Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Xác định các tính chất của đầu dò Gallium Arsenide bằng chương trình Penelope

Đồng thời, trình bay các kết quả môphỏng tín hiệu đầu dò GaAs khi thu nhận photon ở các mức năng lượng khácnhau và sự phụ thuộc hiệu suất đầu dò vào các yếu tố như: năng lượng, vị trícủa

TRAN THỊ THU VAN

XÁC ĐỊNH CAC TINH CHAT CUA ĐẦU DO GALLIUM

ARSENIDE BANG CHUONG TRINH PENELOPE

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật

Mã số: 604417

LUAN VAN THAC SI

TP HO CHI MINH, thang 11 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa HOC! c- s6 xEE2x 9E EE SE xEvce svcs cke

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: TRAN THỊ THU VAN MSHV: 11124647

Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1989 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Mã số : 604417I TÊN ĐÈ TÀI:

XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU DÒ GALLIUM ARSENIDEBẰNG CHƯƠNG TRINH PENELOPE

Il NHIỆM VỤ VA NỘI DUNG:+Tìm hiểu về phương pháp Monte Carlo và chương trình PENELOPE+Tìm hiểu tổng quan về đầu dò bán dẫn

+Tìm hiểu về vật liệu Gallium Arsenide và đầu dò bán dẫn GaAs+Mô phỏng tín hiệu và xác định hiệu suất bằng chương trình PENELOPEIll NGÀY GIAO NHIỆM VU : 24-06-2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 22-11-2013Vv CÁN BỘ HƯỚNG DAN : TS Lý Anh Tú

Tp HCM, ngày 22 thang 11 năm 2013CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Ho tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRUONG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

động viên rất lớn từ thay cô, gia đình, ban bè Moi người đã tao moi diéu kiéntot nhất dé tôi có thé chuyên tâm hoàn thành luận văn Thông qua luận văn nàytôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tat cả mọi người.

Tôi xin chân chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thay Lý Anh Tú

đã tận tình hướng dan, động viên và tao moi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn

thành tốt nhất dé tài luận văn

Tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên tỉnh thân, ở bên cạnh khuyếnkhích tôi trong suốt thời gian học cũng như thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn tat ca thay cô trong Khoa Khoa hoc Ung dụng chuyênngành Vat lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Thành phô Hô Chi Minh đãtruyện đạt những kiến thức quý bắu cho tôi trong suốt thời gian học

Tôi cũng xin cam on đến bạn bè đã khích lệ tinh thần dé tôi hoàn thànhtốt dé tài luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi đến lời chúc sức khỏe đến quý thay cô, gia đình va

bạn bè.

TPHCM, ngày 22-11-2013

Trân Thị Thu Vân

TOM TAT LUẬN VAN THẠC SĨ

Gallium Arsenide (GaAs) la hop chat bán dẫn nhóm III-V với một số đặc tinhtốt phù hợp cho một đầu dò hoạt động ở nhiệt độ phòng Hiện nay có rất nhiềuloại đầu dò bán dẫn như Si(Li), Ge(Li), HPGe nhưng với đầu dò bán dẫnGaAs nó mang những ưu điểm nổi trội hơn hơn các loại đầu dò khác là giáthành thấp và nhất là khi có thé hoạt động được ở nhiệt độ phòng mà nhiều loạiđầu dò bán dẫn khác khó có thé làm được Luận văn này sẽ mô tả thuộc tính,phương pháp chế tạo chất bán dẫn GaAs Đồng thời, trình bay các kết quả môphỏng tín hiệu đầu dò GaAs khi thu nhận photon ở các mức năng lượng khácnhau và sự phụ thuộc hiệu suất đầu dò vào các yếu tố như: năng lượng, vị trícủa nguồn bức xạ, độ dày của lớp GaAs, vật liệu tiếp xúc Từ đó so sánh giữadau dò Si va GaAs dé thay rõ hơn ưu điểm của dau dò GaAs

ABSTRACT

Gallium Arsenide (GaAs) is a III-V compound semiconductor that can operateas a room temperature radiation detector Although nowadays there are manysemiconductor detector as Si(Li), Ge(Li), HPGe ,GaAs detector has moreadvantages than other detectors because cost price is low and it can operate atroom temperature.This paper will describe the properties and methods ofmanufacturing the GaAs semiconductor At the same time, this paper alsopresents the simulation results GaAs detector signal when receiving photons atdifferent energy levels and the detector efficiency depends on factors such asenergy, the position of the radiation source, the thickness of the GaAs layer,contact materials Then, comparison between Si and GaAs detectors to seemore clearly the advantages of GaAs detectors.

LUAN VAN TOT NGHIEP DH Bách khoa-DHQG Tp.HCM

MUC LUC

LỜI OPN) ee iTOM TAT LUẬN VAN ceeeeeeeeeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees ii

MỤC LỤC, nen nnn EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE iii

DANH MỤC BANG cceeeeeeeeeeecceceececeeteeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeta viDANH MỤC HINH VE eeeeeeeeeeececeeececeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeae viiiMỞ BY, 0 eee |

CHUONG 1

MO PHONG MONTE CARLO VÀ CHUONG TRINH PENELOPE 4

1.1 Phương pháp Monte CarÏo -<<<s<⁄ 4

1.1.2 Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo xác định tính chất dau

1.2 Chương trình PENELOPE c2 nh xa 10IV Cu: aiiiiiiiai 10

1.2.2 Cau trúc chương trình PENELOPE cv nh se 11

CHUONG 2

DAU DO BAN DAN VA HIEU SUAT DAU DO BAN DÂN 262.1 Đầu dò bán dẫn 991221299 vn rho 262.1.1.Ste dung chất bán dẫn làm Adu đỏ cà 262.1.2 Hoạt động của đấu dò pHOfOH Ăn cv sen 282.1.3 Sự tương tác của photon với vật ChẤT cà ĂSSSSv sveeeeei 29

2.1.4 Độ phán giải năng lượng (FWHHÀ) 37

2.2 Hiệu suất đâu dò TS nnnnSSS SH 392.2.1 Khai 2.1 .1 1n aaạH) ga eeeeeeeeneaanes 392.2.2 Các loại hiỆH SHỐT co co con SH ng ng kg ng nh nh nr sr ra 412.2.3 Đường cong hid SUẤT cv kh ke nh 472.2.4 Yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu SuấT Scc Ăn vest 48

CHƯƠNG 3

3.1 Thuộc tinh vật liệu bán dẫn GaAs cc 2-2-2 ee 503.1.1 Cấu trúc vùng năng lượng, khối lượng hiệu đụng 503.1.2 Mat độ hạt mang điện trong chất bán dẫn ŒaAs 533.1.3 Độ linh động va van toc cua hat mang điỆH 54

3.1.4 So sảnh giữa Sĩ và GAAS we ccc c ccc eee vi 55

3.2 Cac cong nghé san xuất vật liệu bán dẫn GaAs : - 593.2.1 Kỹ thuật “phát triển” tinh thé (Crystal growth technologies) 60

3.2.2 Kỹ thuật ©DIÍXIQÏ HH HH HH HH HH HE xa 64

3.2.3 Kĩ thuật khuếch tán ( đ|ffilSÌOH) cv nan vo 673.3 Dau do bán dẫn GaAs Tnhh ướn 683.3.1 Đầu dò bán dân GaAs thu nhận hạt ở các nhiệt độ khác nhau 683.3.2 Tiép xvic OWMIC 10 nnnnhn nh 703.3.3 Tiếp xúc SchOfÍĂy con HH HH TH TH TH TK nh Thy nhu nhe nà 78

4.3.1 Xây dựng cấu hình AGU đỏ cv cư 85

4.3.2 Xáy dung chương trình MO pHỎNG cằằằằằ S2 894.3.3 Mô phỏng tint TIỆNH << <0 0 re 90

4.3.4 Khao sat sự phụ thuộc của hiệu suất AGU đò - 97

4.3.4.1 Theo năng lượng DhOÍOH ccccc << <2 97

4.3.4.2 Khodng cách nguôn-đef€COF c cv 1004.3.4.3 Độ dày vật liệu đầu đỒ cv neo 1044.3.4.4 Loại vật liệu dan điện lam tiếp XIẪC HH HH ky 1084.3.5 So sánh hiệu suất hap thụ của Adu dò Si và ŒaAs 110

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách khoa-DHQG Tp.HCM

TÀI LIEU THAM KHẢO -.cc c2 1121112111111 rên 115

PHU LỤC c1 2112 2112111111111 111 1111 111 1k ng 120

trí dau dò cách nguôn Imm, 2mm, 6mm.

