Trong chương hai, tôi đã trình bày các cơ chế tương tác của gamma với vật chất bao gồm: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton, và tạo cặp. Trong các cơ chế này, gamma đều truyền năng lượng cho electron bên trong môi trường vật chất. Đối với trường hợp tạo cặp, gamma còn truyền năng lượng cho positron. Các hạt này sau đó bị mất động năng do tán xạ bên trong đầu dò, gây ion hóa nguyên tử, và do đó tạo thành các cặp ion. Các cặp ion này là cơ sở để hình thành tín hiệu của đầu dò. Trong chương này tôi sẽ trình bày đặc điểm của các loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò sử dụng trong hệ phổ kế gamma, các nguyên lý trong vận hành và chế tạo đầu dò. Ngoài ra, tôi cũng sẽ tập trung vào một số loại đầu dò phổ biến nhất mà người dùng dễ dàng bắt gặp trong thực tế. Trước khi tiếp tục, tôi nên xem xét các tính chất của một đầu dò đo gamma lý tưởng. Các yêu cầu được tổng hợp lại như sau (trong trường hợp ta chỉ ghi nhận bức xạ (đếm) mà không tạo phổ gamma, một số yêu cầu có thể không cần thiết): Lối ra tỷ lệ với năng lượng tia gamma;Hiệu suất cao, tức là hệ số hấp thụ lớn, Z lớn;Cơ chế thu thập điện tích dễ dàng;Độ phân giải năng lượng tốt;Bền theo thời gian, nhiệt độ, và các tham số vận hành;Giá cả hợp lý;Kích thước hợp lý.Trước nhất, đầu dò cần phải có hệ số hấp thụ gamma đủ lớn để có xác suất hấp thụ hoàn toàn tia gamma đi vào đầu dò cao. Như tôi đã trình bày trong chương trước, sự hấp thụ hoàn toàn tia gamma đi vào đầu dò có thể được đảm bảo nếu kích thước đầu dò đủ lớn. Trong thực tế, vật liệu được chọn cần phải có khả năng hấp thụ hoàn toàn tia gamma trong đầu dò có kích thước vừa phải. Đối với đầu dò chứa khí sử dụng để đo gamma, sự ghi nhận tia gamma chủ yếu là do gamma tương tác với lớp vỏ đầu dò, còn xác suất tương tác giữa gamma với khí là rất nhỏ. Ta cũng cần nhắc lại rằng, hệ số hấp thụ đối với tất cả các quá trình tương tác đều tăng lên khi số nguyên tử của môi trường hấp thụ tăng lên, tức là vật liệu được chọn cần phải có số nguyên tử Z lớn. Sau khi đã hấp thụ được tia gamma và tạo ra các phần tử tải điện (các cặp electron – lỗ trống), vật liệu làm đầu dò cần phải cho phép điện tích được thu thập theo một cách nào đó và chuyển thành tín hiệu điện. Các dễ thấy nhất là cung cấp một điện trường cho đầu dò để “quét” các phần tử tải điện ra khỏi đầu dò. Điều này dĩ nhiên chỉ có thể thực hiện được nếu vật liệu chế tạo đầu dò có các đặc tính điện phù hợp. Điều này chính là cơ sở của các loại đầu dò bán dẫn mà ta sẽ xem xét trong các phần sau. Một loại đầu dò thông dụng khác là đầu dò nhấp nháy, các hạt tải điện thứ cấp truyền năng lượng cho nguyên tử và kích thích nguyên tử môi trường đầu dò, các nguyên tử này sau đó giải kích thích và phát ra photon, các photon này sau đó đập vào điện cực của ống nhân quang điện làm bật ra các electron, các electron này sau đó được nhân lên nhiều lần nhờ ống nhân quang điện và tạo thành tín hiệu của đầu dò. Chi tiết về loại đầu dò này sẽ được trình bày trong Chương 10 của cuốn sách.
Chương Đầu dò bán dẫn phổ kế gamma 3.1 GIỚI THIỆU Trong chương hai, tơi trình bày chế tương tác gamma với vật chất bao gồm: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp Trong chế này, gamma truyền lượng cho electron bên môi trường vật chất Đối với trường hợp tạo cặp, gamma truyền lượng cho positron Các hạt sau bị động tán xạ bên đầu dò, gây ion hóa nguyên tử, tạo thành cặp ion Các cặp ion sở để hình thành tín hiệu đầu dò Trong chương tơi trình bày đặc điểm loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò sử dụng hệ phổ kế gamma, nguyên lý vận hành chế tạo đầu dò Ngồi ra, tơi tập trung vào số loại đầu dò phổ biến mà người dùng dễ dàng bắt gặp thực tế Trước tiếp tục, nên xem xét tính chất đầu dò đo gamma lý tưởng Các yêu cầu tổng hợp lại sau (trong trường hợp ta ghi nhận xạ (đếm) mà khơng tạo phổ gamma, số u cầu không cần thiết): - Lối tỷ lệ với lượng tia gamma; - Hiệu suất cao, tức hệ số hấp thụ lớn, Z lớn; - Cơ chế thu thập điện tích dễ dàng; - Độ phân giải lượng tốt; - Bền theo thời gian, nhiệt độ, tham số vận hành; - Giá hợp lý; - Kích thước hợp lý Trước nhất, đầu dò cần phải có hệ số hấp thụ gamma đủ lớn để có xác suất hấp thụ hồn tồn tia gamma vào đầu dò cao Như tơi trình bày chương trước, hấp thụ hoàn toàn tia gamma vào đầu dò đảm bảo kích thước đầu dò đủ lớn Trong thực tế, vật liệu chọn cần phải có khả hấp thụ hồn tồn tia gamma đầu dò có kích thước vừa phải Đối với đầu dò chứa khí sử dụng để đo gamma, ghi nhận tia gamma chủ yếu gamma tương tác với lớp vỏ đầu dò, xác suất tương tác gamma với khí nhỏ Ta cần nhắc lại rằng, hệ số hấp thụ tất trình tương tác tăng lên số nguyên tử môi trường hấp thụ tăng lên, tức vật liệu chọn cần phải có số nguyên tử Z lớn Sau hấp thụ tia gamma tạo phần tử tải điện (các cặp electron – lỗ trống), vật liệu làm đầu dò cần phải cho phép điện tích thu thập theo cách chuyển thành tín hiệu điện Các dễ thấy cung cấp điện trường cho đầu dò để “quét” phần tử tải điện khỏi đầu dò Điều dĩ nhiên thực vật liệu chế tạo đầu dò có đặc tính điện phù hợp Điều sở loại đầu dò bán dẫn mà ta xem xét phần sau Một loại đầu dò thơng dụng khác đầu dò nhấp nháy, hạt tải điện thứ cấp truyền lượng cho nguyên tử kích thích 78 ngun tử mơi trường đầu dò, ngun tử sau giải kích thích phát photon, photon sau đập vào điện cực ống nhân quang điện làm bật electron, electron sau nhân lên nhiều lần nhờ ống nhân quang điện tạo thành tín hiệu đầu dò Chi tiết loại đầu dò trình bày Chương 10 sách 3.2 CÁC CHẤT BÁN DẪN VÀ ĐẦU DÒ GAMMA 3.2.1 Cấu trúc dải chất rắn Trong nguyên tử tự do, electron định xứ xác mức lượng xác định Tổng hợp nhóm nguyên tử vào cấu trúc chất rắn mở rộng mức lượng thành dải lượng, dải chứa số lượng electrons cố định Giữa dải vùng lượng cấm electron Dải lượng cần phải nhắc tới dải hóa trị, dải định đặc tính hóa học vật liệu Để electron di chuyển bên vật liệu, cần phải có khả di chuyển khỏi mức lượng sang mức khác để di chuyển từ nguyên tử sang nguyên tử khác (điều minh họa Hình 3.1) Nếu electron nhảy vào mức lượng phù hợp, điện trường ngồi áp lên vật liệu tạo thành dòng điện Vật liệu chia làm ba loại: chất cách điện, chất dẫn điện, bán dẫn Các loại khác cáu trúc điện tử Hình 3.1 Giản đồ cấu trúc dải điện tử chất cách điện, kim loại chất bán dẫn Conduction band: vùng dẫn; Valence band: vùng hóa trị; Occupied bands: vùng bị chiếm; Insulator: chất cách điện; Metal (conductor): kim loại (chất dẫn điện); Semiconductor: bán dẫn Trong chất cách điện, dải hóa trị bị lấp đầy trạng thái lượng nằm dải cao gọi dải dẫn, bị phân tách với dải hóa trị vùng cấm Để 79 electron di chuyển vật liệu, cần phải cung cấp cho lượng đủ lớn để nhảy từ dải hóa trị vượt qua vùng cấm sang dải dẫn Trong chất cách điện, độ rộng vùng cấm vào khoảng 10eV, lớn nhiều so với lượng kích thích nhiệt Các electron khơng chuyển động vật liệu khơng cho phép dòng điện truyền qua Trong kim loại, dải hóa trị khơng bị lấp đầy dải dẫn nối liền với dải hóa trị Kích thích nhiệt đảm bảo cho xuất liên tục các electron lớp dẫn điện trường ngồi, dù nhỏ, đủ tạo dòng điện kim loại Trong chế tạo đầu dò gamma, loại vật liệu gần khơng có khả sử dụng, dòng bổ sung thêm tác động xạ gamma nhỏ so với dòng phơng vốn có kim loại Cấu trúc dải chất bán dẫn không giống với với chất cách điện Dải hóa trị bị lấp đầy độ rộng vùng cấm nhỏ nhiều, cỡ khoảng 1eV, xấp xỉ lượng kích thích nhiệt Dưới điều kiện thơng thường, chất bán dẫn ln ln có lượng nhỏ electron nằm dải dẫn vật liệu có độ dẫn giới hạn Xác suất electron nằm dải dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ (T Phương trình (3.1); số Boltzmann): Làm lạnh vật liệu làm giảm số electron bên vùng dẫn, làm giảm dòng phơng (dòng dò) khiến chúng dễ dàng ghi nhận kích thích tăng cường tương tác với tia gamma Đây sở đầu dò bán dẫn ghi gamma 3.2.2 Sự dịch chuyển lỗ trống Khi electron nhảy khỏi vùng hóa trị, vùng khác để chuyển lên dải dẫn, để lại lỗ trống vùng mà vừa Lỗ trống tích điện dương Lỗ trống chuyển động Mơt electron dải hóa trị lấp đầy lỗ trống mà electron vừa thoát để lại Electron vừa lấp đầy lỗ trống lại để lại lỗ trống khác, trình tiếp diễn Như vậy, ta đặt vào điện trường ngoài, lỗ trống di chuyển phía ca-tốt (Xem hình 3.2) Do electron lỗ trồng mang điện, hai đóng góp vào độ dẫn vật liệu Hình 3.2 Mơ hình chuyển động lỗ trống chất rắn 80 Negative: âm; Positive: dương; Hole: lỗ trống; 3.2.3 Sự tạo thành phần tử tải điện xạ gamma Tương tác gamma với chất bán dẫn tạo thành electron sơ cấp có lượng lớn lượng nhiệt Các electron sơ cấp sau truyền lượng cho electron nằm sâu dải chiếm dải hóa trị chuyển electron lên lớp lượng biên lớp dẫn vùng cấm để lại lỗ trống trình bày phần 3.2.2 Lỗ trống electron sau có xu hướng phân bố lại dải lượng lỗ trống nằm lớp dải hóa trị electron nằm lớp dải dẫn hình phía ngồi bên phải Hình 3.1 Một electron sơ cấp kích thích nhiều electron chất bán dẫn, tạo thành nhiều cặp electron – lỗ trống Trong điều kiện bình thường, electron bị kích thích xạ chuyển lên dải dẫn nhỏ so với số electron chuyển lên dải dẫn kích thích nhiệt, electron bị kích thích chuyển lên dải dẫn bị giải kích thích chuyển dải hóa trị Khi có xuất điện trường, electron lỗ trống có khả dịch chuyển chất bán dẫn theo chiều (electron) ngược chiều (lỗ trống) điện trường Số cặp electron – lỗ trống xạ vào đầu dò tạo thành tỷ lệ với lượng gamma bị hấp thụ, , tức là, lượng trung bình cần để tạo thành cặp electron lỗ trống thì: Một thành phần quan trọng độ phân giải lượng đầu dò hàm (trình bày Chương 6) số tham số khác, chúng dẫn đến kết luận là: vật liệu chế tạo đầu dò cần phải có nhỏ, tức lớn Mặc dù vật liệu bán dẫn cho phép thu thập cặp electron lỗ trống, thực tế, vật liệu làm đầu dò phải đảm bảo việc thu thập điện tích diễn thời gian ngắn Electron lỗ trống cần phải có tính linh động cao bên vật liệu phải bẫy điện tích bên vật liệu dẫn tới việc không thu thập hết phần tử tải điện tạo thành Bẫy điện tích có nhiều dạng khác hệ của: - Sự không tinh khiết mạng tinh thể chất bán dẫn; - Các ngun tử trống ngồi nút bên mạng tinh thể sai hỏng cấu trúc bên tinh thể; - Các nguyên tử nút phá hủy xạ Tóm lại vật liệu chế tạo đầu dò cần phải loại vật liệu khơng q hiếm, có giá thành hợp lý, có độ tinh khiết cao, trạng thái tinh thể gần hoàn hảo Sự linh động phần tử tải điện bẫy điện tích trình bày cụ thể phần sau 3.2.4 Chất bán dẫn thích hợp để chế tạo đầu dò ghi gamma Tổng hợp phần trước, ta thấy vật liệu làm đầu dò bán dẫn lý tưởng cần phải: - Có hệ số hấp thụ lớn (tức số nguyên tử, Z, lớn); - Cung cấp nhiều cặp electron – lỗ trống đơn vị lượng tốt (tức nhỏ); 81 - Độ linh động electron lỗ trống vật liệu cao; Có thể chế tạo tinh thể có độ tinh khiết cao tinh thể đơn trạng thái gần hồn hảo (rất sai hỏng cấu trúc); Không phải loại vật liệu hiếm, phải có giá thành phù hợp Bảng 3.1 Các tham số số loại vật liệu thích hợp để chế tạo đầu dò Số nguyên Nhiệt độ Độ rộng vùng Mật độ Độ linh động (cm2Va,b Vật liệu (eV) -1 a tử hoạt động cấm (eV)a (g/cm-3) s ) Electrons Holes Si 14 RT 1.106 3.62 2.33 1350 480 Liquid N2 Ge 32 0.67 2.96 5.32 3.6 x 104 4.2 x 104 o (77 K) CdTe 48, 52 RT 1.47 4.43 6.06 1000 80 CdZnTe 48, 30, 52 RT 1.57 4.64 5.78 1000 50-80 HgI2 80, 53 RT 2.13 4.22 6.30 100 GaAs 31, 33 RT 1.45 4.51 5.35 8000 400 TlBr 81, 35 —20°C 2.68 ? 7.56 — — PbI2 82, 53 — 2.6 7.68 6.16 GaSe 31, 34 — 2.03 6.3 4.55 — — AlSb 13, 51 — 1.62 5.05 4.26 — — CdSe 48, 34 — 1.75 ? 5.74 — — a o o Giá trị lấy 77 K với Ge 300 K với loại bán dẫn khác b Năng lượng trung bình để tạo cặp electron – lỗ trống Xem xét tất yếu tố trên, có vài chất bán dẫn mà ta xem xét, loại bán dẫn liệt kê với tham số chúng Bảng 3.1 Chất bán dẫn ta xem xét Si, lợi Si cơng nghệ chế tạo tinh thể có độ tinh khiết cao, giá thành rẻ phát triển từ lâu nhờ công nghiệp điện tử Nhược điểm Si số nguyên tử nhỏ, dẫn tới thực tiễn, đầu dò dùng Si sử dụng để đo gamma lượng thấp Thơng thường, đầu dò loại thường sử dụng hệ phổ kế tia X Phổ kế tia X thuộc lĩnh vực khác với đặc điểm riêng, khơng sâu tìm hiểu đầu dò Si Ge loại vật liệu chế tạo đầu dò gamma phổ biến Số nguyên tử cao Ge lớn Si, sử dụng để chế tạo đầu dò đo gamma lượng cao Trong vài năm trở lại đây, để đáp ứng nhu cầu chế tạo loại đầu dò này, công nghệ chế tạo tinh thể Ge độ tinh khiết cao có nhiều tiến Ta thấy điều thơng qua việc so sánh đầu dò Ge thương mại (kích thước vài cm 3, công nghệ nuôi kéo Li có độ tinh khiết khơng cao, độ phân giải lượng đến keV 1332 keV) với đầu dò đại (kích thước hàng trăm cm2, độ tinh khiết cao cho độ phân giải 1.8 keV 1332 keV) Ge vật liệu Bảng 3.1 mà đầu dò chế tạo từ cần phải sử dụng nhiệt độ thấp để triệt tiêu dòng dò, tơi lý giải phần trước thơng qua Phương trình (3.1) 82 3.2.5 Các loại vật liệu bán dẫn Ngoài Ge, có số loại vật liệu khác có đặc tính phù hợp, có độ rộng vùng cấm lớn Ge, dẫn tới khả chế tạo đầu dò hoạt động nhiệt độ phòng như.CdTe, CdZnTe (CZT) HgI2 vật liệu có khả thương mại hóa số ứng dụng giới hạn Số nguyên tử lớn, hệ số hấp thụ cao, khiến cho loại vật liệu trở thành vật liệu hấp dẫn để chế tạo đầu dò Ví dụ, mm CdTe tương đương với 10 mm Ge khả hấp thụ gamma Tuy nhiên, thực tế, số yếu tố giới hạn khả sử dụng chúng Chúng ta có cơng nghệ để chế tạo tinh thể vật liệu nói với độ tinh khiết hoàn hảo cao Tuy nhiên, giới hạn loại vật liệu tính linh động phần tử tải điện tinh thể Như Bảng 3.1, độ linh động phần tử tải điện loại vật liệu kể nhỏ so với Ge Điều tính linh động lỗ trống, vốn nhạy với bẫy điện tích, nhiều so với tính linh động electron, dẫn tới vấn đề nghiêm trọng thu thập điện tích đầu dò Trong thực tế, bẫy lỗ trống khiến cho việc thu thập hoàn tồn điện tích tạo đầu dò khó đạt độ dài tinh thể lớn mm Điều có nghĩa loại vật liệu sử dụng để chế tạo đầu dò kích thước nhỏ Do kích thước nhỏ, chúng thích hợp để chế tạo đầu dò gamma lượng thấp Hiệu đầu dò CdTe CZT cải thiện công cụ điện tử đại, có khả cải thiện khả thu thập điện tích Vấn đề trình bày Chương 4, phần 4.3.5 sau tìm hiểu cơng cụ điện tử để thu thập điện tích Năng lượng trung bình để tạo phần tử tải điện loại vật liệu nói lớn so với Ge đó, trường hợp tất tham số khác giống nhau, đầu dò CdTe, CZT, HgI2 khơng thể có độ phân giải tốt đầu dò Ge Bảng 3.2 so sánh độ phân giải dải lượng cho hiệu suất cao số đầu dò đo gamma lượng thấp Qua ta nhận thấy, độ phân giải lượng đầu dò khơng tốt đầu dò Ge, tốt nhiều so với đầu dò nhấp nháy Dữ liệu bảng chưa đầy đủ, số yếu tố quan trọng chưa đưa Ví dụ, đầu dò CdTe có độ phân giải tốt đầu CdZnTe, đặc biệt làm lạnh Tuy nhiên, đỉnh phổ đầu dò CdTe cócác phụ thuộc lượng phía lượng thấp Trong vài trường hợp, đuôi lượng gây khó khăn phân tách phổ chập Sử dụng kỹ thuật lưới đồng phẳng, đỉnh phổ CZT có dạng Gauss độ phân giải tồi hơn(Vấn đề thảo luận tiếp phần 4.3.5 Chương 4) Bảng 3.2 So sánh độ phân giải dải lượng loại đầu dò gamma lượng thấp Dải lượng Vật liệu Kích thước đầu dò Độ phân giải (keV) ở: tối ưu (keV) a 83 5.9 keV 0.145 — 122ke 661.66 V keV 0.5 — 10-12 — 50 mm2 x mm planar 2-100 25 mm x mm (RT) 6-350 10mm x 10mm x 10mm (CdTe — 1.93 2.89 10-1000 30°C) CdZnTe 10 mm x 10 mm x 10 mm — 23 30-1400 CdZnTe 15 mm x 15 mm x 10 mm — 8.5 12 20-1400 HgI2 100 mm x mm 1.5 — — 2-60 TlBr mm x mm x mm — — 10-1000 NaI(Tl) 51 mm(diam) x 2.5 mm 2.9 — — 2-70 NaI(Tl) 51 mm (diam) x 25 mm — 31 — 20-200 a Dải lượng gần mà hiệu suất đầu dò ước lượng Dải thực phụ thuộc vào độ dày vật liệu cửa sổ đầu dò Mặc dù kích thước đầu dò bị giới hạn, loại đầu dò vật liệu sử dụng thực tế Ví dụ hệ thống theo hướng y học, đầu dò có độ phân giải khơng cao, kích thước chúng phải nhỏ, loại đầu dò hữu dụng Ngồi ra, đầu dò loại ứng dụng rộng rãi điều kiện giới hạn khơng gian đặt đầu dò, giới hạn khả cung cấp nitơ lỏng để làm lạnh, ứng dụng di động (các thiết bị xách tay) sử dụng chương trình an tồn hạt nhân TlBr vật liệu có vài triển vọng TlBr có mật độ lớn độ rộng vùng cấp rộng Các đầu dò TlBr chế tạo cho thấy khả dựng phổ với gamma 661.6 keV 137Cs, với đầu dò có kích thước vài cm3 Theo lý thuyết, GaAs loại vật liệu có triển vọng để chế tạo đầu dò, chưa thơng dụng thời điểm kỹ thuật nuôi kéo tinh thể chưa đảm bảo Các loại vật liệu khác liệt kê Bảng 3.1 vật liệu có tiềm để sản xuất đầu dò bán dẫn đo gamma, bị loại bỏ nhiều lý khác Trong thực tế, vật liệu thông dụng dùng để chế tạo đầu dò gamma Ge không sâu vào xem xét loại đầu dò khác sách này, trừ đầu dò nhấp nháy Đầu dò nháp nháy trình bày riêng Chương 10 3.2 BẢN CHẤT CỦA BÁN DẪN Trước vào tìm hiểu trình sản xuất đầu dò bán dẫn ghi gamma, khơng cần q chi tiết vào vật lý chất rắn, ta cần phải hiểu chất vật liệu bán dẫn Trong vật liệu bán dẫn sạch, kích thích nhiệt đưa số electron từ dải hóa trị lên dải dẫn để lại số lượng lỗ trống mang điện dương tương ứng Vật liệu loại có số electron lỗ trống nhau, gọi bán dẫn nội Dĩ nhiên, thời điểm này, chưa có loại vật liệu tạo với độ tinh khiết 100% Trong chấn bán dẫn, khơng tinh khiết tạo hiệu ứng đáng kể lên độ dẫn Ge ví dụ, ngun tố có hóa trị mạng tinh thể, nguyên Ge CdTe 84 tử Ge bao quanh nguyên tử Ge khác, nguyên tử đóng góp số electron để tạo thành liên kết Nếu số nguyên tử Ge thay nguyên tử khác (tạp chất) có hóa trị khác cân điện tử tinh thể bị rối loạn Ví dụ, tạp chất có hóa trị ba Ga (Gallium) Bo (Boron), vị trí bị pha tạp, cấu trúc điện tử tinh thể bị khuyết electron Nói cách khác, xuất lỗ trống Kiểu tạp chất gọi tạp chất acceptor trộn lẫn với vật liệu bán dẫn, tạo thành trạng thái lượng bổ sung nằm dải hóa trị, gọi trạng thái acceptor Ge với loại tạp chất gọi Ge loại p (“p” ký hiệu cho tạp chất acceptor dương) Hình 3.3(a) Tiếp xúc p-n trước phân bố lại phần tử tải điện(b) Vùng nghèo tạo phân bố lại điện tích(c) Sự biến thiên qua lớp tiếp xúc(d) biến thiên khơng gian điện tích qua lớp tiếp xúc Space charge: khơng gian điện tích Contact potential: Thế tiếp xúc Mặt khác, tạp chất nguyên tố có hóa trị năm, giống As (Arsenic) P (Phosphorus), có electron dư thừa cấu trúc điện tử mạng tinh thể Các nguyên tử tạp chất loại gọi nguyên tử donor nằm vị trí donor 85 tạo trạng thái donor phía dải dẫn Ge với loại tạp chất gọi Ge loại n(“n” ký hiệu cho tạp chất donor âm) Trong thực tế, tất khối Ge chứa hai loại tạp chất nói Hai loại tạp chất bù trừ lẫn đặc tính bán dẫn vật liệu phụ thuộc vào loại tạp chất nhiều hơn.Trong trường hợp hai loại tạp chất bù trừ hoàn toàn cho nhau, vật liệu gọi Ge cân Quá trình thay đổi chất chất bán dẫn cách bổ sung lượng nhỏ tạp chất thích hợp gọi q trình pha tạp Như tơi trình bày trên, xuất nguyên tử tạp chất bên chất bán dẫn làm xuất trạng thái lượng bổ sung, dải hóa trị, dải dẫn Hiệu ứng làm hẹp độ rộng vùng cấm Do độ dẫn vật liệu phụ thuộc vào số electron dải dẫn, độ dẫn vật liệu bị pha tạp lớn độ dẫn nội Với mức pha tạp cao, độ dẫn vật liệu cao, chất bán dẫn gọi tương ứng theo loại pha tạp p+ n+ Các loại vật liệu chế tạo l phương pháp bay bắn phá ion tạp chất thích hợp để tạo liên kết điện cho đầu dò (mặt khác, vật liệu loại p có độ tinh khiết cao đơi gọi loại độ tinh khiết cao loại n gọi loại – chữ Hy Lạp tương đương với p n) Đầu dò bán dẫn ghi gamma phụ thuộc vào tái phân bố điện tử xảy loại chất bán dẫn khác “kết nối” với (ta xem xét kỹ “kết nối” thực tế Phần 3.4.1) Hình 3.3 đưa giản đồ Vật liệu loại p có thừa lỗ trống, vật liệu loại n thừa electron Chúng khuếch tán tác động nhiệt, lỗ trống “chạy” từ lớp p qua lớp liên kết sang lớp n, ngược lại, electron “chạy” từ lớp n sang lớp p Lỗ trống dư thừa gặp electron dư thừa kết hợp lại hủy (điện tích tổng không) Kết biên tiếp xúc hai loại chất bán dẫn hình thành vùng liên kết mà điện tích trái dấu hủy Vùng có tên gọi vùng nghèo (Hình 3.3(b)) Sự dịch chuyển điện tích tạo thành khơng gian điện tích vùng hình thành hiệu điện qua vùng liên kết gọi tiếp xúc khuếch tán, có biên độ khoảng 0.4 V Ge (Hình 3.3(c)) Vùng nghèo thành phần chủ động đầu dò Vùng mỏng, dương kết nối với biên phía bán dẫn loại n vùng liên kết, độ rộng lớp cấm tăng lên electron bị lấy khỏi chất bán dẫn Thế âm kết nối với biên phía bán dẫn loại p lớp liên kết “lấy” lỗ trống khỏi vật liệu Do dương kết nối với bán dẫn loại âm, gọi tiếp xúc dịch chuyển ngược (tiến hành xem xét lối phổ kế Ge bị chiếu xạ không bật cao thế, ta dễ dàng thấy tín hiệu lối ra, dù nhiều nhiễu dạng tín hiệu tồi, luôn bắt nguồn từ tương tác vùng cấm Đặt vài vôn vào hai điện cực đầu dò để thu thập điện tích chủ động cải thiện tín hiệu giảm nhiễu) Độ rộng vùng cấm , đánh giá cách sử dụng phương trình: 86 Trong tiếp xúc ngồi, số điện môi, điện trở suất vật liệu (m2V-1s-1) độ dẫn phần tử tải điện vật liệu Đối với bán dẫn loại p, tạp chất gây dư thừa lỗ trống, phần tử tải điện lỗ trống; loại n, electron phần tử tải điện lớn nhiều so với Phương trình (3.3) dẫn đến kết luận Đối với hệ ghi đo xạ mang điện, khả thay đổi độ dày lớp nghèo cách hữu dụng mà để tính tốn kích thước đầu dò phù hợp với lượng xạ cần đo Trong hệ phổ kế gamma, kích thước chủ động đầu dò ln ln thiết lập cực đại cách tăng điện để mở rộng vùng cấm tồn thể tích đầu dò khả dụng(Thực tế, tăng cao cấm (thế mà kích thước chủ động đầu dò đạt cực đại) để cải thiện q trình thu thập điện tích Điện trở suất, , hàm độ tập trung nguyên tử pha tạp vật liệu, , tính sau (e điện tích electron): Một cách lý tưởng, ta mong muốn vùng nghèo có độ rộng cực đại, mà ngồi nhỏ tốt Phương trình (3.4) cho thấy việc sử dụng đầu dò Ge với độ tập trung pha tạp thấp tốt Trong thực tế, kích thước đầu dò tăng, độ tập trung pha tạp phải bị giảm, nhiên, lại phải tăng lên nhiều (ví dụ, tăng đường kính từ lên cm yêu cầu cải thiện độ tinh khiết lên 10 lần) Cải thiện lớn hiệu suất ghi đầu dò thời gian gần hệ việc sử dụng Ge siêu tinh khiết Ge để sản xuất đầu dò gamma vật liệu có độ tinh khiết cao 3.4 SẢN XUẤT CÁC ĐẦU DÒ Ge 3.4.1 Giới thiệu Trong thực tế, đầu dò gamma khơng chế tạo cách ghép nối loại vật liệu bán dẫn khác nhau, mà cách biến đổi mặt khối Ge thành loại bán dẫn khác cách bốc khuếch tán cách ni cấy ion Hình 3.3 cho thấy chế vùng nghèo Nếu độ tập trung tạp chất hai phía lớp tiếp xúc khác (trong Hình 3.3, có nhiều tạp chất loại p phía tay trái lớp tiếp xúc tạp chất loại n phía tay phải), phân bố khơng gian điện tích khơng đối xứng lớp tiếp xúc Như Hình 3.3(d), độ rộng vùng nghèo lớn phía có độ tập trung pha tạp thấp (về nguyên lý, sản phẩm tập trung pha tạp độ rộng vùng nghèo cần phải hai phía tiếp xúc) Điều dẫn tới việc ta lấy khối Ge loại p độ tinh khiết cao biến đổi mặt thành lớp n+ (như Hình 3.4), đặt vào đầu dò ngược, ta tạo lớp nghèo giàu vật liệu loại p Đây sở để sản xuất tất loại đầu dò Ge Từng có lúc, loại đầu dò gọi với tên khơng xác, đầu dò nội (tên gọi đồng nghĩa với việc Ge sử dụng loại có pha tạp loại n pha tạp 87 Thời gian thu thập lỗ trống: Trong tốc độ bão hòa electron lỗ trống, định nghĩa Hình 3.8 Trong thực tế, ta phải tính tới suy giảm độ linh động hạt tải điện nhiệt độ tăng Ngồi ra, đầu dò cần phải hoạt động nhiệt độ thấp để tránh dòng rò gây kích thích nhiệt Hình 3.9 Độ linh động electron lỗ trống Ge phụ thuộc vào cường độ điện trường nhiệt độ Drift velectity: vật tốc trượt; Electric field strength: cường độ điện trường Theo mơ hình trên, ta dễ thấy thời gian thu thập điện tích hạt tải điện khác tùy theo vị trí hình thành cặp phần tử tải điện Đồng thời, cặp phần tử tải điện tạo thành, thời gian thu thập electron khác thời gian thu thập lỗ trống Cụ thể trường hợp Hình 3.8, electron tới điện cực dương trước lỗ trống tới điện cực âm Điều khiến cho mặt tăng xung lối đầu dò phụ thuộc vào vị trí hạt tải điện tạo thành 3.6.2 Dạng xung đầu dò Sự đóng góp hạt tải điện vào tín hiệu điện lối đầu dò phụ thuộc vào lượng điện tích mà mang qng đường di chuyển điện trường Ở ta giới hạn xét trường hợp cặp phần tử tải điện tạo gần điện cực dương, electron tới điện cực dương đầu tiên, đóng góp vào tín hiệu điện hình thành, qng đường di chuyển điện trường nhỏ Ngược lại, lỗ trống phải di chuyển dài điện trường, đóng góp chủ yếu vào tín hiệu hình thành Như vậy, 98 tăng trưởng tín hiệu điện theo thời gian, tức dạng mặt tăng xung lối ra, phụ thuộc vào vị trí xảy tương tác đầu dò Hình 3.10 kết tính tốn dạng sườn tăng xung lối xảy tương tác đầu dò đồng trục lý tưởng loại n Biều đồ phân tách độc lập đóng góp vào tín hiệu điện tạo thành electron lỗ trống Tổng hợp lại, dạng sườn tăng xung phụ thuộc vào dạng điện trường đầu dò Tổng điện tích thu thập từ cặp electron – lỗ trống, tạm thời bỏ qua bẫy điện tích tái hợp điện tích, khơng đổi, với điện tích mang electron Hình 3.10 Dạng theo tính tốn sườn tăng xung đầu dò Ge loại n xảy tương tác vị trí khác đầu dò đồng trục: (a) gần lõi; (b) giữa; (c) gần phía ngồi Fraction of signal collected: Tỷ số tín hiệu thu thập Trong hình 3.10, ta giả thiết tất hạt tải điện tương tác gamma với đầu dò tạo điểm Điều hiển nhiên không đúng, bỏ qua việc phần lớn tia gamma hấp thụ đầu dò tương tác nhiều lần, electron sơ cấp tạo thành sau tương tác khơng truyền tồn lượng cho đầu dò điểm Tuy nhiên, đồ thị Hình 3.10 cho thấy vài ý tưởng dạng có sườn tăng xung lối đầu dò Trên thực tế, dạng xung tương đối giống với dạng xung thực mà ta quan sát dao động ký (xem Chương 4, Hình 4.7, lưu ý xung lối đầu dò tức xung lối từ tiền khuếch đại) 99 Dạng xung lối đầu dò thời gian thu thập điện tích ảnh hưởng đến cách thiết lập hệ điện tử xử lý xung Đặc biệt, với thời gian thu thập điện tích dài, xuất bẫy điện tích (xem Phần 3.6.6), tác động mạnh đến tốc độ đếm Vấn đề trình bày cụ thể trơng Chương nói khối điện tử Chương 14 hệ thống đo tốc độ đếm cao 3.6.3 Các tín hiệu thời gian từ đầu dò Ge Thời gian khởi phát xung khơng phải vấn đề quan tâm thường xuyên hệ phổ kế gamma Đa phần, người ta thường quan tâm tới lượng tia gamma bị hấp thụ bên đầu dò, kiện xảy thời gian đếm, mà không quan tâm thời điểm xảy kiện Tuy nhiên, đầu dò gamma sử dụng bên hệ thống trùng phùng, tương quan thời gian xung từ đầu dò khác trở nên quan trọng Như ta thấy Phần 3.6.2, dạng sườn tăng xung đầu dò biển đổi tùy theo vị trí xảy tương tác (sự kiện) đầu dò Do phương pháp điện tử để hình thành tín hiệu thời gian phụ thuộc vào mặt tăng xung, xuất bất định thời gian kiện gamma xuất tín hiệu thời gian (mặt tăng xung định nghĩa thời gian xung tăng từ 10% đến 90% độ cao tối đa – Xem Hình 4.15) Như ta có phân bố chênh lệch thời gian có độ rộng nửa đỉnh vào khoảng 3-10ns, tùy theo phương pháp sử dụng để đánh dấu thời gian khởi phát xung Ví dụ, 3.7ns giá trị đưa catalơg nhà sản xuất với đầu dò độ phân giải tương đối 61% 1332 keV 3.6.4 Sự biến thiên điện trường đầu dò Sự biến thiên cường độ điện trường đầu dò phụ thuộc vào hình dạng đầu dò chất vật liệu đầu dò Ví dụ, đầu dò phẳng độ tinh khiết cao loại p, điểm cách tiếp xúc p+ (âm) khoảng x, , tính sau: Trong N độ tập trung nguyên tử acceptor (đối với đầu dò loại n, N độ tập trung nguyên tử donor), điện tích electron số điện mơi Hình 3.11(a) mơ tả phân bố cường độ điện trường trường hợp Với đầu dò đồng trục thực (Hình 3.11(b)), phân bố cường độ điện trường bên đầu dò phức tạp nhiều phụ thuộc vào kích thước lõi so với đường kính đầu dò: Ở đây, khoảng cách từ vị trí xảy tương tác đến đường thẳng xuyên tâm đầu dò Phương trình mơ tả biến đổi điện trường theo , sử dụng để xác định đường cong Hình 3.11 Từ Phương trình 3.10 ta thấy rằng, kích thước đầu dò, lõi đầu dò nhỏ (nhỏ) điện trường mạnh Với kiểu hình học đầu dò, cường độ điện trường ln ln giảm kích thước đầu dò tăng cao 100 giữ khơng đổi Nếu cường độ điện trường khơng đủ, vận tốc hạt tải điện thấp vận tốc bão hòa chúng Sự kết hợp quãng đường di chuyển dài tốc độ chuyển động chậm có nghĩa thời gian thu thập điện tích bên đầu dò kích thước lớn lớn đầu dò kích thước nhỏ Hình 3.11 Cường độ điện trường hai loại đầu dò: (a) đầu dò phẳng; (b) đầu dò đồng trục 3.6.5 Loại bỏ vùng điện trường yếu đầu dò Loại đầu dò sử dụng rộng rãi đầu dò đồng trục Đối với loại đầu dò biến thiên điện trường bên đầu dò trở nên phức tạp ảnh hưởng thể tích hoạt động cuối đầu dò Do cấu tạo hình học, đầu dò loại ln tồn số vùng điện trường đặc biệt yếu Tương tác xảy vùng cho tín hiệu có thời gian tăng trưởng xung dài nhiều so với thời gian tăng trưởng xung trung bình, thực tế, xung khơng thu thập hoàn toàn (do xung kéo dài thời gian tích phân) Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng vùng góc mặt đầu dò Về nguyên lý, xung lọc bỏ khối điện tử dựa thời gian tăng trưởng xung giải pháp thực tế lại hay nhiều, loại bỏ vùng Do đầu dò đại thường có biên bo tròn mặt trên, q trình biết đến với tên gọi mài mòn đầu tinh thể.(Hình 3.12) 101 Hình 3.12 Sự mài mòn đầu tinh thể đầu dò PGT khơng đồng ý vùng điện trường yếu đầu dò khơng mài mòn đầu vấn đề khó khăn Trong Phần 1.15.1 giới thiệu sản phẩm hạt nhân mình, họ rõ rằng: “Sự biến thiên điện trường tinh thể theo dạng tinh thể khơng đáng kể” Họ giải thích rằng, cách thiết kế đầu dò họ (được họ gọi “straight – across”), với đầu dò kẹp chặt cuối lớp vỏ, làm giảm nhiễu gây tồi độ phân giải 3.6.6 Bẫy hạt tải điện Ở trên, ta giả thiết hạt tải điện chuyển động tự điện cực mà không bị cản trở Tuy nhiên, thực tế, loại tinh thể đầu dò có lượng bẫy điện tích gây cản trở chuyển động hạt tải điện Điều hệ khơng hồn hảo tinh thể, không tinh khiết, phá hủy xạ Nếu hạt mang điện di chuyển vào số bẫy này, bị giữ kích thích nhiệt giải phóng trở lại Thời gian trung bình mà hạt mang điện bị giữ bẫy phụ thuộc vào độ sâu bẫy tính theo lượng Bẫy nông không ảnh hưởng nhiều tới thu thập điện tích nói chung, bẫy sâu giữ hạt tải điện lâu tới mức hạt khơng thể đóng góp vào tín hiệu Điều gọi hạt tải điện Tình minh họa Hình 3.13, đường cong biểu diễn thu thập điện tích từ Hình 3.10 sử dụng để hệ khả bẫy nơng, khỏi bẫy, điện tích hoạt tồn bẫy Đường cong thấp hình đại diện cho điện tích hồn tồn bẫy tái hợp điện tích Đường cong đại diện cho trường hợp hạt tải điện di chuyển điện cực muộn so với kỳ vọng Hạt tải điện rơi vào bẫy điện tích có di chuyển 102 điện cực muộn, dẫn tới không hệ điện tử ghi nhận hay không phụ thuộc vào cách thiết lập thời gian tích phân hệ điện tử Mối quan hệ thời gian tích phân thời gian thu thập điện tích trình bày kỹ Chương Hình 3.13 Hiệu ứng bẫy nơng bẫy sâu thu thập điện tích 3.6.7 Sự phá hủy phóng xạ Khi nơtron, đặc biệt nơtron nhanh chiếu vào đầu dò Ge, số nguyên tử tinh thể bị xê dịch khỏi vị trí chúng tinh thể tạo “khe hở”, gọi sai hỏng Frenkel Đây bẫy điện tích đầu dò sử dụng trường nơtron, theo thời gian sử dụng, phổ bị tồi tăng lên số lượng bẫy điện tích Hiệu ứng thấy xuất đuôi lượng thấp đỉnh gamma thu thập khơng hồn tồn điện tích Bảng 3.3 đưa ngưỡng liều nơtron nhanh loại đầu dò khác nhau, mà ngưỡng đó, tồi độ phân giải đầu dò trở lên đáng kể Bảng 3.3 Ngưỡng phá hủy phóng xạ nơtron nhanh Loại đầu dò Loại p Hiệu suất ghi tương đối (%) Ngưỡng liều nơtron nhanh 20 70 Loại n 30 70 Phẳng _ Phân tích Bảng 3.3 ta thấy rằng, đầu dò loại n có khả chịu chiếu phóng xạ (nơtron) tốt đầu dò loại p Đồng thời ta thấy đầu dò có kích thước lớn bị ảnh hưởng phá hủy xạ nhiều Khi lựa chọn đầu dò để sử dụng mơi 103 trường bị chiếu nơtron, ta cần phải cân đối hiệu suất ghi đầu dò thời gian sống (thời gian sử dụng) đầu dò Nguyên nhân lý giải cho việc đầu dò loại n chịu phá hủy phóng xạ tốt loại n chủ yếu cách điện tích di chuyển bên tinh thể Hình 3.14(a) mơ hình tinh thể đầu dò loại p thơng thường Với cặp electron – lỗ trống tạo ra, electron chuyển động ngồi phía điện cực dương, lỗ trống chuyển đồng vào phía lõi dương Các tia gamma thường tương tác với đầu dò bề mặt tinh thể vậy, tính trung bình, lỗ trống phải di chuyển quãng đường xa electron Trong đó, phá hủy cấu trúc đầu dò nơtron lại phân bố đồng toàn thể tích đầu dò Các yếu tố kể khiến cho xác suất lỗ trống bị rơi vào bẫy điện tích q trình di chuyển tăng lên Hình 3.14 Sự di chuyển hạt mang điện đầu dò đồng trục loại p (thơng thường) loại n (điện cực ngược) Sự dịch chuyển điện tích tinh thể đầu dò loại n minh họa Hình 3.14(b) Ngược lại với đầu dò loại p, electron đầu dò loại n phải di chuyển quãng đường xa lỗ trống Trong tinh thể, bẫy electron khơng nhiều bẫy lỗ trống, số hạt tải điện bị bẫy khơng thể đóng góp vào tín hiệu Ngồi ra, ta phải kể đến tốc độ di chuyển electron tinh thể lớn tốc độ di chuyển lỗ trống, thời gian thu thập điện tích đầu dò nhìn chung bị ảnh hưởng hơn, qua cải thiện độ phân giải thời gian chút Hiển nhiên với loại bán dẫn, kích thước đầu dò tăng lên, điện tích phải di chuyển quãng đường xa hơn, xác suất bị bẫy cao ảnh hưởng phá hủy xạ tới đầu dò nghiêm trọng Nơtron phá hủy cấu trúc đầu dò cách làm bật nguyên tử khỏi vị trí mạng tinh thể Các nguyên tử bị giữ không cho quay lại vị trí ban đầu nỏ hàng rào lượng Tăng nhiệt độ đầu dò cách để “sửa chữa” sai hỏng cấu trúc nói Đối với đầu dò loại p, ta cần phải tăng nhiệt độ đầu dò lên 120 độ C giữ vòng tuần Với đầu dò loại n, ta cần sử dụng nhiệt độ 100 độ C, giữ vòng 24 tiếng Đầu dò loại p bị giảm hiệu suất ghi sau qua sửa chữa nhiệt độ 104 cao, lớp lithium n+ bên ngồi có xu hướng khuếch tán vào bên tinh thể, làm tăng lớp chết đầu dò, nghĩa giảm khả vào tinh thể tia gamma (đặc biệt tia gamma lượng thấp) làm giảm thể tích làm việc đầu dò Chúng ta nhận thấy khuếch tán tiếp xúc lithium lõi đầu dò loại n, nhiên ảnh hưởng hiệu ứng tới thể tích làm việc đầu dỏ nhỏ, diện tích lớp chết nhỏ hơn, trường hợp, tương tác tia gamma diễn phần đầu dò Các tia gamma tới đầu dò khơng nhìn thấy lớp n+ hiệu suất ghi đầu dò khơng bị ảnh hưởng Các đầu dò bị phá hủy xạ khách hàng tự sửa chữa nhà sản xuất công ty cung cấp dịch vụ sửa chữa Đối với đầu dò loại p, khơng kể đến giảm hiệu suất ghi nói trên, sau sửa chữa hiệu đầu dò phục hồi hồn tồn Các đầu dò loại n bị phá hủy nhẹ, làm ấm đến nhiệt độ phòng sau làm lạnh trở lại cải thiện độ phân giải chút Tuy nhiên, trình ẩn chứa rủi ro Tuy theo mức độ bị phá hủy đầu dò mà q trình làm giảm mạnh hiệu đầu dò xếp nhóm sai hỏng làm tăng số lượng bẫy điện tích Lời khuyên chung giữ đầu dò nhiệt độ nitơ lỏng đầu dò sửa chữa theo tiêu chuẩn (Xem Chương 12) 3.7 ĐĨNG GĨI ĐẦU DỊ Trong phần trước, ta biết đầu dò Ge sử dụng nhiệt độ thấp để làm giảm nhiễu điện tử qua đạt tới độ phân cao tốt Do vậy, đầu dò cần phải đặt thiết bị giữ nhiệt Cấu trúc cryostat cần phải thiết kế để đảm bảo các yếu tố sau: - Đầu dò cần phải giữ nhiệt độ gần với 77 oK - Đầu dò cần phải giữ chân không nhằm tránh ngưng tụ khí đầu dò Và đồng thời cần phải có đường dẫn để dẫn tín hiệu từ đầu dò ngồi - Vỏ đầu dò cần phải mỏng đủ phép xạ gamm đâm xuyên đảm bảo kín chân khơng có khả bảo vệ phần cho đầu dò - Thiết kế cryostatcần phải lập tối đa rung động học ảnh hưởng tới đầu dò Ta cần lưu ý rung động nhỏ gây sủi bọt sôi nitơ gây lượng nhiễu điện tử - Các vật liệu chế tạo cryostat cần phải lựa chọn theo tính tốn hệ đầu dò sử dụng cho phép đo phơng thấp(Xem Chương 13) Cách thông dụng để làm lạnh đầu dò sử dụng nitơ lỏng (điểm sơi 77oK) Nitơ lỏng khơng gây khó khăn sử dụng phòng thí nghiệm, nhiên sử dụng bên ngồi phòng thí nghiệm, việc cung cấp nitơ cho đầu dò khơng thuận tiện, thiết bị khác để làm lạnh phải sử dụng Hình 3.15 sơ đồ bố trí bên cryostatcủa đầu dò Như ta thấy Chương 4, điều quan trọng dung kháng toàn phần lối vào tiền 105 khuếch đại (bao gồm đầu dò dây dẫn) cần phải nhỏ tốt Thêm nữa, nhiễu điện tử giảm số thiết bị định tiền khuếch đại làm lạnh Do đó, thơng thường tiền khuếch đại thường đặt gần đầu dò Trong hệ đại, tiền khuếch đại thường đặt với đầu dò Hình 3.16 Hình đưa sơ đồ chi tiết buồng chứa đầu dò hãng ORTEC 3.7.1 Cấu tạo lớp vỏ đầu dò Đầu dò bọc lớp nhôm mỏng tạo thành lớp tiếp xúc phía ngồi Nếu chùm tia xạ tới đầu dò theo hướng vng góc với mặt phẳng cửa sổ đầu dò hiệu suất ghi bị giảm lớp nhôm hấp thụ phần xạ tới Phía bên trong, đầu dò gắn cố định với bệ đỡ, bệ đỡ lại gắn cố định với cần làm lạnh đồng, nối từ cryostat tới bình chứa nitơ lỏng Tồn khối linh kiện gắn với nắp che để tạo thành buồng kín Phần đầu buồng chứa đầu dò hút chân khơng cách nhiệt với phần lại Người ta đưa đưa thêm vào mẩu than chất hút ẩm để hấp thụ khí lại sau hút chân khơng đầu dò bị làm lạnh Phía đế đỡ bóng dán dẫn trường tiền khuếch đại (FETs), bóng bán dẫn cần làm lạnh Trước đây, tiền khuếch đại thường đặt phía bên cạnh buồng chứa đầu dò Tuy nhiên, kích thước linh kiện điện tử mạch tích phân thu nhỏ, xếp thông dụng tiền khuếch đại bao xung quanh cần cần làm lạnh phía buồng chứa đầu dò Khi chúng bọc lớp vỏ hình trụ, tạo thành khối trụ tương tự phần buồng chứa đầu dò (trong số trường hợp, ví dụ hệ đo phơng thấp, ta cần có thêm khơng gian muốn tách xa đầu dò với tiền khuếch đại, tiền khuếch đại đặt phía bên cạnh Trong hệ thiết kế để đo phông thấp, người ta thường đặt lớp chắn chì tinh khiết buồng chứa đầu dò tiền khuếch ngăn xạ từ vật liệu sản xuất tiền khuếch đại Tồn tổ hợp đầu dò tiền khuếch đại gắn với cần làm lạnh, cần làm lạnh lại gắn cố định với bình chứa nitơ lỏng thích hợp, hình 3.15 3.16 Trong vài trường hợp, ta cần phải đặt che chắn đầu dò khác đằng sau đầu dò (ví dụ, hệ phổ kế triệt Compton – Chương 13) Với mục đích này, ta khơng thể bố trí tiền khuếch đại Hình 3.16, mà phải đặt tiền khuếch đại lên sát bình Dewar 106 Hình 3.15 Đầu dò Ge thơng thường, cryostat bình chứa nitơ lỏng Vacuum seal and thermal insulation: lớp chân không chất cách nhiệt; End cap: nắp che; Preamplifier within housing: tiền khuếch đại đặt bên đầu dò; Electronical feed-throughs: nối điện; Liquid nitrogen transfer collar: lỗ dẫn nitơ lỏng; Fill/vent tubes: ống thông hơi; Necktube: cổ ống; Superinsulation: cách nhiệt; Tailstock: định vị; coldfinger: đầu làm lạnh; Hệ đầu dò thơng dụng thường có đầu dò có cửa sổ hướng lên bình Dewar Hình 3.15 Tuy nhiên, thực tế ta gặp nhiều kiểu bố trí khác, cửa sổ đầu dò nằm ngang hướng theo góc tương ứng với kiểu bình Dewar khác Bình Dewar thơng dụng thường có vị trí vòi cấp nitơ hai bên phía Tuy theo nhà sản xuất, tốc độ bay nitơ bình Dewar tốt vào khoảng 0.5 đến L ngày Thực nghiệm cho thấy thời gian sử dụng bình Dewar 30 L vào khoảng tuần Với hệ di động, ta cần phải mua đầu dò với bình Dewar nhỏ từ 1.5 đến L Ta phải đảm bảo nguồn cung nitơ tổ chức cấp nitơ cho bình Dewar cách đặn Việc cấp nitơ cần thực hệ không tiến hành đo Ngay hệ trang 107 bị hệ thống chống nhiễu, nhiễu điện tử tạo q trình đổ nitơ làm tồi kết q trình đo Trong phòng thí nghiệm với nhiều đầu dò, người ta sử dụng hệ tự động để đổ nitơ cho bình Dewar dựa cảm biến báo mức nitơ bình Trong trường hợp này, ta cần phải cung cấp tính hiệu cổng để cấm cách tạm thời hoạt động đầu dò đổ nitơ Hình 3.16 Bố trí đầu dò tiền khuếch đại bên cryostat – Hỉnh ảnh trích cho phép ORTEC 3.7.2 Các đầu dò lạ Sự phát triển cộng đồng vật lý hạt nhân nhiều năm dẫn tới việc nhiều cấu hình bố trí đầu dò, tiền khuếch đại Dewar sản xuất để đáp ứng thí nghiệm Ví dụ, hệ thống với nhiều đầu dò cho phép đo mối tương quan góc kiện vào đầu dò khác Đầu dò “clover” bao gồm bốn đầu dò đồng trục HPGe lớn gắn vào khoang kín, đầu dò lại có tiền khuếch đại riêng Đầu dò chia thành nhiều đoạn với nhiều kết nối, đoạn lại có tiền khuếch đại riêng; Điều này, thực tế chia đầu dò thành số vùng riêng biệt Tương tác với vùng khác đầu dò kiện tới đầu dò cho ta thơng tin chất tương tác Đầu dò TIGRE phân thành 24 phần cho phép ta xác định vết chạy không gian ba chiều tương tác gamma Bài viết Sangsingkeow et al(2003) thảo luận cách tóm tắt đầu dò loại này, so với RHESSI, PT6XT2 C-TRAIN, tất chế tạo thí nghiệm vật lý phức tạp – số chúng (RHESSI) đưa vào vũ trụ Các hệ thống hoạt động xác nhiên giá thành cao nên chưa phổ dụng phòng thí nghiệm 3.7.3 Mất chất làm lạnh 108 Bình Dewar cryostat hồn tồn bị nứt vỡ Khi điều xảy ra, hệ thống bị hở chân khơng chất cách nhiệt Tốc độ bay nitơ bình tăng lên nhanh chóng dẫn tới hoàn toàn nitơ thời gian ngắn làm nóng đầu dò Nếu đầu dò bị làm nóng có cao thế, tiền khuếch đại có nguy bị phá hỏng Để tránh điều này, hệ đo ngày có cảm biến nhiệt độ để điều khiển tắt cao nhiệt độ đầu dò tăng lên, nguyên nhân thiết bị hay người cố tình can thiệp Phần lớn cao dùng cho đầu dò Ge có đường báo cấm không cho lên cao nhiệt độ không đạt yêu cầu, đường cấm kết hợp với cảm biến nhiệt độ đầu dò bảo vệ an toàn cho thiết bị Một số tài liệu nhắc tới khả xảy nổ vỏ đầu dò q trình tăng nhiệt độ sau bị chất làm lạnh Điều buồng chân khơng bị nứt, khe hở khơng khí xuất Oxi khơng khí, có điểm sơi cao nitơ, đọng lại đầu dò lạnh Khi chất cách nhiệt bị mất, nitơ lỏng sơi nhanh chóng, nitơ lỏng hết hồn tồn, đầu dò bắt đầu tăng nhiệt độ Tốc độ tăng nhiệt độ nhanh tới mức, oxi lỏng bị cô đọng sôi, áp xuất buồng đầu dò trở nên đủ lớn để làm vỡ vỏ Do vậy, trường hợp bị chất làm lạnh, đầu dò cần phải giữ nguyên buồng che chắn đầu dò làm ấm đến nhiệt độ phòng Trong trường hợp khơng có buồng che chắn, đầu dò cần phải đưa đến vị trí lập, đảm bảo an tồn cho nhân viên phòng thí nghiệm 3.7.4 Các đầu dò tháo rời Trong số trường hợp đầu dò gắn cố định với bình Dewar gây số bất tiện q trình sử dụng Ví dụ, phòng thí nghiệm bên cạnh việc đo thơng thường phải tiến hành phép đo trường Khi họ cần phải có hai hệ đầu dò, hệ thơng thường dùng Dewar 301 hệ dùng Dewar di động Việc phải sử dụng hai hệ khơng chi phí đắt gấp đơi mà khiến ta phải xây dựng đường chuẩn hai lần Để giải vấn đề này, ORTEC giới thiệu cổ gắn đầu dò (xem Hình 3.16) Khối bao gồm đầu dò tiền khuếch đại tháo rời khỏi cần làm lạnh chuyển tới bình Dewar khác mà không làm chân không buồng chứa đầu dò Sự chuyển đổi khơng diễn giây lát Để tháo rời dầu dò khỏi bình Dewar, trước hết cần phải làm ấm đến nhiệt độ phòng Mọi thiếu kiên nhân trình tháo lắp dẫn tới hỏng hóc nghiêm trọng thiết bị Hiện nay, hãng sản xuất khác tiến hành sản xuất đầu dò tháo rời Với phần lớn người sử dụng, đầu dò tháo rời giúp người dùng có thêm lựa chọn trường hợp cần phải dùng di động sử dụng bình Dewar khác Đối với nhà sản xuất, đầu dò tháo rời không cần phải lưu trữ với bình Dewar thời gian dài, mà gắn vào bình Dewar trước chuyển hàng Do đó, đầu dò tháo rời trở thành chuẩn chung cho tất nhà sản xuất 3.7.5 Sửa chữa đầu dò 109 Trong phần 3.6.7, tơ trình bày phá hủy cấu trúc đầu dò bị chiếu nơtron nhanh Thơng thường, đầu dò gửi trả nhà sản xuất, thông thường trung tâm bảo hành nhà sản xuất để phục hồi Tất nhiên, trình tiêu tốn thời gian khoảng vài tuần với bất tiện phải tháo gửi đầu dò Nếu đầu dò khơng gặp cố khơng may khác, mà đơn cần phải phục hồi sau bị chiếu nơtron, nhà sản xuất cung cấp cho người dùng cơng cụ để tự xử lý Các loại đầu dò tháo rời bán hộp có tích hợp thiết bị nhiệt để phục hồi đầu dò Như phần gói thiết bị, port chân khơng cung cấp kèm theo nhờ chân khơng giữ q trình tăng nhiệt kiểm sốt nhiệt độ Q trình sửa chữa hồn tất khơng q Theo thời gian, đầu dò bắt đầu bị tồi độ phân giải lý mà ta không xác định Điều khử khí mẩu than chất hút ấm bên buồng chứa đầu dò, dẫn tới xuất dòng dò qua đầu dò Trong trường hợp này, độ phân giải phục hồi đầu dò chu trình nhiệt, xem Chương 12, Phần 12.3 3.7.6 Đầu dò làm lạnh điện Mặc dù làm lạnh nitơ lỏng phương pháp phổ biến nhất, nhiên số trường hợp nitơ lỏng lại không thích hợp để làm lạnh cho hệ phổ kế Điều xảy nguồn cung nitơ khơng đáp ứng khơng có đủ khơng gian để đặt bình Dewar tương thích (đủ lớn để đáp ứng thời gian đo kéo dài) Trong trường hợp vậy, làm lạnh điện giải pháp thay Trước đây, làm lạnh điện giải pháp đắt đỏ, giá thành hệ phổ kế tăng lên gấp đơi sử dụng điện để làm lạnh Tuy nhiên, mẫu đầu dò làm lạnh điện gần có giá thành hợp lý nhiều, chí số trường hợp sử dụng làm lạnh điện tiết kiệm so với làm lạnh nitơ lỏng Khi làm lạnh điện ta cần phải ý cung cấp điện áp ổn định không bị gián đoạn cho thiết bị, đồng thời đảm bảo dây an toàn: ngắt cao không đảm bảo nhiệt độ kết nối Ban đầu, hệ thống làm mát điện sử dụng tủ làm lạnh bơm khí He gắn vào đầu dò Điều làm sinh tiếng ồn micro làm tồi đáng kể độ phân giải đầu dò Trong hệ thống làm mát đại, máy nén đặt xa so với phần đầu mở rộng mà đầu dò gắn đó, kết nối vòi kim loại dẻo Các nhà sản xuất cơng bố độ phân giải đầu dò làm mát điện tồi độ phân giải đầu dò HPGe chuẩn khơng q 10% 500 keV hoàn toàn toàn dải lượng lại Ngồi ra, thiết bị làm lạnh điện có chi phí bảo trì cao chu kỳ bảo trì ngắn lại Đó nhược điểm phương pháp làm lạnh điện Tuy nhiên, ngày nay, hệ thống làm mát điện ORTEC-X-Cooler II có vòng đời đạt tới năm Gần đây, nhiều kiểu thiết kế làm lạnh điện dựa chu trình Solvay, làm mát JouleThompson, chu trình Stirling tủ làm lạnh bơm khí (các khí khác Heli) giới thiệu 110 Thiết kế dựa chu trình Stirling xuất thiết bị ORTEC trans-SPEC, hệ đầu dò cầm tay sử dụng làm lạnh điện Do bị tồi độ phân giải tiếng ồn micro, thiết bị gắn với lọc số thiết kế đặc biệt trình bày hệ thống Phân tích tích hiệu số (Xem Chương 4, Phần 4.11) Ta cần ý rằng, hệ thống làm lạnh điện giải pháp thay tốt trường hợp mà nguồn cung nitơ không đáp ứng ứng, nhiên ngày trường hợp không nhiều Các máy sản xuất nitơ cỡ nhỏ phục vụ phòng thí nghiệm có thị trường, tùy theo tình hình sở, việc sử dụng máy sản xuất nitơ tiết kiệm mặt kinh tế Các thiết bị làm lạnh điện sử dụng hệ thống làm lạnh Peltier làm lạnh đầu dò cỡ nhỏ tiền khuếch đại Ở nhiệt độ - 30 độ C, đầu dò HPGe chưa thể làm việc được, đầu dò CdTe có thể, điều mang tới cải thiện độ phân giải TÓM LƯỢC CHƯƠNG - Tổng hợp nhiều yếu tố: hệ số hấp thụ, đặc tính bán dẫn khả chế tạo tinh thể kích thước lớn có độ tinh khiết cao, giúp cho Ge trở thành vật liệu để sản xuất đầu dò bán dẫn ghi gamma độ phân giải cao - Hệ phổ kế tia X độ phân giải cao thơng dụng đầu dò Si(Li), nhiên thiết kế HPGe gần lựa chọn tốt - Đầu dò sử dụng để đo lượng thấp cần phải có điện cực ngược loại n kèm với cửa số beryllium - Đầu dò Ge hoạt động nhiệt độ nitơ lỏng để loại bỏ dòng dò để tăng tính linh động phần tử tải điện Nếu việc cung cấp nitơ lỏng vấn đề ta sử dụng hệ thống làm mát điện - Các đầu dò làm việc nhiệt độ phòng đầu dò CdTe, CdZnTe, HgI2 Tuy nhiên, đầu dò bị giới hạn kích cỡ thích hợp để đo gamma lượng thấp - Nếu làm việc mơi trường dễ bị chiếu nơtron, đầu dò loại n nên lựa chọn nên mua kèm gói thiết bị để phục hồi TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG The most easily available and relevant information on the construction and configuration of gamma-ray detectors is the manufacturers’ current equipment catalogues The detector market is so competitive that new detector developments are rapidly communicated to potential purchasers The technical details of implementing the new technology will be regarded as commercially confidential For general background reading on principles, the first three works referred to in the reading list for Chapter are as good a source as any • There is an excellent description of detector construction at: http://www.ortec-online.com/detectors/photon/a1_1.htm • Information on new electrical cooling systems: 111 Broerman, E., Upp, D., Twomey, T and Little W (2001) Performance of a new type of electrical cooler for HPGe 60 Practical gamma-ray spectrometry detector system, presented at the Institute of Nuclear Materials Management Conference, Indian Head, CA, USA Upp, D., Keyser, R.M and Twomey, T (2005) New cooling methods for HPGe detectors and associated electronics, J Radioanal Nucl Chem., 264, 121–126 • Information on CdZnTe detectors: eV Products: http://www.evproducts.com (This site has links to a number of literature sources dealing with the theoretical and technical aspects of the material at http://www.evproducts.com/white_papers_news.html) XRF Corporation: http://www.xrfcorp.com Cardoso, M.J., Simoes, B.J., Menezes, T and Correia, M.B.A (2003) CdZnTe spectra improvement through digital pulse amplitude correction using the linear sliding method, Nucl Instrum Meth Phys Res., A, 505, 334– 337 Owens, A., Buslaps, T., Gostilo, V., Graafsma, H., Hijmering, R., Kozorezov, A., Loupilov, A., Lumb, D and Welter, E (2006) Hard X- and _-ray measurements with a large volume coplanar grid CdZnTe detector, Nucl Instrum Meth Phys Res., A, 563, 242–248 • Comparison of CdTe and HPGe detectors: Perez-Andujar, A and Pibida, L., (2004) Performance of CdTe, HPGe and NaI(Tl) detectors for radioactivity measurements, Appl Radiat Isotopes, 60, 41–47 There is a considerable amount of information, albeit of a very technical nature, about other new semiconductor materials accessible via search engines on the Internet • Information on a liquid nitrogen generator: Rigaku/MSC: http://www.rigakumsc.com/cryo/nitrogen.html • For a brief review on advances in detector technology: Sangsingkeow, P., Berry, K.D., Dumas, J., Raudorf, T.W and Underwood, T.A (2003) Advances in germanium detector technology, Nucl Instrum Meth Phys Res., A, 505, 183–186 112 ... 4.22 6 .30 100 GaAs 31 , 33 RT 1.45 4.51 5 .35 8000 400 TlBr 81, 35 —20°C 2.68 ? 7.56 — — PbI2 82, 53 — 2.6 7.68 6.16 GaSe 31 , 34 — 2. 03 6 .3 4.55 — — AlSb 13, 51 — 1.62 5.05 4.26 — — CdSe 48, 34 —... 1.106 3. 62 2 .33 135 0 480 Liquid N2 Ge 32 0.67 2.96 5 .32 3. 6 x 104 4.2 x 104 o (77 K) CdTe 48, 52 RT 1.47 4. 43 6.06 1000 80 CdZnTe 48, 30 , 52 RT 1.57 4.64 5.78 1000 50-80 HgI2 80, 53 RT 2. 13 4.22... độ tinh khiết cao Hình 3. 4 Cấu trúc đầu dò Ge Hiệu suất ghi tương đối đầu dò HPGe đánh giá cách chia thể tích chủ động đầu dò cho 4 .33 Lấy mật độ khối Ge 5 .33 g.cm -3, 23g Ge tương ứng với 1%