BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MỘN VẬT LÝ HẠT NHÂ N



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ PHỔ
KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ BÁN DẪN Ge SIÊU
TINH KHIẾT (HPGe) GC2018

Cán bộ hướng dẫn: Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN
Cán bộ phản biện: Th.S NGUYỄN ĐÌNH GẪM
Sinh viên thực hiện: TRẦN THỊ THUÝ LIÊN

Niên khóa :2001-2006


MỤC LỤC
Trang

PHẦN A. LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHỔ KẾ GAMMA VỚI ĐẦU DÒ
Ge ............................................................................................................... 6
1. Cường độ điện trường và hiệu điện thế làm việc ................................... 6
2. Thời gian tăng xung................................................................................. 6



PHẦN B. THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE SIÊU TINH
KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN ..................21
I. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC 2018 .............21
1. Cấu tạo đầu dò HPGe................................................................ ....... 21
2. Các thông số kỹ thuật của đầu dò HPGe ................................... ....... 22
3. Hoạt động của đầu dò HPGe ..................................................... ....... 22
a. Quá trình ion hóa trong tinh thể Ge ..................................... ....... 22
b. Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge ................. ....... 23

II. Các bước chuẩn bò và tiến hành đo ..............................................23
1. Mô tả nguồn ................................................................................. ....... 23

a. Nguồn chuẩn Co-60 .............................................................. ....... 23
b. Nguồn chuẩn Mn-54 ............................................................. ....... 24
c. Nguồn chuẩn Na – 22 ........................................................... ....... 24
d. Nguồn chuẩn Cs – 137 ......................................................... ....... 24
2. Cách bố trí thí nghiệm ................................................................ ....... 25
3. Chế độ đo .................................................................................... ....... 25

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐẦU DÒ GE SIÊU
TINH KHIẾT GC 2018 CỦA BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN ......26
I. Chuẩn năng lượng cho hệ đo theo vò trí kênh ..............................26
1. Mối liên hệ giữa vò trí kênh và năng lượng ghi nhận được ........ ....... 26
2. Phương pháp đo ......................................................................... ....... 26
3. Tiến hành thí nghiệm ................................................................. ....... 27
4. Kết quả ..................................................................................... ....... 27



3


b. Kết quả đo ...................................................................... ....... 41
3. Tỷ số trong và ngoài buồng chì ................................................. ....... 41
4. Cách tính phông của buồng chì .................................................. ....... 41
a. Công thức tính phông của một đỉnh phổ ......................... ....... 41
b. Tính phông của đỉnh Co-60 không đậy nắp buồng chì .... ....... 42
c. Tính phông của đỉnh Co-60 đậy nắp buồng chì .............. ....... 43

V. Giới hạn phát hiện của đầu dò ......................................................44
1. Mức giới hạn Lc ......................................................................... ....... 44
2. Giới hạn dưới của đầu dò ........................................................... ....... 44
3. Giới hạn phát hiện ..................................................................... ....... 45
4. Tính giới hạn phát hiện aD và giới hạn đo LD ............................ ....... 45

PHẦN C . KẾT LUẬN
PHẦN D. PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO

4


PHAÀN A.
LYÙ THUYEÁT

5



- Thời gian tăng xung của mạch tương đương đầu dò, thường thành
phần này rất bé có thể bỏ qua.
Trong hầu hết các trường hợp, TR là thành phần chủ yếu.
Đựơc tính bằng :
TR = d. 10-8s (ở nhiệt độ Nitơ lỏng )
TR = d.10-7s ( ở nhiệt độ phòng )
Trong đó d là độ rộng vùng nghèo, tính bằng mm (riêng đối với đầu dò
đồng trục d là bán kính của khối trụ).
Thời gian thu điện tích là thời gian hạt tải di chuyển từ vò trí hình thành
về các điện cực. Thời gian này phụ thuộc vào điện thế phân cực và bề rộng
vùng nghèo. Đối với đầu dò có vùng nghèo toàn phần, thời gian tụ tập điện tích
tăng theo điện thế phân cực. Đối với đầu dò phân cực một phần, sự tăng điện
thế phân cực không những làm tăng điện trường mà còn tăng bề rộng vùng
nghèo, hơn nữa vân tốc trôi của điện tử và lỗ trống biến đổi trong quá trình di
chuyển về các điện cực do sự không đồng đều của điện trường. Do vậy sự phụ
thuộc của thời gian thu điện tích vào điện thế phân cực rất phức tạp. Giả sử độ
linh động của electron là hằng số, thời gian tụ tập điện tích là :

Tt =

0.53d 2
(s)
V

(1)

Trong đó :
d: bề rộng vùng nghèo, đo bằng cm
 : độ linh động của đầu dò đo bằng cm2/V



8


xác cần tính tới sự suy giảm năng lượn g của các hạt trong nguồn, trong môi
trường vật chất giữa nguồn và đầu dò cũng như trong lớp chết của đầu dò.
Đối với các ion nặng như mảnh phân hạch đường chuẩn năng lượng ít
tuyến tính hơn và có sự sai khác lớn giữa biên độ xung của ion nặng và ion nhẹ
cùng nănglượng. Nguyên nhân của sự sai khác này là do sự khác nhau của các
năng lượng mất mát tại lớp chết của đầu dò, do va chạm hạt nhân và hiệu ứng
plasma.
5. Lớp chết của đầu dò.
Trước khi vào vùng nghèo của đầu dò, bức xạ phải xuyên qua lớp chết
của đầu dò. Lớp chết bao gồm điện cực kim loại và lớp chất bán dẫn như là Ge
ngay bên dưới điên cực, bề dày của nó có thể phụ thuộc vào điện thế phân cực.
Khi qua lớp chết này bức xạ sẽ hao phí đi một phần năng lượng và năng lượng
hao phí này không được đầu dò ghi nhận. Do đó, bề dày của lớp chết cũng rất
quan trọng và có phần ảnh hưởng tới độ phân giải năng lượng của đầu dò. Nếu
bề dày lớp chết quá lớn thì năng lượng hao phí sẽ lớn. Khi đó năng lượng đầu
dò ghi nhận được không phải là giá trò thực của hạt tới. Độ mỏng của lớp chết
cỡ 100nm sẽ tương ứng với năng lượng hao phí là4 KeV đối với proton là
1MeV, 14 keV đối với hạt alpha 5 MeV và cỡ vài trăm keV đối với mảnh phân
hạch.
Ngoài ra, hệ số hình học cũng ảnh hưởng tới sự mất năng lượng trong lớp chết.
Nếu hạt vào theo hướng vuông góc với bề mặt của đầu dò thì sự hao phí năng
lượng là nhỏ nhất, nếu bức xạ đi vào theo một góc xiên thì năng lượng hao phí
lớn hơn.

9


Phân tích độ cao xung

Phổ gamma
Sơ đồ sự hình thành phổ
2. Tương tác photon với đầu dò Ge:
a. Hiệu ứng quang điện :
Lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao
toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần
năng lượng này giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành động
năng của electron. Theo đònh luật bảo toàn năng lượng :

E = T e + Io

(2)

Với : Io: năng lượng liên kết
Te : động năng electron cực đại

11


Xung lượng của hệ cũng được bảo toàn do sự giật lùi của nguyên
tử. Đặc tính chủ yếu của hiệu ứng quang điện là do điều kiện bảo toàn năn g
lượng và xung lượng electron tự do hấp thụ hay bức xạ 1 photon hoàn toàn. Do
đó hiệu ứng quang điện mạnh nhất xảy ra đối với lượng tử gamma có năng
lượng có thể so sánh được với năng lượng liên kết của nguyên tử. Năng lượng
liên kết của nguyên tử lớn hơn đối với các electron vỏ nguyên tử sâu hơn và
với nguyên tử có số Z lớn hơn. Do đó, hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở
lớp trong cùng (30%), nghóa là các electron lớp K, mặt khác hiệu ứng này cũng
tăng khi Z của môi trường tăng.

hồi với electron tự do.
Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên , ứng dụng đònh luật
bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có được kết quả :
Sự thay đổi độ dài sóng theo phương xác đònh không tuỳ thuộc
năng lượng photon tới :
  ' 

h
1  cos 
m0 c 2

(3)

Với  : là bước sóng của photon

' :là bước sóng của photon tới
Sự thay đổi năng lượng phụ thuộc nhiều vào năng lượng photon
tới .
Ee  E  E ' 

Với a 

a1  cos 
E
1  a1  cos 

(4)

h
mc 2

lượng giật lùi không đáng kể, biểu thức đònh luật bảo toàn năng lượng được
viết như sau :

E = T- + T+ + 2mec2

(6)

Các e+,e- sinh ra trong trường điện từ của nhân nên các e + sẽ bay
ra khỏi hạt nhân (do lực đẩy Coulomb), còn các electron bò hãm lại. Do đó phổ
năng lượng đo đựơc khác nhau đối với năng lượng E. Sự khác nhau càng tăng
đối với môi trường có Z lớn.

14


Chương III.

GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU
DO BÁN DẪN
1. Đầu dò Ge có năng lượng cực thấp (ULEGe: Ultra low energy Ge)
Đầu dò ULEGe của hãng Canberra mở rộng dải đặc tính của đầu dò Ge
xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải,dạng đỉnh và tỷ số đỉnh
trên nền khi mà ta nghó là không thể đạt tới được đối với đầu dò bán dẫn. Đầu
dò ULEGe giữ lại hiệu suất năng lượng cao đối với đầu dò Ge. Đầu dò ULEGe
cung cấp những ưu điểm về khả năng phân giải và hiệu suất vốn có của đầu dò
Ge mà không có những nhược điểm của các đầu dò Ge thông thường, vì vậy nó
có tầm áp dụng trong phạm vi năng lượng rộng hơn.
Khả năng phân giải của ULEGe 100 mm 2 là nhỏ hơn 150 eV (FWHM)
tại 5,9 keV. Đầu dò Si(Li) tốt nhất có cùng kích thước có khả năng phân giải
175 eV(FWHM).

năng phân giải tốt hơn tại năng lượng thấp và vừa với bất kỳ hình học của
đầu dò khác nào. Không giống các đầu dò planar rãnh, có ít Ge chết ngoài
vùng hoạt. Thực tế bề mặt tụ tích hơn là cách điện, điều này dẫn thời gian
tăng xung ngắn hơn với đặc trưng của tần số và tỷ số đỉnh trên nền được cải
thiện. Đầu dò LEGe là có sẵn vùng hoạt từ 50 mm 2 đến 38 cm2 và với độ
dày từ 5 tới 25 mm. Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lượng gamma

16


trung bình, LEGe có thể thay thế một đầu dò đồng trục dung tích lớn đắt
tiền. Lợi dụng ưu điểm của đáp ứng năng lượng thấp của đầu dò cửa sổ nhỏ
cơ bản này, LEGe thường được trang bò với của sổ Be mỏng. Đối với những
ứng dụng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể được cung cấp với một của sổ
nhôm 0.5 mm thông thường.

Hình 3.2 : Mô hình đầu dò Germanium năng lượng thấp cấu hình phẳng
3. Đầu dò Ge đồng trục điện cực ngược (REGe)
Tượng tự về hình học như đối với đầu dò Ge đồng trục khác với một sự
khác nhau quan trọng. Điện cực của REGe ngược với đầu dò đồng trục thông
thường trong đó điện cực loại p, (Bo được nuôi cấy ion) là bên ngoài và tiếp
xúc loại n ( khuếch tán Li) là bên trong. Có hai ưu điểm cho bố trí điện cực này
: độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ.
Tiếp xúc ngoài nuôi cấy ion là hết sức mỏûng (0.3  m) so với tiếp xúc
khuếch tán Li. Kết hợp với cửa sổ của cryostat mỏng sẽ mở rộng độ nhạy năng
lượng xuống khoảng 5 keV, cung cấp cho đầu dò một khoảng động học lớn hơn
2000 lần .

