Bài báo cáo đề tài chế tạo tiền khuếch đại nhạy điện tích ghép nối với đầu dò sử dụng chất nhấp nháy csi và PIN photodiode

Bài báo cáo đề tài chế tạo tiền khuếch đại nhạy điện tích ghép nối với đầu dò sử dụng chấtnhấp nháy CsI và PIN Photodiode.. Thông qua việc thực hiện đề tài “chế tạo tiền khuếch đại nhạy

Bài báo cáo đề tài chế tạo tiền khuếch đại nhạy điện tích ghép nối với đầu dò sử dụng chất

nhấp nháy CsI và PIN Photodiode

Nhóm 2: - Ngô Đức Tín

- Đặng Quốc Triệu

I Phần mở đầu.

Hiện nay, các thiết bị ghi nhận gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy kết hợp với ống nhân quang điện (PMT) không thể đáp ứng hết các yêu cầu của việc nghiên cứu và ứng dụng về hình ảnh hạt nhân như: chụp cắt lớp nhiều đầu dò, khảo sát phân bố thời gian lưu bằng kỹ thuật đánh dấu… vì kích thước quá lớn, khối lượng khá nặng và cao thế làm việc quá cao (khoảng 600V đến 1500V) Để đáp ứng yêu cầu của công việc, Trung tâm tiếp cận một hướng nghiên cứu mới về thiết bị đo bức xạ hạt nhân sử dụng đầu dò PIN photodiode

Các ứng dụng về đầu dò gamma nhấp nháy sử dụng PIN-photodiode đã được nghiên cứu và phát triển rất mạnh trên thế giới, hiện đã có khá nhiều linh kiện, thiết bị thương mại trên thị trường tuy nhiên giá thành của các thiết bị đó khá cao nên việc trang

bị chúng để phục vụ công việc còn gặp nhiều khó khăn Ngoài ra, các thiết bị có sẵn trên thị trường cũng không thể đáp ứng được hết nhu cầu công việc của trung tâm nên việc tiếp cận, nghiên cứu và nắm bắt kỹ thuật sẽ giúp Trung tâm từng bước làm chủ được công nghệ, chủ động trong việc sử dụng thiết bị , nâng cao hiệu quả và chất lượng công việc Thông qua việc thực hiện đề tài “chế tạo tiền khuếch đại nhạy điện tích ghép nối với đầu

dò sử dụng chất nhấp nháy CsI và PIN Photodiode”, bước đầu định hướng được công tác đào tạo nhân lực cho hướng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị đo hạt nhân cho Trung tâm

II Lý thuyết

Khi nghiên cứu chế tạo tiền khuếch đại nhạy điện tích, ta cần lưu ý đến một số

lý thuyết về nguyên lý chung của thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân, dạng tín hiệu đi vào tiền khuếch đại (từ đầu dò), dạng tín hiệu đi ra khỏi tiền khuếch đại (tầng tạo dạng, lọc nhiễu, khuếch đại…),… từ đó mà có những thiết kế tối ưu cho tầng tiền khuếch đại này

a Nguyên lý hoạt động của thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân

Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của thiết bị:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của thiết bị ghi nhận bức xạ hạt nhân.

Bức xạ hạt nhân đi vào trong đầu dò (tích hợp tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) và PIN Photodiode) sẽ tạo thành tín hiệu điện tích, đi qua tiền khuếch đại với tác dụng chính

là phối hợp trở kháng, tăng tỉ lệ S/N, khuếch đại tín hiệu lên một phần và đồng thời có tác dụng hình thành xung Xung tín hiệu tiếp tục được đưa qua tầng tạo dạng xung (shaping) và tầng lọc nhiễu (noise discriminator) để tạo các xung tín hiệu cơ sở, tiếp tục được đưa qua các tầng khuếch đại, thu nhận và hiển thị tín hiệu… tuỳ theo yêu cầu đặt ra đối với thiết bị

i Tổng quan về tinh thể nhấp nháy.

Tinh thể nhấp nháy có cấu tạo bởi các vật liệu nhấp nháy (vô cơ hoặc hữu cơ) Khi bức xạ hạt nhân đi vào môi trường làm việc của tinh thể nhấp nháy, sẽ tương tác gây kích thích các nguyên tử tạo ra các photon ánh sang đặc trưng cho năng lượng bức xạ Đối với các tinh thể nhấp nháy tinh khiết, phổ phát xạ trùng với phổ hấp thụ nên các photon ánh sáng phát ra ngay lập tức bị hấp thu trở lại trong tinh thể, do đó trên thực tế thì các tinh thể này thường được pha thêm tạp chất (chất dịch phổ) có tác dụng thay đổi bước sóng ánh sáng phát ra từ tinh thể đó, không bị hấp thụ trở lại

Các ánh sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy không thể được ghi nhận trực tiếp

mà cần phải được chuyển đổi thành tín hiệu điện, việc chuyển đổi này được thực hiện bằng PMT hoặc photodiode, tuỳ vào yêu cầu của tín hiệu xung ra và các yêu cầu của mạch (thế cấp, dòng tiêu thụ…)

Đầu dò

Tiền khuếch đại Tạo dạng (shaping)

Lọc nhiễu (noise discriminator) discriminator)

PIN Photodiode Tinh thể nhấp

nháy CsI(Tl)

ii Tinh thể nhấp nháy CsI.

Tinh thể nhấp nháy CsI(Tl) có cấu tạo gồm chất nền là vật liệu nhấp nháy CsI, chất dịch phổ là Tl Khi bức xạ hạt nhân tương tác với tinh thể CsI, tinh thể phát ra ánh sáng có bước sóng khá cao vào khoảng từ 400nm đến 800nm Việc biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện thường thực hiện bằng PMT hoặc photodiode Tinh thể CsI(Tl) hút ẩm

ít nhưng sẽ bị hỏng nếu tiếp xúc với nước hoặc môi trường có độ ẩm cao.Hiệu suất biến đổi photon của tinh thể CsI(Tl) khoảng 65 photon/keV Mật độ của CsI(Tl) khá cao hơn

so với NaI(Tl), dẫn đến khả năng bắt bức xạ của CsI(Tl) cao hơn, thuận tiện trong việc thiết kế đầu dò nhỏ gọn tuy nhiên thời gian phát sáng của tinh thể CsI(Tl) lại cao hơn nhiều so với tinh thể NaI(Tl) nên đầu dò sử dụng tinh thể CsI(Tl) có thời gian chết khá cao so với đầu dò sử dụng tinh thể NaI(Tl)

Một số thông số đặc trưng quan trọng của tinh thể nhấp nháy CsI(Tl)

Relative Light Output : 65 (photon/keV)

i Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIN photodiode

PIN PD là một loại chất bán dẫn, cấu tạo gồm chất bán dẫn loại p, chất bán dẫn loại n và ngăn cách bởi một lớp dẫn (lớp i - intrinsic) Khi photon đi vào vùng hoạt của PIN PD (lớp i) sẽ tương tác với các vật chất của lớp i và tạo thành các cặp electron – lỗ trống Các cặp electron – lỗ trống này dưới tác dụng của điện trường ngoài được phân cực ngược, sẽ đi về 2 cực tạo tín hiệu điện trong mạch tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới Năng lượng vùng cấm của Si và Ge tương ứng là EG=1.21eV và EG=0.785eV (tại 00K) và tại nhiệt độ phòng là EG=1.1eV và EG=0.72eV

Hình 2 : Tổng quan cấu tạo của PIN photodiode

Để PIN photodiode hoạt động cần phân cực ngược bằng một điện thế phù hợp, khi

đó vùng nghèo được mở rộng Khi photon đi vào vùng hoạt của PIN PD sẽ tương tác với các vật chất và tạo thành các cặp electron – lỗ trống Nếu năng lượng của cặp electron – lỗ trống lớn hơn năng lượng vùng nghèo, các cặp electron – lỗ trống này dưới tác dụng của điện trường ngoài được phân cực ngược, sẽ đi về 2 cực tạo tín hiệu điện trong mạch và tỉ

lệ với cường độ ánh sáng tới Năng lượng để tạo ra một cặp electron – lỗ trống đối với chất bán dẫn Si tại nhiệt độ phòng là 3.62eV Tại 770 K năng lượng để tạo một cặp electron – lỗ trống của Si và Ge tương ứng là 3.76eV và 2.96eV

Việc ghi đo bức xạ hạt nhân bằng PIN photodiode được thực hiện bằng hai phương pháp: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp

Phương pháp trực tiếp là PIN photodiode trực tiếp phát hiện bức xạ hạt nhân và biến đổi chúng thành tín hiệu điện

Phương pháp gián tiếp là bức xạ hạt nhân được chuyển đổi thành ánh sáng bởi chất nhấp nháy và ánh sáng đó được PIN photodiode biến đổi thành tín hiệu điện

ii Đặc điểm của PIN Photodiode

Khi sử dụng PIN photodiode vào việc ghi đo bức xạ hạt nhân chúng ta cần phải chú ý các đặc điểm quan trọng sau:

Dòng tối : là dòng tín hiệu nhiễu xuất hiện khi áp điện thế phân cực ngược vào

PIN photodiode Phần lớn nhiễu trong quá trình ghi nhận bức xạ hạt nhân được tạo ra từ dòng tối, nó tỉ lệ với điện thế áp vào PIN photodiode và điện dung riêng của PIN photodiode Có hai nguyên nhân gây ra dòng tối đó là dòng bão hòa được tạo ra theo hướng ngược lại của diode, và một dòng được tạo ra từ khuyết tật trong tinh thể Si và từ

bề mặt giữa Si và SiO2

Điện dung riêng của PIN photodiode đóng vai trò khá quan trọng trong việc

giảm nhiễu và cải thiện tốc độ đáp ứng của PIN photodiode Điện dung riêng của PIN photodiode càng nhỏ thì tín hiệu nhiễu càng ít và tốc độ đáp ứng càng nhanh Điện dung riêng được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

ε0 : điện dẫn suất chân không

εs : điện dẫn suất riêng trong Si

S : diện tích của lớp P

W : bề dày vùng nghèo

Tốc độ đáp ứng: là thời gian xử lý một tín hiệu bức xạ tới của PIN photodiode, có

hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đáp ứng của PIN photodiode là thời gian biến đổi tín hiệu và thời gian truyền tín hiệu

Phổ đặc trưng: Phổ đặc trưng thể hiện dải bước sóng của photon phát ra từ một số

vật liệu nhấp nháy khi được kích thích và khả năng ghi nhận photon tới của photodiode Dựa vào phổ đặc trưng này ta có thể xác định được khả năng tương thích của một số chất nhấp nháy (NaI(Tl), CsI(Tl), BGO…) và Si PIN photodiode

Hình 3 : Phổ đặc trưng của S3590-08 photodiode và phổ bức xạ của các tinh thể

NaI(Tl), BGO và CsI(Tl).

Dựa vào đồ thị trên ta thấy: phổ đặc trưng của Si PIN photodiode có thể ghi nhận photon tới nằm trong dải bước sóng từ khoảng 300nm đến 1000nm, trong đo với dải bước sóng từ 500nm đến 950nm thì hiệu suất ghi nhận photon của nó là tốt nhất (trên 80%) Một trong những đặc điểm quan trọng của tinh thể CsI(Tl) là phổ bức xạ phát ra của tinh thể CsI(Tl) hoàn toàn nằm trong vùng bước sóng phổ đặc trưng của Si PIN photodiode và khi dùng tinh thể CsI(Tl) thì hiệu suất ghi nhận photon của PIN photodiode tốt hơn các

tinh thể khác (NaI(Tl), BGO…) nên người ta thường dùng tinh thể CsI(Tl) để ghép với PIN photodiode

d Tinh thể CsI(Tl) ghép nối với Si PIN photodiode:

Si PIN photodiode được sử dụng trong trường hợp này được sử dụng để ghi nhận bức xạ hạt nhân bằng phương pháp đo gián tiếp (ghi nhận ánh sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy CsI(Tl)) Việc kết hợp giữa tinh thể nhấp nháy và PIN photodiode này chủ yếu giúp khắc phục nhược điểm của PIN photodiode là dải năng lượng ghi nhận rất ngắn, không phù hợp với các điều kiện ứng dụng thực tế, đồng thời cũng giúp giảm bớt khối lượng của các đầu dò nhấp nháy khác sử dụng PMT Tuy nhiên khi sử dụng kết hợp giữa hai loại vật liệu này thì ta cần đặc biệt chú ý đến khả năng tương thích giữa vật liệu nhấp nháy và vật liệu làm PIN photodiode, ta có thể đánh giá khả năng đáp ứng giữa hai loại vật liệu này thông qua phổ đặc trưng của PIN photodiode và phổ bức xạ của vật liệu nhấp nháy (Hình 3)

Trên thực tế, khi sử dụng đầu dò là loại được chế tạo sẵn, có các thông số đặc trưng, do đó ta cần chú ý đến các tính chất của đầu dò có phù hợp với các yêu cầu bài toán đặt ra không Trong trường hợp bài toán đặt ra cần thiết kế đầu dò nhỏ gọn và dễ bảo quản với các điều kiện ngoài hiện trường, đồng thời có dải ghi nhận bức xạ phù hợp với các loại nguồn phóng xạ sử dụng thực tế (chủ yếu là Cs-137 và Co-60), ta lựa chọn ghép nối giữa tinh thể CsI(Tl) và Si Pin PD

e Tiền khuếch đại

i Giới thiệu

Tiền khuếch đại là mạch xử lý tín hiệu đầu tiên sau khi tín hiệu đi ra khỏi đầu

dò Tiền khuếch đại được chia thành 3 loại: tiền khuếch đại nhạy thế (Voltage Sensitive Preamplifier), tiền khuếch đại nhạy điện tích (Charge Sensitive Preamplifier) và tiền khuếch đại nhạy dòng (Current Sensitive Preamplifier)

Tiền khuếch đại nhạy điện thế: có trở kháng lối vào cao (~5MΩ), dòng tạo ra trong), dòng tạo ra trong mạch phụ thuộc khá nhiều vào điện dung ký sinh của đầu dò Tín hiệu qua tiền khuếch đại nhạy thế này tỉ lệ với tín hiệu điện thế ở lối vào Kiểu tiền khuếch đại này không thể sử dụng với các loại đầu dò bán dẫn do tín hiệu ra tỉ lệ với điện dung, mà 1 phần điện dung

ký sinh của detector lại tỉ lệ với điện thế ngược áp vào detector Do đó, sự thay đổi nhỏ trong cáp nối cũng có thể thay đổi điện dung tới vài chục pico fara (pF), ảnh hưởng lớn đến khả năng ghi nhận của detector Do đó, tiền khuếch đại nhạy thế thường được sử dụng với các detector nhấp nháy

Tiền khuếch đại nhạy điện tích: Tiền khuếch đại nhạy điện tích thường được sử dụng cho các loại detector bán dẫn hoặc buồng ion hoá Tín hiệu ra từ detector là xung điện có độ rộng khoảng 10-9 đến 10-5s, tuỳ thuộc vào loại detector và kích thước detector Tiền khuếch đại nhạy điện tích có tác dụng tích phân các tín hiệu điện tích này và biến đổi chúng thành xung điện thế tại lối ra tỉ lệ với tín hiệu điện tích lối vào mà không phụ thuộc vào điện dung ký sinh của detector

Tiền khuếch đại nhạy dòng điện: thường dùng cho các mạch tạo dạng nhanh sơ bộ, các mạch trùng phùng… trong các mạch có trở kháng lối vào thấp

Nhiệm vụ chính của tiền khuếch đại:

Phối hợp trở kháng,

Tăng tỷ lệ S/N,

Khuếch đại xung,

Biến đổi các dạng xung điện trên lối ra detector thành điện thế

Do đầu dò sử dụng là loại sử dụng tinh thể nhấp nháy ghép nối với Si PIN photodiode, cho tín hiệu dưới dạng điện tích tỉ lệ tuyến tính tốt với năng lượng bức xạ tới, yêu cầu một bộ tiền khuếch đại biến đổi các tín hiệu điện tích này thành tín hiệu xung điện thế phù hợp với việc ghi nhận ở các tầng sau, đồng thời phải ổn định theo nhiệt độ,

do đó ta sử dụng bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích để đảm bảo các yêu cầu trên

ii Các loại nhiễu trong tiền khuếch đại nhạy điện tích

- Trong tiền khuếch đại nhạy điện tích, tín hiệu nhiễu là do các yếu tố:

o Nhiễu nhiệt nối tiếp (series thermal noise): gây ra bởi lối vào JFET trong tiền khuếch đại (tỉ lệ với tổng điện dung lối vào),

o Nhiễu nhiệt song song (parallel thermal noise): gây ra bởi điện trở hồi tiếp

và điện trở phân cực ngược detector,

o Nhiễu hạt (shot noise) gây ra bởi dòng vào cổng gate của JFET và dòng rò của detector,

o Series 1/f noise được tạo ra do điểm tiếp điện của detector và lối vào JFET của tiền khuếch đại,

o Parallel f noise gây ra bởi trạng thái lân cận độ suy giảm vật liệu điện môi gần điểm nối vào tiền khuếch đại

- Một số phương pháp giảm nhiễu:

o Giảm điện dung ngoài (điện dung của PIN PD, FET và điện dung ký sinh)

o Giảm thiểu thời gian tạo dạng xung 

o Sử dụng cáp nối giữa detector và preamplifier càng ngắn càng tốt

o Khi thiết kế mạch, giữ đường đi của mạch điện càng ngắn càng tốt

o Có thể tránh các sóng nhiễu bằng cách che chắn mạch tiền khuếch đại bằng lá chắn kền

o Cần lọc nguồn trước khi cấp vào mạch tiền khuếch đại

- Trên thực tế, các loại nhiễu và phương pháp giảm nhiểu còn được áp dụng linh hoạt đối với từng trường hợp cụ thể của mạch, đòi hỏi phải có quá trình thực hiện thực tế

iii Nguyên lý hoạt động của mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích thực hiện

U 2

L T 1 0 7 7 / L T

3

2

6 +

O U T

R 7

1 0 M

C 3

E A 6 0

C 1 1

1 0 u

R 4

1 0 0 M

C 6

1 u

C 1 2

1 0 u

C 8

1 0 u

C 2

1 5 0 0

C 1 0

0 1 u

C 7

2 p

R 9

1 0 0 k

D 2

C 1

0 1 u

V

L 1

R 3

9 1 k

0

Q 1

2 S K 1 0 6 2

C 4

E A 6 0

R 1 1

B a t t

R 1 0

5 1

V

0 0

R 1 4

1 0 k

C 9

1 p

T e s t

C 5

0 1 u

U 1

L T 1 0 7 7 / L T

3

2

6 +

O U T

0

o u t p u t

V C C

0

V C C

0

R 6

1 0 M

V C C

R 1

2 7 k

0

0

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của mạch tiền khuếch đại thực hiện.

Nguyên lý hoạt động: PIN PD được phân cực ngược bởi nguồn 12V ngoài, đi qua

tụ lọc C1 và trở định dòng R11 để lọc nguồn và quy định dòng cấp cho PIN PD Khi bức

xạ vào PIN PD tạo tín hiệu dòng điện, tín hiệu này đi qua tụ truyền C2, được chuyển thành tín hiệu điện thế và khuếch đại lên 1 phần bởi mạch tích phân sử dụng Op-Amp LT1077 và JFET lối vào 2SK1062 Xung ra khỏi tầng 1 được đưa qua tụ C11 và C12 nhằm truyền tín hiệu AC tới tầng khuếch đại thứ 2 là mạch khuếch đại không đảo với hệ

số khuếch đại AC là 10 Xung ra khỏi tầng 2 này đã đủ độ lớn để có thể tiếp tục được phân tích, lọc nhiễu… ở những tầng sau

II Phần thực hành chế tạo bo mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích

2.1 Thực hành thiết kế và lắp ráp mạch tiền khuếch đại nhạy điện tích

Thiết kế bo mạch dựa trên sơ đồ nguyên lý có sẵn: sử dụng phần mềm odcard 9.2

để thiết kế sơ đồ mạch in của mạch tiền khuếch đại Trong quá trình thiết kế mạch in, chúng ta phải chú ý sắp xếp linh kiện hợp lý sao cho đường dây nối giữa các linh kiện là ngắn nhất để giảm nhiễu, tiết kiệm không gian cho bo mạch; ngoài ra còn phải chú ý đến việc bố trí các tụ lọc sao cho hợp lý

Hình 5: Sơ đồ mạch in bo mạch tiền khuếch đại sử dụng FET lối vào và opamp LT1077

Tuy nhiên, vì điều kiện thực tế nên nhóm chúng tôi chỉ tiến hành lắp ráp mạch tiền khuếch đại trên bo mạch có sẵn Sơ đồ mạch in của mạch thực tế không hoàn toàn giống với sơ đồ mạch in trong thiết kế trên nhưng sơ đồ nguyên lý của 2 mạch này hoàn toàn giống nhau

Chú ý: việc tiến hành hàn các linh kiện lên bo mạch phải được tiến hành một cách thận trọng vì mạch tiền khuếch đại này có sử dụng các linh kiện dán nhỏ nên trong quá trình hàn linh kiện phải cẩn thận tránh trường hợp các chân linh kiện dính nhau, không được để linh kiện quá nóng sẽ hư linh kiện Sau khi hàn xong phải kiểm tra cẩn thận mới cấp nguồn và xung vào kiểm tra hoạt động của mạch

2.2 Thực hành

Để kiểm tra hoạt động của mạch tiền khuếch đại đang thực hiện, chúng ta cần thử nghiệm mạch trước với tín hiệu giả xung hạt nhân để tránh làm hỏng đầu dò Xung cấp vào sẽ là xung điện thế trong khi xung ra từ detector trong trường hợp này là xung điện tích, cho nên cần phải biến đổi xung từ máy phát thành xung điện tích bằng hộp tụ chính xác với giá trị phù hợp theo sơ đồ sau:

Hình 6: Sơ đồ mạch kiểm tra hoạt động của mạch tiền khuếch đại sử dụng FET lối vào

Tuy nhiên do điều kiện thực hành không cho phép nên nhóm chúng tôi chỉ có thể kiểm tra khả năng làm việc của mạch tiền khuếch đại trước bằng cách cấp thẳng xung điện thế từ máy phát vào mạch tiền khuếch đại

2.2.1 Kiểm tra hoạt động của tiền khuếch đại làm việc với máy phát xung

Với mục đích kiểm tra các tầng khuếch đại của tiền khuếch đại có hoạt động tốt không, chúng ta tiến hành cấp một xung giả xung hạt nhân với biên độ khoảng 15mV Xung đưa vào cổng input của tiền khuếch đại được lấy từ máy phát xung thủy ngân (mercury pulser RACRI) Xung phát ra từ máy phát có thể lựa chọn các giá trị Rise Time

và Decay Time sau: