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  
NHN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DN  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
NHN XÉT CA GIÁO VIÊN PHN BIN  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
...............................................................................................................................................................  
LI CẢM ƠN  
Để hoàn thành khóa lun tt nghiệp và đạt kết quả như ngày hôm nay, con  
xin cảm ơn Ba Mẹ đã luôn yêu thương, tin tưởng to mọi điều kin tt nht cho con  
có thể đón lấy ánh sáng Tri thc. Và đây chính là thành quả Tri thức đầu tiên mà  
con đã hoàn thành.  
Em xin bày tsbiết ơn đến Cô giáo hướng dn Tiến Sĩ Trịnh ThTú Anh  
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và truyền đạt vn kiến thc quý báu và  
to mọi điu kin thun li cho em trong quá trình hc tp và thc hin khóa lun.  
Em xin gi li cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc bit là  
quý Thy, Cô Khoa Vt Lý, Khoa KThut Ht Nhân và anh Trịnh Văn Cường  
đang công tác ti Vin nghiên cu hạt nhân Đà Lạt đã truyền đạt vn kiến thc quý  
báu để em có mt nn móng kiến thc vng chắc để thc hiện đề tài nghiên cu  
ngày hôm nay.  
Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn lp KThut Ht Nhân  
K37 đã luôn sát cánh cùng tôi trong những năm học qua, dành sự tin tưởng, giúp đỡ  
tôi để tôi có thhoàn thành tt khóa lun tt nghip này.  
TRƯƠNG THỊ KIM NGC  
MC LC  
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1  
CHƯƠNG 1: LÝ THUYT HIU SUT GHI............................................................ 3  
1.1. Hphkế gamma................................................................................................. 3  
1.2. Tương tác gamma với vt cht............................................................................. 4  
1.2.1. Hiu ứng quang điện...................................................................................... 5  
1.2.2. Tán xCompton............................................................................................. 5  
1.2.3. Hiu ng to cp............................................................................................ 6  
1.3. Đầu dò HPGe........................................................................................................ 7  
1.3.1. Nguyên tc hoạt đng .................................................................................... 8  
1.3.2. Các loại đầu dò HPGe.................................................................................... 8  
1.4. Hiu sut ghi của đu dò ...................................................................................... 9  
1.4.1. Khái nim hiu sut ghi ................................................................................. 9  
1.4.2. Các loi hiu sut ghi..................................................................................... 9  
1.4.2.1. Hiu sut tuyệt đối ................................................................................ 9  
1.4.2.2. Hiu sut thc/ni .................................................................................10  
1.4.2.3. Hiu sut toàn phn...............................................................................10  
1.4.2.4. Hiu suất đỉnh năng lượng toàn phn ...................................................10  
1.4.2.5. Hiu suất danh đnh...............................................................................11  
1.4.3. Xác định hiu sut ghi của đầu dò bng thc nghim ...................................11  
1.4.4. Xác định sai sca hiu sut.........................................................................11  
1.4.5. Tính toán hiu sut ghi bng phn mm mô phng MCNP ..........................12  
1.4.6. Xác định sai strong tính toán hiu sut ghi bng phn mm mô phng  
MCNP ............................................................................................................12  
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP ...13  
2.1. Gii thiệu phương pháp Monte Carlo ..................................................................13  
2.2. Phn mm MCNP.................................................................................................14  
2.3. Cu 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. Vt liu .................................................................................................................21  
2.6. Mô tngun..........................................................................................................21  
2.7. Tally......................................................................................................................24  
2.8. Câu lnh................................................................................................................26  
2.9. Chạy chương trình MCNP....................................................................................27  
2.10. Kết qubài toán....................................................................................................28  
2.11. Sai số tương đi....................................................................................................28  
2.12. Nhn xét................................................................................................................30  
2.13. Mt shình nh ca bung chì và detector HPGe GEM50P4 ..........................31  
CHƯƠNG 3: KT QUVÀ THO LUN................................................................34  
3.1. Nguồn đim ..........................................................................................................34  
3.2. Ngun Merinelli ...................................................................................................43  
3.3. Ngun hình tr......................................................................................................50  
KT LUN...................................................................................................................56  
TÀI LIU THAM KHO.............................................................................................57  
PHLC......................................................................................................................58  
BNG CÁC KÝ HIU VÀ CHVIT TT  
Ý nghĩa Chviết tt  
Các ký hiu  
Ý nghĩa  
Germanium  
Gamma  
Ge  
µ
Hssuy gim ca vt  
liu mu  
HPGe  
Germanium siêu tinh khiết  
Hiu suất đỉnh năng  
lượng toàn phn  
MCNP  
Chương trình mô phng  
Monte Carlo  
Hiu suất tương đi  
Năng lượng gamma  
Tally  
MCA  
Đánh giá  
Khối phân tích biên độ đa  
kênh  
푟  
E
Mật độ mu  
Bdày mu (cm)  
Neutron  
TP HCM  
PC  
NJOY  
Thành phHChí Minh  
Máy tính  
Mã định dạng các thư viện  
sliu ht nhân trong  
MCNP  
h
N
P
r
V
Photon  
Bán kính mu (cm)  
Thtích mu (cm3)  
DANH MC CÁC BNG  
Bng 2.1: Mt stoán t............................................................................................... 18  
Bng 2.2: Các dng hình học dùng trong chương trình MCNP.................................... 19  
Bng 2.3: Thông sngun ............................................................................................ 22  
Bng 2.4: Các loi nguồn đim..................................................................................... 22  
Bng 2.5: Mt sdng hình hc ngun ........................................................................ 23  
Bảng 2.6: Các tally cơ bản ............................................................................................ 25  
Bảng 2.7: Các đơn vtính tally ..................................................................................... 25  
Bng 2.8: Mt scâu lệnh trong chương trình MCNP................................................. 26  
Bng 2.9: Ý nghĩa sai số tương đối R trong chương trình MCNP................................ 29  
Bng 2.10: Thông shình hc và vt liu detector cung cp bi nhà sn xut............ 30  
Bng 3.1 Kết qutính toán hiu sut ghi thc nghim ca nguồn điểm ti vtrí sát  
mt detector................................................................................................................... 34  
Bng 3.2 Kết qutính toán hiu sut ghi thc nghim ca nguồn điểm ti vtrí cách  
mt detector 5cm........................................................................................................... 35  
Bng 3.3 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP và thc nghim sdng nguồn điểm đơn năng đặt ti vtrí sát  
mt và cách 5cm so vi detector ................................................................................... 35  
Bng 3.4 Kết qutính toán hiu sut ghi thc nghim ca nguồn điểm ti vtrí cách  
mt detector 10cm......................................................................................................... 36  
Bng 3.5 Kết qutính toán hiu sut ghi thc nghim ca nguồn điểm ti vtrí cách  
mt detector 15cm......................................................................................................... 36  
Bng 3.6 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP và thc nghim sdng nguồn điểm đơn năng đặt ti vtrí cách  
10cm và 15cm so vi mt detector................................................................................ 37  
Bng 3.7 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP sdng ngun Meri-soil và Meri-water đặt sát mt detector ......... 45  
Bng 3.8 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP sdng ngun Meri-concrete đặt sát mt detector ......................... 46  
Bng 3.9 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP và thc nghim sdng ngun hình trụ đặt ti vtrí sát mt và  
cách 5cm so vi mt detector........................................................................................ 50  
Bng 3.10 Kết quso sánh hiu suất đỉnh (%) và sai shiu suất đỉnh 훿휀/휀 (%)  
mô phng MCNP và thc nghim sdng ngun hình trụ đặt ti vtrí cách 10cm và  
15cm so vi mt detector .............................................................................................. 51  
DANH MC CÁC HÌNH  
Hình 1.1 Sơ đồ khi ca hphkế gamma................................................................. 3  
Hình 1.2 Phgamma ................................................................................................... 4  
Hình 1.3 Hiu ứng quang đin..................................................................................... 5  
Hình 1.4 Tán xCompton ........................................................................................... 6  
Hình 1.5 Minh ha góc khi ngun – đầu dò ............................................................. 10  
Hình 2.1 Mô hình giả định notron tương tác với vt cht .......................................... 15  
Hình 2.2 Mt ct bung chì ca nguồn đim ti vtrí cách mt detector 15cm ........... 31  
Hình 2.3 Mt ct dc detector....................................................................................... 32  
Hình 2.4 Mt ct dc ca bung chì khi gieo ht ......................................................... 33  
Hình 3.1 Mt ct bung chì ca nguồn đim ti vtrí cách mt detector 15cm ........... 34  
Hình 3.2 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí nguồn điểm đt sát mt  
detector so sánh vi các giá trthc nghim................................................................. 38  
Hình 3.3 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí nguồn điểm đt sát mt  
detector so sánh vi các giá trthc nghim................................................................. 39  
Hình 3.4 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí nguồn điểm đt cách mt  
detector 10cm so sánh vi các giá trthc nghim....................................................... 40  
Hình 3.5 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí nguồn điểm đt cách mt  
detector 10cm so sánh vi các giá trthc nghim....................................................... 41  
Hình 3.6 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí nguồn điểm đt cách mt  
detector 15cm so sánh vi các giá trthc nghim....................................................... 42  
Hình 3.7 Mt ct bung chì ca ngun Meri-soil đt sát mt detector......................... 43  
Hình 3.8 Mt ct bung chì ca ngun Meri-water đặt sát mt detector...................... 44  
Hình 3.9 Mt ct bung chì ca ngun Meri-concrete đặt sát mt detector ................. 45  
Hình 3.10 Đường cong hiu sut mô phng MCNP và thc nghim ti vtrí ngun  
Meri-soil đt sát mt detector........................................................................................ 47  
Hình 3.11 Đường cong hiu sut mô phng MCNP và thc nghim ti vtrí ngun  
Meri-water đặt sát mt detector..................................................................................... 48  
Hình 3.12 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí ngun Meri-concrete và  
Meri-soil đặt sát mt detector........................................................................................ 49  
Hình 3.13 Mt ct bung chì ca ngun hình trụ đặt cách mt detector 15cm ............ 50  
Hình 3.14 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí ngun hình trụ đặt sát  
mt detector so sánh vi các giá trthc nghim.......................................................... 52  
Hình 3.15 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí ngun hình trụ đặt cách  
mt detector 5 cm so sánh vi các giá trthc nghim................................................. 53  
Hình 3.16 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí ngun hình trụ đặt cách  
mt detector 10cm so sánh vi các giá trthc nghim................................................ 54  
Hình 3.17 Đường cong hiu sut mô phng MCNP ti vtrí ngun hình trụ đặt cách  
mt detector 15cm so sánh vi các giá trthc nghim................................................ 55  
MỞ ĐẦU  
Vt lý hạt nhân ngày nay đang có những bước phát trin rt mnh mẽ, đặc bit  
trong lĩnh vực khoa hc ht nhân ng dng. Tkhi phát hin ra hiện tượng phóng  
x, vic nghiên cu các hiện tượng vt lý ht nhân dựa trên đo đạc phphóng xạ  
ngày càng trnên phbiến. Trong đó, lĩnh vực đo phổ gamma được tp trung  
nghiên cứu và đem lại nhiu kết quthc tin quan trng. Hin nay, công nghệ đo  
phổ gamma được phát trin mức độ cao và được sdng phbiến trong các  
phòng nghiên cu. Ti Vit Nam, Vin Khoa hc và Kthut Ht nhân Hà Ni,  
Vin Nghiên cu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Ht nhân Thành phHChí Minh  
(TPHCM) và mt sphòng thí nghim vt lý ht nhân thuộc các trường đại học đã  
được trang bcác hphkế gamma để phc vnghiên cứu và đo đạc, kho sát các  
mẫu môi trường.  
Có hai cách để tiến hành kho sát phgamma, đo đạc trc tiếp hoc sdng  
phương pháp Monte Carlo. Mt trong những chương trình mô phỏng của phương  
pháp Monte Carlo đang được sdng rng rãi hiện nay để gii quyết các vấn đề  
trong vt lý hạt nhân là chương trình MCNP. Đây là một chương trình mô phỏng có  
độ tin cậy cao vì đã được kim chng và sdng trong nhiều năm qua và ở nhiu  
phòng thí nghiệm trong nước cũng như trên toàn thế gii.  
Ti Vit Nam, mt mặt do các điều kin phòng thí nghim nhiều nơi khó  
khăn, mặt khác vic xác lập đường cong hiu sut chun thc nghim cho các mu  
rt tn kém. Do vy, vic thiết lp công thc gii tích là mt trong nhng cách tt  
nhất để gii quyết vấn đề tính toán hiu suất, đó cũng chính là mục tiêu ln nht ca  
luận văn này. Tuy nhiên, việc xây dng công thc giải tích đòi hỏi phi có mt bộ  
dliu hiu sut theo cấu hình đo rất ln, khó có thể thu được bằng phương pháp  
thc nghiệm thông thường. Do đó, tôi đã sử dụng phương pháp Monte Carlo để to  
ra bdliệu đủ đcho phép xây dng công thc gii tích  
Trong luận văn này, chương trình mô phỏng MCNP được dùng để mô phng hệ  
phkế gamma vi detector HPGe đối vi mu khi hình trvà Marinelli.  
Vi mục đích nêu trên, nội dng luận văn được bcục như sau:  
Chương 1: Lý thuyết hiu sut ghi  
1
Chương 2: Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP  
Chương 3: Kết quvà tho lun  
Mặc dù đã có nhiều cgng trong thi gian thc hin luận văn nhưng không  
tránh khi nhng thiếu sót. Kính mong các Thy, Cô trong hội đồng góp ý kiến để  
bài luận văn này được hoàn thiện hơn.  
2
CHƯƠNG 1: LÝ THUYT HIU SUT GHI  
1.1. Hphkế gamma  
Sơ đồ khi ca mt hphkế gamma được cho trong Hình 1.1  
Hình 1.1. Sơ đồ khi ca hphkế gamma  
Đầu dò thu nhn tín hiu tcác ngun phóng xvà biến thành xung điện, các  
tín hiu lối ra đầu dò có biên độ rất bé, do đó cần khuếch đại sơ bộ bng tin  
khuếch đại (Pre. Amp). Tín hiu li ra tin khuếch đại được đưa vào khối khuếch  
đại chính (Amplifer) để khuếch đại tín hiệu đủ ln về biên độ và hình thành xung  
chuẩn. Sau đó tín hiệu được biến đổi tdạng tương tự sang dng squa bADC  
(Anolog to Digital Converter) và được xlý qua khối phân tích biên độ đa kênh  
(MCA). Tín hiệu sau khi được xử lý và được hin thqua máy tính (PC) là thông tin  
vngun phóng xcần đo.  
Hình 1.2 biu din phổ gamma thu được tngun 60Co sdụng đầu dò HPGe  
loi-p vi hiu suất tương đối 110%. THình 1.2 có ththy rõ trong phxut hin  
các tia X đặc trưng từ shp thụ quang điện trong vt liu chì che chắn, đỉnh tán xạ  
3
ngược, những đỉnh thoát đơn (SE) và thoát đôi (DE) và tạo cp ca tia gamma 1332  
keV. Đỉnh 511 keV tbc xhy cặp được sinh ra trong vt liu che chn, các biên  
tán xạ Compton và các đỉnh năng lượng toàn phn từ hai tia gamma sơ cấp. Ngoài  
ra còn xut hiện các đỉnh: đỉnh 2346 keV (2x1173 keV) và 2665 keV (2x1332 keV)  
to bi tng ca các skin chng chập 1173 keV và 1332 keV; đỉnh 2506 keV là  
do hp thtoàn phn cả hai tia gamma sơ cấp phát ra đồng thi. Thành phn phông  
bao gồm đnh 1460 keV t40K và 2614 keV t228Th  
.
Hình 1.2. Phổ gamma đo trên nguồn 60Co với năng lượng 1173 và 1332 keV  
1.2. Tương tác của gamma vi vt cht  
Bc xạ gamma tương tác với môi trường vt cht thông qua các quá trình hp  
thvà tán x. Trong quá trình hp th, tia gamma struyn toàn bộ năng lượng cho  
các ht trong vt chất, sau đó tia gamma biến mt. Còn trong quá trình tán x, tia  
gamma chtruyn cho các ht vt cht mt phần năng lượng và nó btán xạ dưới  
một góc nào đó (phương chuyển động ban đầu bị thay đổi). Quá trình tương tác  
gia tia gamma và vt chất được gi là sion hóa gián tiếp vì các sn phm to ra  
sau va chm (các hạt vi mô tích điện hay các photon thcp) stác dng tiếp vi  
các hạt trong môi trưng vt cht và to ra phn ln các ion  
Các tia gamma có thể tương tác với vt cht 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  
nht: hiu ứng quang điện, tán xComton và hiu ng to cp. Mt shiu ng  
4
khác như tán xạ Thomson, phn ng quang ht nhân, .... có xác sut thp nên có thể  
bqua.  
1.2.1. Hiu ứng quang điện  
Hiu ng quang điện làm ion hóa mt nguyên t, phn lớn năng lượng tia  
gamma chuyển thành động năng của electron và được ghi nhn. Vnguyên tc, nếu  
không có photon hay electron nào thoát ra khỏi đầu dò thì tổng các động năng của  
electron được to ra bằng năng lượng tia gamma ti. Từ đó, hấp thụ quang điện là  
quá trình lý tưởng để đo năng lượng tia gamma. Xung ghi được do hiu ng quang  
điện nếu không có hiu ng bmt và thoát tia X sẽ đóng góp vào số đếm của đỉnh  
năng lượng toàn phn.  
Hình 1.3. Hiu ứng quang điện  
1.2.2. Tán xCompton  
Khi tăng năng lượng gamma đến giá trlớn hơn nhiều so với năng lượng liên  
kết ca electron K trong nguyên tthì vai trò ca hiu ứng quang điện không còn  
đáng kể và bt đầu hiu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết ca  
electron so với năng lượng gamma và tán xgamma lên electron có thể coi như tán  
xvi electron tdo, gi là tán xCompton.  
Tán xCompton là stán xạ đàn hồi ca gamma vào các electron chyếu ở  
quỹ đạo ngoài cùng ca nguyên t. Sau quá trình tán xạ, lượng tử gamma thay đổi  
phương bay và bị mt mt phần năng lượng còn electron được gii phóng ra khi  
nguyên t.  
5
Hình 1.4. Tán xCompton  
Khi tia gamma tương tác với vùng nhy ca detector bi hiu ng Compton,  
năng lượng tia gamma ban đầu chuyển thành động năng của electron git lùi và  
năng lượng ca tia gamma btán x. Mi quan hgiữa động năng electron Te , năng  
lượng tia gamma hv và góc tán xđược cho bi:  
(
)
ℎ푣[훼 1 − 푐표푠휃 ]  
푇 = ℎ푣 − ℎ푣=  
1 + 훼(1 − 푐표푠휃)  
ℎ푣  
Vi = , me là khối lượng nghca eletron  
2
Có hai trường hp cc tr:  
- Khi góc tán x휃 = 0 thì hv = hv’, Temin = 0. Trong cc trnày, tia gamma bị  
tán xạ mang năng lưng gn bằng năng lượng tia gamma ti.  
- Khi góc tán x휃 = 휋 thì Temax , năng lượng tia gamma tán xlà nhnht  
Phông ca hiện tượng tán xCompton trong phbc xạ photon được phân bố  
trong vùng tTemin đến Temax to thành min Compton liên tc. Ti Temax ta được  
cnh Compton. Các tia gamma thcp (gamma tán x) có ththoát khi bmt tinh  
thể nhưng cũng có thể tương tác tiếp bng các hiu ứng đã biết. Như vậy, bng hiu  
ứng Compton, tia gamma cũng có thể cho xung đóng góp vào đỉnh năng lượng toàn  
phn nếu tia gamma mất hoàn toàn năng lượng trong tinh thsau nhng tán xliên  
tiếp.  
1.2.3. Hiu ng to cp  
Nhng photon có năng lượng 1,022 MeV khi đến gn ht nhân nguyên  
tsẽ tương tác với trường hạt nhân đó và biến chuyn thành mt cp electron (e-) và  
positron (e+). Đó là hiệu ng to cp electron – positron. Năng lượng ti thiu dùng  
6
cho hiu ng này là 1,022 MeV tương ứng vi khối lượng tĩnh me ca hai ht vi mô  
đó (E = mec2 = 0,511 MeV).  
Phần năng lượng còn li ca photon ti trở thành động năng của hai ht vi  
mô mi xut hiện. Như vậy:  
= 2mec2 + E-d + E+  
d
Các ht thcấp này có động năng nên sẽ tương tác với vt chất và cũng gây  
ra quá trình ion hóa thcp. Electron smt dần động năng rồi chuyn vdng  
chuyển động nhit hoc gn vi một ion dương nào đó. Positron mang điện tích  
dương nên sẽ ddàng kết hp vi các electron khác trong vt chất, điện tích ca  
chúng btrung hòa, chúng hy ln nhau gi là hiện tượng hy electron positron.  
Khi hy electron – positron, hai lượng tử gamma sinh ra bay ngược chiu nhau, mi  
lượng tử có năng lượng 0,511 MeV, tức là năng lượng tng cng ca chúng bng  
tng khối lưng hai ht electron và positron 1,022 MeV.  
