Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo suất liều chiếu xạ sử dụng photodiode bpw34

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------

PHAN LƯƠNG TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO SUẤT LIỀU
CHIẾU XẠ SỬ DỤNG PHOTODIODE BPW34

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐẶNG QUANG THIỆU

LỜI CẢM ƠN

HÀ NỘI – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của Tiến sĩ Đặng Quang Thiệu. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài
này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu
trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu
thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Nếu phát hiện có bất
kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày

tháng
Học viên

năm 2017

Phan Lương Tuấn

2


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đặng Quang Thiệu, là người thầy đã tận tình
hướng dẫn, định hướng, tạo điều kiện thuận lợi và cho tôi những lời khuyên hữu ích về
các vấn đề liên quan tới luận văn.
Tôi xin cảm ơn các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài cơ sở năm 2016 tại
Trung tâm chiếu xạ Hà Nội đã cùng tôi thực hiện những công việc của đề tài và giúp đỡ
tôi trong các thí nghiệm.
Tơi cũng xin cảm ơn ban lãnh đạo Trung tâm chiếu xạ Hà Nội, ban lãnh đạo Viện
năng lượng nguyên tử Việt Nam và các đồng nghiệp đang cơng tác tại phịng Thiết bị hạt
nhân và điều khiển, phòng Gia tốc, phòng Vận hành và bảo dưỡng thiết bị, phịng Nghiên
cứu cơng nghệ bức xạ ­ Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội những người đã luôn đồng hành và
giúp tơi rất nhiều trong q trình thực hiện luận văn.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô đang công tác tại Viện Kỹ thuật
Hạt nhân và Vật lý môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội – những người đã
nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập tại đây.
Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ và những người thân trong gia đình đã
ln ở bên cổ vũ, động viên và giúp tơi hồn thành luận văn thạc sỹ này.
Chân thành cảm ơn!

3


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU ....................................................................... 6
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................ 8
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHOTODIODE PIN BPW34 ........................................ 11
1.1.

Tổng quan chung................................................................................................... 11

1.2.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode ................................................ 12

1.2.1.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode PN ................................... 13

1.2.2.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode PIN .................................. 15

1.3.

Chế độ hoạt động Photodiode ............................................................................... 17

1.4.

Photodiode PIN BPW34 trong ghi nhận bức xạ ................................................... 18

1.5.

Một số thiết bị ứng dụng photodiode .................................................................... 20

1.5.1.

Các sensor ghi nhận bức xạ RD2014 ............................................................. 20

1.5.2.

Victoreen Model 4000+/4000M+ .................................................................. 21

1.5.3.

Đầu đo sử dụng photodiode của hãng Saint Gobain ...................................... 21

1.6.

Kết luận ................................................................................................................. 22

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO SUẤT LIỀU CHIẾU XẠ............... 23
2.1.

Đánh giá khả năng hoạt động của CA3140 .......................................................... 23

2.2.

Đánh giá hoạt động của BPW34 trong mơi trường chiếu xạ ................................ 25

2.3.

Đánh giá dịng dị của photodiode PIN BPW34 ................................................... 26

2.4.

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo suất liều chiếu xạ ................................................. 33

2.4.1.

Sơ đồ khối của thiết bị.................................................................................... 33

2.4.2.

Khối đầu đo .................................................................................................... 34

2.4.3.

Khối vi điều khiển .......................................................................................... 36

4


2.4.4.

Khối kết nối UART ........................................................................................ 37

2.4.5.

Phần mềm cho vi điều khiển .......................................................................... 38

2.4.5.1.

Giải thuật chính của phần mềm .............................................................. 38

2.4.5.2.

Giải thuật và lập trình cho thu nhận và xử lý số liệu .............................. 39

2.4.5.3.

Giải thuật và lập trình cho truyền số liệu ............................................... 40

2.4.6.
2.5.

Thiết bị đo suất liều chiếu xạ ......................................................................... 41

Kết luận ................................................................................................................. 42

CHƯƠNG 3. KIỂM ĐỊNH THIẾT BỊ ĐO SUẤT LIỀU CHIẾU XẠ .............................. 43
3.1.

Khảo sát xây dựng đường chuẩn cho thiết bị........................................................ 43

3.1.1.

Tính tốn mơ phỏng trên lý thuyết ................................................................. 44

3.1.2.

Kết quả khảo sát và đường chuẩn .................................................................. 45

3.2.

Kiểm định thiết bị với liều kế ............................................................................... 46

3.2.1.

Liều kế Gammachrome YR ........................................................................... 46

3.2.2.

Gắn thiết bị với liều kế ................................................................................... 47

3.2.3.

Kết quả khảo sát với liều kế ........................................................................... 48

3.3.