12 4.8 | Bảng sô liệu hiệu suat đầu dò khi thay đối độ dày lớp GaAs 10413 4.9 | Bảng sô liệu so sánh hiệu suat đầu dò khi lớp GaAs có độ| 106

dày 350um, 650um và 1000um.

14 | 4.10 | Bang sô liệu so sánh hiệu suất đâu dò khi thay đối lớp tiép | 108

xuc

15 | 4.11 | Hiệu suất hap thu của dau dò Si 110

LUAN VAN TOT NGHIEP DH Bách khoa-DHOG Tp.HCM

16 | 4.12 | Hiệu suat hap thụ của dau dò GaAs 11017 | 4.13 | Tỉ số hiệu suất hap thu của đầu dò GaAs và Si WI

DANH MUC HINH VE

ST | Hinh Dién giai Trang

1 1.1 | So sánh thời gian giải quyết của 2 phương pháp: tat định 5

va Monte Carlo

2 | 12 | Sơ ad chương trình chính để mô phỏng chùm điện tir] 7°

photon với Penelope.

3 2.1 | Phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n 27

4 2.2 | Tan xạ Rayleigh 305 2.3 | Ky hiệu các góc trong tan xa Compton 31

6 2.4 | Phan bô năng lượng của các electrôn trong tan xa 33

compton của các photon 511, 1200, và 2760 keV

7 2.5 | Đô thị tiết diện tan xa compton với một SỐ năng lượng 33

từ 1 keV đến 10MeV trong hệ toa độ cực

8 2.6 | Hiệu ứng quang điện 349 2.7 | Hiệu ứng tạo cặp 3610 2.8 | Ba loại tương tác chính của tia gamma 37

II 2.9 | So sánh độ phân giải năng lượng tia gamma đôi với dau 39

dò Ge và GaAs Với hệ số Fano và năng lượng ion hóalà F=0.08, eu=2.98 eV đối với Ge và F=0.18, eu=4.3 eV

đôi với GaAs.

12 | 2.10 | Phé năng lượng của Cesi 137 (trái) và kết quả chiêu cao 40

pho xung từ đầu dò (phải)13 | 2.11 | Hiệu suất hình học, mỗi quan hệ giữa nguồn va dau dò Al

14 | 2.12 43Ví du về lich sử của một phôtôn trong một đầu dò đồng

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách khoa-DHQG Tp.HCM

trục, Ph là hap thu quang dién, C la tan xa compton, Palà tạo cặp va A là huy cặp Giả thuyết rang đường di của

electron là thăng, bức xạ hãm, tia X và các electron biếnhoán trong xem như bỏ qua.

IS | 2.13 Diện tích đỉnh năng lượng toàn phan 46

16 | 2.14 | Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh 4817 3.1 | Cấu trúc đơn vi tinh thé GaAs 51

18 3.2 | Vung năng lượng cua GaAs 52

19 3.3 | Câu tric vùng năng lượng của Si va GaAs 5220 3.4 | Đô thi vận tốc của electron va lỗ trông theo cường độ 55

điện trường cua GaAs và Si

21 | 3.5 | Tỉ lệ hiệu suat hap thụ của đâu dò GaAs và Si 5822 | 3.6 | Kỹ thuật phát triển GaAs 6022 | 3.7 | Sơ đô phương pháp LEC 6123 3.8 | Sơ đồ phương pháp VGF 6324 | 3.9 | Sơ đô phương pháp MBE 6725 | 3.10 | Sự phân bố các donor vùng nông Na(Sn), acceptor vùng 67

nông N.(Zn) va acceptor vùng sâu N(Cr) So đỗ năng

lượng của một câu trúc n”-7r-v-n.

26 | 3.11 | Mặt cat của dau đò 6927 | 3.12 | Đặc tuyên I-V của đầu dò GaAs với tiếp xúc Au/Ni 7028 | 3.13 | Sự uốn cong của vùng dan va vùng hóa trị 7129 | 3.14 | Các bước cơ bản chê tạo thử nghiệm tiép xúc Ohmic 7330 | 3.15 | Đặc tuyên I-V của tiếp xúc Ohmic AuGe 7731 | 3.16 | Đặc tuyên I-V của tiếp xúc AuTi/GaAs 78

33 | 3.18 | Dòng quang điện của 4 mẫu theo năng lượng photon 8334 | 4.1 | Dau dò sau khi được định nghĩa va hiển thị băng| 89

GVIEW 2D

35 | 4.2 | Phố năng lượng 6keV 92

36 4.3 Phố năng lượng 10keV 23

37 | 4.4 | Phố năng lượng 80keV 9538 | 4.5 | Phố năng lượng 100keV 9639 4.6 | Đường cong hiệu suat theo của đâu dò từ 2keV đến 99

200keV

40 4.7 | Đường cong hiệu suất của dau dò thay đối theo khoảng 101

cách giữa nguồn và dau do tu 1mm đên 60mm.

41 4.8 | Duong cong hiệu suât của dau đò tai các vị tri Imm, 103

2mm và 6mm

42 4.9 | Đường cong hiệu suất cua đâu đò thay đôi theo độ day 105

lớp GaAs từ 80um đến 1000um43 | 4.10 | Đường cong hiệu suất của dau dò khi độ dày lớp GaAs | 107

lần lượt là 350um, 650um và 1000um44 | 4.11 | Đường cong hiệu suất của dau dò khi thay đối lớp tiếp | 109

vô cùng nhanh chóng Cột mốc thực sự trong sự phát triển của chất bán dẫn, vào năm1947, là sự phát hiện ra các bóng bán dẫn Ké từ đó, nhiều thập ky đã trôi qua, lý thuyếtbán dẫn phát triển theo chiều sâu và các ứng dụng thực tế của các chất bán dẫn đã mởrộng đến mức độ đáng kinh ngạc.

Lợi thé của thiết bị đò bán dẫn là có hiệu suất tương đối cao trong lĩnh vực nănglượng cân thiết Có độ phân giải đủ năng lượng để chụp đồng thời nhiều năng lượngcủa bức xa (x-ray densitometry) Kích thước nhỏ của detector bán dẫn là cần thiết để có

sự phân biệt vi trí cao dam bao phan ứng nhanh (máy anh gamma).

Hiện nay, đầu dò bán dẫn được sử dụng thành công cho phát hiện và phép đophố của các hạt tích điện và lượng tử gamma, chủ yếu là do độ phân giải năng lượngcao, tín hiệu phản ứng nhanh và kích thước nhỏ.Trong y học, đầu dò bán dẫn được ứngdụng cho việc chụp X quang kỹ thuật số Đây là một nỗ lực để thay thế chụp X-quangvà bức xạ y năng lượng thấp bằng phim thành hàng ma trận detector bán dẫn phù hopchuyển đổi hình ảnh sang tín hiệu dạng kỹ thuật số Chụp X quang kỹ thuật số hiện đạicó lợi ích trong chất lượng: giảm bức xạ trong X-quang chân đoán (hơn 5 lần), và độphân giải tốt hơn (nhiều hơn hàng nghìn lần), cho phép để có được mật độ của các hìnhảnh vật thé và hình ảnh 3D với X-quang hình ảnh của một vật thé từ nhiều góc độ vàtái tạo lại các lát cắt không gian các phần của vật thể Nó có tác động tích cực tronglĩnh vực sinh thái Hiệu quả kinh tế cho thấy các khoản tiết kiệm thời gian bằng cáchthu thập thông tin ngay lập tức, giảm thiểu nhu cầu về không gian lưu trữ và khả năngtiết kiệm lao động

Các nghiên cứu liên quan của các tinh thé bán dẫn đã bat đầu xuất phát từ chấtbán dẫn cơ bản như germanium (Ge) va silicon (Si)

cao hơn nhiều cho tia gamma Tuy nhiên bat lợi của detector Ge là chúng phải được

làm lạnh với nitơ lỏng đê làm việc tôi ưu.

Do đó, sự chú ý ngày cảng tập trung vào vật liệu bán dẫn khác có thể được chế

tạo detector đáng tin cậy hoạt động ở nhiệt độ phòng, hiệu xuất chi nhận cho tia gama

cao hơn so với máy dò Ge Vật liệu có thể cho chế tạo detector hoạt động ở nhiệt độ

phòng là Hglaz, CdTe, Cdi-xZnxTe, Pblo, GaAs và InP Với những vật liệu bán dẫn

trên, ngoài độ phân giải năng lượng và hiệu xuất ghi nhận, tốc độ phản ứng nhanhchóng và độ bền phóng xạ của chúng cũng đóng một vai trò quan trọng

Trong đó, ứng cử viên tối ưu cho các hệ thống di động phát hiện bức xạ ion hóavề chỉ phí chế tạo là vật liệu bán dẫn GaAs Đầu đò GaAs rẻ hơn 50 lần so với CdTe,có thé làm việc dài hạn trong môi trường bức xạ ion hóa cường độ cao, với một độphân giải năng lượng tốt ở nhiệt độ phòng và có một tốc độ phản ứng nhanh Bởi vìyêu cầu chung cho một vật liệu bán dẫn dùng trong một đầu dò hạt nhân và máy quangphô hoạt động ở nhiệt độ phòng thì phụ thuộc vào năng lượng vùng cắm Năng lượngvùng cam tương đối lớn thì nhiệt của các điện tích được giữ ở mức tối thiểu Ngược lại,đối với quang phố kế tia gamma dé độ phân giải cao thì cần năng lượng vùng cam nhỏđể một số lượng lớn các cặp electron-lỗ trồng được tạo ra.Vi vậy một quang pho kéthỏa ca hai điều kiện đó thì năng lượng vùng cắm ở khoảng 1.4 đến 1.5 eV Ngoài racác vật liệu bán dẫn cũng cần phải có số nguyên tử trung bình tương đối cao nếu đượcsử dụng trong quang pho kế tia gamma để tăng khả năng tương tác tia gamma Độ linhđộng của hạt mang điện phải cao để đảm bảo hiệu suất khai thác điện tích và chịu ảnhhưởng tối thiểu vào vị trí thu nhận điện tích Gallium Arsenide (GaAs) là hợp chất bándẫn nhóm III-V với một số đặc tính tốt phù hợp cho một đầu dò như thế

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

khác nhau trong hơn năm thập kỷ từ những năm 1960 (Phụ lục)

Hiện tại ban dẫn GaAs chiếm một vai phan trăm của tong thé thị trường chấtbán dẫn Mặc dù GaAs dường như không gây nhiều sự chú ý, nhưng tầm quan trọngcủa nó năm trong các ứng dụng cho phép của nó Chăng hạn như GaAs có thể ứngdụng trong thiết bị điện tử và thiết bị quang tử như với thiết bị điện tử thì ứng dụngtrong transistor lưỡng cực, transistor và diode hiệu ứng trường, với thiết bị quang tử thì

ứng dụng lam diode phát xạ ánh sáng (LEDs), laser diode (LDs), bộ tách sóng quangvà ông dân sóng.

Cũng kế từ khi các detector bán dẫn đã đạt được su thống trị vào khoảng năm1970, đã khiến cho các nhà nghiên cứu bắt đầu có sự quan tâm về các ứng dụngphương pháp Monte carlo trong việc tính toán hiệu suất của detector Khi hiệu suất củađầu dò được đo ở nhiều năng lượng bang cách sử dụng nguồn chuẩn, người ta nhậnthay cần thiết phải làm khớp nó thành một đường cong từ các điểm này dé có thé mô tả

hiệu suât toàn vung năng lượng ma ta quan tâm.

Việc xây dựng đường cong hiệu suât của các detector là rât cân thiết vì từ đó cóthê chọn lựa những thuộc tính của detector đề tôi ưu hiệu suât của detector, việc sử

dụng sẽ đạt kết quả cao hơn

Do đó trong dé tài này từ tín hiệu có được bằng chương trình mô phỏngPENELOPE Tôi sẽ xây dựng, đánh giá đường cong hiệu suất của detector bán dẫnGaAs, khảo sát đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng photon, độ dày lớp tỉnhthể, và lớp tiếp xuc bang các loại vat liệu dẫn điện khác nhau, khoảng cách giữa nguồn

và đâu dò.

MO PHONG MONTE CARLO VA CHUONG TRINH

Nếu phương pháp Monte Carlo không tồn tại, sẽ có một động cơ mạnh mẽthúc đây chúng ta phải phát minh ra nó Phương pháp Monte Carlo vĩ mô mà chúngta gọi là các phương pháp tất định hay giải tích

Lý thuyết vĩ mô, đặc biệt là lý thuyết vận chuyển, cho phép một người cókhả năng suy luận có thể xem xét một trường hạt vĩ mô sẽ hoạt động như thế nào.Phương pháp Monte Carlo không thể cạnh tranh được trong việc này Trong việckhám phá các tính chất của trường vĩ mô, phương pháp Monte Carlo rất gidngvớimột người làm thí nghiệm Nếu không có sự hướng dẫn của lý thuyết, công việckhám phá sẽ trở nên rất khó khăn và có thé bị sai lệch Tuy nhiên khi bai toán trở

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

” Monte Carlo

Lá

Độ phức tạp của bai toán (hình học)

Hình 1.1: So sánh thời gian giải quyết của 2 phương pháp: tất định và Monte

Carlo

Chúng ta có thé dé dang thay được khi độ phức tạp của bài toán (chang hạnnhư độ phức tạp của hình học) tăng, thời gian để tính toán của các phương pháp tấtđịnh sẽ tăng nhiều hơn là phương pháp Monte Carlo

1.1.2 Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo xác định tính

chat dau dòTrong những năm gan đây, các chương trình mô phỏng vận chuyển bức xabăng phương pháp Monte Carlo được sử dụng ngày càng rộng rãi Mặt khác, cácchi phí thực nghiệm tăng lên và các chi phí tính toán giảm xuống cũng đang làmcho việc mô phỏng sự vận chuyền trở nên hấp dẫn hơn, đặc biệt khi các thí nghiệmđược tiến hành trong các môi trường nguy hiểm Hơn nữa, các kỹ thuật tính trong

Hiện nay đã có nhiều chương trình đáng tin cậy sử dụng phương pháp MonteCarlo để đánh giá đặc trưng đầu dò tiêu biểu như các phần mềm GEANT (R Brun

et al.1986, CERN Data Handling Division, Geneva), MCNP (J.F Briesmeister,1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA-12625-M), PENELOPE(Penetration and Energy Loss of Photon and Electrons, Salvat et al., 2003)

Nhờ đó người sử dụng có thé mô phỏng lại hệ do của minh và từ đó đánh giácác đặc trưng mong muốn Đa số các công trình trên thé giới tập trung vào các vandé về mô phỏng đáp ứng phố, sử dụng mô phỏng trong việc hỗ trợ tính toán hiệusuất đối với các dạng hình học nguén và mẫu khác nhau khảo sát hiệu suất theonăng lượng, theo khoảng cách, theo điện áp nghịch, hiệu chỉnh trùng phùng tổngđối với gamma phân rã nhiều tầng, hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với hình học nguồn vàmẫu thé tích

1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới

Năm 1976 [2], Rieppo đã áp dụng phương pháp Monte Carlo trong việc tính

toán sự hấp thụ tia gamma trong nguôn thé tích đối với đầu dò mặt và giếng dùngtinh thé Nal Sự hap thụ của gamma trong môi trường gồm nước, nhôm, và chì

cũng được khảo sát.

Năm 1982 [3], Gardner và cộng sự đã áp dụng phương pháp Monte Carlo đểmô phỏng phân bố độ cao xung của tỉa X và gamma tức thời từ phản ứng bắtneutron đối với hai loại đầu dò Si (Li) va Ge

Năm 1990 [4], He, Gardner va Verghese đã cải tiễn ham đáp ứng của đầu dòSi (Li) tới miền năng lượng 5 keV đến 60 keV Các tham số của mô hình có đượctừ việc làm khớp bình phương tối thiểu phố độ cao xung đo từ một số mẫu thuầnkhiết kích bởi các nguồn !%Cd hoặc ?!Am

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Năm 1993 [6], Haase,Tait và Wiechen đã triển khai mô phỏng Monte Carlođối với hệ phố kế gamma cho phép tính toán quãng đường đi của photon trong

nguồn và đầu dò cũng như hiệu suất toàn phân Từ đó hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ

và trùng phùng tổng được đánh giá Ronald, Peter và Jeroen [7] đã tự xây dựng mộtchương trình mô phỏng Monte Carlo để tính toán hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ đốivới nguôn thé tích cũng như khảo sát sự phân bố không gian của hiệu suất đỉnh theohình học nguồn — dau do

Năm 1995 [8], Alietti và nhóm của ông đã nghiên cứu hoạt động của tiếpxúc Ohmic trong đầu dò thu hat GaAs Palma [9] đã ding phương pháp MonteCarlo để mô phỏng sự thu nạp các hạt tải điện của thiết bị bang Siva GaAs

Năm 1997 [10], nhóm tác gia Korun, Likar, Vidmar đã sử dung mô phỏng

Monte Carlo với phan mềm GEANT để xác định sự phụ thuộc không gian của hiệusuất đầu dò đồng trục HPGe loại p với nguôn điểm trong vùng năng lượng photontừ 60 keV đến 1115 keV

Năm 2000 [11], cùng với ý tưởng can phải kiểm tra lại thông tin về đầu dòcung cấp bởi nhà sản xuất, nhóm tác giả Talavera, Neder, Daza và Quintana đã sửdụng mô phỏng Monte Carlo với phần mềm GEANT dé mô phỏng ham đáp ứng hệđầu dò HPGe loại n hiệu suất tương đối 28, 3% ở năng lượng 1332 keV Từ đó tínhtoán hiệu suất đỉnh toàn phần và so sánh với thực nghiệm với nhiều hình học đo

Nhóm Laborie, Le Petit, Abt va Girard [12] đã sử dung mô phỏng Monte Carlo với

phân mềm GEANT để xác định đường cong chuẩn hiệu suất và hiệu chỉnh trùngphùng tong đối với đầu dò HPGe dạng giếng một loại đầu dò cho phông thấp, hiệusuất phát hiện cao nhưng hiệu ứng trùng phùng tong cao Ludington và Helmer [13]trong quá trình kiểm tra tính 6n định của đầu dò đồng trục HPGe đang dùng, đã sửdụng phần mềm mô phỏng Monte Carlo CYLTRAN để hỗ trợ cho việc xây dựng

đó sử dụng phổ tính toán dé giải cuộn phổ đo.Nhóm tác giả Vidmar, Korun, Likarvà Martincic [15] đã dùng MCNP và GEANT để tạo bộ số liệu về đường cong hiệusuất đỉnh năng lượng toàn phân cho hệ đầu dò HPGe loại n và loại p để kiểm tra môhình bán thực nghiệm cho việc xây dựng đường cong hiệu suất cho các đầu đò nàytrong khoảng năng lượng từ 4 đến 3000 keV có quan tâm đến hiệu ứng tự hấp thụđối với mẫu đo thể tích.

Năm 2002[16], Hardy và cộng sự đã chuẩn hiệu suất cho đầu dò HPGe trongkhoảng năng lượng từ 53 đến 1836 keV Hu-Xia Shi và cộng sự [17] đã xây dựng

một chương trình mô phỏng Monte Carlo riêng mang tên PETRANS 1.0 dựa trên

nên tảng của EGS4 để tính toán đáp ứng cho riêng đầu dò Nal(TI) với hai hiệuchỉnh giúp cải tiễn độ chính xác của việc khảo sát Zhonglu Wang va cộng sự [18]đã đưa ra một phương pháp xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng của đầu dòHPGe băng mô phỏng sử dụng chương trình MCNP Vargas và Guerra [19] đã sửdụng PENELOPE để chuẩn hiệu suất các đầu dò đồng trục mô tả trong dự án

EUROMET 428 (năm 2000) của M.C Lépy (Phòng thí nghiệm Henry Becquerrel,Pháp).

Năm 2004 [20], Nilsson và nhóm của ông đã sử dụng phương pháp Monte

Carlo dé mô phỏng hiệu ứng góp hat trong đầu dò Si và GaAs Trong nghiên cứunày họ mô phỏng sự vận chuyển kết hợp với hệ thống code Monte Carlo dé tínhtoán độ phân giải năng lượng của cấu hình đầu dò pixel khác nhau

Năm 2006 [21], Vlastou và cộng sự đã sử dụng GEANT4 dé mô phỏng phổgamma của các đồng vị tự nhiên từ đầu dò nhấp nháy Nal nhẫn chìm trong nướcbiển Salgado và cộng sự [22] đã sử dụng phiên bản mới nhất MCNPS để xác địnhđáp ứng của đầu dò phăng HPGe trong việc đo tia X phát ra từ máy phát tia X cónăng lượng từ 20 keV đến 150 keV

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

MCNP4C2 dé mô phỏng hai hệ đầu dò Germanium đồng trục REGe va XtRa.

Năm 2013 [25] K Sedlašková, B Zatko, A Sagatova, V Neéas đã tap trung

vào khả năng của các mã MCNPX (Monte Carlo N-Particle eXtended) dé theo dõiviệc vận chuyển hat neutron nhanh trong máy dò bán dẫn SI GaAs (bán cách điệnGaAs) Nguyên liệu chuyển đổi có khả năng dé sản xuất hạt tích điện từ tương tác(n, p) là một lớp polyethylene mật độ cao (HDPE) Nguồn neutron nhanh , nguồn

neutron 239Pu - được đã được sử dụng trong mô hình.

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Sử dụng phương pháp Monte Carlo vào lĩnh vực hạt nhân nói chung thì ta thaysuốt những năm qua trên thế giới đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển Ởnước ta thì dé tài này cũng được ứng dụng nhiều trong các cơ sở nghiên cứu vật lý hạtnhân Đã và đang có nhiều nhóm nghiên cứu về nó Chăng hạn như nhóm Lê VănNgọc, Nguyễn Thị Thanh Huyền, Nguyễn Hào Quang ở Viện Khoa học và Kĩ thuật hạtnhân Hà Noi, nhóm Lê Hồng Khiêm Nguyễn Văn Đỗ, Phạm Đức Khuê ở Viện Vật lý

và Điện tử (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam),nhóm Hỗ Hữu Thăng, Nguyễn

Xuân Hải, Trần Tuan Anh, Nguyễn Kiên Cường ở Viện NCHN Da Lạt Riêng với détài sử dụng phương pháp Monte Carlo vào xác định đặc trừng đầu dò thì có nhóm MaiVăn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện

Thanh ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM đã sử

dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP4C2 và MCNPS5 để nghiêncứu chuẩn hiệu suất và đặc trưng đáp ứng của đầu dò HPGe có tại Phòng thí nghiệm

Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.

File ngu6n Penelope.f (khoảng 8000 dòng lệnh FORTRAN) bao gồm bốn khốicủa chương trình con: chuẩn bị tính toán và những thủ tục I/O, những chương trình môphỏng sự va chạm, những thủ tục số và thủ tục truyền qua Đề những thủ tục này đượcthiết lập, chúng ta sẽ đặt tên cho chúng theo những quy ước dưới đây:

Ký tự đầu tiên cho biết hạt (E cho electron, P cho positron, G cho photon).Những ky tự thứ hai va ba biểu thi co thế va cham (EL cho dan hồi elastic, INcho không đàn hôi inelastic, BR cho bức xa hãm Blemsstrahlung, AN cho sự hủy cặp

Annihilation, RA cho Rayleigh, CO cho Compton, PH cho electron quang photoelectric va PP cho tao cap - pair production).

điện-Những thủ tục lay mẫu ngẫu nhiên có trong tên ở ký tự thứ ba Thủ tục phụthêm, biểu diễn sự tính toán đặc biệt, có tên dài hơn với ký tự thứ tư và những ký tựsau hoặc những số chỉ cho biết loại tính toán (TX cho những phân tổng cộng, DX chonhững phan khác nhau) hoặc hành động (W cho những dữ liệu viết trên một file, R chođọc dữ liệu trên file, I cho những điều kiện ban đầu của thuật toán mô phỏng)

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Vì thế, dé minh họa, những thủ tục con EEL mô phỏng những va chạm đàn hồi

của những phan chéo cho tán xa không đàn hôi cua electron.