Sbiến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xy ra gn mt ht  
nào đó để ht này chuyển động git lùi giúp tổng động lượng được bo toàn. Quá  
trình to cặp cũng có thể xy ra gn electron nhưng xác suất bé so vi quá trình to  
cp gn ht nhân khong 1000 ln.  
1.3. Đầu dò HPGe  
Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tượng phóng xtự nhiên. Sau đó,  
Villard đã nhận thy rng các cht phóng xtnhiên không nhng phát ra các tia 훼  
mà còn phát ra mt loi bc xcó khả năng đâm xuyên rất mạnh được gi là  
tia gamma. Cùng vi nhng nghiên cu vtia X và tia gamma, các thiết bghi bc  
xạ tia X và tia gamma cũng không ngừng được phát trin và ng dng. Sphát trin  
ca các detector nhìn chung chia làm 3 nhóm chính: các detector chứa khí được  
phát trin sm nhất, sau đó đến các detector nhp nháy và hiện đại nht là các  
detector bán dn. Vi những ưu điểm như: độ chính xác, tốc độ ghi nhận cao, độ  
phân gii tt và khả năng ghi nhận thông tin đa chiều, detector bán dẫn đã trở nên  
phbiến cho vic nghiên cứu cơ bản hay trong vt lý ng dng.  
Đầu dò Ge là đầu dò có độ phân gii cao nht hiện nay. Năng lượng ca tia  
gamma có thể được đo với độ phân gii lên ti 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 hiu HPGe. Chai loại đầu dò đều có độ nhạy và độ phân gii tốt nhưng  
nhược điểm của đầu dò Ge(Li) là trong quá trình hoạt động ca detector, các  
nguyên tLi ca lp n+ (lp chết) tiếp tc khuếch tán vào sâu bên trong tinh thlàm  
cho bdày lớp này tăng lên đáng kể, thu hp thtích hoạt động ca detector. Hin  
tượng khuếch tán này có thhn chế được bng cách luôn gilnh detector nhit  
độ nitơ lỏng. Sphát trin của đầu dò HPGe có thkhc phục nhược điểm này do  
không cn làm lnh bằng nitơ lỏng khi bo qun.  
1.3.1. Nguyên tc hoạt động  
Khi lượng tử gamma tương tác với cht bán dn, nó sto nên electron tdo  
thông qua ba hiu ng chyếu: hiu ứng quang điện, tán xCompton và to cp.  
Electron tdo di chuyn với động năng lớn slàm kích thích các electron chuyn  
lên vùng dẫn và để li ltrng. Như vậy, thông qua các hiu ứng tương tác, các diện  
tích (bao gm electron và ltrng) được tạo ra và được điện trường quét vhai cc  
P và N tương ứng. Điện tích này tlvới năng lượng tia tới để lại trong đầu dò và  
được biến đổi thành xung điện bi tin khuếch đại hay nhạy điện tích.  
Như vậy, năng lượng của tia gamma được đo bằng đầu dò Ge bởi vì năng  
lượng ca photon đã được chuyn sang cho các electron. Các tia gamma năng lượng  
thp có thbhp thhoàn toàn bi hiu ứng quang điện để to ra một electron đơn  
vi hu hết năng lượng ca photon tới. Đối với photon có năng lượng t100 keV  
đến dưới 1 MeV, hiu ng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyn toàn  
bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi phi có mt hay nhiều hơn các tán xạ  
Compton và được kết thúc bng shp thụ quang điện. Sto thành cp electron-  
positron đóng vai trò quan trọng mức năng lượng trên 2mec2 (1,022 MeV).  
1.3.2. Các loại đu dò HPGe  
Ta có thphân bit hai loi detector Ge theo xuất phát điểm ban đầu là cht  
bán dn loi p hay loi n. Ngoài ra, vmt hình hc còn có thphân chia ra các loi  
đồng trc, loi hình giếng hay loi phng.  
- Detector HPGe loi p, kiểu đồng trc: Cht bán dn xut phát là loi p.  
Người ta to ra mt lp n+ dày khong 0,5 0,8 mm bằng phương pháp khuếch tán  
lithium Li. Khi sdng phải đặt cao áp dương (+2 kV đến +4 kV) để kéo các cp  
8
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 85 trang yennguyen 30/03/2022 4540
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Tính toán hiệu suất ghi cho đầu dò bán dẫn HPGe bằng phần mềm mô phỏng MCNP", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_tinh_toan_hieu_suat_ghi_cho_dau_do_ban_dan_hpge_ba.pdf