Kết luận ................................................................................................................. 49

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 52
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 53

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1: Diode PN ............................................................................................................... 13
Hình 2: Photodiode PN ....................................................................................................... 14
Hình 3: Photodiode PIN ..................................................................................................... 16
Hình 4: Cấu tạo của BPW34 .............................................................................................. 18
Hình 5: Photodiode BPW34 ............................................................................................... 19
Hình 6: Sensor RD2014...................................................................................................... 20
Hình 7: Victoreen Model 4000 ........................................................................................... 21
Hình 8: Đầu đo hãng Saint Gobain..................................................................................... 21
Hình 9: Sơ đồ khảo sát hoạt động của CA3140 ................................................................. 24
Hình 10: Đồ thị thể hiện các giá trị thế lối ra của CA3140 ................................................ 25
Hình 11: Sơ đồ khảo sát khả năng ghi nhận bức xạ của BPW34 ....................................... 25
Hình 12: Đồ thị thể hiện khả năng ghi nhận bức xạ của BPW34....................................... 26
Hình 13: Sơ đồ khảo sát dịng dị của BPW34 ................................................................... 27
Hình 14: Bảng giá trị dòng dò và đồ thị tương quan của mẫu 01 ...................................... 28
Hình 15: Bảng giá trị dịng dị và đồ thị tương quan của mẫu 02 ...................................... 29
Hình 16: Bảng giá trị dòng dò và đồ thị tương quan của mẫu 03 ...................................... 30
Hình 17: Bảng giá trị dịng dò và đồ thị tương quan của mẫu 04 ...................................... 31
Hình 18: Bảng giá trị dịng dị và đồ thị tương quan của mẫu 05 ...................................... 32
Hình 19: Sơ đồ khối thiết bị ............................................................................................... 33
Hình 20: Sơ đồ nguyên lý khối đầu đo ............................................................................... 34
Hình 21: Mạch in khối đầu đo ............................................................................................ 35
Hình 22: Sản phẩm khối đầu đo ......................................................................................... 35
Hình 23: Khối đầu đo sau khi đóng vào hộp kín tránh ánh sáng ....................................... 36
Hình 24: Sơ đồ ngun lý khối vi điều khiển STM32F103C8T6 ...................................... 36
Hình 25: Khối vi điều khiển ............................................................................................... 37
Hình 26: Sơ đồ nguyên lý khối UART ............................................................................... 38
Hình 27: Lưu đồ giải thuật chương trình của thiết bị ......................................................... 39
Hình 28: Lưu đồ giải thuật thu nhận và xử lý số liệu ......................................................... 40

Hình 29: Lưu đồ giải thuật truyền số liệu........................................................................... 41
6


Hình 30: Thiết bị đo suất liều ............................................................................................. 42
Hình 31: Sơ đồ bố trí hệ đo ................................................................................................ 43
Hình 32: Bố trí thiết bị trong phịng đo .............................................................................. 44
Hình 33: Bảng các số liệu tính tốn mơ phỏng các vị trí suất liều ..................................... 44
Hình 34: Đường chuẩn thiết bị ........................................................................................... 45
Hình 35: Liều kế Gammachrome YR ................................................................................. 46
Hình 36: Đường chuẩn liều kế Gammachrome YR ........................................................... 47
Hình 37: Gắn liều kế chuẩn lên thiết bị .............................................................................. 47

Bảng 1: Bảng số liệu đo khảo sát xây dựng đường chuẩn thiết bị ..................................... 45
Bảng 2: Kết quả kiểm định với liều kế ............................................................................... 48

7


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

KÝ HIỆU

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

1

IC

Integrated Circuit

Vi mạch tích hợp

2

STM

ST Microcontroller

Vi điều khiển ST

3

GM

Gergei­Muller tube

Ống đếm Gergei­Muller

4

ADC

Analog – Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự ­ số

5

USB

Universal Serial Bus

Nối tiếp tuần tự đa dụng

6

SWD

Serial Wide Debug

Giao tiếp gỡ rối nối tiếp

7

UART

Universal Asynchronous R/T

Truyền nhận không đồng bộ

8

GPIO

General Purpose In/Out

Cổng vào/ra đa dụng

9

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

10

LCD

Liquid Crytal Display

Màn hình tinh thể lỏng

8


LỜI MỞ ĐẦU
Chiếu xạ là một quá trình, sản phẩm được chiếu xạ bằng tia gamma, tia X hay
chùm tia điện tử ở liều lượng nhất định tùy theo mức độ bẩn và mức cần làm sạch hàng
hóa hoặc do u cầu cơng nghệ. Hiện nay có rất nhiều sản phẩm khác nhau được chiếu xạ
như chiếu xạ khử trùng cho các sản phẩm y tế, chiếu xạ thực phẩm, chiếu xạ trái cây
(kiểm dịch trái cây), xử lý nước thải và chiếu xạ đột biến các sản phẩm sinh học….
Khử trùng các dụng cụ y tế như bơm tiêm nhựa, dây truyền dịch, găng tay, băng
gạc…chiếu xạ giúp cho các dụng cụ y tế được khử trùng, diệt khuẩn mà vẫn đảm bảo tính
nguyên vẹn của sản phẩm đồng thời cho phép khử trùng nguyên khối, nguyên bao bì và