1.2.2 Cau trúc chương trình PENELOPE

1.2.2.1 Cơ so dit liệu và file vật liệu

Penelope đọc thông tin vật lý yêu cầu về mỗi vật liệu (bao gồm bang tính chatvật lý, những tương tác, dữ liệu nghỉ ) từ file dữ liệu nhập vào (đồng nhất như UNIT

= IRT bang thong ké ma nguồn) File dữ liệu vật liệu được tạo bởi chương trình vật

liệu (program MATERIAL) được lẫy từ dữ liệu tương tác của nguyên tử từ cơ sở dữliệu Chương trình này chạy tác động qua lại nhau và nó có thể tự giải thích được.Thông tin cơ bản về vật liệu được cung cấp bởi người sử dụng Thông tin đòi hỏi là: 1/cầu tạo hóa học, 2/ mật độ khối lượng, 3/ mật độ kích thích trung bình, 4/ năng lượngvà máy dao động mạnh của sự kích thích Plasmon Một cách luân phiên, đối với mộtbộ của 279 vật liệu được chuẩn bị, chương trình MATERIAL có thé đọc dữ liệu trựctiếp từ file PDCOMPOS.TAB

Đối với những hợp chat và hỗn hop, sự gan đúng thêm vào được chọn dé xácđịnh những phan vật liệu, những phần phân tử tương ứng được đặt bằng với tổngnhững phần khối lượng nguyên tử của nguyên tố Hợp kim và hỗn hợp thì được coinhư hợp chất tỉ lệ với phần trăm số nguyên tử của những nguyên tó

Cơ sở dữ liệu của PENELOPE bao gồm những file ASCII 465:PDATCONF.TAB: cau hình trạng thái đầu nguyên tử, năng lượng ion hóa vàgiá trị trung tâm Ji (p,= 0), của một lớp electron mô ta Compton cho những nguyên tổtừ Hydro đến Urani

PDCOMPOS.TAB: file này chứa đựng dữ liệu tổng hợp, mật độ và năng lượng

kích thích trung bình cho 279 vật liệu, chọn từ cơ sở dữ liệu của chương trình ESTAR

của Berger (1992) Đưa vào 98 nguyên tố đầu tiên là những nguyên tổ Z = 1 đến 98

Những vật liệu từ 99 đến 279 là những hợp chất và hỗn hợp, theo thứ tự chữ cái Lưu ýrang PENELOPE không làm việc với những nguyên t6 có Z > 92.

PDEFLIST.TAB: danh sách những vật liệu được xác định trước trong file

PDCOMPOS.TAB, với những số liệu kết hợp của chúng

PDRELAX.TAB: dữ liệu trong trạng thai nghỉ của nguyên tử, trích từ LLNL

(Evaluated Atomic Data Library) Mỗi dòng trong file PDRELAX.TAB mô tả sự dịchchuyển của nguyên tử Số lượng liệt kê là số lượng nguyên tử của nguyên tố, tên số củanhững lớp electron hoạt động (bảng), xác suất dịch chuyển và năng lượng phat xạ tia X

hay electron, một cách riêng biệt.

Bang 1.1: Số lớp sử dụng dé chỉ định nguyên tử electron bắn phá Trong trườnghợp không bức xạ chuyền tiếp, lớp 99 chi bắn phá ngoài những lớp MS

label shell label shell label shell1 1< (1S: 72) Li IN2 (4pi/2) 21 O5 (5ds/2)

2 L1 (2s; /2) 12 N3 (4ps;2) 22 OG (5fs/2)

3 L2 (2pi/2) 13 IN4 (Adayo) 23 OT (5f+ 2)A L3 (2p3/2) 14 NS (Ads/2) 2A =1 (Gs 72)5 NIL (38; 72) 15 NG (Afs/;2) 25 +2 (Gp z2)G M2 (3Pi1/2) 1G N7“ (4đfrxz2} 2G P3 (6p3/2)

Fe MIS) (3pes,e2) 17 O11 (5851/2) 27 PA (G‹clx ;>})Ss MA (S3da2,/2) 1= O2 (5p: /2) 28 P5 (Gclz /2)

9 MIS (3ds z3} 19 O3 (S5p2/2) 29 Ql (7s1/2)10 Ni (4s, ;+} 20 OA (5cia/a) 99 euter shells

92 files named PDEELZZ.TAB với ZZ = số nguyên tử (01 — 92) Các file nàychứa phan nguyên tiết diện ngang đối với tan xạ dan hồi của các electron va positronbởi hạt nhân các nguyên tử được tính băng cách sử dụng phương pháp sóng cầu Dòngđầu tiên trong mỗi file cho số nguyên tử ZZ, mỗi đường tiếp theo có bảy cột với dữ liệu

như sau:

- Cột thứ nhất: động nang (eV), tăng theo thứ tự.- Cột thứ hai: tong tiết diện ngang các electron.- Cột thứ ba: tiết diện ngang dau tiên các electron

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

- Cột thứ tư: tiết diện ngang thứ hai các electron.- Cột thứ năm: tong tiết diện ngang đối với positron.- Cột thứ sáu: tiết diện ngang đầu tiên các positron.- Cột thứ bay: tiết diện ngang thứ hai các positron.Lưới năng lượng là xấp xi logarit, với 15 điểm trên 10, và giống với tat cả cácnguyên tố Tat cả tiết diện ngang là cm”.

92 files tên PDERZZ.TAB với ZZ = số nguyên tử (01 — 92) Chúng chứa tiếtdiện ngang nguyên tử bức xạ hãm (phố năng lượng mat mát) và tong phần nguyên bứcxạ tiết diện ngang của electron, đối với một lưới động năng electron E và năng lượngphoton giảm W/E, điều này đủ mật độ dé cho phép sử dụng phép nội suy log — log bậcba trong E và ngoại suy tuyến tính ở W/E Dữ liệu trong các file này là ở dạng cơ sở dữliệu, với 32 năng lượng photon giảm dan Dinh dạng của file cơ sở dữ liệu

Bremsstrahlung như sau:

- Đường thứ nhất chứa số nguyên tử ZZ.- Mỗi khối bốn đường chứa động năng electron E, thang năng lượng mat máttiết diện khác nhau tại 32 năng lượng photon giảm và giá trị của phần nguyên bức xạtiết diện ngang

Năng lượng là eV và các giá trị của thang năng lượng mat mát tiết diện ngang

là milibarn (1077 cm?).

PDBRANG.TAB: cho các tham số của hình dạng hàm phân tích (góc phân bố)của photo bremsstrahlung, điều này được biểu diễn như thống kê của hai phân bố

dipole Lorentz — boosted.

92 files named PDGPPZZ.TAB với ZZ = số nguyên tử (01 — 92) Tổng tiết diệnngang đối với sự tạo ra cặp electron — positron bởi các photon với năng lượng lên đến100 GeV trong trường của hạt nhân nguyên tử Dữ liệu được tạo ra bằng chương trìnhXCOM Dòng dau tiên của mỗi file cho số nguyên tử ZZ, mỗi dòng tiếp theo cho:

- Cột thứ nhất: năng lượng photon, eV Lưới năng lượng giống đối với tất cả các

- Cột thứ hai: tổng tiết diện ngang đối với tao cặp triplet ở barn (1022 cm?).92 files named PDGPHZZ.TAB với ZZ = số nguyên tử (01 — 92), chứa tổng tiếtdiện ngang của photoelectric và các phần tiết diện ngang đối với photon ion hóa củaban phá lớp bên trong (băn phá lớp K và bắn phá lớp cao hơn L) đối với các nguyên tốvà năng lượng photon trong khoảng từ 100 eV đến | TeV Dữ liệu được lấy từ LLNL

(Evaluated Photon Data Library) Định dạng như sau:

- Dòng dau tiên chứa số nguyên tử ZZ và số NS của các lớp cho các phan tiết

diện ngang được liệt kê trong bảng.

