Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hệ đo Gamma dựa trên PIN photodiode và tinh thể nhấp nháy

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan Đồ án tốt nghiệp này do chính tôi thực hiện, các số liệu
thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực và có dẫn chứng đầy đủ,
đề tài không trùng với bất kì đề tài ngiên cứu khoa học nào. Những thông tin
tham khảo trong đồ án đều được trích dẫn cụ thể.
Hà Nội, tháng 6 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Công
Vũ Chí Công

1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án của mình, em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm
Đình Khang đã tận tình hướng dẫn và luôn luôn động viên em trong suốt quá
trình làm đồ án tốt nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, đặc biệt là chú
Nguyễn Đức Tuấn và các anh chị Phòng Điện tử hạt nhân đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi về cơ sở vật chất và kiến thức giúp em trong thời gian thực tập và
hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa Học-Môi Trường Quân Sự, Thiếu tá Đinh
Tiến Hùng và các anh, chị Phòng Phóng Xạ đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện
cho em hoàn thành các kết quả trong đề tài.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân
và Vật lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt
kiến thức trong suốt những năm em học tập. Với vốn kiến thức trong quá trình
học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện, hoàn thành đồ án mà còn
là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Cuối cùng em xin kính chúc các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật
lý môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dồi dào sức khỏe và thành

công trong sự nghiệp cao quý của mình.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Công
Vũ Chí Công

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 6
DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT ............................................ 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9
NỘI DUNG ..................................................................................................... 10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHẤT NHẤP NHẤP NHÁY VÀ PIN
PHOTODIODE. .............................................................................................. 10
1.1

Cơ sở vật lý của ghi đo bức xạ sử dụng tinh thể nhấp nháy. ................. 10

1.2

Tổng quan về chất nhấp nháy. ............................................................... 10

1.2.1

Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ. .................................... 12

1.2.2

Chất nhấp nháy CsI(Tl). ..................................................................... 13

1.3

Tổng quan về PIN Photodiode............................................................... 15

1.3.1

Cấu tạo nguyên lý hoạt động của PIN Photodiode............................. 15

1.3.2

Các đặc tính của PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08. ................. 18

CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ ĐO
GAMMA DỰA TRÊN PIN PHOTODIODE VÀ TINH THỂ NHẤP NHÁY
......................................................................................................................... 21
2.1

Sơ đồ khối của hệ đo............................................................................. 21

2.3

Khối tiền khuếch đại. ............................................................................. 24

2.4

Khối khuếch đại và hình thành xung. .................................................... 27

3


2.5

Khối đếm xung. ..................................................................................... 29

2.5.1

Mạch tạo xung logic. .......................................................................... 29

2.5.2

Chip vi điều khiển họ ARM-STM32. ................................................. 31

2.5.3

Màn hình LCD. ................................................................................... 35

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................. 36
3.1

Lắp ráp, chế tạo thử nghiệm. ................................................................. 36

3.2

Đo đáp ứng của hệ đo với suất liều. ...................................................... 39

3.3

Sự thay đổi của số đếm khi nhiệt độ môi trường thay đổi..................... 40

3.4

Khảo sát độ tuyến tính của xung tín hiệu ra bằng hệ phân tích đa kênh

MCA. ............................................................................................................... 42
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 45
Tài liệu tiếng Việt............................................................................................ 45
Tài liệu tiếng Anh............................................................................................ 45
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 46
1. Chương trình dùng cho vi điều khiển STM32F103C8T6 được viết bằng
trình dịch Keil C 5 và chương trình STM CubeMX. ...................................... 46
2. Chương trình thư viện cho màn hình LCD 16x2. ..................................... 55

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ. ....11
Bảng 1.2: Một vài thông số kỹ thuật của Si PIN Photodiode S3590-08 ...................18
Bảng 2.1: Một vài thông số của IC Max4477 của hãng Maxim Integrated. .............28
Bảng 2.2: Một vài thông số của dòng chip vi điều khiển STM32F103. ...................33
Bảng 3.1: Đáp ứng số đếm của hệ đo với suất liều khi năng lượng của bức xạ tới
thay đổi. .....................................................................................................................39
Bảng 3.2: Sự thay đổi của tốc độ đếm khi nhiệt độ thay đổi. ...................................41

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ vùng năng lượng của chất nhấp nháy vô cơ. ..................................12
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của PIN Photodiode............................................................16
Hình 1.3: Si PIN Photodiode S3590-08 của hãng Hamamatsu ................................18
Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào bước sóng ánh sáng. ............20
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ Gamma sử dụng tinh thể nhấp nháy và PIN
photodiode. ................................................................................................................21
Hình 2.2: Kết nối thực tế của PIN photodiode S3590-08. ........................................22
Hình 2.3: Minh hoạ ghép nối giữa tinh thể nhấp nháy và photodiode. .....................22
Hình 2.4: Sơ đồ bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích. ..................................................24
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích. ......................26
Hình 2.6: Minh họa dạng xung tín hiệu sau khi qua bộ tiền khuếch đại nhạy điện
tích. ............................................................................................................................26
Hình 2.7: Mạch khuếch đại và hình thành xung. ......................................................27
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối đếm xung và thu tín hiệu S3590-08. ......................29
Hình 2.9: Mạch tạo xung logic sử dụng Max987. ....................................................29
Hình 2.10: IC Max987 của hãng Maxim Integrated cùng biến trở chỉnh ngưỡng so
sánh............................................................................................................................30
Hình 2.11: Kit phát triển STM32F103C8T6 mini. ...................................................32
Hình 2.12: Kết nối của kit STM32F103C8T6. .........................................................31
Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán của chương trình đếm xung. ......................................34
Hình 2.14: Kết nối của LCD 16x2. ...........................................................................35
Hình 2.15: Hình ảnh thực tế của LCD 16x2. ............................................................35
Hình 3.1: Mạch thu tín hiệu, bên trên là phối cảnh 3D, bên dưới là mạch trên thực
tế. ...............................................................................................................................36
Hình 3.2: Bo cắm tích hợp cổng kết nối BNC ghép nối với hệ phổ kế đa kênh MCA.

...................................................................................................................................37
Hình 3.3: Bộ mạch đếm sử dụng kit STM32F103C8T6 và màn hình LCD 16x2. ...37

6


Hình 3.4: Dạng xung ra và xung logic. .....................................................................38
Hình 3.5: Hệ đo được đặt bên trong buồng thay đổi nhiệt độ. ..................................40
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của tốc độ đếm khi nhiệt độ thay đổi. .........41
Hình 3.7: Lắp ráp mạch thu tín hiệu và mạch pole-zero. ..........................................42
Hình 3.8: Kết quả phân tích trên giao diện phần mềm Genie 2000. .........................43

7


DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT
Kí tự viết tắt

Tên đầy đủ

ADC

Analog to digital converter.

BNC

Bayonet Neill–Concelman.

CPU

Central Processing Unit.

GPIO

General-purpose input/output

IC

Integrated circuit

MCA

Multichannel analyzer

LCD

Liquid crystal display

S/N

Signal/noise

8


MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển của khoa học, kĩ thuật hiện nay, các thiết bị điện tử ngày
càng được thu nhỏ và chính xác hơn. Kỹ thuật đo đạc phóng xạ cũng không
nằm ngoài xu hướng đó. Chất nhấp nháy được coi là một trong những cách đo
đạc hiệu quả cả cường độ và năng lượng của nguồn phóng xạ cũng như phông

môi trường. Tuy nhiên chất nhấp nháy thường đi kèm theo hệ ống nhân quang
cồng kềnh nên các ứng dụng đòi hỏi không gian nhỏ hẹp, chúng thể hiện nhiều
bất cập khó có thể khắc phục được. Việc sử dụng PIN Photodiot ghép nối chất
nhấp nháy được coi là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Vậy cần phải
hiểu được nguyên lý hoạt động của chất nhấp nháy, PIN photodiot và hệ tiền
khuếch đại đi kèm. Do đó trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp tại viện Kĩ thuật
hạt nhân và Vật lý môi trường em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử
nghiệm hệ đo Gamma dựa trên PIN photodiode và tinh thể nhấp nháy”
dưới sự hướng dẫn của TS.Phạm Đình Khang.
Với mục đích của đề tài:
1. Lắp ráp tinh thể nhấp nháy với hệ PIN photodiode, tiền khuếch đại.
2. Đánh giá phổ năng lượng Gamma thu được, hiệu suất ghi và khảo sát sự

biến đổi của các thông số trên theo nhiệt độ.
Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm ba nhiệm vụ chính:
1. Tìm hiểu về tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode.
2. Thiết kế, chế tạo hệ đo Gamma gồm detector, tiền khuếch đại và mạch
đếm.
3. Thực hiện các phép đo để khảo sát các thông số về phổ gamma, hiệu suất
ghi và sự biến đổi các thông số trên theo nhiệt độ.

9


NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHẤT NHẤP NHẤP NHÁY
VÀ PIN PHOTODIODE.
1.1 Cơ sở vật lý của ghi đo bức xạ sử dụng tinh thể nhấp nháy.
Khi hấp thụ năng lượng từ chùm tia bức xạ ion hoá hoặc bức xạ lượng tử,
một số chất có khả năng phát ra những đốm sáng nhìn thấy được. Hiện tượng

này được gọi là hiện tượng phát quang hay nhấp nháy. Chất bị phát sáng khi
hấp thụ chùm tia phóng xạ tới gọi là chất nhấp nháy. Việc đo ghi những đốm
sáng này là cốt lõi của phương pháp đo ghi bức xạ sử dụng chất nhấp nháy.
Đầu dò nhấp nháy là thiết bị được sử dụng trong phương pháp đo ghi này.
Chúng được cấu thành từ hai bộ phận chính như sau:
1. Chất nhấp nháy: có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng hạt bức xạ tới
thành các đốm sáng.
2. Thiết bị ghi nhận đốm sáng: có nhiệm vụ biến đổi năng lượng ánh sáng
thành tín hiệu điện.
Nguyên tắc hoạt động của đầu dò nhấp nháy như sau: Khi hấp thụ năng
lượng từ hạt bức xạ tới, chất nhấp nháy bị kích thích ở cấp độ nguyên tử hoặc
phân tử. Sau khi bị kích thích, các nguyên tử trở lại trạng thái cân bằng và phát
ra photon. Thiết bị ghi nhận đốm sáng sẽ hấp thụ các photon này và chuyển
thành tín hiệu xung điện.

1.2 Tổng quan về chất nhấp nháy.
Chất nhấp nháy là những chất, dưới tác dụng của các hạt mang điện tích
hoặc bức xạ điện từ năng lượng cao, phát ra photon trong vùng nhìn thấy hoặc
vùng tử ngoại.

10


Chất nhấp nháy có tính chất phát ra những photon với xác suất lớn khi các
nguyên tử, phân tử ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản và xác suất
hấp thụ các photon cho chính chúng tạo ra thấp.
Có nhiều cách để phân loại chất nhấp nháy. Dựa vào tính chất vật lý có thể
phân loại chất nhấp nháy thành ba loại: rắn như các tinh thể; dạng lỏng như các
chất p-terfenyl hoà tan trong sylon; dạng khí như các khí trơ nặng như xênon.
Dựa vào tính chất hoá học có thể chia thành hai loại: chất nhấp nháy vô cơ như

tinh thể như NaI(Tl); chất nhấp nháy hữu cơ như tinh thể Stinben (C14H10).
Trên thực tế, việc phân loại theo tính chất hoá học thuận tiện hơn cho việc
nghiên cứu đặc tính của chất nhấp nháy. Theo đó, ưu nhược điểm của chất nhấp
nháy vô cơ và hữu cơ như sau:
Chất nhấp nháy vô cơ
- Hiệu suất phát quang cao
- Độ tuyến tính lớn.
Ưu điểm

- Thời gian phát quang nhanh
cỡ nano giây (ns).

- Mật độ chất lớn.
- Thích hợp đo tia Gamma
năng lượng cao do số nguyên
tử Z lớn.

Nhược điểm

Chất nhấp nháy hữu cơ

- Có thể chế tạo dưới nhiều
dạng rắn, lỏng, khí thích hợp
cho các trường hợp đặc biệt.

- Hạn chế đếm nhanh do thời

- Hiệu suất phát quang thấp

gian phát quang dài.

hơn chất nhấp nháy vô cơ.

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của chất nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu
cơ.
Do trong khuôn khổ đề tài không sử dụng chất nhấp nháy hữu cơ nên chỉ
tập trung vào phân tích chất nhấp nháy vô cơ.

11


1.2.1 Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ.
Chất nhấp nháy vô cơ chủ yếu là những tinh thể muối vô cơ và phổ biến là
các liên kết halogen của một số kim loại kiềm.
Cơ chế nhấp nháy của chất nhấp nháy vô cơ được giải thích bằng lý thuyết
vùng của Vật lý chất rắn [4] . Theo đó, các electron bên trong các nguyên tử
riêng biệt không tương tác với nguyên tử khác thì chúng ở những mức năng
lượng gián đoạn hoàn toàn xác định. Trong vật rắn, khoảng cách của các nguyên
tử nhỏ khiến tương tác của chúng đủ mạnh. Vì vậy các mức vỏ điện tử ngoài bị
tách ra và tạo thành những vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bên ngoài
gọi là vùng hóa trị chứa đầy các electron liên kết. Vùng năng lượng cao chứa
các electron di chuyển tự do gọi là vùng dẫn. Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là
vùng cấm với bề rộng năng lượng cỡ một vài eV nơi các electron không có chỗ
trong đó nếu tinh thể hoàn toàn tinh khiết.

Hình 1.1: Sơ đồ vùng năng lượng của chất
nhấp nháy vô cơ.

12

Quá trình kích thích tinh thể xảy ra khi tinh thể nhận năng lượng từ bức xạ
bên ngoài, electron từ vùng hóa trị sẽ nhảy qua vùng cấm lên vùng dẫn. Chúng
để lại những vị trí tự do có tính chất của hạt tích điện dương được gọi là lỗ
trống. Trong khoảng thời gian ngắn, các electron sẽ chuyển ngược lại từ vùng
dẫn về vùng hóa trị và tái hợp với các lỗ trống. Sự chuyển rời này phát ra photon
có năng lượng nằm trong vùng cấm. Như vậy các photon này có mức năng
lượng khá cao nằm ngoài vùng nhìn thấy. Hơn nữa, tinh thể hoàn toàn tinh khiết
sẽ có mức năng lượng tối thiểu cần thiết tạo ra cặp electron-lỗ trống gần bằng
năng lượng giải phóng ra khi chúng tái hơp. Việc này đồng nghĩa với phổ
photon phát gần trùng với phổ hấp thụ, tức là các photon được sinh ra lại bị
chính tinh thể hấp thụ trở lại và không thể thoát ra ngoài.
Như vậy để đo đạc được người ta phải thêm vào tinh thể các tạp chất kích
hoạt để nâng cao xác xuất phát photon trong vùng nhìn thấy của tinh thể. Trong
trường hợp này, tinh thể có những nguyên tử tạp chất làm cho vùng cấm xuất
hiện những mức năng lượng rời rạc. Sau khi quá trình kích thích tinh thể xảy
ra, các electron sẽ không đi một mạch về vùng hóa trị mà sẽ qua các mức năng
lượng rời rạc trong vùng cấm. Chính điều này sẽ tạo ra các photon có năng
lượng thấp hơn và trong vùng nhìn thấy. Hơn nữa phổ năng lượng của photon
phát xạ đã không còn trùng với phổ hấp thụ nữa nên xác xuất photon bị hấp thụ
bên trong tinh thể giảm đi rõ rệt. Vậy kết quả của việc thêm các tạp chất kích
hoạt làm lượng suất ánh sáng của tinh thể lớn hơn nhiều so với trường hợp tinh
thể hoàn toàn tinh khiết.

1.2.2 Chất nhấp nháy CsI(Tl).
Khi nhắc đến chất nhấp nháy vô cơ, tinh thể NaI(Tl) được biết đến nhiều
nhất và được coi là thước ngắm cho các chất nhấp nháy khác vì có hiệu suất

13

biến đổi lớn nhất. Chúng rất phù hợp khi được ghép nối với ống nhân quang
điện trong đo đạc. Tuy nhiên trong ứng dụng ghép nối với photodiode thì tinh
thể CsI lại có những ưu điểm trội hơn do có đỉnh phổ phát xạ photon ở bước
sóng dài hơn.
Cesium là chất nằm ở chu kỳ 6, thuộc nhóm IA trong bảng hệ thống tuần
hoàn. Dễ thấy nó có số khối lớn hơn nên phù hợp với đo Gamma năng lượng
cao. Dưới đây là một số thông số của tinh thể nhấp nháy CsI(Tl).
Khối lượng trung bình

4.51 g/𝑐𝑚3

Bước sóng các xác xuất phát xạ lớn nhất

550 nm

Thời gian phát xạ

1 𝛍s

Năng xuất phát quang với γ

54 photon/keV

Hiệu suất biến đổi so với NaI(Tl) với γ

45 %

Bảng 1.2: Một vài thông số của tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) hãng SaintGobain.

14


1.3 Tổng quan về PIN Photodiode.
PIN Photodiode là một loại diode bán dẫn có thể ghi nhận những chớp sáng.
Chức năng chính của chúng là biến đổi năng lượng từ các chớp sáng thành tín
hiệu xung điện có thể ghi nhận được để đo đạc.

Hình 1.2: Một số loại PIN Photodiode thông dụng.
Bên trái là BPW34, bên phải là S11499.
1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của PIN Photodiode.
PIN Photodiode có cấu tạo tương tự như diode bán dẫn thông thường ngoại
trừ có phần bề mặt dùng để tiếp xúc cho phép ánh sáng tiếp xúc với phần nhạy
của thiết bị. Nhược điểm của photodidode là có bề dày vùng nhạy nhỏ, để khắc
phục vấn đề này người ta dùng phương pháp bù trừ: đưa thêm chất cho như Li
vào bán dẫn Si loại p (chứa chất nhận) Kết quả tạo ra miền i gần như không có
hạt dẫn.

15


Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của PIN Photodiode.
Nguyên lý hoạt động của PIN photodiode như sau:
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do nên khi ghép với khối bán
dẫn N chứa các điện tử tự do thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động
khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích
âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm trong khi khối N
tích điện dương.
Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp
gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối

N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian
kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán
chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái
cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.7V đối với diode
làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge. Hai
bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình
tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy
vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được
gọi là vùng nghèo.
Dưới tác dụng của bức xạ, các hạt tải điện sẽ được sinh ra trong vùng nghèo
sau đó chúng sẽ đi về hai cực do tác dụng của điện trường. Từ đây, người ta có

16


thể thu được tín hiệu ghi nhận sự thay đổi về hiệu điện thế giữa hai cực của
photodiode.
Chế độ làm việc của Photodiode:
1. Photodiode quang điện (Photovoltaic mode) làm việc không đặt thiên áp
(bias), dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và có thể dùng làm nguồn cấp
điện như các pin mặt trời. Trong đo đạc người ta có thể đo hở mạch hoặc
đo ngắn mạch. Ưu điểm của chế độ là ít nhiễu nhưng bị ảnh hưởng lớn bởi
nhiệt độ. Ứng dụng đo cường độ của bức xạ.
2. Photodiode quang dẫn (Photoconductive mode) làm việc có đặt thiên áp
ngược. Thiên áp ngược làm mở rộng vùng nghèo, tăng dòng dò, tăng tiếng
ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng không tác động đến dòng quang
điện. Đối với một vùng phổ ánh sánh nhất định, dòng quang điện tỷ lệ tuyến
tính với độ rọi, và có đặc trưng đáp ứng nhanh hơn chế độ quang điện. Do
tính chất này chúng được ứng dụng trong các trường hợp cần phải đo phổ
của bức xạ.

17


1.3.2 Các đặc tính của PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08.
Si PIN Photodiode Hamamatsu S3590-08 là photodiode có điện dung thấp,
đáp ứng thời gian nhanh, ổn định và có độ phân giải năng lượng tốt. Được ứng
dụng trong thực tế làm các hệ đo nhấp nháy phù hợp với các tinh thể BGO và
CsI(Tl). Vì vậy đề tài lựa chọn photodiode này để ghép nối với tinh thể CsI(Tl)
để đo phóng xạ Gamma.

Hình 1.3: Si PIN Photodiode S3590-08 của hãng Hamamatsu
Cụ thể một vài đặc tính của detector như sau:
Diện tích hoạt động

10x10mm

Chất liệu của sổ

Epoxy

Điện áp ngược lớn nhất

100V

Dải nhiệt độ hoạt động từ

-20/+60 0 𝐶

Loại bán dẫn

Sillic

Bảng 1.0-2: Một vài thông số kỹ thuật của Si PIN Photodiode S3590-08
Ngoài ra các thông số quan trọng khác được biểu thị qua các đồ thị sau:

18


Hình 1.4: Sự phụ thuộc của dòng rò của photodiode
vào điện áp phân cực ngược.

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của điện dung của photodiode
vào điện áp phân cực ngược.

19


Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất quang
điện vào bước sóng ánh sáng.
Nhận xét: Qua ba đồ thị ta có thể thấy S3590-08 nếu sử dụng với điện áp
ngược nhỏ cỡ 12V thì có dòng rò cỡ 1nA, điện dung cỡ vài chục pico Fara, điều
này cho thấy tín hiệu ra là tương đối tốt. Hơn nữa vùng bước sóng có độ nhạy
ánh sáng cao phù hợp với bước sóng có xác xuất phát ra lớn nhất của tinh thể
CsI(Tl) là 550nm.

20


CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ

NGHIỆM HỆ ĐO GAMMA DỰA TRÊN PIN PHOTODIODE
VÀ TINH THỂ NHẤP NHÁY
2.1 Sơ đồ khối của hệ đo.

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ đo phóng xạ Gamma sử dụng tinh thể nhấp
nháy và PIN photodiode.
Nguyên lý hoạt động của hệ đo như sau:
Photon được sinh ra khi tia phóng xạ đi vào tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) sẽ
được hấp thụ bởi PIN photodiode. Tại đây sẽ xảy ra hiệu ứng quang điện và
cho tín hiệu ra tại Cathode của PIN photodiode. Tín hiệu lúc này rất nhỏ và trở
kháng ra lớn nên được đi qua bộ tiền khuếch đại để phối hợp trở kháng. Sau đó
chúng được khuếch đại về biên độ và tạo dạng Gauss. Cuối cùng sẽ được cho
qua bộ tạo xung vuông để đếm bằng vi điều khiển và hiển thị kết quả trên màn
hình LCD 16x2.
Như vậy để hiện thực được nguyên lý trên chúng ta cần có 4 khối như sau:
1. Khối tinh thể nhấp nháy, PIN photodiode
2. Khối tiền khuếch đại.
3. Khối khuếch đại và tạo dạng xung.
4. Khối đếm xung.

21


2.2 Khối tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode.
 Chức năng
Khối tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode có chức năng biến đổi năng
lượng của tia phóng xạ tới thành tín hiệu điện. Cụ thể, tinh thể nhấp nháy
CsI(Tl) sẽ hấp thụ năng lượng của tia bức xạ tới và biến đổi chúng thành các
chớp sáng trong vùng năng lượng nhìn thấy. Các chớp sáng này được PIN
photodiode hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện.

Hình 2.3: Minh hoạ ghép nối
giữa tinh thể nhấp nháy và
photodiode.

Hình 2.2: Kết nối thực tế của
PIN photodiode S3590-08.

 Kết nối thực tế
Tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) được đặt khít vào vùng nhạy của PIN
photodiode S3590-08. Mặt tiếp giáp giữa tinh thể và photodiode được bôi một
lớp keo dẫn quang mỏng. Cuối cùng cả khối được bọc cố định bằng băng dính
đen.

22


PIN photodiode S3590-08 được mắc theo chế độ quang dẫn với điện áp
phân cực ngược là 12V. Ngoài ra photodiode được lắp nối tiếp với điện trở
10Mohm.
 Diễn giải kết nối
Để thu được tối đa các photon được phát ra bởi tinh thể nhấp nháy đòi hỏi
việc ghép nối photodiode phải có diện tích vùng hoạt lớn hơn hoặc bằng mặt
tiếp xúc giữa tinh thể và photodiode. Không những vậy, mặt tiếp xúc giữa tinh
thể và photodiode còn được bôi thêm một lớp keo dẫn quang tốt và có chiết
suất phù hợp để tránh các photon bị khúc xạ ra ngoài. Trên thực tế Si PIN
photodiode S3590-08 có vùng hoạt rộng 10x10mm ta lựa chọn ghép nối với
tinh thể CsI(Tl) 10x10x10mm là hoàn toàn phù hợp cho toàn bộ ánh sánh đi ra
từ tinh thể được hấp thụ tối đa vào vùng nhạy của PIN photodiode.
PIN photodiode S3590-08 được lắp với Anode nối xuống đất (GND) còn