khối lượng lớn.
Chiếu xạ thực phẩm làm cho thực phẩm an toàn hơn, giảm các nguy cơ gây bệnh
nhờ gây bất hoạt các loại vi khuẩn, ký sinh trùng, nấm hay côn trùng gây bệnh. Chiếu xạ
thực phẩm làm kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm sau thu hoạch…
Chiếu xạ trái cây làm cho các loại vi sinh vật cần được kiểm dịch sẽ khơng cịn khả
năng sinh sản. Chiếu xạ là phương pháp kiểm dịch nhanh nhất, hiệu quả nhất, ít gây tổn
hại đến các tính chất của nông sản nhất.
Xử lý nước thải bằng chiếu xạ giúp tạo ra các chất có hoạt tính ơ xy hóa hay khử
cao nhằm phân hủy các chất gây bẩn trong nước giúp cải thiện chất lượng nước thải tốt.
Trong quá trình chiếu xạ việc xác định liều lượng được chiếu xạ là cần thiết và
đúng với các quy định hiện hành. Hiện nay, các sản phẩm trước khi chiếu xạ cần phải
khảo sát đo suất liều chiếu xạ cho các sản phẩm để tìm quy trình thích hợp hay tìm các vị
trí có suất liều phù hợp cho chiếu xạ đột biến. Việc khảo sát này thường sử dụng các liều
lượng kế như Fricke, ECB hay Gammachrome YR. Các liều lượng kế đặt tại các vị trí có
suất liều cần khảo sát, các vị trí này đã tính tốn mơ phỏng trước đó. Sau khi chiếu xạ, các
liều kế được mang về phịng thí nghiệm đo đạc kết quả và tính tốn ra các suất liều đã
được chiếu tương ứng và các vị trí đặt các sản phẩm cần chiếu. Công việc này tiêu tốn
một khoảng thời gian đáng kể, do vậy việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị điện tử đo
suất liều trong mơi trường có liều chiếu cao cho kết quả ngay là cần thiết, đáp ứng nhu
9


cầu cho việc kiểm soát một cách trực quan liều bức xạ gamma (Co­60) tại Trung tâm
chiếu xạ Hà Nội. Song song với quá trình nghiên cứu chế tạo thiết bị đo liều này việc
nghiên cứu tăng cường thêm các khả năng khác của thiết bị như các kết nối mạng, truyền
không dây, khả năng kết nối với mạch điều khiển nâng hạ nguồn cũng đã được tính đến
để nâng cao hiệu quả của dây truyền.
Trên cơ sở nhu cầu thực tế tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội, luận văn đặt mục tiêu là
nghiên cứu chế tạo thiết bị đo suất liều trong môi trường chiếu xạ. Với mục tiêu đó bố cục
của luận văn được xây dựng thành ba chương ngoài phần mở đầu và kết luận.

­

Chương 1 “Tổng quan về Photodiode PIN BPW34”.
Chương này trình bày về những nghiên cứu về photodiode nói chung và

photodiode PIN BPW34 nói riêng.
­

Chương 2 “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo suất liều chiếu xạ sử dụng BPW34”.
Chương này trình bày các thí nghiệm đánh giá hoạt động của BPW34, khuếch đại

thuật tốn CA3140, kiểm định về dịng dị của photodiode BPW34 và chế tạo thiết bị đo
suất liều chiếu xạ sử dụng BPW34.
­

Chương 3 “Kiểm định thiết bị đo suất liều trong mơi trường chiếu xạ”.
Chương này trình bày về quá trình kiểm định hoạt động của thiết bị và những kết

quả thu được trong thử nghiệm thiết bị tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội
Do điều kiện thời gian có hạn, khối lượng cơng việc lớn và cũng rất mới đối với
một sinh viên cao học, những kết quả thu được trong quá trình thực hiện luận văn chỉ là
những kết quả ban đầu còn rất hạn chế. Để có được thiết bị có thể hoạt động tốt và đáp
ứng được nhu cầu sử dụng cần phải có nhiều thời gian và cố gắng hơn nữa, nhưng những
kết quả thu được này cũng là một tiền đề để chứng minh tính khả thi của việc chế tạo thiết
bị điện tử hoạt động tốt trong môi trường chiếu xạ.

10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHOTODIODE PIN BPW34

1.1.

Tổng quan chung
Đầu dò bức xạ (DET) là bộ phận cơ bản trong thiết bị ghi đo bức xạ. Chất lượng

của DET ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo. Có rất nhiều loại đầu dò được sử dụng trong
thiết bị đo suất liều bức xạ, như: DET chứa khí, DET nhấp nháy, DET bán dẫn, mỗi loại
có độ chính xác khác nhau.
DET GM có thiết kế điện tử đơn giản, dải suất liều đo rộng, hoạt động trong điều
kiện môi trường khắc nghiệt, chi phí thấp. Vì vậy DET này chiếm đa số trong các thiết bị
theo dõi và cảnh báo phóng xạ thông thường. Hạn chế của DET loại này độ chính xác
khơng cao, tuổi thọ ngắn.
Một loại khác của DET chứa khí dùng cho thiết bị đo suất liều là buồng ion hóa.
Buồng ion hóa có độ chính xác cao hơn nhưng chúng thường đo suất liều cao và chi phí
cho thiết bị loại này lớn.
DET nhấp nháy, DET bán dẫn phần lớn được dùng trong các thiết bị phân tích.
Các thiết bị này có độ chính xác, hiệu suất ghi bức xạ và độ phân giải năng lượng cao.
Nhưng chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường nên thường chỉ được sử dụng
trong phịng thí nghiệm. Cũng có một vài hãng sản suất đã cải tiến thiết bị sử dụng DET
nhấp nháy vào việc theo dõi phông phóng xạ mơi trường, những giá thành của thiết bị này
tương đối cao.
Hiện nay trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại, các thiết bị theo dõi bức xạ cần
nhỏ gọn, nhanh và rẻ tiền. Một trong những lựa chọn DET đáp ứng điều kiện này là
photodiode PIN. Mặc dù các photodiode PIN được thiết kế để có độ nhạy cao đối với ánh
sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại, nhưng chúng cũng có thể ghi nhận được tia X và bức xạ
gamma năng lượng thấp.
Trong rất nhiều nghiên cứu về photodiode PIN đã chứng minh rằng photodiode
PIN có thể ứng dụng đo và đếm các photon có năng lượng lên đến 100 keV [3][9]. Trong
môt nghiên cứu [3] photodiode PIN đã được thử nghiệm với gamma năng lượng 661 keV,
kết quả cho thấy độ nhạy của chúng vừa đủ cho ứng dụng đếm bức xạ.

11


Mục đích của chương này là nghiên cứu photodiode BPW34 cho ứng dụng đo suất
liều bức xạ cao. Chương này trình bày về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của photodiode
nói chung; Nguyên tắc đo bức xạ của BPW 34 nói riêng và các ứng dụng của photodiode
trong đo bức xạ.
1.2.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode
Photodiode là một thiết bị bán dẫn có cấu trúc lớp tiếp xúc dạng PN hoặc PIN có

vai trị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dịng điện. Đơi khi photodiode cịn được
gọi là máy dò quang, cảm biến quang hoặc máy dò ánh sáng.
Photodiode được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong điều kiện phân cực ngược.
Phân cực ngược đây có nghĩa là cực P của photodiode được nối với cực âm của nguồn và
cực N được nối với cực dương của nguồn.
Photodiode rất nhạy cảm với ánh sáng nên khi ánh sáng đi vào photodiode sẽ dễ
dàng chuyển đổi thành dòng điện. Pin năng lượng mặt trời còn được biết đến như
photodiode có diện tích lớn, giúp chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.
Cấu trúc và nguyên tắc làm việc của photodiode gần tương tự như diode P­N thông
thường. Cấu trúc PIN (Loại P, loại I và loại N) chiếm ưu thế so với cấu trúc P­N (Loại P
và loại N) trong chế tạo photodiode vì cấu trúc PIN có ưu điểm là thời gian đáp ứng
nhanh. Photodiode PIN chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.
Trong diode P­N thông thường, điện áp được sử dụng làm nguồn năng lượng để
tạo ra dòng điện, trong khi ở các photodiode, cả điện áp và ánh sáng đều được sử dụng
làm nguồn năng lượng để tạo ra dòng điện.

12

1.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode PN

Hình 1: Diode PN
Như đã nói ở trên cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của photodiode tương tự một
diode P­N thông thường, khi hai lớp bán dẫn P­N tiếp xúc với nhau [Hình 1 ­ (a)], tại lớp
tiếp xúc có hiện tượng khuếch tán các phần tử tải điện sang nhau (lỗ trống từ P sang N,
điện tử tự do từ N sang P) tạo ra một dòng điện giữa chúng.
Các điện tử tự do từ N di chuyển sang P tạo ra cực âm tại mặt P, tương tự các lỗ
trống của P di chuyển sang từ N sang tạo thành cực dương tại mặt N. Điện tích âm và
dương trên mặt tiếp xúc P và N sẽ tạo thành lớp ngăn cản không cho các phần tử tải điện
tiếp tục khuếch tán đồng thời cũng tạo ra một vùng ít hạt tải điện tại vùng tiếp giáp
(khơng có dịng điện). Vùng này gọi là vùng nghèo.

13


Khi ta đặt phân cực thuận vào hai đầu của diode [Hình 1 ­ (b)] thì vùng nghèo bị
thu hẹp dưới lực tác động của điện trường ngoài. Ngược lại, khi đặt phân cực ngược
[Hình 1 ­ (c)] thì vùng nghèo được mở rộng.
Photodiode là thiết kế đặc biệt của diode, để tạo ra nhiều hạt mang điện tại vùng
nghèo. Trong photodiode các photon là năng lượng bên ngoài để tạo ra các hạt mang điện
tích trong vùng nghèo. Có nhiều loại photodiode khác nhau: photodiode PN, photodiode
PIN và Avalanche photodiode (photodiode quang thác)
Photodiode PN (hình 2) là dạng photodiode đầu tiên, là các photodiode được sử
dụng rộng rãi trước khi phát triển các photodiode PIN.
Khi năng lượng ánh sáng bên ngoài được cung cấp cho photodiode P­N, các điện
tử hóa trị (điện tử vành ngồi) trong vùng nghèo sẽ tăng năng lượng. Nếu năng lượng ánh
sáng chiếu vào photodiode lớn hơn lực liên kết của điện tử hóa trị của chất bán dẫn, các
điện tử hóa trị sẽ đạt được năng lượng đủ và phá vỡ liên kết với nguyên tử mẹ. Các điện

tử hóa trị mà phá vỡ liên kết với nguyên tử mẹ sẽ trở thành điện tử tự do, các nguyên tử
mẹ mất điện tích tạo thành lỗ trống. Cơ chế tạo ra cặp lỗ điện tử bằng cách sử dụng năng
lượng ánh sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 2: Photodiode PN
14


Khi đặt điện thế phân cực ngược vào photodiode, các phần tử tải điện trong vùng
nghèo chịu lực hấp dẫn của điện trường vùng nghèo và điện trường ngồi. Ví dụ, các điện
tử tự do trong vùng nghèo chịu lực đẩy và lực hấp dẫn và hấp dẫn từ các ion âm và dương
tại biên của vùng nghèo tại mặt P và N. Vì vậy các electron tự do di chuyển về phía khu
vực N. Khi các electron tự do đến vùng N, chúng sẽ bị thu hút về phía cực dương của pin.
Theo cách tương tự, các lỗ di chuyển theo hướng đối diện.
Điện trường vùng nghèo mạnh và điện trường bên ngoài làm tăng vận tốc di
chuyển của các điện tử tự do. Do tốc độ di chuyển cao này, các phần tử tải điện (các
electron và lỗ trống tự do) tạo ra trong vùng nghèo sẽ vượt qua lớp tiếp giáp P­N trước
khi chúng kết hợp lại với các nguyên tử. Kết quả là, dòng hạt mang điện tăng.
Khi khơng có ánh sáng được tác động vào photodiode có phân cực ngược, có một
dịng ngược nhỏ được tạo bởi điện áp bên ngồi. Dịng điện nhỏ này khi khơng có ánh
sáng được gọi là dịng dị.
Trong photodiode, dịng ngược nay khơng phụ thuộc vào điện áp phân cực ngược
mà phụ thuộc nhiều vào cường độ ánh sáng.
Trong các photodiode, phần lớn dòng điện được vận chuyển bởi phần tử tải điện
được tạo ra trong vùng nghèo, bởi vì các phần tử tải điện trong vùng nghèo có vận tốcdi
chuyển cao và tỷ lệ tái tổ hợp thấp trong khi các phần tử tải điện tải ở mặt N hoặc P có
vận tốc trơi thấp và tỷ lệ tái tổ hợp cao. Dòng điện tạo ra trong photodiode do ánh sáng
được gọi là dòng quang điện. Tổng số dòng điện qua photodiode là tổng của dòng dò và
dòng quang điện. Dòng dò phải được giảm để tăng độ nhạy của thiết bị. Dòng điện chảy
qua photodiode tỉ lệ thuận với số photon.

1.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Photodiode PIN
Photodiode PIN được phát triển từ các photodiode PN. Nguyên tắc hoạt động của
photodiode PIN tương tự với photodiode PN. Các photodiode PIN được phát triển để tăng
dòng hạt tải điện và tốc độ phản ứng. Photodiode PIN tạo ra dòng điện nhiều hơn các
photodiode PN với cùng một lượng năng lượng ánh sáng.
15


Một photodiode PN được làm bằng hai loại là chất bán dẫn loại P và N, trong khi
photodiode PIN được làm bằng ba lớp là loại bán dẫn P, loại N và bán dẫn thuần I (nội
tại). Trong photodiode PIN, một lớp bổ sung được gọi là chất bán dẫn nội tại I được đặt
giữa các loại bán dẫn loại P và loại N để tăng dòng hạt tải điện.
Một photodiode PIN được tạo thành từ vùng P và N được phân cách bởi một lớp
bên trong có điện trở cao. Lớp nội tại I được đặt giữa vùng P và N để tăng chiều rộng của
vùng nghèo. Các loại bán dẫn loại P và loại N được pha tạp rất nhiều. Do đó, vùng P và N
của photodiode PIN có một số lượng lớn các hạt tải điện để tạo dòng điện. Tuy nhiên, các
hạt tải điện sẽ tạo thành dòng điện trong điều kiện phân cực ngược.
Mặt khác, chất bán dẫn nội tại I là một vật liệu bán dẫn khơng pha tạp. Do đó,
vùng nội tại I khơng có hạt tải điện để dẫn điện. Dưới điều kiện phân cực ngược, các hạt
tải điện trong vùng P và N di chuyển ra khỏi lớp tiếp giáp. Kết quả là chiều rộng của vùng
nghèo trở nên rất rộng. Do đó, các hạt tải điện sẽ khơng tạo dịng điện trong điều kiện
phân cực ngược. Tuy nhiên, các hạt tải điện sẽ tạo dòng điện do chúng chịu lực đẩy từ
điện trường bên ngồi.
Trong photodiode PIN (hình 3), các hạt mang điện tạo ra trong vùng nghèo tạo ra
hầu hết dòng điện. Các hạt mang điện được tạo ra trong vùng P và N chỉ tạo ra một dòng
điện nhỏ.

Hình 3: Photodiode PIN
16

Khi ánh sáng hoặc photon tác động vào photodiode PIN, phần lớn năng lượng
được hấp thụ bởi vùng nội tại I hoặc vùng nghèo do chiều rộng vùng nghèo. Kết quả là,
một số lượng lớn các cặp lỗ điện tử được tạo ra. Các điện tử tự do tạo ra trong vùng nội
tại I di chuyển về phía N bên trong khi các lỗ trống tạo ra trong vùng nội tại I di chuyển
về hướng phía bên P. Các electron và lỗ trống tự do di chuyển từ vùng này đến vùng khác
mang điện. Khi các điện tử và lỗ trống tự do đến vùng N và P, chúng sẽ bị thu hút về phía
cực dương và cực âm của pin.
Khi điện áp phân cực thuận áp dụng cho các photodiode PIN, nó hoạt động như
một điện trở. Chúng ta biết rằng điện dung tương ứng với kích thước của điện cực và tỷ lệ
nghịch với khoảng cách giữa các điện cực. Trong photodiode PIN, vùng P và N hoạt động
như điện cực và khu vực nội tại hoạt động như điện môi. Khoảng cách giữa vùng P và N
trong photodiode PIN rất lớn do độ rộng vủa vùng nghèo. Do đó, photodiode PIN có dung
lượng thấp so với photodiode PN.
Trong photodiode PIN, phần lớn dòng điện được tạo ra bởi các hạt tải điện sinh ra
trong vùng nghèo. Các hạt tải điện sinh ra trong vùng P hoặc N chỉ tạo ra một dịng điện
nhỏ. Do đó, tăng chiều rộng của vùng nghèo nghĩa là làm tăng dòng điện.
1.3.

Chế độ hoạt động Photodiode
Photodiode có thể được vận hành ở một trong hai chế độ: chế độ quang điện hoặc

chế độ quang dẫn. Việc lựa chọn chế độ hoạt động của photodiode phụ thuộc vào yêu cầu
tốc độ của ứng dụng và ảnh hưởng của dịng dị có thể chấp nhận được.
Chế độ quang điện: Trong chế độ quang điện, photodiode khơng phân cực . Nói
cách khác, khơng có điện áp bên ngoài được áp photodiode dưới chế độ quang điện.
Trong chế độ quang điện, dòng dò rất thấp. Photodiode hoạt động trong chế độ quang
điện có tốc độ phản ứng thấp, chúng được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ thấp hoặc để
phát hiện mức độ ánh sáng thấp.
Chế độ quang dẫn: Ở chế độ quang dẫn, một điện áp phân cực ngược lại được áp

dụng cho photodiode. Áp dụng một điện áp phân cực ngược làm tăng chiều rộng của vùng
17


nghèo và làm giảm điện dung lớp tiếp giáp, kết quả tăng tốc độ phản ứng. Phân cực
ngược cũng làm tăng dòng dò. Photodiode hoạt động ở chế độ quang dẫn có dịng nhiễu
cao. Điều này là do dịng chảy bão hịa đảo ngược thơng qua các photodiode.
Dịng dị: Dịng dị là dịng rị rỉ chảy trong photodiode khi khơng có ánh sáng.
Dịng dị trong photodiode tăng khi nhiệt độ tăng. Vật liệu được sử dụng để xây dựng
photodiode cũng ảnh hưởng đến dòng dò.
Các nguyên liệu khác nhau được sử dụng để tạo ra các photodiode là Silic (Si),
Gecmani, (Ge) ....
1.4.

Photodiode PIN BPW34 trong ghi nhận bức xạ
Photodiode được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Photodiode được sử

dụng trong các ứng dụng y tế như chụp cắt lớp vi tính, dụng cụ để phân tích các mẫu và
oximet xung…. Photodiode cịn được sử dụng cho truyền thơng quang học, dùng để đo
cường độ ánh sáng cực thấp. Trong luận văn này photodiode PIN BPW34 được sử dụng
để ghi nhận bức xạ gamma.

Hình 4: Cấu tạo của BPW34
Ưu điểm của photodiode PIN BPW34
­

Điện áp cung cấp nhỏ.

­

Tạp âm thấp

­

Mạch điều khiển đơn giản.

­

Giá thành rẻ.
18


Photodiode BPW34 được nghiên cứu kỹ lưỡng trong các công trình [3][9] như là
DET bức xạ gamma. Vùng nhạy của DET là 3 × 3 mm. Cấu trúc của vùng nhạy là cấu
trúc điển hình cho các photodiode PIN. Nó có một lớp bán dẫn nội tại I đặt giữa các lớp N
và P. Lớp này là vùng chính nơi các photon tới được thu nhận và dòng quang điện được
tạo ra. Lớp n+ bổ sung tăng tiếp xúc điện giữa vùng nhạy và điện cực kim loại.
Đối với photodiode của BPW34 chiều rộng của lớp nội tại là 210 μm [12]. Khi
photon tương tác trong khu vực này thì các hạt tải điện được sinh ra. Điện áp ngược đặt
lên photodiode đưa chúng đến các vùng dẫn điện tương ứng. Kết quả là một dòng điện
được tạo ra.
Nhược điểm của photodiode PIN BPW34:
­

Độ nhạy thu thấp.

­

Băng thông thấp (khi sử dụng làm bộ thu quang trong thông tin quang).

Photodiode BW34 có độ nhạy với các tia bức xạ kém thêm nữa là bề dày chất bán
dẫn của các photodiode mỏng vì thế các photon sẽ chỉ mất một phần năng lượng khi đi
vào trong vùng nhạy của photodiode. Do vậy các photodiode chỉ dùng để đếm các photon
hoặc tính tỉ lệ giữa năng lượng bức xạ tới và dòng điện sinh ra trên photodiode, không thể
thu được các đỉnh hấp thụ toàn phần như với detector bán dẫn để từ đó suy ra loại bức xạ
tới.

Hình 5: Photodiode BPW34

19


Các thống số cơ bản của photodiode BPW34:
­

Diện tích bề mặt nhạy cảm bức xạ: 7,5mm2.

­

Độ rộng góc cảm nhận 65o.

­

Thời gian đáp ứng nhanh.

­

Điện dung ký sinh nhỏ.

­

Điện áp ngược 60V.

­

Công suất 215mW.

­

Nhiệt độ làm việc ­550C đến 1000C.

1.5.

Một số thiết bị ứng dụng photodiode

1.5.1. Các sensor ghi nhận bức xạ RD2014

Hình 6: Sensor RD2014

RD2014 là một sensor ghi nhận bức xạ dựa trên các PIN photodiode. Thiết bị cung
cấp tín hiệu đầu ra dạng TTL. Các sensor RD2014 có thể phát hiện bức xạ beta, gamma
và X­quang. Một số thơng số chính của sensor:
­

Độ nhạy: 5,9 cpm/µSv/h

­

Tín hiệu đầu ra dạng TTL

­

Điện năng thấp: 3V đến 5V.

­

Công suất dịng tiêu thụ 400 µA.

­

Nhiệt độ làm việc từ ­30o đến 50o C.
20


1.5.2. Victoreen Model 4000+/4000M+

Hình 7: Victoreen Model 4000
Victoreen Model 4000 là thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng máy phát tia X, thiết
bị sử dụng 2 loại đầu đo, Buồng ion hóa và photodiode. Thiết bị có một số thông số kỹ
thuật sau:
 Cao áp: Đo kVp lớn nhất, kVp trung bình, kVp hiệu dụng, vùng hoạt động: 21 ÷ 155
kVp với độ chính xác:2%
 Liều: Vùng hoạt động: 10mR ÷10R, với độ chính xác: 5%
 Thời gian:Vùng hoạt động: 10ms ÷10s với độ chính xác: 2%
1.5.3. Đầu đo sử dụng photodiode của hãng Saint Gobain

Hình 8: Đầu đo hãng Saint Gobain
Đầu đo bao gồm một tinh thể Csl(Tl) được ghép với photodiode, Đầu đo loại này
cung cấp tín hiệu có hệ số khuếch đại cao nhưng nguồn ni chỉ 24V. Kết cấu cơ khí của
thiết bị gọn nhẹ.

21


1.6.

Kết luận
Dựa trên cơ sở lý thuyết đã thể hiện rằng photodiode PIN BPW34 có thể được sử

dụng như là một đầu dò bức xạ do vậy trong luận văn này đã lựa chọn sử dụng
Photodiode PIN BPW34 để làm đầu dị bức xạ, do BPW34 có giá thành rẻ hơn rất nhiều
so với các đầu dò khác trên thị trường thêm vào đó việc thiết kế mạch cho BPW34 cũng
đơn giản do vậy cũng thuận lợi trong thiết kế, chế tạo và thay thế linh kiện. Tuy nhiên khi
sử dụng BPW34 thì cũng có nhược điểm đó là chúng ít nhạy hơn so với những đầu dò
khác, nhưng do bài toán đặt ra trong luận văn làm việc với mơi trường với nguồn bức xạ
có cường độ lớn nên chúng đáp ứng được điều kiện đặt ra. Để khẳng định thêm khả năng
ghi nhận bức xạ của photodiode PIN BPW34 trong chương tiếp theo sẽ mô tả về các thí
nghiệm để đánh giá khả năng ghi nhận bức xạ của photodiode PIN BPW34 và chế tạo
thiết bị đo suất liều chiếu xạ bằng BPW34.

