BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
------------------------
LÝ THANH NGUYÊN

KHẢO SÁT HIỆU SUẤT GHI CỦA DETECTƠ NHẤP
NHÁY THEO NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ GAMMA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số
:
60.44.05
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

tình giúp đỡ để tôi có thể vào làm thực nghiệm tại phòng Thí nghiệm cũng như tạo điều kiện tốt
nhất khi tôi làm thực nghiệm tại đây.
Ban chủ nhiệm Khoa vật lý trường ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi
về cơ sở vật chất và phòng Thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành luận văn.
Cảm ơn cha mẹ đã tần tảo nắng mưa, hi sinh bản thân nuôi nấng và cho con được học hành.
Cảm ơn những người bạn tôi những người luôn động viên giúp đỡ cho tôi.

Tp.Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 08 năm 2010
Lý Thanh Nguyên
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi hoặc của Thầy hướng dẫn khoa
học. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.

Tác giả
Lý Thanh Nguyên
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh
ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore
EGS4 Chương trình mô phỏng Monte Carlo EGS4 của

MCN Có thể giải bài toán các neutron tương tác. Monte Carlo Neutron
MCNP Chương trình Monte-Carlo mô phỏng vận
chuyển hạt N của nhóm J.F. Briesmeister, 1997,
Los Alamos National Laboratory Report, LA-
12625-M
Monte Carlo N-particle
NJOY Mã định dạng các thư viện số liệu hạt nhân
trong MCNP P/C Tỉ số đỉnh/Compton Peak/Compton
P/T Tỉ số đỉnh / toàn phần Peak/Total
REGe Đầu dò germanium điện cực ngược

Reverse Electrode Coaxial
Germanium Detector MỞ ĐẦU Kể từ khi con người khám phá ra hiện tượng phóng xạ, một chân trời mới về nghiên cứu các kĩ
thuật ghi nhận bức xạ đã được mở ra. Từ đó, việc nghiên cứu các phương pháp ghi nhận trong lãnh
vực nghiên cứu hạt nhân, vật lý các hạt cơ bản được tiến hành đã hơn 70 năm nay và ngày càng phát
triển mạnh mẽ. Nhìn lại các giai đoạn phát triển của các phương pháp ghi nhận trong vật lý hạt nhân
và các hạt cơ bản, chúng ta thấy sự ra đời và phát triển của các loại detector: các buồng bọt, buồng
Strimơ, các buồng ion, buồng tỷ lệ, ống đếm Geiger Muller, ống đếm tia lửa, detector nhấp nháy,
detector tinh thể Tren-ren-cốp, detector bán dẫn…Có thể nói các detector bán dẫn siêu tinh khiết là
đỉnh cao của việc ghi nhận bức xạ với ưu điểm nổi bật về khả năng phân giải. Tuy nhiên các
detector khác cũng có ưu điểm riêng và những ứng dụng phù hợp với tính chất của nó. Detector

detector nhấp nháy theo năng lượng gamma để sử dụng hiệu quả thiết bị này và thông qua quá trình
khảo sát đó nắm bắt được một phương pháp nghiên cứu mới – phương pháp mô phỏng (Monte
Carlo). Trong đó, detector nhấp nháy được khảo sát ở đây có kí hiệu 76BR76 do hãng Amptek (Mỹ)
sản xuất và dãy năng lượng khảo sát được cung cấp bởi bộ nguồn chuẩn RSS8EU do hãng
Spectrum Techniques chế tạo (cả 2 thiết bị này đều thuộc phòng Thí nghiệm vật lí hạt nhân Trường
Đại học Sư Phạm Tp.HCM).
Để thực hiện các mục tiêu trên, phương pháp Monte Carlo được áp dụng thông qua việc mô
phỏng bằng chương trình MCNP4C2. Trong luận văn này, detector nhấp nháy và bố trí hình học đo
được mô hình hóa bằng chương trình MCNP4C2. Song song với mô phỏng các đo đạc thực nghiệm
cũng được tiến hành. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ được đem ra so sánh với nhau để rút
ra những nhận xét và những định hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu quả làm việc của detector.
Bên cạnh phương pháp mô phỏng, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp xử lý số liệu như
phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến cũng được thực hiện.
Nội dung của luận văn gồm bốn chương:
Chương 1 là phần tổng quan, trình bày về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
trong việc ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong nghiên vận chuyển bức xạ và
nghiên cứu detector nhấp nháy; trình bày khái quát về các đặc trưng của bức xạ gamma và khái quát
về các thiết bị ghi nhận bức xạ trong đó đặc biệt quan tâm đến detector nhấp nháy; trình bày về hiệu
suất ghi của detector.
Chương 2 là phần khái quát về phương pháp Monte Carlo, trình bày giới thiệu chương trình
MCNP và các đặc trưng của chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ này.
Chương 3 là phần xây dựng mô phỏng tính toán hiệu suất. Trong chương này, cấu trúc và đặc
điểm của nguồn chuẩn RSS8EU, hệ phổ kế Gamma Rad 76BR76 và detector nhấp nháy NaI(Tl)
kích thước 3 inch x 3 icnh được thể hiện; việc mô hình hóa detector và xây dựng tệp đầu vào của
mô phỏng tính toán hiệu suất được trình bày chi tiết. Trong chương này, việc khảo sát sự phù hợp
của chương trình mô phỏng tính toán hiệu suất detector cũng được thực hiện.
Chương 4 trình bày về kết quả luận văn và những nhận xét. Trong chương này, kết quả hiệu
suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm nêu ra và so sánh với nhau từ đó nảy sinh các định hướng
nghiên cứu tiếp theo.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

57
Co,
60
Co và
88
Y phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm và
các mô hình tính toán khác.
Năm 1997, nhóm Sima và Dovlete [43] bổ sung hiệu ứng matrix trong phép đo hoạt độ mẫu
môi trường.
Năm 2000, nhóm tác giả Talavera, Neder, Daza và Quintana [21] đã sử phần mềm GEANT3
để mô phỏng hàm đáp ứng hệ đầu dò HPGe loại n của hãng Canberra . Từ các tính toán hiệu suất
đỉnh toàn phần các tác giả đã so sánh với thực nghiệm với nhiều hình học đo để phát hiện sự không
chính xác trong mô tả các đặc trưng của detector mà nhà sản xuất cung cấp nhằm xác định lại các
thông số này.
Năm 2001, nhóm tác giả Vidmar, Korun, Likar và
cicMartin

[47] đã dùng MCNP và GEANT
để tạo bộ số liệu về đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho hệ đầu dò HPGe loại n và
loại p để kiểm tra mô hình bán thực nghiệm cho việc xây dựng đường cong hiệu suất cho các đầu dò
này trong khoảng năng lượng từ 4 keV đến 3000 keV ; trong đó có quan tâm đến hiệu ứng tự hấp
thụ đối với mẫu đo thể tích.
Năm 2002, Tsutsumi, Oishi, Kinouchi, Sakamoto và Yoshida [45] đã ứng dụng chương trình
mô phỏng Monte Carlo EGS-4 để tính toán mô phỏng và nghiên cứu thiết kế hệ phổ kế gamma
dùng detector HPGe triệt Compton được sử dụng trong việc xác định hoạt độ của mẫu đo mà bản
thân nó là nguồn phông đáng kể
Năm 2004, Hurtado, GarcíaLeón và García Tenorio [32] bằng chương trình mô phỏng Monte
Carlo GEANT4 đã xây dựng đường cong hiệu suất đặc trưng của detector REGe (Reverse Electrode
Germanium) và khi tiến hành hiệu chỉnh một số thông số vật lý của detector được nhà sản xuất cung
cấp trong tính toán đã làm cho hiệu suất tính toán phù hợp với hiệu suất thực nghiệm.

Nguyễn Văn Đỗ, Phạm Đức Khuê xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo để nghiên cứu về
chuẩn hiệu suất cho hình học mẫu lớn trong phép đo bức xạ; Lê Hồng Khiêm, Nguyễn Tuấn Khải
xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo để tái tạo ảnh cho vật sử dụng hiệu ứng tán xạ ngược
Compton; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm, Chu Đình Thúy, Nguyễn Quang Hùng biến đổi ngược
mô phỏng Monte Carlo để xác định tính chất hấp thụ và tán xạ; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm,
Chu Đình Thúy mô phỏng Monte Carlo về sự dập tắt phổ.
Ở Viện NCHN Đà Lạt có nhóm Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Xuân Hải, Trần Tuấn Anh, Nguyễn
Kiên Cường áp dụng chương trình MCNP4C2 xác định cấu hình che chắn tối ưu trong thiết kế dẫn
dòng và giảm phông cho hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại kênh ngang số 3 lò phản
ứng hạt nhân Đà lạt .
Trung tâm Nghiên cứu &Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố Hồ Chí Minh có nhóm Trần
Khắc Ân, Trần Văn Hùng, Cao Văn Chung sử dụng phần mềm MCNP4C xác định vị trí liều cực
tiểu trong thùng hàng ở các tỷ trọng hàng chiếu khác nhau phục vụ công tác vận hành máy chiếu xạ
STSV-Co60/B tại trung tâm.
Ở Phân viện Y Sinh Tp.HCM và Chợ Rẫy có nhóm Nguyễn Đông Sơn, Nguyễn thị Bích Loan,
Trần Cương áp dụng Monte Carlo để tính toán phân bố liều trong phantom nước đối với chùm
photon 6MV từ máy gia tốc tại bệnh viện Chợ Rẫy.
Ở Đại học Công nghiệp Tp.HCM và Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM có nhóm Ngô Quang Huy,
Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân nghiên cứu về phổ và tối ưu hiệu suất của hệ phổ kế gamma đầu dò
HPGe đặt tại Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM bằng MCNP4C2
Ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM có nhóm Mai Văn
Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh sử dụng
phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP4C2 và MCNP5 để nghiên cứu chuẩn hiệu suất
và đặc trưng đáp ứng của đầu dò HPGe có tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.
1.1.3. Phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu các đặc trưng của detector nhấp nháy
Năm 1966, Snyder và Knoll [44] đã tính toán tỷ số photon hấp tụ toàn phần trong detector
nhấp nháy hình giếng đối với các chất nhấp nháy khác nhau gồm: NaI, CsI, CaI
2
với thể tích khác

K,
232
Th,
238
U được đo trên hệ phổ kế gamma
dùng detector nhấp nháy BGO.
Năm 2002, Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun [33] thuộc trường đại học Tsinghua
ở Bắc Kinh Trung Quốc đã khảo sát hàm đáp ứng phổ gamma của detector nhấp nháy NaI(Tl) trong
miền năng lượng 0.4118 đến 7.11 theo phương pháp Berger–Seltzer’s và Monte Carlo.Trong đó, các
tính toán bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng các chương trình EGS4, MCNP4B và Petrans
1.0 được sử dụng.
Năm 2003, Robin P. Gardner, Avneet Sood [41] đã dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
xây dựng hàm đáp ứng của detector NaI giải thích nguyên nhân gây nên sự không tuyến tính và
nhấp nhô ở vùng Compton liên tục. Trong công trình này chương trình CEARPGA đã được các tác
giả sử dụng.
Năm 2004, Fayez H.H. Al-Ghorabie [20] đã dùng chương trình EGS4 trong nghiên cứu hàm
đáp ứng của detector NaI(Tl) đối bức xạ gamma có năng lượng nhỏ hơn 300 keV. Nghiên cứu cho
kết quả mô phỏng phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả cao trong
việc sử dụng các chương trình mô phỏng trong việc nghiên cứu các tham số vật lý vốn rất khó xác
định bằng thực nghiệm.
Năm 2007, Hashem Miri Hakimabad, Hamed Panjeh, Alireza Vejdani-Noghreiyan [26] đã
dùng MCNP4C tính toán hàm đáp ứng của detector NaI 3 inch x3 inch. Các kết quả mô phỏng được
so sánh với các số liệu thực nghiệm được đo với các nguồn chuẩn trong dãy năng lượng 0.081 MeV
đến 4.438 MeV.
Năm 2010, N. Ghal-Eh, G.R. Etaati and M. Mottaghian [37] công bố nghiên cứu mô phỏng
Monte Carlo đối với hàm đáp ứng của các detector nhấp nháy vô cơ. Nghiên cứu có sử dụng chương
trình GEANT4 và EGS4 và có chỉ rõ độ tin cậy của các kết quả mô phỏng.

1.2. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hay trở về trạng

dàng lấy tích phân phương trình trên:
I = I
0
e
-x
(1.2)
Trong đó I
0
là cường độ ban đầu. Một khái niệm thông dụng là hệ hấp thụ khối τ =

/ρ , với ρ
là mật độ vật chất. Trong trường hợp này, để thuận tiện bề dày được đo bằng đơn vị cm
2
/g. Hệ số
hấp thụ mô tả sự dịch chuyển của bức xạ gamma qua môi trường; nó phụ thuộc vào tính chất của
môi trường và năng lượng của lượng tử gamma
Nếu quá trình hấp thụ là kết quả của một số quá trình khác nhau, hệ số hấp thụ tổng cộng sẽ là
tổng của tất cả các hệ số hấp thụ μ
i
của các quá trình:


i
i
(1.3)
Chia hệ số hấp thụ μ
i
ứng vói một quá trình cho số tâm hấp thụ n
i
trong 1cm

toàn bộ năng lượng E của nó cho electron liên kết. Năng lượng này một phần giúp electron thắng
lực liên kết 
lk
, một phần trở thành động năng E
e
của electron. Theo định luật bảo toàn năng lượng:
E
e
= E - 
lk
(1.5)
Trong đó 
lk
= 
K
đối với electron lớp K, 
lk
= 
L
đối với electron lớp L, 
lk
=


M
đối với
electron lớp M và 
K
> 
L

E
-3.5
khi E >> 
K

Theo đó hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ trội hơn ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó
trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao.

Bên cạnh việc tạo ra các electron quang điện, tương tác còn tạo ra các lỗ trống. Lỗ trống này
nhanh chóng được lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hay chuyển dời từ
một electron ở tầng khác trong nguyên tử làm phát sinh ra các tia X đặc trưng. Trong một vài trường
hợp sự phát electron Auger sẽ thay thế cho các tia X đặc trưng.
1.2.2.2. Hiệu ứng Compton
Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết
của các electron lớp K trong nguyên tử thì 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. Tán xạ Compton là tán xạ đàn
hồi của gamma tới với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng
tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng truyền electron được giải phóng ra
khỏi nguyên tử.
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với
năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E và
electron E
e
sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay θ của gamma sau tán xạ
E = E
( )
1
1+ α 1- cosθ
(1.6)

θ
1+ α tan
2
(1.8)
φ
Sau khi tán xạ Compton, năng lượng tia gamma giảm và phần năng lượng giảm đó truyền cho
electron giật lùi. Năng lượng electron giật lùi càng lớn khi gamma tán xạ với góc θ càng lớn. Đối
với photon có góc tán xạ nhỏ thì năng lượng của electron tiến đến không, và do đó năng lượng của
photon tán xạ gần bằng năng lượng của photon tới.
Trong quá trình tán xạ Compton có một photon được phát ra nên năng lượng của photon tới
không được hấp thụ hoàn toàn tại vị trí đầu tiên. Ngay cả với góc tán xạ 180º , photon tán xạ cũng
có năng lượng đáng kể và được tính bởi:

21
'


E
E
. Để theo dõi sự phân tán năng lượng của photon
tới ta cần phải xem xét các photon tán xạ thứ cấp và các quá trình tương tác của chúng.
Tiết diện tán xạ Compton vi phân biểu diễn theo công thức Klein-Nishima:

























2
2
2
eCompton
α21
α31
)α21ln(
α2
1
)α21ln(
α
1
α21
)α1(2

năng lượng tia gamma rất bé) (1.11)
- Khi α rất lớn , tức là khi E>>m
e
c
2
, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với năng
lượng E và do trong nguyên tử có Z electron nên sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton được
mô tả như sau:
EZconst
Compton

(1.12)
1.2.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron
Nếu gamma tới có năng lượng E lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (2m
e
c
2
=1,022
MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron – positron. Đó là hiệu ứng
tạo cặp electron-positron.
Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé
nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Hiệu số năng lượng E –
2m
e
c
2
bằng tổng động năng của electron E
e-
và positron E
e+

nên có giá trị lớn đối
với chất hấp thụ có nguyên tử số Z lớn.
1.2.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng gamma tương tác với vật chất
Khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính xảy ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu
ứng Compton, và hiệu ứng tạo cặp electron-positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các
quá trình này bằng:
 = 
photo
+
compton
+ 
pair
(1.14)
Trong đó: 
photo

 
EE
Z
2/7
5
; 
compton

E
Z
; 
pair
 Z
2


Hình 1.4. Đồ thị hàm số của các hệ số hấp thụ theo năng lượng tia 
và hệ số hấp thụ toàn phần đối với chì [3]

1.3. CÁC DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA
1.3.1. Khái quát về các detector
Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, các detector ghi đo bức xạ đóng vai trò rất quan trọng. Các
detector được sử dụng từ việc đo đạc bức xạ đến xử lý kết quả đo. Chúng là các thiết bị hoạt động
dựa trên sự tương tác của các bức xạ với vật chất. Detector ghi bức xạ tia X và tia gamma ban đầu
chỉ dùng để xác định sự có mặt của bức xạ tia X và tia gamma và sau đó là xác định cường độ của
chùm bức xạ này. Các detector ghi bức xạ tia X và tia gamma ngày nay cho phép xác định đặc trưng
phân bố độ cao xung theo năng lượng tia X và tia gamma.
Năm 1895, Roentgen đã thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện chứa khí. Phổ kế
quang học ứng dụng hiện tượng tán sắc ánh sáng có thể được dùng để đo bước sóng tia X nhưng chỉ
đo được bước sóng tia X lớn hơn 0,1 nm. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể,
Bragg đã đo được tia X có bước sóng bé hơn và nhận thấy rằng phổ tia X có cấu trúc vạch phân biệt
rõ trên nền phông liên tục.
Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Đến năm 1900, Villard đã
nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không những phát ra các tia α và β 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 kiến
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.
1.3.1.1. Các detector chứa khí
Nguyên tắc chung của detector bức xạ là khi bức xạ đi qua môi trường vật chất của detector
chúng tương tác với các nguyên tử, phân tử khí gây nên ion hóa và kích thích các nguyên tử, phân
tử khí này. Trong detector chứa khí, môi trường vật chất của nó là môi trường khí. Một số loại
detector chứa khí phổ biến: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger – Muller.
Trong trường hợp buồng ion đơn giản hay trong ống đếm tinh thể, các ion và electron được tạo

loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác động của điện trường các electron sẽ
chuyển động về cực dương, các lỗ trống chuyển động về phía cực âm, kết quả ta có một xung dòng
điện ở lối ra.
Để ghi được các tia gamma có độ đâm xuyên lớn thì detector bán dẫn phải có thể tích lớn,
nghĩa là bề dày miền nghèo vào khoảng 1cm trở lên. Hai phương pháp được sử dụng là phương
pháp khuếch tán Lithium và phương pháp làm sạch vật liệu Germinium. Trong các năm của thập kỉ
1960 và 1970, các detector Si(Li), Ge(Li) được sử dụng phổ biến. Từ 1980 là sự xuất hiện sử dụng
ngày càng phổ biến của detector Germinium siêu tinh khiết HPGe trong ghi đo bức xạ gamma.
Detector HPGe thường có dạng trục để đạt thể tích lớn. Các detector dạng trục hiện nay có vùng
năng lượng gamma nhạy từ 50 keV đến hơn 10MeV và có hiệu suất từ 15% đến 100%. Độ phân
giải năng lượng rất tốt từ 1,8 keV đến 2 keV tại vạch năng lượng 1,33MeV. Khả năng phân giải
năng lượng là một ưu điểm nổi bật của detector bán dẫn so với detector nhấp nháy NaI khiến nó
được sử dụng phổ biến hiện nay trong các phép đo năng phổ gamma khi yêu cầu về độ phân giải
năng lượng cần được đặt lên hàng đầu. Một thông số khác rất quan trọng đối với detector HPGe là tỉ
số đỉnh trên Compton bởi vì tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho các phép đo hoạt độ thấp và phổ
gamma phức tạp; tỉ số này đạt từ 30 đến 80 đối với đỉnh 1,33MeV đối với các detector HPGe hiện
đại.
Ngoài các detector dạng trục các detector Ge cũng đang được áp dụng. Đó là các detector Ge
năng lượng thấp và rất thấp. Ngoài ra còn có detector dạng giếng để mẫu đo theo hình học 4Π.
1.3.2. Detector nhấp nháy
1.3.2.1. Nguyên tắc làm việc
Detector nhấp nháy là một tổ hợp gồm 2 thành phần: chất nhấp nháy và ống nhân quang điện.
Khi một tia bức xạ đập vào một tinh thể nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chất nhấp
nháy. Sau một thời gian (10
-6
s – 10
-9
s), các phân tử nhấp nháy này chuyển về trạng thái cơ bản bằng
cách phát ra các nhấp nháy sáng. Ánh sáng từ bản tinh thể nhấp nháy đi vào trong ống nhân quang
điện, từ đó biến thành dòng điện. Tính hiệu thế lối ra của detector nhấp nháy cũng được lấy qua

Bên cạnh sự dịch quang, người ta còn thấy sự phát lân quang mà cường độ bức xạ của nó cũng
ngang hàng với bức xạ dịch quang.
Tinh thể nhấp nháy NaI(Tl):
Tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) thuộc phân loại chất nhấp nháy vô cơ. Tinh thể NaI sạch là chất
nhấp nháy ở nhiêt độ -192
o
C. Để nó là chất nhấp nháy ở nhiệt độ phòng thí nghiệm khi thêm vào
một lượng nhỏ Thallium (0,1%). Tinh thể NaI được hoạt hóa bằng Thallium (0,1%) có hiệu suất
biến đổi cao và thời gian phát sáng tương đối ngắn. Có thể nói đây là một loại chất nhấp nháy vô cơ
vào loại phổ biến nhất và tốt nhất.
Tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) có hiệu suất biến đổi lớn, cường độ sáng rất cao và phụ thuộc
tuyến tính vào năng lượng bức xạ do đó NaI(Tl) được được sử dụng tốt trong các hệ phổ kế gamma.
Tinh thể NaI(Tl) còn có ưu điểm là dễ nuôi cấy những đơn tinh thể trong suốt có kích thước lớn.
Nhược điểm của NaI(Tl) là xung ánh sáng có độ dài khá lớn cỡ 230ns nên không thuận tiên
khi sử dụng trong các sơ đồ đếm nhanh. Nhược điểm khác của tinh thể NaI là độ hút ẩm lớn. Để
chống ẩm, người ta thường giữ NaI trong dầu vazelin hoặc trong những hộp kín có cửa sổ trong
suốt.
1.3.2.2.3. Ống nhân quang điện
Các nhấp nháy sáng đi qua cửa sổ trong suốt của ống nhân quang điện và đập vào bề mặt của
photocatốt. Những photon ánh sáng với năng lượng h sẽ làm bức xạ các electron từ lớp màn nhạy
quang của photocatốt. Những photoelectron này sẽ được gia tốc và hội tụ bằng điện trường, sao cho
chúng lại đập vào một điện cực đặc biệt (được gọi là dinốt). Đinốt được chế tạo bằng vật liệu có
công thoát điện tử nhỏ và khi bị các electron bắn phá, sẽ bức xạ những electron thứ cấp, với số
lượng lớn hơn số lượng electron ban đầu từ 1 đến 10 lần. Những electron thứ cấp này lại được gia
tốc và hội tụ lên đinốt tiếp theo và đinốt này lại đóng vai trò phát xạ electron thứ cấp và v.v… Số
lượng đinốt có thể rất lớn (khoảng 10 đinốt). Cứ mỗi lần chuyển tiếp từ đinốt này sang đinốt tiếp
theo, số lượng electron sẽ nhân lên nhiều lần, và thông thường số lượng electron được bức xạ ở
đinốt cuối cùng sẽ lớn hơn số lượng electron ban đầu hàng vạn đến hàng triệu lần. Như vậy, ống
nhân quang điện đồng thời đóng vai trò biến tín hiệu quang học thành tín hiệu điện và khuếch đại
chúng.

1.3.3. Phân giải năng lượng
Trong các ống đếm nhấp nháy thực tế có hàng loạt những nguyên nhân khác nhau đưa đến sự
làm xấu khả năng phân giải theo năng lượng của chúng. Trước hết là bản thân chất nhấp nháy có thể
không hoàn toàn đồng nhất (ví dụ nồng độ tạp chất hoạt hóa không đều nhau trong toàn thể tích
detector) do đó cường độ bức xạ sẽ khác nhau, tùy theo vị trí mà hạt đi qua. Hơn nữa, trong thể tích
chất nhấp nháy còn có khả năng hiệu ứng biên, do đó khi hạt đi gần bề mặt bên của tinh thể, nó có
thể đi ra ngoài tinh thể và chỉ mất một phần năng lượng mà thôi. Hệ số thu góp photon trên
photocatốt của ống nhân quang điện, đối với những photon sinh ra từ những vị trí khác nhau, sẽ
khác nhau. Hơn nữa, những photoelectron bức xạ từ catốt dưới những góc khác nhau, từ những vị trí
khác nhau sẽ có hiệu suất thu góp khác nhau trên đinốt đầu tiên. Ngoài ra, hệ số khuếch đại của ống
nhân quang điện có thể biến đổi theo sự không ổn định của nguồn nuôi và v.v… Nói tóm lại, sự mở
rộng vạch phổ năng lượng của ống đếm nhấp nháy có nhiều nguyên nhân khác nhau gây nên, bắt
đầu từ sự thăng gián thống kê của sự tiêu tán năng lượng của bản thân hạt cơ bản và kết thúc bằng
sự thăng gián của hệ số khuếch đại của ống nhân quang điện và các nhiễu điện tử của hệ đo.
1.3.4. Phổ năng lượng của detector nhấp nháy kích thước trung bình:
Nếu xét theo kích thước đầu dò, các detector nhấp nháy có thể chia làm 3 loại: detector có kích
thước nhỏ (dưới 2cm), detector kích thước lớn (cỡ vài chục cm) và detector kích thước trung bình
(có kích thước nằm giữa 2 khoảng trên). Với từng loại kích thước đầu dò khác nhau, hàm hưởng
ứng và phổ năng lượng của detector có những đặc trưng khác biệt. Do tính chất luận văn là khảo sát
hệ phổ kế Gammar Rad 76BR76 sử dụng đầu dò NaI(Tl) hình trụ kích thước 3 inch x 3 inch là loại
đầu dò có kích thước trung bình. Vì vậy trong luận văn này chỉ trình bày về các hiệu ứng xảy ra bên
trong đầu dò và phổ năng lượng của detector kích thước trung bình.
Trường hợp năng lượng trung bình (hiện tượng tạo cặp không đáng kể), trên phổ xuất hiện
miền Compton liên tục và đỉnh quang điện. Vì kích thước detector là đáng kể nên có xảy ra các sự
kiện tia gamma tán xạ Compton bị hấp thụ hoàn toàn đóng góp vào đỉnh quang điện. Năng lượng
gamma tới càng thấp, năng lượng trung bình gamma tán xạ càng nhỏ và khả năng bị hấp thụ càng
cao dẫn đến miền Compton càng giảm. Tại năng lượng gamma tới rất thấp (nhỏ hơn 100 keV).
Miền liên tục Compton hầu như biến mất. Do hiện tượng tán xạ nhiều lần, trên phổ xuất hiện một
miền liên tục nằm giữa cạnh Compton và đỉnh năng lượng.
Nếu năng lượng gamma đủ lớn để hiệu ứng tạo cặp trở nên quan trọng, hàm đáp ứng sẽ phức