trùng phùng và độ chênh thời gian giữa hai sự kiện. Trong đó các giá trị E1(n) và E2(n) lần lượt là các code biên độ của hai xung tới từ các đetectơ 1 và đetectơ 2 tương ứng, E3(n) là giá trị tương ứng với độ chênh thời gian giữa hai sự kiện, n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo. Từ các số liệu (các code) thu được, sau khi sử dụng các chương trình xử lý số liệu ta sẽ thu được những thông tin cần thiết về năng lượng, cường độ chuyển dời, thời gian sống của mức và sơ đồ phân rã của hạt nhân được nghiên cứu. VIII. Sơ đồ khối hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc ba sử dụng TAC Nguyên tắc hoạt động của hệ giống như hệ trùng phùng đo nối tầng bậc hai sử dụng TAC. Trong quá trình đọc dữ liệu, sau khi đọc xong dữ liệu từ các kênh 1, kênh 2 và độ chênh thời gian từ ADC thứ 3 thì đọc thêm dữ liệu của kênh thứ 3 từ ADC thứ 4. Số liệu ghi được viết thành bốn cột E1(n), E2(n), E3(n) và E4(n) tương ứng với năng lượng của các gamma phân rã nối tầng và độ chênh thời gian giữa hai sự kiện phân rã. Trong đó các giá trị E1(n), E2(n) và E3(n) lần lượt là các code biên độ của các xung đến từ các đetectơ 1, đetectơ 2 và đetectơ 3 còn E4(n) là giá trị tương ứng với độ chênh thời gian giữa hai sự kiện E1(n) và E2(n), n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời 65 điểm bắt đầu đo. Như vậy code E3(n) sẽ cho ta biết thông tin về phân rã gamma nối tầng bậc ba và chỉ các giá trị E1(n)+E2(n)+E3(n)≤ Bn-Ef mới được chọn để xử lý. Như vậy lượng thông tin thu được trong một phép đo sẽ cao hơn so với khi sử dụng hai cấu hình trên. Hình 28. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng đo nối tầng bậc ba có sử dụng TAC D ET 1 FFT AMP D ET 2 CFD I N T E R F A C PC TAC DELAY ADC ADC AMP FFT CFD HV ADC HV DET 3 AMP ADC Ghi chú: Ký hiệu của các khối trong sơ đồ tương tự như trong hình 1. IX. Hệ phổ kế trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số Hình 29. Sơ đồ khối của hệ trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số. DSP1 A1,t1 A2,t2 Det 1 I N T E R F A C E Phổ trùng phùng theo các ∆T DSPn An,tn DSP2 Det 2 Det n DSP… Det … A…,t… Det: Các detectơ DSP: Các khối xử lý tín hiệu số 66 Nguyên tắc hoạt động của hệ như sau: Khi có tín hiệu bức xạ rơi vào đetectơ, khối xử lý tín hiệu số (DSP) sẽ xử lý tín hiệu này và ở lối ra cho ra hai giá trị dưới dạng số là An và tn tương ứng với năng lượng của bức xạ gamma và thời điểm xuất hiện của nó trong tinh thể đetectơ. Khi kênh nào có tín hiệu xuất hiện thì khối giao diện sẽ đọc và lưu lại giá trị biên độ và thời điểm xuất hiện của sự kiện trong từng kênh. Số liệu lưu trữ trên máy tính sẽ gồm hai cột tương ứng với các giá trị An và tn. Thống kê chuỗi các sự kiện này ta sẽ chọn được các sự kiện trùng phùng (hoặc không trùng phùng) xảy ra trong khoảng thời gian ∆T nào đó. Như vậy so với cách thiết kế truyền thống thì cách sử dụng kỹ thuật số có hiệu suất ghi cao hơn và lượng thông tin thu được trong một phép đo nhiều hơn gấp nhiều lần (cả trùng phùng và đối trùng hoặc nhiều kênh độc lập). Một hệ đo như vậy có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, gọn nhẹ trong thiết kế chế tạo và rất dễ sử dụng do không có nhiều các thao tác bằng tay nên khá chuẩn xác góp phần làm giảm các sai số hệ thống. Tuy nhiên, phần giao diện của hệ đo tương đối phức tạp, đòi hỏi phải sử dụng các vi mạch có tốc độ xử lý cao và thường phải tự thiết kế do không có nhà cung ứng sẵn. Số liệu thu được trong một phép đo có dung lượng rất lớn và đòi hỏi các công cụ xử lý tương đối phức tạp hơn. X. Sự thay đổi của các thiết bị điện tử hạt nhân Sự phát triển của công nghệ điện tử và các vi mạch bán dẫn, đặc biệt là kỹ thuật FPGA và kỹ thuật DSP đã làm cho các thiết bị điện tử hạt nhân có những thay đổi cơ bản về thiết kế và hệ thống. Sự thu nhỏ kích thước của các vi mạch và các chức năng lặp trình được làm cho một hệ phổ kế truyền thống gồm các khối cơ bản như khuếch đại phổ, cao thế, ADC và MCA có thể tích hợp vào làm một khối hoàn chỉnh hoạt động độc lập, các công tắc chuyển mạch hoặc chiết áp chỉnh ngoài được thay bằng các giá trị số được thiết lập bằng tay hoặc tự động trên các phần mềm điều khiển. Sự thay đổi đó đã làm 67 không còn một biên giới rõ ràng về các tiêu chuẩn trong chế tạo thiết bị điện tử hạt nhân như NIM, CAMAC hay EROURCARD,… Hình 30. Thiết bị giao diện cho hệ phân tích đa tham số do hãng Fast Comtec chế tạo. Các tiêu chuẩn như vậy có thể sẽ không còn tồn tại trong tương lai mà sẽ chỉ còn tiêu chuẩn về kỹ thuật chế tạo như sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, kỹ thuật mảng các phần tử logic lập trình hay tiêu chuẩn về các ứng dụng của chúng,… hoặc cũng có thể sẽ ra đời những tiêu chuẩn mới cho các thiết bị này. 68 Hình 31. Sơ đồ nguyên lý của một hệ phổ kế gamma với các đetectơ 4π-Ge. 69 Hình 32. Sự tích hợp hệ phổ kế theo sơ đồ nguyên lý hình 31 trên một bản mạch. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vương Hữu Tấn a học công nghệ cấp bộ năm 2005-2006, Đà lạt tháng 12/2006. cơva 1975. Berlin Heidelberg 1987, 1994 Printed [5]. chamber, Journal of Physics: Conference Series 18 [6]. search centre, Mumbai, October 26 - December 18, [7]. peed Digital CMOS 2D Optical Position Sensitive Đetectơ, [8]. Jun Goto, and Masayuki Igashira, Development of , Báo cáo tổng kết đề tài kho [2]. Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, Viện năng lượng Nguyên tử Việt nam, 2002. [3]. Vartanop N.A. Phổ kế nhấp nháy gamma ứng dụng. Nhà xuất bản Atomizdat, Matx [4]. W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag in Germany. R Alfaro, Construction and operation of a small multiwire proportional (2005) 362–367. IAEA regional basic professional Training on radiation protection, Bhabha atomic re 1998. Nicola Massari, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi, Andrea Simoni, High S ESSCIRC 2002. Atsushi Kimura, Yosuke Toh, Mitsuo Koizumi, Akihiko Osa, Masumi Oshima, a Data Acquisition System for a Multiple Gamma-Ray Detection Method, AIP Conference Proceedings, Volume 769, Melville, New York, 2005. 71 MỤC LỤC Trang Ở ĐẦU 1 A. CÁC ĐETECTƠ ectơ chứa khí hung để chọn vật liệu cho các đetectơ khí ệ đếm tỉ lệ 9 uller (GM) t đetectơ nhấp nháy tectơ nhấp nháy nháy hữu cơ 24 y hữu cơ n dẫn bắt giữ 35 hất bán dẫn 35 goài tác động 36 ất bán dẫn tốt phần tử tải điện 40 M 2 I. Các đet 2 I. 1. Các tiêu chuẩn c 5 I.2. Buồng ion hoá 6 I.3. Chế độ xung trong buồng ion hoá 8 I.3. Các ống đếm tỉ l 8 I.4. Các kiểu thiết kế khác nhau của ống I.5. Ống đếm Geiger M 12 I.6. Đặc trưng của ống đếm GM 13 I.7. Thời gian chết và hồi phục 15 II. Đetectơ nhấp nháy 17 II.1. Các đặc điểm chính của mộ 19 II.2. Dạng xung của đe 20 II.3. Các chất nhấp nháy 24 II.3.1. Sự phát sáng trong các chất nhấp II.3.2. Các dạng nhấp nhá 26 II.3.3. Sự phát sáng trong các chất nhấp nháy vô cơ 27 II.3.4. Các kiểu nhấp nháy vô cơ 29 II.4. Các thiết bị xác định photon 31 III. Đetectơ bán dẫn 33 III.1. Đặc điểm của các vật liệu bá 34 III.2. Sự tái hợp và bị III.3. Quá trình di chuyển điện tích trong c III.3.1. Khi không có trường n III.3.2. Khi có trường ngoài tác động 36 III.4. Tác dụng của việc pha tạp 37 III.5. Chất bán dẫn loại p 37 III.6. Chất bán dẫn loại n 38 III.7. Bán dẫn lưỡng tính 39 III.8. Các đặc điểm của ch 40 III.9. Độ linh động của các 72 III.10. Tính điện trở suất của đetectơ bán dẫn 41 bức xạ 37 n t (SSD) tectơ bán dẫn trong phổ kế đo các hạt etectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe) 47 rí ạo đetectơ à Ge cho các ứng dụng khác nhau ể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết 55 phông compton độ các xung trùng phùng ng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc hai sử ng TAC thiết bị điện tử hạt nhân 67 III.11. Sử dụng chất bán dẫn làm đetectơ đo III.12. Đặc điểm của mối nối trong chất bán dẫ 42 III.13. Các loại đetectơ bán dẫn 43 III.13.1. Đetectơ diode 43 III.13.2. Các đetectơ hàng rào mặ 44 III.13.3. Các đetectơ cấy ion 44 III.13.4. Các đetectơ cửa sổ mỏng 45 III.14. Ứng dụng của các đe mang điện 45 III.15. Các đetectơ Ge(Li) III.16. Các đ 46 III.17. Các đetectơ nhạy vị t 48 III.18. Các vật liệu bán dẫn khác sử dụng chế t 50 III.19. Sử dụng các đetectơ Si v 51 III.19.1. Các ưu điểm của đetectơ Si và Ge 51 III.19.2. Sự hư hỏng do bức xạ gây ra với các đetectơ bán dẫn 52 B. MỘT SỐ HỆ ĐO I. Máy phân tích biên độ đa kênh 54 II. Phổ kế gamma đơn tinh th III. Phổ kế gamma đối trùng giảm 58 IV. Phổ kế compton 59 IV. Phổ kế tạo cặp 61 VI. Phổ kế cộng biên 63 VII. Hệ phổ kế trù dụng TAC 64 VIII. Sơ đồ khối hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma đo nối tầng bậc ba sử dụ 65 IX. Hệ phổ kế trùng phùng đa năng xử lý tín hiệu số X. Sự thay đổi của các 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 73