Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Khảo sát, đánh giá các tham số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế beta
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.12 MB, 73 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
NGUYỄN ĐĂNG HUY 1410702
KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG
KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ BETA
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. ĐẶNG LÀNH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN
KHÓA 2014 2019
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
3
4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
5
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn đến Thầy giáo hương d
́ ẫn Tiến Sĩ
Đặng Lành đã tận tình hương d
́ ẫn, giúp đỡ và truyền đạt vốn kiến thức q báu
và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong q trình học tập và thực hiện khóa
luận.
Em xin gửi lời cảm ơn đến q Thầy, Cơ Trường Đại học Đà Lạt, đặc
biệt là q Thầy, Cơ Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân đã truyền đạt vốn kiến thức q
báu và tạo mơi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại
trường Đại học Đà Lạt cũng như trong q trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp
này.
Em xin cảm ơn bạn cùng lớp HNK38 đã đồng hành cùng em trong suốt
thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt.
Và cuối cùng, con xin cảm ơn Ba Mẹ đã ln u thương, tin tưởng tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho con có thể hồn thành khóa luận.
NGUYỄN ĐĂNG HUY
6
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những kết quả và
số liệu trong khóa luận này chưa được ai cơng bố dươi b
́ ất kì hình thức nào. Tơi
hồn tồn chịu trách nhiệm trươc Nhà tr
́
ường về sự cam đoan này.
Đà Lạt, ngày 10 tháng 12 năm 2018
Sinh viên
7
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắc Từ gốc Nghĩa
LET Liner Energy Tranfer Truy ền năng lượng tuyến
tính
ADC Analog Digtal Convertor Bộ đếm tương tự sang số
MDA Multi Channel Analyser Máy phân tích đa kênh
DC Direct Current Điện một chiều
MCD Multi Channel Processing X ử lý dữ liệu đa kênh
MCB Minature Circuit Breaker Bộ ngắt m ạch
ROI Region of Interest Risetime Vùng diện tích quan tâm
FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng cực đại nửa chiều
cao.
8
DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
10
MỞ ĐẦU
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích hiện đại phát triển ứng dụng
phân tích hoạt độ phóng xạ. Các loại detector khác nhau sử dụng đo phóng xạ với
số lượng khổng lồ, và thiết kế ở trạng thái khí, lỏng và rắn. Các loại này khác
nhau khơng chỉ về trạng thái vật lý mà cả trạng thái hóa học. Thiết bị và vành
chắn điện tử kết hợp với đetector ghi bức xạ cũng khác nhau. Kết quả là các
detector ghi bức xạ, thiết bị được kết hợp với nhau phục vụ đo phóng xạ với
hiệu suất ghi của detector khác nhau, phụ thuộc nhiều hệ số như: đặc trưng của
thiết bị, loại năng lượng mà bức xạ sinh ra, cũng như tính chất mẫu phân tích.
Sự lựa chọn phù hợp một loại detector ghi bức xạ hay phương pháp phân
tích phóng xạ phù hợp, u cầu sự hiểu biết về tính chất của bức xạ hạt nhân,
cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất, chu kỳ bán hủy của nhân phóng xạ,
sơ đồ phân rã, phần trăm phân rã, năng lượng phân rã là vấn đề cơ bản đối với
các phương pháp xác định và đo phóng xạ. Sự lựa chọn detector và thiết bị phù
hợp nhất phụ thuộc vào u cầu riêng đối với từng trường hợp cụ thể.
Cuộc sống ngày càng phát triển và hiện đại, cùng với sự phát triển của
xã hội, các thiết bị ứng dụng cho nghiêm cứu khoa học cũng ngày càng tiến bộ,
kéo theo chất lượng và khả năng tăng theo khơng ngừng. Để đáp ứng một phần
nhu đó Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân Trường Đại học Đà Lạt được trang bị một hệ
phổ kế đa kênh Beta. Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách có
hệ thống là cần thiết để phục vụ việc vận hành và bảo dưỡng.
Hệ phổ kế Beta được sử dụng trong các nghiên cứu cơ bản cũng như
ứng dụng của khoa học và cơng nghệ detector hạt nhân. Độ phân giải năng lượng
và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế
Beta. Cùng với sự tiến bộ của cơng nghệ, ngày nay hệ phổ kế Beta với detector
có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của detector và mở rộng
dải năng lượng đo được.
Trong khn khổ của một khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Khảo sát,
đánh giá các tham số đặc trưng kĩ thuật của hệ phổ kế Beta” gồm những phần
sau:
Chương 1: Tương tác của tia Beta với vật chất
Chương 2: Khảo sát hệ phổ kế đa kênh Beta
Chương 3: Thực nghiệm
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA TIA BETA VỚI VẬT CHẤT
1.1. Lý thuyết về phân rã beta
1.1.1. Phân rã beta
Trong vật lý hạt nhân, phân rã beta là một kiểu phân rã phóng xạ mà theo
đó sinh ra một hạt beta (electron hoặc positron).
Trong trường hợp sinh ra electron thì người ta gọi là phân rã beta âm hay
beta trừ (β⁻), trường hợp cịn lại thì gọi là beta cộng (β+). Khi phát ra hạt
electron, một electron antineutrino cũng sinh kèm, trong khi phát ra positron thì đi
kèm là electron neutrino.
1.1.2. Phân rã
Khi phân rã β⁻, tương tác yếu chuyển một neutron (n) thành một proton (p)
trong khi phát ra một electron ( e ⁻
) và một electron antineutrino ():
n → p + +
(1)
Ở mức cơ bản (như miêu tã trong biểu đồ Feynman bên dưới), là do sự
biến đổi một quark xuống thành quark lên
bằng cách phát ra
một W
⁻
boson ; W⁻ thường phân rã thành một electron và một electron
antineutrino.
Hình 1. Phân rã β⁻ nhìn chung thường gặp ở những hạt nhân giàu
neutron[3]
1.1.3. Phân rã
Khi phân rã , năng lượng được sử dụng để biến đổi 1 proton thành 1
neutron, đồng thời phát ra 1 positron () và 1 electron neutrino ():
energy + p → n + +
(2)
Vì vậy, khác với phân rã β⁻, phân rã khơng thể xuất hiện một cách độc
lập do nó cần có năng lượng, khối lượng của neutron nặng hơn khối lượng của
proton. Phân rã chỉ có thể xảy ra bên trong hạt nhân khi mà trị số năng lượng liên
kết của các hạt nhân mẹ nhỏ hơn năng lượng liên kết của hạt nhân con. Điểm
khác biệt giữa các mức năng lượng này tạo ra phản ứng biến đổi 1 proton thành
1 neutron, 1 positron và 1 neutrino, và thành động năng của các hạt này.[3]
1.1.4. Phân rã Beta kép
Phân rã beta kép là loại phân rã phóng xạ trong đó hai proton được đồng
thời biến thành hai neutron, hoặc ngược lại, bên trong hạt nhân ngun tử. Như
trong phân rã beta duy nhất, q trình này cho phép các ngun tử chuyển về gần
hơn với tỷ lệ tối ưu của các proton và neutron. Kết quả của chuyển đổi này là
các hạt nhân phát ra hai hạt beta có thể dị được, là electron hoặc positron.
1.2. Ion hố (Ionization)
Do hạt beta mang điện tích nên cơ chế tương tác của nó với vật chất là
tương tác điện với các electron quỹ đạo. Điều đó dẫn tới sự kích thích và ion hố
các ngun tử mơi trường. Trong trường hợp mơi trường bị ion hố, tia beta mất
một phần năng lượng để đánh bật một electron quỹ đạo ra ngồi. Động năng
của electron bị bắn ra liên hệ với thế ion hố của ngun tử E và độ mất năng
lượng như sau:
= E
(3)
Trong đó thế năng ion hố E là năng lượng cần thiết để một electron
chuyển từ mức cơ bản K ( = 1) trở thành electron tự do ở mức với ∞:
E = – = 0 – = Rh
(4)
Trong nhiều trường hợp, electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể
ion hố ngun tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp và được gọi là electron delta.
Electron delta ban đầu với động năng cỡ 1000 eV có thể tạo nên một chuỗi các
electron delta thứ cấp và do đó tạo nên một chuỗi các cặp ion.
Bảng 1. Thế ion hố E và độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion
đối với một số chất khí[2]
Khí
Ne
Ar
Kr
Xe
Khơng khí
Thế ion hóa E (eV)
13,6
24,5
14,5
13,6
21,5
15,7
14,0
12,1
14,4
14,5
11,6
12,2
12,8
Độ mất năng lượng trung bình sinh cặp
ion W (eV)
36.6
41,5
34,6
30,8
36,2
36,2
24,3
21,9
33,7
32,9
27,3
25,7
26,3
24,6
Do hạt beta chỉ mất phần năng lượng để ion hố ngun tử, nên dọc theo
đường đi của mình, nó có thể gây ra một số lớn cặp ion. Năng lượng trung bình
để sinh một cặp ion thường gấp 2 đến 3 lần thế năng ion hố. Đó là do ngồi q
trình ion hố, hạt beta cịn mất năng lượng do kích thích ngun tử. Chẳng hạn,
đối với oxygen và nitrogen, thế ion hố tương ứng là 13,6 eV và 14,5 eV, trong lúc
độ mất năng lượng trung bình để sinh một cặp ion là 30,8 eV và 34,6 eV. Bảng 1
trình bày thế ion hố E và độ mất năng lượng trung bình khi sinh ra cặp ion w đối
với một số chất khí. Do hạt beta có khối lượng bằng khối lượng electron quỹ
đạo nên va chạm giữa chúng làm hạt beta chuyển động khỏi hướng ban đầu và
như vậy hạt beta chuyển động theo hướng đường cong gấp khúc sau nhiều va
chạm trong mơi trường hấp thụ, cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion
hố. Dọc theo đường đi này có rất nhiều cặp ion tạo nên do q trình ion hố sơ
cấp của hạt beta ban đầu lẫn q trình ion hố thứ cấp do các hạt electron delta.
Quỹ đạo chuyển động đó có thể ghi nhận bằng phương pháp nhũ tương ảnh hay
buồng bọt.
1.3. Độ ion hố riêng (Specific ionization)
Độ ion hố riêng là số cặp ion tạo ra trên một đơn vị đường đi của hạt
beta. Độ ion hố riêng khá cao đối với các hạt beta năng lượng thấp, giảm dần
khi tăng năng lượng hạt beta, đạt cực tiểu ở năng lượng khoảng 1 MeV, rồi sau
đó tăng chậm. Độ ion hố riêng được xác định qua tốc độ mất năng lượng tuyến
tính của hạt beta do ion hố và kích thích, một thơng số quan trọng dùng để thiết
kế thiết bị đo liều bức xạ và tính tốn hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ
mất năng lượng tuyến tính của hạt beta tn theo cơng thức sau:
= {ln[] }
(5)
Trong đó: N là số ngun tử của chất hấp thụ trong 1 ,
Z là số ngun tử của chất hấp thụ,
NZ = 3,88. là số electron của 1 khơng khí ở nhiệt độ C và áp
suất 760 mm thuỷ ngân,
= 0,51 MeV là năng lượng tĩnh của electron,
là động năng của hạt beta,
= v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta cịn c = 3. cm/giây,
I (có giá trị 8,6. MeV đối với khơng khí và 1,35.Z MeV đối với
các chất hấp thụ khác) là thế ion hố và kích thích của ngun tử chất hấp thụ.
Nếu biết trước đại lượng W, là độ mất năng lượng trung bình sinh cặp ion, thì
độ ion hố riêng (Specific ionizaion) được tính theo cơng thức sau:
s =
(6)
trong đó c.i là số cặp ion.
1.4. Hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET)
Độ ion hố riêng được dùng khi xem xét độ mất năng lượng do ion hố.
Khi quan tâm đến mơi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ năng
lượng tuyến tính của mơi trường khi hạt beta đi qua nó. Đại lượng xác định tốc
độ hấp thụ năng lượng nói trên là hệ số truyền năng lượng tuyến tính
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET được định nghĩa theo cơng thức
sau:
LET =
(7)
Trong đó là năng lượng trung bình mà hạt beta truyền cho mơi trường hấp
thụ khi đi qua qng đường dài dl. Đơn vị đo thường dùng đối với LET là
keV/µm.
1.5. Bức xạ hãm (Bremsstrahlung)
Khi hạt beta đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi
đột ngột hướng bay ban đầu và phát năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ, gọi
là bức xạ hãm. Năng lượng các bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực
đại bằng động năng của hạt beta. Rất khó tính tốn dạng phân bố năng lượng
của các bức xạ hãm nên người ta thường sử dụng các đường cong đo đạc thực
nghiệm.
Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, người ta thường dùng
cơng thức gần đúng sau đây:
f = 3,5.Z
(8)
Trong đó: f là phần năng lượng tia beta chuyển thành photon; Z là số
ngun tử của chất hấp thụ và (MeV) là năng lượng cực đại của hạt beta.
Cơng thức (8) cho thấy khả năng sinh bức xạ hãm tỉ lệ thuận với số
ngun tử của chất hấp thụ. Do đó vật liệu dùng che chắn tia beta thường được
làm từ các vật liệu nhẹ. Nhơm với Z = 13 là vật liệu che chắn tia beta nặng nhất
và cũng ít khi được sử dụng.
1.6. Qng chạy của hạt beta trong vật chất
Do hạt beta mất năng lượng dọc theo đường đi của mình nên nó chỉ đi
được một qng đường hữu hạn. Như vậy, nếu cho một chùm tia beta đi qua bản
vật chất, chùm tia này bị dừng lại sau một khoảng đường đi nào đó. Khoảng
đường đi này gọi là qng chạy (range) của hạt beta, nó phụ thuộc vào năng
lượng tia beta và mật độ vật chất của mơi trường hấp thụ. Biết được qng
chạy của tia beta với năng lượng cho trước có thể tính được độ dày của vật che
chắn làm từ vật liệu xác định. Một đại lượng thường dùng khi tính tốn thiết kế
che chắn là độ dày hấp thụ một nửa (absorber halfthickness), là độ dày của chất
hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu đi một nửa sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo
đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ một nửa vào khoảng 1/8 qng chạy.
Ngồi qng chạy tuyến tính du tính theo cm người ta cịn dùng qng
chạy tính theo mật độ diện tích có đơn vị g/ và được xác định như sau:
(g/) =ρ (g/) x (cm)
(9)
Trong đó ρ là mật độ khối của chất hấp thụ, tính theo g/. Trong tính tốn
thiết kế độ dày vật liệu che chắn, ngồi bề dày tuyến tính (linear thickness) tính
theo cm người ta cịn dùng bề bày mật độ (density thickness) tính theo đơn vị g/
hay mg/. Việc sử dụng đại lượng bề dày mật độ làm đơn giản phép tính vì khi đó
bề dày khơng phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.[2]
1.7. Biểu diễn mối quan hệ giữa thế và số cặp ion
Ngun tắc hoạt động của detector chứa khí như sau: Khi các hạt tích điện
dịch chuyển trong chất khí, nó sẽ ion hố các phân tử chất khí dọc theo đường đi
tạo ra các ion mang điện dương và các electron tự do được gọi là cặp ion
electron. Các ion có thể được tạo ra do tương tác giữa phân tử với hạt mang điện
hoặc do va chạm với các hạt mang điện thứ cấp được tạo ra từ q trình ion hố
sơ cấp. Ở đây ta khơng quan tâm đến năng lượng cơ học của electron hay ion
nhận được do va chạm mà chủ yếu chỉ quan tâm đến số cặp ion được tạo ra dọc
theo đường đi của hạt bức xạ. Các kiểu detector khí ngày nay đang được phát
triển mạnh theo chiều hướng mảng các detector để phục vụ cho các nghiên cứu
chụp ảnh, phân tích cấu trúc vật liệu. Nếu sử dụng chúng trong đo photon thì
khả năng xác định của chúng đối với các bức xạ chỉ đến khoảng 200 keV. Một
detector chứa khí đơn giản gồm một ống chứa khí và hai điện cực, thành của ống
chứa khí được thiết kế để cho bức xạ cần ghi đi được vào phía bên trong ống
chứa khí. Các kiểu detector chứa khí vẫn cịn được sử dụng đến ngày nay là:
Buồng ion hố;
Ống đếm tỉ lệ;
Ống đếm Geiger Muller (GM).
Hình 2 minh hoạ sơ đồ cấu tạo một detector chứa khí. Điện tích tạo ra do
q trình ion hố được thu góp ở các điện cực của detector. Khi khơng có sự ion
hố, chất khí giống như một chất cách điện và khơng có dịng điện ở mạch ngồi.
Số các cặp ion được tạo ra ở bên trong detector phụ thuộc vào điện trường trong
detector, kiểu khí hoặc hỗn hợp khí, áp suất bên trong và hình học của detector,…
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của một detector chứa khí[1]
Hình 3 là các đường đặc trưng của buồng ion hố và ống đếm tỉ lệ đối với
hạt beta. Đường đặc trưng này được chia thành năm vùng phụ thuộc điện áp giữa
anốt và catốt của detector.
Hình 3. Đường đặc trưng của buồng ion hố và ống đếm tỉ lệ[4]
Vùng I: Vùng tái kết hợp (Recombination Region) Trong vùng I có sự cạnh
tranh giữa q trình mất các cặp ionelectron do sự tái hợp và sự ion hố do hạt
mang điện tạo ra. Khi tăng điện trường, vận tốc của các ion tăng, do đó xác suất
tái hợp giảm và lượng điện tích thu góp được trở nên lớn hơn. Vùng này khơng
được sử dụng làm vùng làm việc của các detector chứa khí.
Vùng II: Vùng ion hố (Ionization Region) Khi điện trường đủ lớn, q
trình tái hợp giảm, do đó có nhiều cặp ion chuyển động và được thu góp tại các
điện cực. Trong vùng này, dịng điện phụ thuộc chủ yếu vào số ion do bức xạ
gây ra, nó hầu như khơng phụ thuộc vào giá trị điện áp ở các điện cực. Vùng này
được xem như vùng làm việc của buồng ion hố.
Vùng III: Vùng tỉ lệ (Proportional Region) các electron được gia tốc đến
vận tốc cao, nó va chạm với các phân tử khí gây ion hố chúng và tạo ra các ion
thứ cấp, do đó lượng điện tích bên trong ống đếm được nhân lên. Lượng điện
tích thu góp được sẽ tỉ lệ với số ion và electron ban đầu do bức xạ gây ion hố
tạo ra. Ống đếm làm việc trong vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ. Ở cuối vùng
tỉ lệ, lượng điện tích thu góp được bắt đầu trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào
điện áp. Hệ số nhân trrong vùng tỉ lệ thường vào cỡ ~ ÷ .
Vùng IV: Vùng Geiger Muller (Geiger Muller Region) hiệu điện thế giữa
các điện cực tiếp tục tăng, các ion xuất hiện tiếp tục được tăng tốc. Do điện
trường lớn nên chúng có thể thu được năng lượng lớn hơn trước khi va chạm với
các phân tử khí trong ống đếm. Trong trường hợp như vậy, chúng sẽ dẫn đến sự
tạo thành ion của phân tử. Sau khi được tăng tốc, hai ion sẽ thành 4 ion, 8 ion,
v.v…, trong chất khí sẽ xảy ra sự ion hố kiểu thác lũ phát triển. Khả năng phân
biệt các hạt sơ cấp khơng cịn, xung lượng của các hạt khác nhau đều giống
nhau. Do đó, hầu như khơng có sự khác nhau giữa loại bức xạ hoặc năng lượng
của hạt tới trong vùng này. Các ống đếm hoạt động trong vùng này được gọi là
ống đếm Geiger Muller. Khả năng gia tốc electron cao hơn do khối lượng nhỏ
hơn hàng ngàn lần khối lượng ion.
Vùng V: Vùng đánh thủng (Continuous Discharge Region) q trình ion hố
xảy ra trong tồn bộ vùng thể tích khí giữa hai điện cực, sự phóng điện xảy ra
trong thể tích khí của ống đếm. Vùng này khơng được sử dụng làm vùng làm
việc của các detector chứa khí.[5]
Trong trường hợp ống khỏa sát là hệ phổ kế đo β loại dịng đàu dị hấp
vào mặt. Vì vậy, cần biết cơ chế hoạt động của đầu dị hấp vào mặt.
1.8. Đầu dị hấp vào mặt
1.8.1. Lý thuyết
Tương tự như q trình ion hố chất khí trong buồng ion hố, q trình
hình thành các hạt tải điện trong chất rắn cũng có thể sử dụng để ghi đo bức xạ.
Thời gian tái hợp ở trong chất rắn lớn hơn do độ linh động của các hạt tải điện
là lớn. Một tính chất quan trọng nữa là do năng lượng ω bé nên biên độ tín hiệu
lớn và độ phân giải tốt.
Giả sử ta dùng một lớp tiếp xúc pn có độ dày khác nhau, lớp bán dẫn n là
rất mỏng và có độ pha tạp tạp chất rất cao, làm cửa sổ vào đối với bức xạ. Miền
với chất bán dẫn p có nồng độ tạp chất vừa đủ. Kết quả của sự khuếch tán các
hạt tải điện trong vùng cấm làm xuất hiện điện tích vùng khơng gian ρ(x), điện
trường E(x) trong vùng này biến đổi theo quy luật tuyến tính, cịn điện thế theo
quy luật parabol. Điện áp ngược bên ngồi cùng với sự khuếch tán (tiếp xúc
trong) ( = 0,3 V với Ge và = 0,6 V với Si) tạo nên hiệu điện thế giữa lớp pn.
Các hạt tải điện được tạo ra bởi các bức xạ ion hố trong vùng cấm sẽ tạo nên
tín hiệu tương tự như buồng ion hố trong điện trường.
Từ sự thay đổi dạng parabol của U(x), độ rộng l của vùng cấm là:
l =
(10)
Trong đó ε là hằng số điện mơi của chất bán dẫn và là nồng độ tạp chất
trong miền p, là điện thế nguồn ni.
Hình 4. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán
dẫn pn[5]
Điện dung của vùng cấm: = với S là diện tích tiếp xúc.
Điện trường cực đại: = 2.
Cấu trúc detector bán dẫn như trình bày ở trên gọi là detector hàng rào mặt.
Điện trở suất = ÷ và chịu thế ngược 200 V ÷ 300 V. Với chiều dày lớp nghèo
(p) cỡ 0,5 đến 1 mm đủ để ghi nhận bức xạ beta với năng lượng 500 keV, hạt α
của các đồng vị phóng xạ tự nhiên và hạt p được gia tốc ở năng lượng thấp.
Điện dung của detector cỡ 55 pF và tạp âm có thể làm tồi khả năng phân giải
đến 7 keV.
Hình 5. Phân bố điện tích, điện thế U(x), điện trường E(x) trong detector bán
dẫn pin[5]
Để mở rộng vùng cấm với điện trường khơng đổi, có thể thực hiện bằng
cách đưa vào giữa lớp np một lớp khơng chứa tạp chất (miền i) tạo nên detector
pin. Điện trường:
E(x) =
(11)
Nhờ vào việc mở rộng thêm vùng không tạp chất i, điện dung của
detector giảm đáng kể, cỡ khoảng 10 pF với diện tích lớn cỡ 5, cịn trong detector
pn với diện tích cỡ 2 , vào khoảng 50 đến 100 pF.
Dịng rị của detector bán dẫn (dịng ngược cân bằng khi khơng có sự ion
hố bên trong) bao gồm dịng mặt, dịng khối, dịng khuếch tán. Dịng này được
gây nên bởi các hạt tải điện khơng cơ bản (trong chất bán dẫn, phần tử tải điện
nào có mật độ lớn hơn gọi là phần tử tải điện cơ bản và phần tử cịn lại gọi là
khơng cơ bản. Như vậy trong bán dẫn n phần tử tải điện cơ bản là electron, cịn
trong bán dẫn p là lỗ trống). Các phần tử tải điện này phát sinh do dao động nhiệt
trên một khoảng cách nhỏ hơn chiều dài khuếch tán từ cuối của lớp i. Khi chiều
dài của lớp i là đủ lớn thì dịng khuếch tán có thể bỏ qua so với dịng khối . Khi
đó dịng khối có dạng:
= Sl
(12)