22


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO SUẤT LIỀU CHIẾU XẠ
Để nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị thì quá trình khảo sát, đánh giá
khả năng hoạt động của các linh kiện chính trong thiết bị là quan trọng. Quá trình khảo
sát, đánh giá này sẽ góp phần đưa ra được những lựa chọn hợp lý những linh kiện cấu
thành lên thiết bị.
Mục tiêu của luận văn là chế tạo thiết bị đo suất liều chiếu xạ như vậy có nghĩa là
các linh kiện để cấu thành lên thiết bị sẽ hoạt động trong một mơi trường có cường độ bức
xạ lớn vì thế cần tiến hành các thí nghiệm đánh giá hoạt động của các linh kiện trong môi

trường chiếu xạ để đảm bảo các linh kiện cần thiết hoạt động tốt và không bị ảnh hưởng
bởi bức xạ có cường độ lớn.
Trên các cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu trong chương 1 luận văn đã lựa chọn
photodiode PIN BPW34 làm đầu dò ghi nhận bức xạ, IC CA3140 làm tiền khuếch đại.
Trong chương này các thí nghiệm sẽ được tiến hành để đánh giá khả năng hoạt động của
photodiode PIN BPW34 trong môi trường chiếu xạ đồng thời cũng tiến hành các khảo sát
về khả năng hoạt động bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng làm tiền khuếch đại và các
nghiên cứu về vi điều khiển sử dụng trong thiết bị.
Khi sử dụng Photodiode PIN BPW34 làm đầu dò ghi nhận bức xạ cần phải chú ý
một điểm quan trọng là dịng dị của photodiode. Dịng dị là dịng tín hiệu nhiễu xuất hiện
khi áp điện thế phân cực ngược vào photodiode PIN. Phần lớn nhiễu trong quá trình ghi
nhận bức xạ hạt nhân được tạo ra từ dịng dị, nó tỉ lệ với điện thế áp vào photodiode PIN.
Có hai ngun nhân gây ra dịng dị đó là dịng bão hòa được tạo ra theo hướng ngược lại
của photodiode, và một dòng được tạo ra từ khuyết tật trong tinh thể bán dẫn và từ bề mặt
giữa tiếp xúc giữa các chất bán dẫn. Trong chương này luận văn cũng tiến hành đánh giá
về ảnh hưởng của chiếu xạ đến dòng dò của photodiode BPW34.
2.1.

Đánh giá khả năng hoạt động của CA3140
CA3140 là một bộ khuếch đại thuật tốn tích hợp được kết hợp ưu điểm của bóng

bán dẫn cao áp cơng nghệ PMOS với bóng bán dẫn lưỡng cực điện áp trên cùng một chip.
Bộ khuếch đại bao gồm các bóng bán dẫn cơng nghệ MOSFET (PMOS) với mạch bảo vệ
23


có trở kháng cao, dịng đầu vào thấp và có hiệu suất cao. Khuếch đại thuật toán này hoạt
động ở điện áp từ 4V đến 36V. Đây là IC khuếch đại thuật toán tốc độ cao, tốc độ chuyển
mức ở lối ra có thể đạt 4.5 MHz, hệ số khuếch đại vào cỡ 106÷107.
Mục tiêu của thí nghiệm này là đánh giá khả năng làm việc của IC khuếch đại

thuật toán CA3140 được sử dụng trong thiết bị sẽ hoạt động như thế nào trong mơi trường
chiếu xạ.

Hình 9: Sơ đồ khảo sát hoạt động của CA3140
Sơ đồ hình 9 được thiết lập trên bảng mạch thử nghiệm và được đặt trong phòng
chiếu xạ tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội. Nguồn nuôi BK Precision 1762 được sử dụng để
cấp nguồn cho mạch thử nghiệm được, lối ra của mạch sẽ được nối với đồng hồ đo hiệu
điện thế Tektronix DMM4050 đặt ở ngoài khu vực chiếu xạ. Mạch đo sẽ được đặt tại các
vị trí có suất liều chiếu khác nhau, trong các khoảng thời gian khác nhau và mỗi lần chiếu
xạ với thời gian 500 phút. Các số liệu được ghi nhận với tần suất 10 phút/lần.

24


Hình 10: Đồ thị thể hiện các giá trị thế lối ra của CA3140
Từ đồ thị trên hình 10, mỗi lần đo là một vị trí liều khác nhau. Rõ ràng rằng giá trị
thế lối ra tại mỗi vị trí đo gần như là không đổi, chỉ dao động rất nhỏ (~ 10mV). Nguyên
nhân chính của sự dao động này là do sai số thống kê trong thí nghiệm.
Thơng qua khảo sát này có thể kết luận là khuếch đại thuật tốn CA3140 có thể
hoạt động bình thường trong mơi trường chiếu xạ.
2.2.

Đánh giá hoạt động của BPW34 trong môi trường chiếu xạ
Với mục tiêu đánh giá thực tế khả năng ghi nhận bức xạ của photodiode PIN

BPW34 và khả năng hoạt động của BPW34 trong môi trường chiếu xạ.
Sơ đồ thí nghiệm

Hình 11: Sơ đồ khảo sát khả năng ghi nhận bức xạ của BPW34
25