- Mỗi dòng dưới đây chứa một giá trị của năng lượng photon (eV) với tong tiétdiện ngang tương ứng và các tiết diện ngang còn lại của những lớp K, L1, L2 và L3 (tatcả các tiết diện ngang trong barn) Đối với các nguyên tô Z thấp, lớp cao hơn L là trốngvà chính vì vậy chúng không xuất hiện trong bảng

Lưới năng lượng đối với mỗi nguyên tố đạt được bằng cách hợp nhất một lướiđặc tính chung (giống nhau cho tất cả các nguyên tố, toàn bộ khoảng năng lượng từ100 eV đến 100 GeV) với lưới của những đỉnh hấp thụ nguyên tố, và cộng thêm cácđiểm để chắc chan rằng phép nội suy tuyến tinh log — log sẽ không bao giờ tạo ra các

lỗi liên quan lớn hơn 0.02

92 files named PDEINZZ.TAB với ZZ = số nguyên tử (01 — 92), chứa tong(nguyên) tiết diện ngang đối với sự ion hóa của lớp bên trong (lớp K và lớp cao hơn L)bởi sự tác động của các electron và positron với động năng trong khoảng từ 100eV đếnIGeV Sử dụng tiết diện ngang của photonelectric đọc từ các file PDGPHZZ.TAB

Định dạng như sau:

- Dòng đầu tiên chứa số nguyên tử ZZ.- Mỗi dòng sau bao gồm 9 cột, với động năng phóng ra (eV) trong dòng đầutiên Cột 2 — 5 chứa ion hóa tiết diện ngang của những lớp K, LI, L2 và L3 đối vớielectron tác động và các cột 6 — 9 có tiết diện ngang tương ứng cho sự ion hóa bởi sựtác động của positron (tất cả các tiết diện ngang trong barn) Tiết diện ngang đối với

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

lớp K và L của các photon với năng lượng ion hóa nhỏ hơn 100 eV được chọn đến

zero.

Tiết diện ngang nguyên tử cho tán xạ kết hợp va không kết hop của photon, tanxạ không đàn hồi của electron, positron, va positron triệt tiêu được ước lượng một cáchtrực tiếp từ phân tích DCS

Trong file vật liệu xác định tạo ra bởi chương trình MATERIAL, các đường

trung bình tự do, các đường trung bình tự do chuyển đổi và công suất dừng củaelectron va positron được cho trong đơn vi khối lượng — độ dày là 1 mtu = 1g/cm? vàeV/mtu tương ứng Hệ số suy hao khối lượng photon có đơn vị cm?/g Các đại lượngnày là sự độc lập mật độ vật liệu thực tẾ, sự chấp nhận chỉ là gân bang cong suat dùngcủa các electron và positron với động năng lớn hơn khoảng 0.5 MeV để sai số mật độhiệu quả có thể có ý nghĩa Để tạo ra một file vật liệu hoàn chỉnh cho một bai toán môphỏng thì các file vật liệu sau khi được tạo ra từ chương trình MATERIAL.EXE canđược bồ trí thành một chuỗi theo thứ tự vật liệu đã được định nghĩa trong file không

gian (file có đuôi GEO).

Ví dụ như bài toán mô phỏng trong luận văn này thé hiện hiệu suất của bức xạphoton khi qua lớp bán dẫn hợp chat GaAs, ta căn cứ vào file không gian GEO đã đượcđịnh nghĩa với vật liệu thứ nhất là Au, vật liệu thứ hai là Ni và vật liệu thứ ba là GaAsđể tạo file vật liệu tương ứng

Trước tiên ta sẽ chạy chương trình MATERIAL.EXE tạo file Au.mat, thành

phân như sau:

Material: GOLDMass density = 1.93200000E+01 g/cm**3Number of elements in the molecule = 1

Element: Au (Z=79), atoms/molecule = I.00000000E+00Mean excitation energy = 7.90000000E+02 eV

Tuong tu, ta tao file Ni.mat:

Mass density = 8 90200000E+00 g/cm**3Number of elements in the molecule = 1

Element: Ni (Z=28), atoms/molecule = I.00000000E+00Mean excitation energy = 3.1 lJOOOOOOE+02 eV

Với file GaAs.mat, kết quả ta có được sẽ là:

Material: gaasMass density = 5.32000000E+00 g/cm**3Number of elements in the molecule = 2

Element: Ga (Z=31), atoms/molecule = TI.00000000E+00Element: As (Z=33), atoms/molecule = I.00000000E+00Mean excitation energy = 3.40641126E+02 eV

Sau đó, ta dùng cửa số command windown dé ghép ba file theo trình tự như trênđể tạo ra file vật liệu cho bài toán với tên tiepxucni.mat bang lệnh sau trong command

windown:

>> copy Au.mat + Ni.mat+gaas.mat tiepxucni.mat

File tiepxucni.mat sẽ được khai báo trong file đầu vào (đuôi in) trong chương

trình mô phỏng được sử dụng.

1.2.2.2 Cau trúc chương trình chỉnh (Main program)Đối với chương trình PENELOPE phải được bé sung với một chương trình điềukhiển MAIN program: nó điều khiển hình dạng và sự phát triển của các đường vết, giữcác điểm của các đại lượng thích hợp và thực hiện yêu cầu trung bình khi mô phỏng kết

thúc.

Sự kết nối của chương trình PENELOPE và MAIN được thực hiện thông quađặt tên khối chung

—> COMMON/TRACK/E, X, Y, Z, U, V, W, WGHT, KPAR,IBODY, MAT, ILB (5)

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Nó chứa các biến trạng thái hạt:

KPAR loại hat (1: electron, 2: photon, 3: positron).

E năng lượng hat (eV) (động năng đối với electron và positron)

X, Y, Z2 vị trí (cm).

U, V, W hướng cosine của hướng di chuyển.WGHT trong mô phỏng đây là các biến giả Khi sử dụng các phươngpháp giảm biến, khối lượng phân tử có thể được lưu tại đây

IBODY xác định các vật thể khác nhau trong cau trúc vật liệu phức

tạp.

MAT vật liệu mà ở đó các hat dich chuyển (ví dụ trong vật thé gan

nhãn IBODY).

ILB(5) một dãy năm tên phụ mà mô tả nguén gốc của các hạt thứ cap

Nó hữu ích đê nghiên cứu các hạt.

VỊ trí tọa độ r = (X, Y, Z) và hướng cosine đ = (U, V, W) của hướng dịch

chuyển liên quan đến hệ tọa độ vuông góc, hệ “thư viện” có thể xác định một cách tùy

ý Trong suôt sự mô phỏng, tat cả các năng lượng và độ dài có đơn vi băng eV và cm.

Tên KPAR xác định loại hạt: KPAR = 1, electron; KPAR = 2, photon; KPAR =

3, positron Mot hat di chuyén trong vật liệu M gia sử rằng được hấp thụ khi nănglượng của nó trở nên nhỏ hơn một giá trị EABS (KPAR, M) (eV) Positron giả sử rangtriệt tiêu bởi sự phát xạ ra hai photon khi hấp thụ Trong tính toán liều lượng, EABS

(KPAR, M) phải xác định vi tai đó những hạt sinh ra với năng lượng nhỏ hơn kích

thước của thể tích sử dụng để đánh dấu không gian liều lượng phân bố Vì cơ sở dữliệu tương tác bị giới hạn đối với năng lượng trên 100 eV, năng lượng hấp thụ EABS

(KPAR, M) phải lớn hơn giá tri này.

Thuật toán dịch chuyển cho các electron và positron trong mỗi vật liệu M đượcđiều khiến bởi các tham số mô phỏng dưới đây:

C1(M) sóc lệch trung bình, Ci ~ 1 - <cos> Tạo ra băng cách nhântán xạ đàn hồi dọc theo độ dài đường dẫn băng với đường tự do trung bình giữa cácphản ứng va cham đàn hỏi nối tiếp nhau C1(M) phải theo thứ tự 0.05; giá trị cực đại

cho phép là 0.2.

C2(M) phan năng lượng mat mát trung bình lớn nhất, C2 giữa các vachạm dan hồi tiếp theo Thông thường, một giá trị thứ tự là 0.05 là thích hợp Giá trịlớn nhất cho phép C2(M) là 0.2

WCC(M) năng lượng mất mát suy giảm, Wee (eV), đối với va chạmkhông đàn hồi trong vật liệu M - th

WCR(M) năng lượng mất mát suy giảm, Wer (eV), đối với phát ra bứcxạ hãm đàn hồi trong vật liệu M

Các tham số này xác định độ chính xác va tốc độ của sự mô phỏng Để chắcchăn độ chính xác, C1(M) và C2(M) phải có giá trị nhỏ (thứ tự 0.01) Với các gia tri

lớn hơn của C1(M) và C2(M) sự mô phỏng trở nên nhanh hơn, giảm độ chính xác.