17


ngược thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện
trường mở rộng qua vùng hoạt này. Tương tác của photon trong vùng này tạo
nên các phần tử mang điện bò quét bằng điện trường tới các điện cực tụ của nó,
ở đây một tiền khuếch đại nhạy điện tích biến đổi điện tích này thành xung thế
tỷ lệ với năng lượng bò mất trong đầu dò. Tiếp xúc n và p hay các điện cực là
Li khuếch tán và Bo được nuôi cấy ion tương ứng. Tiếp xúc Li khuếch tán
ngoài loại n này có độ dày cỡ 0,5 mm. Tiếp xúc phía trong có độ dày cỡ 0,3
mm. Hàng rào bề mặt có thể được thay cho Bo nuôi cấy ion với kết quả như
nhau.
Đầu dò đồng trục có thể vận chuyển và giữ không cần làm mạnh. Mặc
dù vậy, sự ổn đònh dài hạn được bảo quản tốt nhất bằng giữ lạnh đầu dò. Giống
như tất cả các đầu dò Ge, nó phải được làm lạnh khi sử dụng để tránh dòng rò
nhiệt quá mức. Bản chất không dễ hỏng của đầu dò loại này mở rộng ứng dụng
của phổ kế Ge bao gồm lónh vực sử dụng hiện trường các phổ kế xách tay.
Hình 3.4 : Mô hình đầu dò dạng đồng trục

19


PHAÀN B.
THÖÏC NGHIEÄM

20


Chương I.

GIỚI THIỆU VỀ ĐẦU DÒ BÁN DẪN GE
SIÊU TINH KHIẾT GC 2018
I. Cấu tạo của đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết GC2018

0.86

5.00

8.60

7

Lõi tiếp xúc

Tiếp xúc điện thế cao

3.20

Tín hiệu ra

Lớp chứa tinh thể
Vỏ detector bằng nhôm
Chân không

115.00 ?

Cực âm

Hộp kín bằng nhôm

32.00

49.50


dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới. Chúng được kéo về hai điện cực bởi điện

22


trường do hiệu điện thế ngược áp vào đầu dò. Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò
xuất hiện một tín hiệu điện thế. Xung điện thế này được ghi nhận ở lối ra bởi
hệ điện tử tiếp sau. Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò ta có thể biết
được những thông tin về bức xạ đã ghi nhận.

b. Cấu trúc dải năng lượng của đầu dò bán dẫn Ge:
Khi động năng (E) của electron thứ cấp được hấp thụ trong
vùng nhạy của tinh thể Ge, số cặp electron – lỗ trống la:
N= E/ 

(7)

Trong đó :  là năng lượng trung bình sinh ra một cặp electron
– lỗ trống (  = 2.96 eV trong tinh thể Ge )
Bề rộng một nữa là :
FWHM = 2.355 ( F  E)1/2 (8)
Với F là hệ số Fano

II. Các bước chuẩn bò và tiến hành đo
1. Mô tả các nguồn thí nghiệm
Trong thí nghiệm này ta sử dụng 5 nguồn chuẩn điểm là Co-60,
Mn-54,Cs-137,Co-57,Na-22 của Mỹ sản xuất, dùng để khảo sát hiệu suất ghi
tương đối của đầu dò HPGe đồng trục.
a. Nguồn Co60
- Hoạt độ nguồn : 40,81 kBq (1,103  Ci) .

- Hoạt độ nguồn : 38.21 kBq (1.033  Ci) .
- Ngày sản xuất : 1-10-2001.

24