Ngày nay việc đo phổ gamma sử dụng đầu dò bán dẫn rất phổ biến trong việc ghi nhận bức xạ gamma và xác định hoạt độ phóng xạ vì có độ phân giải tốt. Việc sử dụng đầu dò bán dẫn đã giúp tạo nên các kết quả chính xác hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma của đầu dò với năng lượng khác nhau. Có nhiều loại đầu dò khác nhau về thuộc tính, nhưng tất cả đều dựa trên nguyên tắc là chuyển một phần hay toàn bộ năng lượng bức xạ trong đầu dò thành tín hiệu điện (dạng xung điện) và sau đó có thể được đo bằng các thiết bị điện tử. Trong luận văn này đầu dò bán dẫn HPGe được sử dụng để nghiên cứu sự đáp ứng của đầu dò với một số đồng vị phóng xạ có trong môi trường. Dưới đây là một số điểm đặc trưng của đầu dò này.
1.4.1. Giới thiệu
Đầu dò germanium là loại đầu dò được dùng ghi nhận tia gamma có độ phân giải năng lượng tốt. Trong luận văn này chúng tôi quan tâm đến một đầu dò germanium siêu tinh khiết ký hiệu HPGe. Loại đầu dò này có độ nhạy và độ phân giải tốt.
Các đầu dò germanium về bản chất là các diod bán dẫn có cấu trúc P-I-N, ở đó vùng I là vùng nhạy đối với bức xạ ion hóa, đặc biệt đối với tia X và gamma. Khi phân cực ngược, sẽ xuất hiện điện trường ngang qua vùng I này (khi đó gọi là vùng nghèo). Khi photon tương tác với vùng nghèo của đầu dò, các điện tích (electron và lỗ trống) được tạo ra và điện trường này
quét về hai cực P và N tương ứng. Lượng điện tích ghi nhận được tỷ lệ với năng lượng tia tới để lại trong đầu dò và được biến đổi thành xung điện bởi tiền khuếch đại nhạy điện tích.
1.4.2. Mô tả đầu dò HPGe GC2018
Hệ phổ kế gamma sử dụng trong đề tài này được mô tả như loại phổ kế thuộc Phòng thí nghiệm chuyên đề 2, Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. HCM.
Hình 1.13 trình bày hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe này.
Hình 1.13. Hệ phổ kế đầu dò HPGe GC2018.
Khi mô phỏng hệ phổ kế chúng tôi chỉ quan tâm đến phần chính của hệ đầu dò HPGe là đầu dò được kí hiệu là GC2018, nguồn và buồng chì che chắn.
Phần chính của đầu dò GC2018 là tinh thể Ge siêu tinh khiết (độ tạp chất vào khoảng 1010 nguyên tử/cm3) có đường kính ngoài 52 mm, chiều cao 49,5 mm. Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7 mm, độ sâu của hốc là 35 mm. Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp lithium) được khuếch tán có bề dày 0,86 mm nối với điện cực dương. Mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại p (lớp boron) được cấy ion có bề dày 3.10-3 mm nối với điện cực âm. Mặt trên cùng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu bao gồm lớp trên được làm bằng kapton với bề dày 0,1 mm, lớp dưới làm bằng mylar được kim loại hóa với bề dày 0,85.10-3 mm. [4]
Hình 1.14. Cấu trúc đầu dò GC2018 (kích thước theo mm).
Hộp kín bằng nhôm có độ dày 2,7 mm (chổ dày nhất), 0,76 mm (chổ mỏng nhất) để đảm bảo tránh được sự hấp thụ các photon năng lượng thấp. Khoảng chân không ở giữa mặt trên của tinh thể Ge với mặt dưới của vỏ nhôm là 5 mm để tránh va chạm với bề mặt tinh thể Ge khi lắp ráp đầu dò.
Đầu dò GC2018 được đặt trong buồng chì giảm phông từ môi trường. Như ta đã biết chì là loại vật liệu có Z cao, chính điều này đã giúp nó hấp thụ tia gamma trong môi trường và làm giảm phông cho đầu dò.
Tuy nhiên tương tác của tia gamma với chì cũng tạo ra tia X có năng lượng trong khoảng (75 – 85) keV. Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Để hạn chế điều này người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp đồng và thiếc có bề dày tương ứng là 1,5 mm và 1,0 mm.
Hình 1.15. Mặt cắt dọc hệ đầu dò – buồng chì.