Năng lượng suy giảm WCC(M) và WCR(M) ảnh hưởng mô phỏng sự phân bố nănglượng Tăng tốc độ mô phỏng băng cách sử dụng năng lượng suy giảm lớn hơn, nhưngnếu chúng quá lớn, mô phỏng sự phân bố năng lượng có thể bị biến dạng Trong thựctế, mô phỏng sự phân bố năng lượng được tim thay không nhạy đối với các giá trị của

WCC(M) và WCR(M) khi chúng nhỏ hon độ rộng vùng chứa sử dụng năng lượng

phân bố Vì vậy, độ phân giải năng lượng mong muốn xác định năng lượng suy giảmlớn nhất cho phép Độ tin cậy của toàn bộ các phần mô phỏng trên một điều kiện đơngiản: số bước (hoặc ngẫu nhiên) trên vết hat sơ cấp phải là “thống kê day đủ”, chăng

han lớn hơn 10.

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Ví dụ về file khai báo đầu vào của chương trình PENSLAB dùng cho bài toánmô phỏng hiệu suất của lớp kim cương:

TITLE Response of a GaAs detectorKPAR 2 [Primary particles: 1=electron, 2=photon, 3=positron|E0 6E3 [Initial energy, in eV]

SPOSIT 0 0 -0.1 [Source position: X0, Y0, ZO in cm|SDIREC 0 0 [Beam direction: THETA, PHI in deg]SAPERT 90 [Beam aperture, ALPHA in deg]NMAT 3 [Number of different materials, le.10]SIMPAR 1.0E5 1.0E3 1.0E5 0.10 0.10 1.0E4 1.0E3 [EABSs, Cl,C2, Wcc, Wer]

DSMAX 1.0E10 [Maximum step length, in cm]SIMPAR 1.0E5 1.0E3 1.0E5 0.10 0.10 1.0E4 1.0E3 [EABSs, Cl, C2, Wcc,Wcr|

DSMAX 1.0E10 [Maximum step length, in cm]SIMPAR 1.0E5 1.0E3 1.0E5 0.10 0.10 1.0E4 1.0E3 [EABSs, Cl, C2, Wcc,Wcr|

DSMAX 1.0EI0 [Maximum step length, in cm]PFNAME tiepxucni.mat [Material file name, 18 characters |GFNAME test_new_1l4.geo [Geometry file name, 18 characters]NSIMSH 2147483647 [Desired number of showers, max=2**31-1]TIME 300 [Allotted simulation time, in sec]

Phần TITLE chú thích cho người đọc biết đây là chương trình mô phỏng củadetector GaAs Loại hạt được sử dụng là photon có năng lượng 10 keV, vị trí đặt nguồnlà cách 0.1 cm, khẩu độ chùm tia bang 90, số vật liệu được sử dụng là 3.

Gói mô phỏng bat đầu từ MAIN program với trạng thái:

— CALL PEINIT (EPMAX, NMAT, IRD, IWR, INFO)

Chương trình con PEINIT đọc các file dữ liệu của các vat liệu khác nhau, ước

lượng liên quan các tính chất tán xạ và chuẩn bi tìm kiém các dai lượng năng lượngphụ thuộc trong bảng điều này được sử dụng trong suốt quá trình mô phỏng Đầu vảo

của nó là:

EPMAX năng lượng cực đại (eV) của các hạt mô phỏng Chú ý rằng nếu cáchạt sơ cấp là positron với động năng ban dau EP, năng lượng cực dai của các photonphân rã có thé gần bằng (nhưng nhỏ hơn) EPMAX = 1.21 (EP + mec”); trong trườnghợp đặc biệt này, năng lượng cực đại lớn hơn động năng ban đầu

NMAT số lượng các vật liệu khác nhau (nhỏ hơn hoặc bang

MAXMAT).

IRD don vi dau vao.IWR don vi dau ra.INFOR xác định tổng số thông tin được ghi trên don vị dau ra.Tối thiểu đối với INFOR = 0 và tăng chỉ tiết đối với INFOR = 1, 2, Đề tính toán, PEINIT cần biết năng lượng hấp thụ EABS (KPAR, M) và cáctham số mô phỏng C1(M), C2(M), WCC(M) và WCR(M) Thông tin này được đưa rabăng tên chung sau:

—COMMON/CSIMPA/EABS(3,MAXMAT),C1(MAXMAT),C2(MAXMA

T), WCC(MAXMAT), 1 WCR(MAXMAT)

LUAN VAN TOT NGHIEP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Điều này phải được tai trước khi gọi chương trình con PEINIT Chú ý rangchúng ta có thể sử dụng các giá trị khác nhau của các tham số mô phỏng cho các vậtliệu khác nhau Có thể được sử dụng để tăng tốc độ mô phỏng trong các vùng ít quan

tâm đền.

PENELOPE được cẫu trúc bang cach ma mot duong vết hạt được tạo ra nhưmột đoạn liên tục của các đoạn vết (bay tự do hoặc “nhảy”); kết thúc mỗi đoạn, hạtchịu một sự tương tác với môi trường ở đó mất năng lượng, sự thay đổi hướng dichuyền của nó trong các trường hợp nhất định, tạo ra các hạt thứ cấp, electron — photon

chỉ ra được mô phỏng bởi việc gọi các chương trình con sau (SUBROUTINE) đây:

SUBROUTINE CLEANS bắt đầu ngăn xếp thứ cấp.SUBROUTINE START đối với các electron và positron, chươngtrình con gọi những trường hợp tương tác Nó phải được gọi trước khi bat đầu một vếtsơ cấp hoặc thứ cấp mới và khi đó một vết ngang qua bề mặt Goi START là hoàn toàncần thiết chỉ đối với các electron và positron; đối với photon chương trình con nàykhông có ảnh hưởng vật lý Tuy nhiên, nên gọi START cho bất kỳ loại hạt khi nó kiểmtra có năng lượng hay không trong vòng khoảng chấp nhận được, và vì thế có thể phát

hiện “những lỗi kỹ thuật” trong MAIN program

SUBROUTINE JUMP (DSMAX, DS) xác định độ dai DS của đoạn

vết để cho phép tương tác phản ứng

Tham số đầu vào DSMAX xác định cực đại cho phép độ dài bước choelectron/positron; đối với photon, nó không ảnh hưởng Như dé cập ở trên, giới hạn độđài bước, PENELOPE đặt tương tác delta dọc theo vết hạt Ảnh hưởng của chúng chỉlà ngắt chuỗi mô phỏng hoạt động (điều này đòi hỏi các giá trị luân phiên trong biếnđiều khiển để cho phép đạt được sự mô phỏng ở một cách thích hợp) Ảnh hưởng kếthợp của các va chạm mềm xảy ra dọc theo bước trước tương tác delta được mô phỏngbởi phương pháp ngẫu nhiên thường dùng

Như đề cập ở trên, để chắc chăn độ tin cậy của thuật toán tong hop mo phong,số của các va chạm mềm trên vết hạt trong mỗi vật thé phai lon hon 10 Đối với các vattương đối mỏng (mỏng hon 10 lần đường trung bình tự do giữa các tương tác dan hồi),điều kiện này tự động đáp ứng Trong trường hop này chúng ta có thé tat điều khiến độdài bước băng cách thiết lập DSMAX = 1.0D35 (hoặc bất kỳ giá trị khác lớn hơn) Nóimột cách khác, khi phân tử di chuyển trong một vật thể dày Sự giới hạn độ dài bướccũng can thiết dé mô phỏng sự dịch chuyền hạt trong trường điện từ bên ngoài.

SUBROUTINE KNOCK (DE, ICOL) mô phỏng một phản ứng

tương tác, tính toán năng lượng mới và hướng di chuyền, và lưu các trạng thái ban đầucủa các hạt thứ cấp tạo ra Ở đầu ra là:

DE năng lượng hội tụ trong suốt quá trình tương tác

ICOL loại tương tác được mô phỏng, tùy thuộc vào sự quy ước dướiđây:

- Electron (KPAR = 1)

ICOL = 1, va chạm mềm (ngau nhién)

= 2, va chạm dan hồi cứng= 3, va chạm không đàn hồi cứng= 4, phát ra bức xạ hãm đàn hỏi= 5, ion hóa ban phá bên trong bởi tác động electron

- Photon (KPAR = 2)

ICOL = 1, tán xa kết hop (Rayleigh)

= 2, tan xa khong két hop (Compton)= 3, hap thu photoelectric

= 4, tao cap electron — positron

- Positron (KPAR =3)

ICOL = 1, va chạm mềm (ngau nhién)

LUAN VAN TOT NGHIEP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

= 2, dao động đàn hồi cứng

=3, dao động không đàn hồi cứng= 4, phát ra bức xạ hãm đàn hỏi= 5, ion hóa ban phá bên trong bởi tac động positron

=6, triệt tiều

Đối với các electron và positron ICOL = 7 tương ứng các tương tác delta Giá trịICOL = 8 được sử dụng cho hỗ trợ các tương tác (thêm vào kỹ thuật có thể được xácđịnh bởi người sử dụng, để mô phỏng tương tác photonuclear (xem file nguồn

PENELOPE‘).

SUBROUTINE SECPAR (LEFT) thiết lập trạng thái ban đầu của hạt thứcấp trong chùm thứ cấp và di chuyển nó khỏi mức thứ cấp Giá trị đầu ra trái là số các

hạt so cap còn lại vào thời gian gọi

SUBROUTINE STORES (E,X,Y,Z,U,V,W,WGHT,KPAR,ILB) C6 nghĩa

giỗng như trong COMMON/TRACKY/, nhưng dé cập đến phân tử ma đã được lưu.Các biến IBODY và MAT được thiết lập băng giá trị hiện tại trong

COMMON/TRACK/.

Goi STORES từ MAIN program để lưu trữ hat tạo ra

Gọi chuôi dé tạo ra vết ngau nhiên la sự độc lập của loại hạt ma đã được môphỏng Việc tao ra ngâu nhiên chi ra tiêp tục như sau:

1) Thiét lap trang thai ban đầu của hat sơ cấp, các giá tri quy định

đến các trạng thái biến KPAR, E, vị trí tọa độ r = (X, Y, Z) và hướng di chuyển d= (U, V, W) Vật thé và vật liệu đặc biệt ở đó hạt di chuyển bang cách xác định

các giá trị của IBODY va MAT Chọn các giá tri của WGHT và ILB (1:5).

ii) CALL CLEANS để bat dau sắp xếp thứ tự.iii) CALL START dé bat đầu mô phỏng đường đi

iv) CALL JUMP (DSMAX, DS) dé xác định chiều dai DS của đoạnđường tiếp theo (đối với các electron va positron, DS sẽ không bao giờ vượt quágiá trị DSMAX đầu vào).

Vv) Tinh toan vi tri cua cac su kién sau day:e Nếu đường di đã vượt qua một giao diện, ngăn chặn các hạt ở vi trí mađường đi cắt giao diện, và rút ngắn chiều dài bước DS cho phù hợp Chuyển sangvật liệu mới bang cách xác định lại các biến IBODY và MAT Khi các hạt thoát

khỏi hệ thống, mồ phỏng được xác định lại: bộ đếm tăng và đi đến bước (vii)

e Quay lai bước (iil).

vi) CALL KNOCK (DE, ICOL) dé mô phỏng các sự kiện sau đây.e Nếu năng lượng ít hon EABS (KPAR, MAT), kết thúc đường di, bộ đếmtăng và đi đến bước (vii)

e Quay lại bước (iv).

vii) CALL SECPAR (LEFT) dé bat đầu đường đi của một hạt trongngăn xếp thứ cấp (hạt này sau đó sẽ được tự động xóa khỏi stack)

e Nếu LEFT> 0, đi đến bước (iii) Trạng thái ban đầu của hạt thứ cấp đãđược thiết lập

e Nếu LEFT = 0, các mô phỏng của chùm hạt được tạo bởi các hạt cơ bảnđã được hoàn thành Tới bước (i) dé tạo ra một hạt cơ bản mới (hoặc rời khỏivòng lặp mô phỏng sau khi mô phỏng một số lượng đủ lớn của chùm hạt)

Chú ý rằng chương trình con JUMP và KNOCK giữ vị trí tọa độ khôngthay đôi gi, vị trí của các sự kiện liên tiếp phải được theo sau bởi các chương trìnhchủ (chỉ đơn giản bang cách thực hiện một chuyển đổi chiều dài DS theo hướngchuyển động sau mỗi lần gọi JUMP) Năng lượng của các hạt được tự động giảmbởi chương trình con KNOCK sau khi tạo ra sự mat năng lượng từ phân phối xácsuất có liên quan.KNOCK cũng giảm hướng di chuyển theo góc độ phân tán của

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

mô phỏng sự kiện Do đó, đầu ra của KNOCK, các giá tri năng lượng E, vi trí r,phương dịch chuyển xác định trạng thái hạt lập tức sau khi tương tác.

CALL — (“3 | Initialize PENELOPE

k Start a new shower

KPAR E, r=(X.Y.Z), d=(U.V.W)

| CALL CLEANS |k = CALL START be 1

CHƯƠNG 2

ĐẦU DO BAN DAN VÀ HIỆU SUAT DAU DO BAN DAN

2.1 Dau do ban dan

2.1.1 Sử dung chat bán dẫn lam dau đò [27]Mô hình đơn giản cua đầu dò bán dẫn là sử dụng một thanh bán dẫn đặt giữahai điện cực Tuy nhiên, trong trường hợp này, dòng rò và độ thăng giáng của nó rấtlớn ngay cả đối với các chất bán dẫn tỉnh khiết nhất Do vậy, không thể ghi nhậnđược những xung dòng điện do bức xạ gây ra Chang hạn, điện trở suất của silic siêutinh khiết vào khoảng 50 000 Q.cm Một thanh kim loại dày 1 mm tiết diện 1 cm? cóđiện trở suất 5000 Q Giả sử hiệu điện thế phân cực là 500V thì dòng rò là 0,1A.Trong khi đó, dòng tạo bởi 10° bức xạ chỉ vào khoảng 105A Dé giảm dòng rò, chúngta sử dụng lớp tiếp xúc p-n Nếu được phân cực thích hợp, dòng rò qua lớp tiếp xúccó giá trị vào khoảng 105A và có thé nhỏ hơn nữa

2.1.1.1 Phân cực lop tiếp xúc P-NKhi áp vào một hiệu điện thế ngược, tức là lớp bán dẫn loại N nỗi với cựcdương, loại P nỗi với cực âm của một nguồn điện thế thì sẽ tạo ra một điện trườnghướng từ lớp N sang lớp P Điện trường này cùng chiều với điện trường do thế tiếp

xúc tạo ra Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các hạt tải sẽ được kéo ra xa vùng

tiếp xúc, vùng nghèo được mở rộng Dưới tác dụng của hiệu điện thé ngược, các hattải điện không cơ bản di chuyển về các điện cực tạo ra dòng rò Tuy nhiên dòng rònày rất nhỏ vì nông độ các hạt tải điện không cơ bản rất nhỏ Hiệu điện thế ngượccàng cao, vùng nghèo càng mở rộng ra Tăng hiệu điện thế đến một lúc nao đó thìvùng nghèo chiếm toàn bộ khối bán dẫn Khi đó, điện trở tại vùng nghèo rất lớn và

điện trở này tăng theo độ rộng của vùng nghèo.

LUẬN VĂN TOT NGHIỆP DH Bách Khoa-PHOG Tp.HCM

Độ rộng vùng nghèo d phụ thuộc vào hiệu điện thế phân cực như sau:

1-8 ey (2.1)

eN

Trong đó ¢ la hằng số điện môi, eo là hang số điện, Vo là hiệu điện thê tiếp xúc,còn V là hiệu điện thế áp vào đầu dò và N là néng độ tạp chất đưa vào đầu dò bándẫn Khi hiệu điện thế tăng thì vùng nghèo mở rộng ra toàn bộ khối chất bán dẫn.Ngoài ra d cũng phụ thuộc vào nồng độ tạp chất N Khi nồng độ tạp chất thấp thì d sẽlớn Do vay, dé có độ rộng vùng nghèo lớn thì chất bán dẫn phải có nồng độ tạp chấtthấp và hiệu điện thế áp vào phải đủ lớn Đây cũng là yêu cầu kĩ thuật trong sử dụngchất bán dẫn dé chế tạo đầu dò nhất là đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết