Khóa luận tốt nghiệp Khảo sát các thông số của hệ phổ gamma với đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe GC 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MỘN VẬT LÝ HẠT NHÂ N



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ PHỔ
KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ BÁN DẪN Ge SIÊU
TINH KHIẾT (HPGe) GC2018

Cán bộ hướng dẫn: Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN
Cán bộ phản biện: Th.S NGUYỄN ĐÌNH GẪM
Sinh viên thực hiện: TRẦN THỊ THUÝ LIÊN

Niên khóa :2001-2006


MỤC LỤC
Trang

PHẦN A. LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHỔ KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ
Ge ............................................................................................................... 6
1. Cường độ điện trường và hiệu điện thế làm việc ................................... 6
2. Thời gian tăng xung................................................................................. 6

3. Độ phân giải năng lượng (FWHM) ......................................................... 8
4. Chuẩn năng lượng .................................................................................. 8
5. Lớp chết của đầu dò ............................................................................... 9

CHƯƠNG II. TƯƠNG TÁC PHOTON VỚI ĐẦU DÒ VÀ SỰ HÌNH
THÀNH PHỔ .......................................................................................... 10
1. Nguyên tắc của sự hình thành phổ ........................................................10
2.

Tương tác của photon với đầu dò Ge .....................................................11

a.

Hiệu ứng quang điện. ......................................................................11

b.

Tán xạ compton ...............................................................................12

c.

Hiệu ứng tạo cặp ............................................................................14

CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU DÒ BÁN DẪN
1. Đầu dò Ge với năng lượng cực thấp ......................................................15
2. Đầu dò Ge với năng lượng thấp ................................................ ...........16
3. Đầu dò Ge điện cực ngược ........................................................ ...........17
4. Đầu dò Ge đồng trục .................................................................. ...........18

1

PHẦN B. THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE SIÊU TINH
KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN ..................21
I. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC 2018 .............21
1. Cấu tạo đầu dò HPGe................................................................ ....... 21
2. Các thông số kỹ thuật của đầu dò HPGe ................................... ....... 22
3. Hoạt động của đầu dò HPGe ..................................................... ....... 22
a. Quá trình ion hóa trong tinh thể Ge ..................................... ....... 22
b. Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge ................. ....... 23

II. Các bước chuẩn bò và tiến hành đo ..............................................23
1. Mô tả nguồn ................................................................................. ....... 23

a. Nguồn chuẩn Co-60 .............................................................. ....... 23
b. Nguồn chuẩn Mn-54 ............................................................. ....... 24
c. Nguồn chuẩn Na – 22 ........................................................... ....... 24
d. Nguồn chuẩn Cs – 137 ......................................................... ....... 24
2. Cách bố trí thí nghiệm ................................................................ ....... 25
3. Chế độ đo .................................................................................... ....... 25

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐẦU DÒ GE SIÊU
TINH KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN ......26
I. Chuẩn năng lượng cho hệ đo theo vò trí kênh ..............................26
1. Mối liên hệ giữa vò trí kênh và năng lượng ghi nhận được ........ ....... 26
2. Phương pháp đo ......................................................................... ....... 26
3. Tiến hành thí nghiệm ................................................................. ....... 27
4. Kết quả ..................................................................................... ....... 27

2


II. Khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò HPGe .....................................28
1. Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe ................................................ ....... 28
a. Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe ...................................... ....... 28
b. Hiệu suất ghi tính theo công thức .................................... ....... 29
2. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng ..................................... ....... 30
a. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi mở nắp buồng chì.30
b. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi đậy nắp buồng chì.30
c.So sánh hiệu suất khi đậy nắp buồng chì với không đậy nắp buồng
chì..................................................................................... ....... 30
3. Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn Co-60 ............ ....... 34
a. Đối với đỉnh năng lượng E= 1173.237 (keV) .................. ....... 34
b. Đối với đỉnh năng lượng E= 1332.501 keV ..................... ....... 35
4. Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn chuẩn Cs-137 ....... 35

III. Khảo sát độ phân giải năng lượng của đầu dò HPGe ................37
1. Độ phân giải năng lượng ........................................................... ....... 37
2. Cách tính độ phân giải năng lượng ........................................... ....... 37
3. Kết quả ...................................................................................... ....... 38
a. Kết quả đo ...................................................................... ....... 38
b. Đường biểu diễn độ phân giải ........................................ ....... 39

IV. Khảo sát phông của buồng chì ....................................................39
1. Suất đếm trên toàn phổ .............................................................. ....... 39
a. Tiến hành thí nghiệm khảo sát ........................................ ....... 39
b. Kết quả ............................................................................ ....... 40
2. Suất đếm theo đỉnh năng lượng ................................................. ....... 40
a. Tiến hành thí nghiệm khảo sát ........................................ ....... 40

3


b. Kết quả đo ...................................................................... ....... 41
3. Tỷ số trong và ngoài buồng chì ................................................. ....... 41
4. Cách tính phông của buồng chì .................................................. ....... 41
a. Công thức tính phông của một đỉnh phổ ......................... ....... 41
b. Tính phông của đỉnh Co-60 không đậy nắp buồng chì .... ....... 42
c. Tính phông của đỉnh Co-60 đậy nắp buồng chì .............. ....... 43

V. Giới hạn phát hiện của đầu dò ......................................................44
1. Mức giới hạn Lc ......................................................................... ....... 44
2. Giới hạn dưới của đầu dò ........................................................... ....... 44
3. Giới hạn phát hiện ..................................................................... ....... 45
4. Tính giới hạn phát hiện aD và giới hạn đo LD ............................ ....... 45

PHẦN C . KẾT LUẬN
PHẦN D. PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO

4


PHAÀN A.
LYÙ THUYEÁT

5

Chương I.

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ
GAMMA
1. Cường độ điện trưòng và hiệu điện thế làm việc:
Để đầu dò làm việc thì phải áp vào một hiệu điện thế phân cực ngược.
Hiệu điện thế này tạo ra một điện trường để tụ điện tích trong quá trình hoạt
động của đầu dò. Cường độ điện trường liên quan đến độ rộng vùng nghèo của
đầu dò. Với cường độ điện trường đủ mạnh sẽ tạo ra vùng nghèo đủ lớn và các
hạt tải tụ tập hoàn toàn về hai điện cực. Khi điện thế phân cực thấp, biên độ
tăng theo điện thế phân cực. Nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế phân cực đến một
mức độ nào đó thì tất cả điện tích tạo ra bởi bức xạ đều tập trung về các điện
cực. Vùng điện thế này gọi là miền bão hòa .
Nếu điện thế phân cực đủ cao sẽ xảy ra hiện tượng thác lũ. Lúc này
năng lượng của electron sơ cấp đủ lớn để gây ra ion hóa tạo ra electron thứ cấp
trên đường di chuyển về các điện cực. Hiện tượng này làm cho các đỉnh phổ
kéo dài về miền năng lượng cao.

2. Thời gian tăng xung.
Đầu dò bán dẫn là loại đầu dò nhạy nhất trong tất cả các loại đầu dò
thông dụng, thời gian tăng xung  khoảng 10ns thậm chí còn nhỏ hơn nữa.
Thời gian tăng của xung phát ra từ đầu dò bán dẫn có thể đo được tại ngõ ra
của bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích. Nếu tiền khuếch đại có khả năng đáp
ứng nhanh thì Tt được xác đònh bởi các số hạng sau :
- Thời gian thu điện tích TR.

6


- Thời gian plasma do hiệu ứng plasma gây ra.

- Thời gian tăng xung của mạch tương đương đầu dò, thường thành
phần này rất bé có thể bỏ qua.
Trong hầu hết các trường hợp, TR là thành phần chủ yếu.
Đựơc tính bằng :
TR = d. 10-8s (ở nhiệt độ Nitơ lỏng )
TR = d.10-7s ( ở nhiệt độ phòng )
Trong đó d là độ rộng vùng nghèo, tính bằng mm (riêng đối với đầu dò
đồng trục d là bán kính của khối trụ).
Thời gian thu điện tích là thời gian hạt tải di chuyển từ vò trí hình thành
về các điện cực. Thời gian này phụ thuộc vào điện thế phân cực và bề rộng
vùng nghèo. Đối với đầu dò có vùng nghèo toàn phần, thời gian tụ tập điện tích
tăng theo điện thế phân cực. Đối với đầu dò phân cực một phần, sự tăng điện
thế phân cực không những làm tăng điện trường mà còn tăng bề rộng vùng
nghèo, hơn nữa vân tốc trôi của điện tử và lỗ trống biến đổi trong quá trình di
chuyển về các điện cực do sự không đồng đều của điện trường. Do vậy sự phụ
thuộc của thời gian thu điện tích vào điện thế phân cực rất phức tạp. Giả sử độ
linh động của electron là hằng số, thời gian tụ tập điện tích là :

Tt =

0.53d 2
(s)
V

(1)

Trong đó :
d: bề rộng vùng nghèo, đo bằng cm
 : độ linh động của đầu dò đo bằng cm2/V

V:điện thế phân cực đo bằng Volt

7


Thời gian plasma là khoảng thời gian để đám mây điện tích phân tán cho
tới khi quá trình thu thập điện tích diễn ra bình thường. Ngoài ra điện trở của
vùng ngoài vùng nghèo làm tăng thời gian tăng xung. Vì vậy, các đầu dò có
vùng nghèo hoàn toàn thích hợp cho các phổ kế nhanh.
3. Độ phân giải năng lượng (FWHM)1
Độ phân giải năng lượng được xét đến chính là bề rộng nữa của đỉnh
phổ đơn năng. Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá
trò của nó mà phải xem đầu dò đang ghi nhận bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu
và mức độ đơn năng của nguồn đó. Độ phân giải năng lượng của các đầu dò
Germani tinh khiết đối với bức xạ gamma nhỏ hơn 1 %.
Sự mở rộng đỉnh phổ do đóng góp của tạp âm là giới hạn dưới của độ
phân giải năng lượng trong các tầng khuếch đại. Quá trình tụ tập điện tích
không hoàn toàn và sự mất mát năng lượng không giống nhau trong của sổ vào
của đầu dò cũng góp phần làm mở rộng đỉnh phổ, do đó làm giảm khả năng
phân giải của đầu dò. Khả năng phân giải không chỉ phụ thuộc vào bản thân
đầu dò mà còn phụ thuộc vào các thiết bò điện tử đi kèm theo, chủ yếu là bộ
tiền khuếch đại. Nếu tạp âm lớn, điện dung lối vào tiền khuếch đại lớn dẫn tới
độ phân giải của hệ thống kém.
4. Chuẩn năng lượng.
Đối với electron nhanh và các ion nhẹ như proton, alpha, đường chuẩn
năng lượng hầu như tuyến tính và có thể sử dụng đường chuẩn năng lượng của
một loại bức xạ cho các loại bức xạ khác mà không phạm phải sai phạm lớn.
Chẳng hạn như độ cao xung của hạt alpha và proton cùng năng lượng sai khác
khoảng 1% hoặc nhỏ hơn. Nguồn chuẩn phổ biến là Am 241 phát hạt alpha có
năng lượng 5.486MeV(85%) và 5.443MeV(13%). Để chuẩn năng lượng chính

8


xác cần tính tới sự suy giảm năng lượn g của các hạt trong nguồn, trong môi
trường vật chất giữa nguồn và đầu dò cũng như trong lớp chết của đầu dò.
Đối với các ion nặng như mảnh phân hạch đường chuẩn năng lượng ít
tuyến tính hơn và có sự sai khác lớn giữa biên độ xung của ion nặng và ion nhẹ
cùng nănglượng. Nguyên nhân của sự sai khác này là do sự khác nhau của các
năng lượng mất mát tại lớp chết của đầu dò, do va chạm hạt nhân và hiệu ứng
plasma.
5. Lớp chết của đầu dò.
Trước khi vào vùng nghèo của đầu dò, bức xạ phải xuyên qua lớp chết
của đầu dò. Lớp chết bao gồm điện cực kim loại và lớp chất bán dẫn như là Ge
ngay bên dưới điên cực, bề dày của nó có thể phụ thuộc vào điện thế phân cực.
Khi qua lớp chết này bức xạ sẽ hao phí đi một phần năng lượng và năng lượng
hao phí này không được đầu dò ghi nhận. Do đó, bề dày của lớp chết cũng rất
quan trọng và có phần ảnh hưởng tới độ phân giải năng lượng của đầu dò. Nếu
bề dày lớp chết quá lớn thì năng lượng hao phí sẽ lớn. Khi đó năng lượng đầu
dò ghi nhận được không phải là giá trò thực của hạt tới. Độ mỏng của lớp chết
cỡ 100nm sẽ tương ứng với năng lượng hao phí là4 KeV đối với proton là
1MeV, 14 keV đối với hạt alpha 5 MeV và cỡ vài trăm keV đối với mảnh phân
hạch.
Ngoài ra, hệ số hình học cũng ảnh hưởng tới sự mất năng lượng trong lớp chết.
Nếu hạt vào theo hướng vuông góc với bề mặt của đầu dò thì sự hao phí năng
lượng là nhỏ nhất, nếu bức xạ đi vào theo một góc xiên thì năng lượng hao phí
lớn hơn.