Cathode được mắc treo lên nguồn với trở R6 = 10 Mohm. Khi không có ánh
sáng đi vào cùng nhạy của photodiode, nó sẽ ở trạng thái đóng với điện trở vô
cùng lớn được coi như hở mạch. Khi có ánh sáng tử tinh thể nhấp nháy đi vào
vùng nhạy, hiện tượng quang điện sẽ sinh ra cặp electron-lỗ trống trong vùng
nghèo. Dưới tác dụng của điện trường sinh ra bởi điện áp phân cực ngược làm
các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm
phát sinh dòng điện. Điều này sinh ra sụt thế trên cathode của photodiode, đây
chính là tín hiệu cần ghi nhận. Sử dụng tụ nối tầng C6 = 0.01 uF để ngăn áp
phân cực ngược 12V tràn sang tầng tiền khuếch đại nhưng vẫn đảm bảo truyền
được tín hiệu sang khối tiền khuếch đại. Ngoài ra trở R4 và C1 được sử dụng
để giảm tối đa nhiễu từ nguồn DC 12V vào khối tinh thể nhấp nháy và
photodiode.

23


2.3 Khối tiền khuếch đại.
 Chức năng
Khi tín hiệu ra từ photodiode vào khối tiền khuếch đại, chúng sẽ được biến
đổi từ trở kháng lớn về tín hiệu ra có trở kháng nhỏ, khuếch đại về biên độ tín
hiệu và đảm bảo tối ưu tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N.
 Kết nối thực tế

Hình 2.4: Sơ đồ bộ tiền
khuếch đại nhạy điện tích.
Mạch tiền khuếch đại được mắc theo kiểu tiền khuếch đại nhạy điện tích sử
dụng khuếch đại thuật toán Max4477 của Maxim.. Hằng số thời gian là:
𝑡1 = 𝑅1 𝐶2 = 4,7.10−12 . 10. 106 = 47𝜇𝑠.

 Diễn giải kết nối

Trong quan niệm về khuếch đại xung điện, người ta chia bộ khuếch đại
thành 2 phần: tiền khuếch đại và khuếch đại cơ bản.
Tín hiệu ra của detector chủ yếu là xung dòng hoặc xung điện áp có trở
kháng ra rất lớn. Điều này gây khó khăn cho các bộ khuếch đại cơ bản có hệ số

24


khuếch đại lớn. Vì vậy cần phải có một khối đệm, có hệ số khuếch đại nhỏ hơn
nhưng có thể biến đổi xung dòng thành xung áp hoặc phối hợp trở kháng giữa
tín hiệu ra của detector và khối khuếch đại cơ bản. Đây chính là lý do cần thiết
phải có bộ tiền khuếch đại.
Để giảm điện dung kí sinh, nâng cao biên độ xung tín hiệu và tỷ lệ S/N các
khối tiền khuếch đại được đặt ở vị trí đầu tiên và ngay cạnh detector.
Theo đặc điểm của từng mạch tiền khuếch đại, ta chia làm 3 loại sau:
- Tiền khuếch đại nhạy dòng được dùng cho các tín hiệu có trở kháng thấp
nên ít được sử dụng trong khuếch đại các tín hiệu có trở kháng cao
- Tiền khuếch đại nhạy điện thế dùng trong các trường hợp có tín hiệu đủ
lớn như ống nhân quang điện, ống đếm tỷ lệ, ống đếm G-M. Tuy nhiên
nhược điểm của loại này là không ổn định về điện dung của detector
trong thời gian hoạt động.
- Tiền khuếch đại nhạy điện tích được sử dụng trong các trường hợp tín
hiệu ra nhỏ, trở kháng cao và quan trọng là khắc phục được nhược điểm
của tiền khuếch đại nhạy điện thế là cho tín hiệu ra không phụ thuộc vào
điện dung của detector.
Như vậy việc lựa chọn tiền khuếch đại nhạy điện tích là phù hợp nhất với
khuếch đại tín hiệu từ photodiode.

25