Khóa luận Tính toán hiệu suất ghi cho đầu dò bán dẫn HPGe bằng phần mềm mô phỏng MCNP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TRƯƠNG THỊ KIM NGỌC

TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT GHI CHO

ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe BẰNG PHẦN

MỀM MÔ PHỎNG MCNP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN

LÂM ĐỒNG, 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TRƯƠNG THỊ KIM NGỌC – 1310546

TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT GHI CHO

ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe BẰNG

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MCNP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. TRỊNH THỊ TÚ ANH

KHÓA 2013 – 2017

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

...............................................................................................................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

...............................................................................................................................................................

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp và đạt kết quả như ngày hôm nay, con

xin cảm ơn Ba Mẹ đã luôn yêu thương, tin tưởng tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con

có thể đón lấy ánh sáng Tri thức. Và đây chính là thành quả Tri thức đầu tiên mà

con đã hoàn thành.

Em xin bày tỏ sự biết ơn đến Cô giáo hướng dẫn Tiến Sĩ Trịnh Thị Tú Anh

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và truyền đạt vốn kiến thức quý báu và

tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận.

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc biệt là

quý Thầy, Cô Khoa Vật Lý, Khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và anh Trịnh Văn Cường

đang công tác tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã truyền đạt vốn kiến thức quý

báu để em có một nền móng kiến thức vững chắc để thực hiện đề tài nghiên cứu

ngày hôm nay.

Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn lớp Kỹ Thuật Hạt Nhân

K37 đã luôn sát cánh cùng tôi trong những năm học qua, dành sự tin tưởng, giúp đỡ

tôi để tôi có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.

TRƯƠNG THỊ KIM NGỌC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT HIỆU SUẤT GHI............................................................ 3

1.1. Hệ phổ kế gamma................................................................................................. 3

1.2. Tương tác gamma với vật chất............................................................................. 4

1.2.1. Hiệu ứng quang điện...................................................................................... 5

1.2.2. Tán xạ Compton............................................................................................. 5

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp............................................................................................ 6

1.3. Đầu dò HPGe........................................................................................................ 7

1.3.1. Nguyên tắc hoạt động .................................................................................... 8

1.3.2. Các loại đầu dò HPGe.................................................................................... 8

1.4. Hiệu suất ghi của đầu dò ...................................................................................... 9

1.4.1. Khái niệm hiệu suất ghi ................................................................................. 9

1.4.2. Các loại hiệu suất ghi..................................................................................... 9

1.4.2.1. Hiệu suất tuyệt đối ................................................................................ 9

1.4.2.2. Hiệu suất thực/nội .................................................................................10

1.4.2.3. Hiệu suất toàn phần...............................................................................10

1.4.2.4. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ...................................................10

1.4.2.5. Hiệu suất danh định...............................................................................11

1.4.3. Xác định hiệu suất ghi của đầu dò bằng thực nghiệm ...................................11

1.4.4. Xác định sai số của hiệu suất.........................................................................11

1.4.5. Tính toán hiệu suất ghi bằng phần mềm mô phỏng MCNP ..........................12

1.4.6. Xác định sai số trong tính toán hiệu suất ghi bằng phần mềm mô phỏng

MCNP ............................................................................................................12

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP ...13

2.1. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo ..................................................................13

2.2. Phần mềm MCNP.................................................................................................14

2.3. Cấu trúc file input của chương trình MCNP ........................................................16

2.4. Hình học trong chương trình MCNP ...................................................................17

2.4.1. Cell card.........................................................................................................18

2.4.2. Surface card ...................................................................................................19

2.5. Vật liệu .................................................................................................................21

2.6. Mô tả nguồn..........................................................................................................21

2.7. Tally......................................................................................................................24

2.8. Câu lệnh................................................................................................................26

2.9. Chạy chương trình MCNP....................................................................................27

2.10. Kết quả bài toán....................................................................................................28

2.11. Sai số tương đối....................................................................................................28

2.12. Nhận xét................................................................................................................30

2.13. Một số hình ảnh của buồng chì và detector HPGe GEM50P4 ..........................31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................34

3.1. Nguồn điểm ..........................................................................................................34

3.2. Nguồn Merinelli ...................................................................................................43

3.3. Nguồn hình trụ......................................................................................................50

KẾT LUẬN...................................................................................................................56

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................57

PHỤ LỤC......................................................................................................................58

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ý nghĩa Chữ viết tắt

Các ký hiệu

훾

Ý nghĩa

Germanium

Gamma

Ge

µ

Hệ số suy giảm của vật

liệu mẫu

HPGe

Germanium siêu tinh khiết

Hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phần

MCNP

Chương trình mô phỏng

Monte Carlo

휀

Hiệu suất tương đối

Năng lượng gamma

Tally

MCA

Đánh giá

Khối phân tích biên độ đa

kênh

휀_푟

E

Mật độ mẫu

Bề dày mẫu (cm)

Neutron

TP HCM

PC

NJOY

Thành phố Hồ Chí Minh

Máy tính

Mã định dạng các thư viện

số liệu hạt nhân trong

MCNP

휌

h

N

P

r

V

Photon

Bán kính mẫu (cm)

Thể tích mẫu (cm³)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Một số toán tử............................................................................................... 18

Bảng 2.2: Các dạng hình học dùng trong chương trình MCNP.................................... 19

Bảng 2.3: Thông số nguồn ............................................................................................ 22

Bảng 2.4: Các loại nguồn điểm..................................................................................... 22

Bảng 2.5: Một số dạng hình học nguồn ........................................................................ 23

Bảng 2.6: Các tally cơ bản ............................................................................................ 25

Bảng 2.7: Các đơn vị tính tally ..................................................................................... 25

Bảng 2.8: Một số câu lệnh trong chương trình MCNP................................................. 26

Bảng 2.9: Ý nghĩa sai số tương đối R trong chương trình MCNP................................ 29

Bảng 2.10: Thông số hình học và vật liệu detector cung cấp bởi nhà sản xuất............ 30

Bảng 3.1 Kết quả tính toán hiệu suất ghi thực nghiệm của nguồn điểm tại vị trí sát

mặt detector................................................................................................................... 34

Bảng 3.2 Kết quả tính toán hiệu suất ghi thực nghiệm của nguồn điểm tại vị trí cách

mặt detector 5cm........................................................................................................... 35

Bảng 3.3 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP và thực nghiệm sử dụng nguồn điểm đơn năng đặt tại vị trí sát

mặt và cách 5cm so với detector ................................................................................... 35

Bảng 3.4 Kết quả tính toán hiệu suất ghi thực nghiệm của nguồn điểm tại vị trí cách

mặt detector 10cm......................................................................................................... 36

Bảng 3.5 Kết quả tính toán hiệu suất ghi thực nghiệm của nguồn điểm tại vị trí cách

mặt detector 15cm......................................................................................................... 36

Bảng 3.6 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP và thực nghiệm sử dụng nguồn điểm đơn năng đặt tại vị trí cách

10cm và 15cm so với mặt detector................................................................................ 37

Bảng 3.7 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP sử dụng nguồn Meri-soil và Meri-water đặt sát mặt detector ......... 45

Bảng 3.8 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP sử dụng nguồn Meri-concrete đặt sát mặt detector ......................... 46

Bảng 3.9 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP và thực nghiệm sử dụng nguồn hình trụ đặt tại vị trí sát mặt và

cách 5cm so với mặt detector........................................................................................ 50

Bảng 3.10 Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh 휀 (%) và sai số hiệu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)

mô phỏng MCNP và thực nghiệm sử dụng nguồn hình trụ đặt tại vị trí cách 10cm và

15cm so với mặt detector .............................................................................................. 51

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma................................................................. 3

Hình 1.2 Phổ gamma ................................................................................................... 4

Hình 1.3 Hiệu ứng quang điện..................................................................................... 5

Hình 1.4 Tán xạ Compton ........................................................................................... 6

Hình 1.5 Minh họa góc khối nguồn – đầu dò ............................................................. 10

Hình 2.1 Mô hình giả định notron tương tác với vật chất .......................................... 15

Hình 2.2 Mặt cắt buồng chì của nguồn điểm tại vị trí cách mặt detector 15cm ........... 31

Hình 2.3 Mặt cắt dọc detector....................................................................................... 32

Hình 2.4 Mặt cắt dọc của buồng chì khi gieo hạt ......................................................... 33

Hình 3.1 Mặt cắt buồng chì của nguồn điểm tại vị trí cách mặt detector 15cm ........... 34

Hình 3.2 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn điểm đặt sát mặt

detector so sánh với các giá trị thực nghiệm................................................................. 38

Hình 3.3 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn điểm đặt sát mặt

detector so sánh với các giá trị thực nghiệm................................................................. 39

Hình 3.4 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn điểm đặt cách mặt

detector 10cm so sánh với các giá trị thực nghiệm....................................................... 40

Hình 3.5 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn điểm đặt cách mặt

detector 10cm so sánh với các giá trị thực nghiệm....................................................... 41

Hình 3.6 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn điểm đặt cách mặt

detector 15cm so sánh với các giá trị thực nghiệm....................................................... 42

Hình 3.7 Mặt cắt buồng chì của nguồn Meri-soil đặt sát mặt detector......................... 43

Hình 3.8 Mặt cắt buồng chì của nguồn Meri-water đặt sát mặt detector...................... 44

Hình 3.9 Mặt cắt buồng chì của nguồn Meri-concrete đặt sát mặt detector ................. 45

Hình 3.10 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP và thực nghiệm tại vị trí nguồn

Meri-soil đặt sát mặt detector........................................................................................ 47

Hình 3.11 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP và thực nghiệm tại vị trí nguồn

Meri-water đặt sát mặt detector..................................................................................... 48

Hình 3.12 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn Meri-concrete và

Meri-soil đặt sát mặt detector........................................................................................ 49

Hình 3.13 Mặt cắt buồng chì của nguồn hình trụ đặt cách mặt detector 15cm ............ 50

Hình 3.14 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn hình trụ đặt sát

mặt detector so sánh với các giá trị thực nghiệm.......................................................... 52

Hình 3.15 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn hình trụ đặt cách

mặt detector 5 cm so sánh với các giá trị thực nghiệm................................................. 53

Hình 3.16 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn hình trụ đặt cách

mặt detector 10cm so sánh với các giá trị thực nghiệm................................................ 54

Hình 3.17 Đường cong hiệu suất mô phỏng MCNP tại vị trí nguồn hình trụ đặt cách

mặt detector 15cm so sánh với các giá trị thực nghiệm................................................ 55

MỞ ĐẦU

Vật lý hạt nhân ngày nay đang có những bước phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt

trong lĩnh vực khoa học hạt nhân ứng dụng. Từ khi phát hiện ra hiện tượng phóng

xạ, việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý hạt nhân dựa trên đo đạc phổ phóng xạ

ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó, lĩnh vực đo phổ gamma được tập trung

nghiên cứu và đem lại nhiều kết quả thực tiễn quan trọng. Hiện nay, công nghệ đo

phổ gamma được phát triển ở mức độ cao và được sử dụng phổ biến trong các

phòng nghiên cứu. Tại Việt Nam, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội,

Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh

(TPHCM) và một số phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân thuộc các trường đại học đã

được trang bị các hệ phổ kế gamma để phục vụ nghiên cứu và đo đạc, khảo sát các

mẫu môi trường.

Có hai cách để tiến hành khảo sát phổ gamma, đo đạc trực tiếp hoặc sử dụng

phương pháp Monte Carlo. Một trong những chương trình mô phỏng của phương

pháp Monte Carlo đang được sử dụng rộng rãi hiện nay để giải quyết các vấn đề

trong vật lý hạt nhân là chương trình MCNP. Đây là một chương trình mô phỏng có

độ tin cậy cao vì đã được kiểm chứng và sử dụng trong nhiều năm qua và ở nhiều

phòng thí nghiệm trong nước cũng như trên toàn thế giới.

Tại Việt Nam, một mặt do các điều kiện phòng thí nghiệm ở nhiều nơi khó

khăn, mặt khác việc xác lập đường cong hiệu suất chuẩn thực nghiệm cho các mẫu

rất tốn kém. Do vậy, việc thiết lập công thức giải tích là một trong những cách tốt

nhất để giải quyết vấn đề tính toán hiệu suất, đó cũng chính là mục tiêu lớn nhất của

luận văn này. Tuy nhiên, việc xây dựng công thức giải tích đòi hỏi phải có một bộ

dữ liệu hiệu suất theo cấu hình đo rất lớn, khó có thể thu được bằng phương pháp

thực nghiệm thông thường. Do đó, tôi đã sử dụng phương pháp Monte Carlo để tạo

ra bộ dữ liệu đủ để cho phép xây dựng công thức giải tích

Trong luận văn này, chương trình mô phỏng MCNP được dùng để mô phỏng hệ

phổ kế gamma với detector HPGe đối với mẫu khối hình trụ và Marinelli.

Với mục đích nêu trên, nội dụng luận văn được bố cục như sau:

Chương 1: Lý thuyết hiệu suất ghi

1

Chương 2: Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng không

tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các Thầy, Cô trong hội đồng góp ý kiến để

bài luận văn này được hoàn thiện hơn.

2

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT HIỆU SUẤT GHI

1.1. Hệ phổ kế gamma

Sơ đồ khối của một hệ phổ kế gamma được cho trong Hình 1.1

Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma

Đầu dò thu nhận tín hiệu từ các nguồn phóng xạ và biến thành xung điện, các

tín hiệu ở lối ra đầu dò có biên độ rất bé, do đó cần khuếch đại sơ bộ bằng tiền

khuếch đại (Pre. Amp). Tín hiệu ở lối ra tiền khuếch đại được đưa vào khối khuếch

đại chính (Amplifer) để khuếch đại tín hiệu đủ lớn về biên độ và hình thành xung

chuẩn. Sau đó tín hiệu được biến đổi từ dạng tương tự sang dạng số qua bộ ADC

(Anolog to Digital Converter) và được xử lý qua khối phân tích biên độ đa kênh

(MCA). Tín hiệu sau khi được xử lý và được hiển thị qua máy tính (PC) là thông tin

về nguồn phóng xạ cần đo.

Hình 1.2 biểu diễn phổ gamma thu được từ nguồn ⁶⁰Co sử dụng đầu dò HPGe

loại-p với hiệu suất tương đối 110%. Từ Hình 1.2 có thể thấy rõ trong phổ xuất hiện

các tia X đặc trưng từ sự hấp thụ quang điện trong vật liệu chì che chắn, đỉnh tán xạ

3

ngược, những đỉnh thoát đơn (SE) và thoát đôi (DE) và tạo cặp của tia gamma 1332

keV. Đỉnh 511 keV từ bức xạ hủy cặp được sinh ra trong vật liệu che chắn, các biên

tán xạ Compton và các đỉnh năng lượng toàn phần từ hai tia gamma sơ cấp. Ngoài

ra còn xuất hiện các đỉnh: đỉnh 2346 keV (2x1173 keV) và 2665 keV (2x1332 keV)

tạo bởi tổng của các sự kiện chồng chập 1173 keV và 1332 keV; đỉnh 2506 keV là

do hấp thụ toàn phần cả hai tia gamma sơ cấp phát ra đồng thời. Thành phần phông

bao gồm đỉnh 1460 keV từ ⁴⁰K và 2614 keV từ ^228Th

.

Hình 1.2. Phổ gamma đo trên nguồn ⁶⁰Co với năng lượng 1173 và 1332 keV

1.2. Tương tác của gamma với vật chất

Bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình hấp

thụ và tán xạ. Trong quá trình hấp thụ, tia gamma sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho

các hạt trong vật chất, sau đó tia gamma biến mất. Còn trong quá trình tán xạ, tia

gamma chỉ truyền cho các hạt vật chất một phần năng lượng và nó bị tán xạ dưới

một góc nào đó (phương chuyển động ban đầu bị thay đổi). Quá trình tương tác

giữa tia gamma và vật chất được gọi là sự ion hóa gián tiếp vì các sản phẩm tạo ra

sau va chạm (các hạt vi mô tích điện hay các photon thứ cấp) sẽ tác dụng tiếp với

các hạt trong môi trường vật chất và tạo ra phần lớn các ion

Các tia gamma có thể tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau, tuy

nhiên, trong ghi đo phóng xạ, người ta dựa vào ba quá trình đóng vai trò quan trọng

nhất: hiệu ứng quang điện, tán xạ Comton và hiệu ứng tạo cặp. Một số hiệu ứng

4

khác như tán xạ Thomson, phản ứng quang hạt nhân, .... có xác suất thấp nên có thể

bỏ qua.

1.2.1. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện làm ion hóa một nguyên tử, phần lớn năng lượng tia

gamma chuyển thành động năng của electron và được ghi nhận. Về nguyên tắc, nếu

không có photon hay electron nào thoát ra khỏi đầu dò thì tổng các động năng của

electron được tạo ra bằng năng lượng tia gamma tới. Từ đó, hấp thụ quang điện là

quá trình lý tưởng để đo năng lượng tia gamma. Xung ghi được do hiệu ứng quang

điện nếu không có hiệu ứng bề mặt và thoát tia X sẽ đóng góp vào số đếm của đỉnh

năng lượng toàn phần.

Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện

1.2.2. Tán xạ Compton

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên

kết của electron K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn

đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của

electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán

xạ với electron tự do, gọi là tán xạ Compton.

Tán xạ Compton là sự tán xạ đàn hồi của gamma vào các electron chủ yếu ở

quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau quá trình tán xạ, lượng tử gamma thay đổi

phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi

nguyên tử.

5

Hình 1.4. Tán xạ Compton

Khi tia gamma tương tác với vùng nhạy của detector bởi hiệu ứng Compton,

năng lượng tia gamma ban đầu chuyển thành động năng của electron giật lùi và

năng lượng của tia gamma bị tán xạ. Mối quan hệ giữa động năng electron T_e, năng

lượng tia gamma hv và góc tán xạ 휃 được cho bởi:

(

)

ℎ푣[훼 1 − 푐표푠휃 ]

푇 = ℎ푣 − ℎ푣^′=

푒

1 + 훼(1 − 푐표푠휃)

ℎ푣

Với = _{푚 푐}, m_elà khối lượng nghỉ của eletron

2

푒

Có hai trường hợp cực trị:

- Khi góc tán xạ 휃 = 0 thì hv = hv’, T_emin= 0. Trong cực trị này, tia gamma bị

tán xạ mang năng lượng gần bằng năng lượng tia gamma tới.

- Khi góc tán xạ 휃 = 휋 thì T_emax, năng lượng tia gamma tán xạ là nhỏ nhất

Phông của hiện tượng tán xạ Compton trong phổ bức xạ photon được phân bố

trong vùng từ T_eminđến T_emaxtạo thành miền Compton liên tục. Tại T_emaxta được

cạnh Compton. Các tia gamma thứ cấp (gamma tán xạ) có thể thoát khỏi bề mặt tinh

thể nhưng cũng có thể tương tác tiếp bằng các hiệu ứng đã biết. Như vậy, bằng hiệu

ứng Compton, tia gamma cũng có thể cho xung đóng góp vào đỉnh năng lượng toàn

phần nếu tia gamma mất hoàn toàn năng lượng trong tinh thể sau những tán xạ liên

tiếp.

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp

Những photon có năng lượng 퐸_훾≥ 1,022 MeV khi đến gần hạt nhân nguyên

tử sẽ tương tác với trường hạt nhân đó và biến chuyển thành một cặp electron (e^-) và

positron (e⁺). Đó là hiệu ứng tạo cặp electron – positron. Năng lượng tối thiểu dùng

6

cho hiệu ứng này là 1,022 MeV tương ứng với khối lượng tĩnh m_ecủa hai hạt vi mô

đó (E = m_ec²= 0,511 MeV).

Phần năng lượng còn lại của photon tới trở thành động năng của hai hạt vi

mô mới xuất hiện. Như vậy:

퐸 = 2m_ec²+ E^-_d+ E⁺

d

훾

Các hạt thứ cấp này có động năng nên sẽ tương tác với vật chất và cũng gây

ra quá trình ion hóa thứ cấp. Electron sẽ mất dần động năng rồi chuyển về dạng

chuyển động nhiệt hoặc gắn với một ion dương nào đó. Positron mang điện tích

dương nên sẽ dễ dàng kết hợp với các electron khác trong vật chất, điện tích của

chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau gọi là hiện tượng hủy electron – positron.

Khi hủy electron – positron, hai lượng tử gamma sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi

lượng tử có năng lượng 0,511 MeV, tức là năng lượng tổng cộng của chúng bằng

tổng khối lượng hai hạt electron và positron 1,022 MeV.

Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt

nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá

trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất bé so với quá trình tạo

cặp gần hạt nhân khoảng 1000 lần.

1.3. Đầu dò HPGe

Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Sau đó,

Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không những phát ra các tia 훼

và 훽 mà còn phát ra một loại bức xạ có khả năng đâm xuyên rất mạnh được gọi là

tia gamma. Cùng với những nghiên cứu về tia X và tia gamma, các thiết bị ghi bức

xạ tia X và tia gamma cũng không ngừng được phát triển và ứng dụng. Sự phát triển

của các detector nhìn chung chia làm 3 nhóm chính: các detector chứa khí được

phát triển sớm nhất, sau đó đến các detector nhấp nháy và hiện đại nhất là các

detector bán dẫn. Với những ưu điểm như: độ chính xác, tốc độ ghi nhận cao, độ

phân giải tốt và khả năng ghi nhận thông tin đa chiều, detector bán dẫn đã trở nên

phổ biến cho việc nghiên cứu cơ bản hay trong vật lý ứng dụng.

Đầu dò Ge là đầu dò có độ phân giải cao nhất hiện nay. Năng lượng của tia

gamma có thể được đo với độ phân giải lên tới 0,1%. Có hai loại đầu dò Ge là đầu

dò germanium khuếch tán lithium kí hiệu Ge(Li) và đầu dò germanium siêu tinh

7

khiết kí hiệu HPGe. Cả hai loại đầu dò đều có độ nhạy và độ phân giải tốt nhưng

nhược điểm của đầu dò Ge(Li) là trong quá trình hoạt động của detector, các

nguyên tử Li của lớp n⁺(lớp chết) tiếp tục khuếch tán vào sâu bên trong tinh thể làm

cho bề dày lớp này tăng lên đáng kể, thu hẹp thể tích hoạt động của detector. Hiện

tượng khuếch tán này có thể hạn chế được bằng cách luôn giữ lạnh detector ở nhiệt

độ nitơ lỏng. Sự phát triển của đầu dò HPGe có thể khắc phục nhược điểm này do

không cần làm lạnh bằng nitơ lỏng khi bảo quản.

1.3.1. Nguyên tắc hoạt động

Khi lượng tử gamma tương tác với chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do

thông qua ba hiệu ứng chủ yếu: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp.

Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển

lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy, thông qua các hiệu ứng tương tác, các diện

tích (bao gồm electron và lỗ trống) được tạo ra và được điện trường quét về hai cực

P và N tương ứng. Điện tích này tỉ lệ với năng lượng tia tới để lại trong đầu dò và

được biến đổi thành xung điện bởi tiền khuếch đại hay nhạy điện tích.

Như vậy, năng lượng của tia gamma được đo bằng đầu dò Ge bởi vì năng

lượng của photon đã được chuyển sang cho các electron. Các tia gamma năng lượng

thấp có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện để tạo ra một electron đơn

với hầu hết năng lượng của photon tới. Đối với photon có năng lượng từ 100 keV

đến dưới 1 MeV, hiệu ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn

bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi phải có một hay nhiều hơn các tán xạ

Compton và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện. Sự tạo thành cặp electron-

positron đóng vai trò quan trọng ở mức năng lượng trên 2m_ec²(1,022 MeV).

1.3.2. Các loại đầu dò HPGe

Ta có thể phân biệt hai loại detector Ge theo xuất phát điểm ban đầu là chất

bán dẫn loại p hay loại n. Ngoài ra, về mặt hình học còn có thể phân chia ra các loại

đồng trục, loại hình giếng hay loại phẳng.

- Detector HPGe loại p, kiểu đồng trục: Chất bán dẫn xuất phát là loại p.

Người ta tạo ra một lớp n⁺dày khoảng 0,5 – 0,8 mm bằng phương pháp khuếch tán

lithium – Li. Khi sử dụng phải đặt cao áp dương (+2 kV đến +4 kV) để kéo các cặp

8