9

Chương II.

TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI ĐẦU DÒ
VÀ
SỰ HÌNH THÀNH PHỔ
1. Nguyên tắc của sự hình thành phổ
a. Một tia Gamma có năng lượng h  đi vào đầu dò Ge
b. Các electron thứ cấp với tổng động năng E(eV) sinh ra trong
vùng nhạy trong tinh thể Ge bởi sự tương tác photon với Ge
c. Các electron thứ cấp sinh ra một lượng lớn (N) cặp electron –lỗ
trống bởi sự ion hoá trong tinh thể Ge .
d. Một tín hiệu xung có biên độ V(volt) được sinh ra ở đầu vào tiền
khuếch đại với điên dung C (Farad).
e. V được khuếch đại và biến đổi thành số chỉ vò trí kênh (ch) bởi
ADC của MCA, một số đếm được công vào số đếm tổng tại vò trí
kênh ch.
f. Nhiều tia Gamma đựơc phân tích bởi quả trình từ a đến e, và sự
phân bố độ cao của xung được hình thành (phổ Gamma ).

10


Tia gamma
Electron thứ cấp

Cặp electron –lỗ trống

Tín hiệu xung

Phân tích độ cao xung

Phổ gamma
Sơ đồ sự hình thành phổ
2. Tương tác photon với đầu dò Ge:
a. Hiệu ứng quang điện :
Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao
toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần
năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động
năng của electron. Theo đònh luật bảo toàn năng lượng :

E = T e + Io

(2)

Với : Io: năng lượng liên kết
Te : động năng electron cực đại

11


Xung lượng của hệ cũng được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên
tử. Đặc tính chủ yếu của hiệu ứng quang điện là do điều kiện bảo toàn năn g
lượng và xung lượng electron tự do hấp thụ hay bức xạ 1 photon hoàn toàn. Do
đó hiệu ứng quang điện mạnh nhất xảy ra đối với lượng tử gamma có năng
lượng có thể so sánh được với năng lượng liên kết của nguyên tử. Năng lượng
liên kết của nguyên tử lớn hơn đối với các electron vỏ nguyên tử sâu hơn và
với nguyên tử có số Z lớn hơn. Do đó, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở
lớp trong cùng (30%), nghóa là các electron lớp K, mặt khác hiệu ứng này cũng
tăng khi Z của môi trường tăng.

Công thức tổng quát của tiết diện tán xạ trong hiệu ứng quang
điện được dẫn từ sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ với năng lượng tử gamma và
số ngưyên tử của vật chất. Tiết diện tán xạ tỉ lệ với Z 5, nghóa là nó tăng rất
nhanh đối với các nguyên tố nặng. Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới chỉ
lớn hơn năng lượng liên kết của e thì tiết diện tán xạ  f (E) tỉ lệ với E-3.5,
nghóa là nó giảm rất nhanh khi giảm năng lượng. Khi năng lượng bức xạ
gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết nhiều ,  f (E) giảm chậm hơn, gần bằng
E-1. Trong khoảng chia của năng lượng liên kết, tiết diện tán xạ thay đổi gián
đoạn. Thí dụ tiết diện tán xạ thể hiện cực đại rõ ràng hơi cao hơn năng lượng
liên kết của electron lớp K, bởi vì nó ở năng lượng thấp hơn, electron lớp K
không thể tham gia hiệu ứng quang điện , vì nó bò cấm bởi đònh luật bảo toàn
năng lương. Trong khoảng năng lượng liên kết của nguyên tử, tiết diện tán xạ
 f (E) rất lớn hơn so với tiết diện tán xạ của quá trình khác. Khi tăng năng

lượng, tiết diện tán xạ  f (E) giảm mạnh, vì khi đó electron nguyên tử được
xem như electron tự do.
Động năng electron :Ee = E –Io
12


đây I là thế ion hoá của nguyên tử môi trương
Theo đó hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ trội hơn ở vùng
năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao.
b. Tán xạ Compton:
Khi năng lượng lượng tử gamma tăng hiện tượng hấp thụ quang
điện giảm thành thứ yếu nhường cho hiệu ứng Compton. Tán xạ compton trở
nên nổi bật như một cơ chế hấp thụ trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều
năng lượng liên kết trung bình của nguyên tử. Khi tính tiết diện tán xạ của hiệu
ứng Compton, có thể xem như electron là tự do với mức độ chính xác phù hợp
mục đích thực nghiệm. Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma va chạm đàn

hồi với electron tự do.
Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên , ứng dụng đònh luật
bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có được kết quả :
Sự thay đổi độ dài sóng theo phương xác đònh không tuỳ thuộc
năng lượng photon tới :
  ' 

h
1  cos 
m0 c 2

(3)

Với  : là bước sóng của photon

' :là bước sóng của photon tới
Sự thay đổi năng lượng phụ thuộc nhiều vào năng lượng photon
tới .
Ee  E  E ' 

Với a 

a1  cos 
E
1  a1  cos 

(4)

h
mc 2

Ee : động năng của electron sau va chạm

13


Năng lượng photon tán xạ là :
E' 
1

'
'

(5)

me c 2 1  cos 

 , tần số của bước sống tới
Năng lượng của lượng tử gamma tăng hiệu ứng Compton trở thành cơ cấu hấp
thụ trội lên ở miền năng lượng cao. Chú ý rằng tán xạ Compton với hạt nhân
Z 2e2
không đáng kể, vì bán kính điện tử cổ điển rất nhỏ (r=
)
M nuc c 2

c. Sự tạo cặp.
Khi năng lượng  >>2mec2 =1,022Mev thì quá trình tương tác
chính của  lên vật chất là sự tạo cặp electron –positron. Cặp e-,e+ sinh ra
trong trường điên từ của hạt nhân, khi đó lượng tử  biến mất (hấp thụ hoàn
toàn ) và năng lượng của nó truyền hết cho cặp e +,e- và nhân bò giật lùi. Năng

lượng giật lùi không đáng kể, biểu thức đònh luật bảo toàn năng lượng được
viết như sau :

E = T- + T+ + 2mec2

(6)

Các e+,e- sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e + sẽ bay
ra khỏi hạt nhân (do lực đẩy Coulomb), còn các electron bò hãm lại. Do đó phổ
năng lượng đo đựơc khác nhau đối với năng lượng E. Sự khác nhau càng tăng
đối với môi trường có Z lớn.

14


Chương III.

GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU
DO BÁN DẪN
1. Đầu dò Ge có năng lượng cực thấp (ULEGe: Ultra low energy Ge)
Đầu dò ULEGe của hãng Canberra mở rộng dải đặc tính của đầu dò Ge
xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải,dạng đỉnh và tỷ số đỉnh
trên nền khi mà ta nghó là không thể đạt tới được đối với đầu dò bán dẫn. Đầu
dò ULEGe giữ lại hiệu suất năng lượng cao đối với đầu dò Ge. Đầu dò ULEGe
cung cấp những ưu điểm về khả năng phân giải và hiệu suất vốn có của đầu dò
Ge mà không có những nhược điểm của các đầu dò Ge thông thường, vì vậy nó
có tầm áp dụng trong phạm vi năng lượng rộng hơn.
Khả năng phân giải của ULEGe 100 mm 2 là nhỏ hơn 150 eV (FWHM)
tại 5,9 keV. Đầu dò Si(Li) tốt nhất có cùng kích thước có khả năng phân giải
175 eV(FWHM).

Để tận dụng độ nhạy với năng lượng thấp của ULEGe, người ta chon của
sổ là một màng polymer. Cửa sổ polymer này là một màng có nhiều lớp được
hỗ trợ bởi một khung làm bằng Silic. Màng này được mở rộng ra trên các
xương Silic cỡ 100  m, có độ dày 0.3mm và hoạt động như một ống chuẩn
trực(collimator). Đối với các máy điều hoà nằm ngang, sự đònh hướng khung
sườn hỗ trợ có thể được chọn bởi việc thiết kế mẫu cửa sổ thích hợp : V đối với
khung xường thẳng đứng và H cho các khung xường nằm ngang. Cấu trúc đỡ
được mở 75% do đó diện tích hiệu dụng của đầu dò bò giảm 25% từ diện tích
tổng cộng. Độ dày màng tổng cộng là cỡ 340nm, 400nm là lớp nhôm giảm độ

15


nhạy với ánh sáng môi trường. Tuy nhiên, các đầu dò có của sổ polymer phải
được vận hành trong môi trường tối.

Window

Elemen

Hình 3.1: Cấu trúc đỡ của sổ và đầu dò
2. Đầu dò Ge có năng lượng thấp (LEGe).

Đầu dò Ge năng lượng thấp miêu tả một khái niệm mới trong hình học
đầu dò Ge với những ưu điểm so với đầu dò planar hoặc đồng trục thông
thường trong nhiều ứng dụng. Đầu dò LEGe được chế tạo với lớp tiếp xúc
phía trước mỏng. Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần và do đó
điện dung của đầu dò bé hơn điện dung của đầu dò planar có cùng kích
thước. Vì vậy tạp âm của tiền khuếch đại là hàm số điện dung của tụ đầu
dò thấp, cho nên LEGe cố gắng làm cho tạp âm thấp hơn và do đó khả

năng phân giải tốt hơn tại năng lượng thấp và vừa với bất kỳ hình học của
đầu dò khác nào. Không giống các đầu dò planar rãnh, có ít Ge chết ngoài
vùng hoạt. Thực tế bề mặt tụ tích hơn là cách điện, điều này dẫn thời gian
tăng xung ngắn hơn với đặc trưng của tần số và tỷ số đỉnh trên nền được cải
thiện. Đầu dò LEGe là có sẵn vùng hoạt từ 50 mm 2 đến 38 cm2 và với độ
dày từ 5 tới 25 mm. Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lượng gamma

16


trung bình, LEGe có thể thay thế một đầu dò đồng trục dung tích lớn đắt
tiền. Lợi dụng ưu điểm của đáp ứng năng lượng thấp của đầu dò cửa sổ nhỏ
cơ bản này, LEGe thường được trang bò với của sổ Be mỏng. Đối với những
ứng dụng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể được cung cấp với một của sổ
nhôm 0.5 mm thông thường.

Hình 3.2 : Mô hình đầu dò Germanium năng lượng thấp cấu hình phẳng
3. Đầu dò Ge đồng trục điện cực ngược (REGe)
Tượng tự về hình học như đối với đầu dò Ge đồng trục khác với một sự
khác nhau quan trọng. Điện cực của REGe ngược với đầu dò đồng trục thông
thường trong đó điện cực loại p, (Bo được nuôi cấy ion) là bên ngoài và tiếp
xúc loại n ( khuếch tán Li) là bên trong. Có hai ưu điểm cho bố trí điện cực này
: độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ.
Tiếp xúc ngoài nuôi cấy ion là hết sức mỏûng (0.3  m) so với tiếp xúc
khuếch tán Li. Kết hợp với cửa sổ của cryostat mỏng sẽ mở rộng độ nhạy năng
lượng xuống khoảng 5 keV, cung cấp cho đầu dò một khoảng động học lớn hơn
2000 lần .

17

Rõ ràng khoảng động học này lớn hơn khoảng 100 lần mà được cung cấp
bởi hầu hết các hệ thống phân tích vì thế đầu dò này không thể bao phủ
khoảng năng lượng 5keV đến 10keV cùng một lúc.
Các đặc tính hạn chế sự tổn hại do bức xạ của đầu dò REGe ở chỗ :
người ta đã phát hiện rằng sự tổn hại do bức xạ chủ yếu là vì các neutron hoặc
các hạt mang điện gây ra việc bẫy lỗ trống trong mạng tinh thể Ge.
Không giống trường hợp các đầu dò đồng trục theo quy ước, các lỗ trống
bò cắt bởi lớp điện cực bên ngoài của đầu dò REGe.
Do phần lớn thể tích làm việc của đầu dò mà được đặc bên trong một
khoảng cách cho trước của lớp tiếp xúc bên trong, vì thế về trung bình các lỗ
trống có quãng chạy ngắn hơn trong tường hợp nó bò hút về bên ngoài so với
trường hợp nó bò hút về bên trong. Với khoảng chạy ngắn hơn các lổ trống
dường như ít bò bắt trong các vật liệu bò sai hỏng do bức xạ.
Dó nhiên, việc gia tăng sự ngăn chặn các tổn hại do bức xạ còn phụ
thuộc các thừa số khác, vì các bằng chứng thực nghiệm đã cho thấy rằng sự
ngăn chặn các tổn hại của đầu dò REGe tốt hơn 10 lần so với các đầu dò Ge
đồng trục theo quy ước.

Hình 3.3: Mô hình đầu dò điện cực ngược

18


4. Đầu dò Germani đồng trục
Đầu dò đồng trục thông thường hay được xem như Ge tinh khiết, HPGe,
Ge bên trong hay Ge siêu sạch. Bất chấp cấp độ được sử dụng, đầu dò về cơ
bản là Ge hình trụ tiếp xúc với loại n trên mặt ngoài tiếp xúc loại p trên mặt
của giếng đồng trục. Cấu hình của đầu dò đồng trục được trình bày trên
hình 3.3. Germani có mức tạp chất cỡ 1010 nguyên tử / cm3 sao cho với thiên áp

ngược thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện
trường mở rộng qua vùng hoạt này. Tương tác của photon trong vùng này tạo
nên các phần tử mang điện bò quét bằng điện trường tới các điện cực tụ của nó,
ở đây một tiền khuếch đại nhạy điện tích biến đổi điện tích này thành xung thế
tỷ lệ với năng lượng bò mất trong đầu dò. Tiếp xúc n và p hay các điện cực là
Li khuếch tán và Bo được nuôi cấy ion tương ứng. Tiếp xúc Li khuếch tán
ngoài loại n này có độ dày cỡ 0,5 mm. Tiếp xúc phía trong có độ dày cỡ 0,3
mm. Hàng rào bề mặt có thể được thay cho Bo nuôi cấy ion với kết quả như
nhau.
Đầu dò đồng trục có thể vận chuyển và giữ không cần làm mạnh. Mặc
dù vậy, sự ổn đònh dài hạn được bảo quản tốt nhất bằng giữ lạnh đầu dò. Giống
như tất cả các đầu dò Ge, nó phải được làm lạnh khi sử dụng để tránh dòng rò
nhiệt quá mức. Bản chất không dễ hỏng của đầu dò loại này mở rộng ứng dụng
của phổ kế Ge bao gồm lónh vực sử dụng hiện trường các phổ kế xách tay.
Hình 3.4 : Mô hình đầu dò dạng đồng trục

19


PHAÀN B.
THÖÏC NGHIEÄM

20


Chương I.

GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE
SIÊU TINH KHIẾT GC 2018
I. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC2018

1. Cấu tạo của đầu dò HPGe:
- Tinh thể Ge đường kính ngoài 32 mm.
- Chiều cao 49,5 mm.
- Hốc hình trụ đường kính 7 mm.
- Độ sâu của hốc 35 mm.
- Mặt ngoài là lớp tiếp xúc loại n nối với điện cực dương.
- Mặt trong là lớp tiếp xúc loại p nối với điện cực âm.
- Mặt ngoài hình trụ có lớp Lithium với bề dày tương đương 0,86
mm Ge.
- Mặt trong hốc là lớp Bo với bề dày tương đương 3.10-3 mm Ge.
- Mặt trên có lớp chết với bề dày tương đương 0,86 mm Ge.
- Đựng trong hộp kín nhôm với bề dày 1,5 mm. Đường kính 54 mm
(chưa có thông số ) chiều cao 115 mm ( chưa có thông số ).
- Các điện cực cách điện bằng Teflon.
- Cửa sổ tinh thể Cryostat bề dày 1,5 mm.
- Vật liệu làm cửa sổ IR có 1/3 mil metalized mylar + 4 mil Kapton.
- Vật liệu chứa tinh thể bằng nhôm bề dày 0,76 mm.
- Vật liệu của lớp endcap bằng nhôm bề dày 3,2 mm.
- Lớp nhôm bên ngoài có bề dày 2,5 mm.

21


- Khoảng cách giữa mặt trên của tinh thể với lớp nhôm là 5 mm
Cửa sổ tinh thể
Cửa sổ IR

54.20 ?
1.50

0.86

5.00

8.60

7

Lõi tiếp xúc

Tiếp xúc điện thế cao

3.20

Tín hiệu ra

Lớp chứa tinh thể
Vỏ detector bằng nhôm
Chân không

115.00 ?

Cực âm

Hộp kín bằng nhôm

32.00

49.50

Tinh thể Ge
Cực dương

0.76

Chất cách điện Teflon
1.50

Chân không

Mô hình của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết nói trên
2. Các thông số kỹ thuật của đầu dò:
- Đầu dò GC2018
- Cryostat thẳng đứng 7500SL.
- Dewar 30 lít.
- Bộ tiền khuếch đại 2002 C.
- Hiệu suất ghi 20 % so với đầu dò nhấp nháy NaI(Ti) kích
thước 3 inch x 3 inch.
-

Độ phân giải năng lượng 1,8 KeV tại vạch năng lượng 1332 KeV
của Co60 .

- Tỉ số của đỉnh / Comton 50:1.
3. Hoạt động của đầu dò HPGe:
a. Quá trình ion hóa trong tinh thể Ge
Khi một bức xạ ion hóa đi vào đầu dò bán dẫn, chúng sẽ bức
electron ra khỏi liên kết cộng hóa trò. Các electron chuyển lên vùng dẫn và trở
thành các electron tự do, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương ở
trong vùng hóa trò. Các cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo

dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới. Chúng được kéo về hai điện cực bởi điện

22


trường do hiệu điện thế ngược áp vào đầu dò. Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò
xuất hiện một tín hiệu điện thế. Xung điện thế này được ghi nhận ở lối ra bởi
hệ điện tử tiếp sau. Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò ta có thể biết
được những thông tin về bức xạ đã ghi nhận.

b. Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge:
Khi động năng (E) của electron thứ cấp được hấp thụ trong
vùng nhạy của tinh thể Ge, số cặp electron – lỗ trống la:
N= E/ 

(7)

Trong đó :  là năng lượng trung bình sinh ra một cặp electron
– lỗ trống (  = 2.96 eV trong tinh thể Ge )
Bề rộng một nữa là :
FWHM = 2.355 ( F  E)1/2 (8)
Với F là hệ số Fano

II. Các bước chuẩn bò và tiến hành đo
1. Mô tả các nguồn thí nghiệm
Trong thí nghiệm này ta sử dụng 5 nguồn chuẩn điểm là Co-60,
Mn-54,Cs-137,Co-57,Na-22 của Mỹ sản xuất, dùng để khảo sát hiệu suất ghi
tương đối của đầu dò HPGe đồng trục.
a. Nguồn Co60
- Hoạt độ nguồn : 40,81 kBq (1,103  Ci) .

- Ngày sản xuất : 1-10-2001.
- Chu kì bán hủy : 5,271  0,001 y.
- Đỉnh năng lượng : 1173,273 ( keV) – 1332,501 ( keV).

23


- Đường kính hoạt động : 1 mm.
- Đường kính toàn phần : 25,4 mm.
- Bề dày nguồn : 6,4 mm.
- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm.
b. Nguồn Mn-54
- Hoạt độ nguồn : 43.57 kBq (1.178  Ci )
- Ngày sản xuất : 1-10-2001.
- Chu kì bán hủy : 312.2  0.07 y
- Đỉnh năng lượng : 834.826 ( keV).
- Đường kính hoạt động : 1 mm.
- Đường kính toàn phần : 25,4 mm.
- Bề dày nguồn : 6,4 mm.
- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm.
c. Nguồn Na-22
- Hoạt độ nguồn : 36.55 kBq (987.9  Ci) .
- Ngày sản xuất : 1-10-2001.
- Chu kì bán hủy : 2.602  0.002 y.
- Đỉnh năng lượng : 1274.53 ( keV) – 511 ( keV).
- Đường kính hoạt động : 1 mm.
- Đường kính toàn phần : 25,4 mm.
- Bề dày nguồn : 6,4 mm.
- Lớp nhựa bao phủ : 2,7 mm.
d. Nguồn Cs-137

- Hoạt độ nguồn : 38.21 kBq (1.033  Ci) .
- Ngày sản xuất : 1-10-2001.

24