Tài liệu Khóa luận tốt nghiệp Khảo sát các thông số của hệ phổ gamma với đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe GC 2018

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN KHOA VAÄT LYÙ BOÄ MOÄN VAÄT LYÙ HAÏT NHAÂ N  KHOAÙ LUAÄN TOÁT NGHIEÄP ÑEÀ TAØI: KHAÛO SAÙT CAÙC THOÂNG SOÁ CUÛA HEÄ PHOÅ KEÁ GAMMA VÔÙI ÑAÀU DOØ BAÙN DAÃN Ge SIEÂU TINH KHIEÁT (HPGe) GC2018 Caùn boä höôùng daãn: Th.S TRÖÔNG THÒ HOÀNG LOAN Caùn boä phaûn bieän: Th.S NGUYEÃN ÑÌNH GAÃM Sinh vieân thöïc hieän: TRAÀN THÒ THUYÙ LIEÂN Nieân khoùa :2001-2006 MUÏC LUÏC Trang PHAÀN A. LYÙ THUYEÁT CHÖÔNG I. CAÙC ÑAËC TRÖNG CUÛA PHOÅ KEÁ GAMMA VÔÙI ÑAÀU DOØ Ge ............................................................................................................... 6 1. Cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø hieäu ñieän theá laøm vieäc ................................... 6 2. Thôøi gian taêng xung................................................................................. 6 3. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng (FWHM) ......................................................... 8 4. Chuaån naêng löôïng .................................................................................. 8 5. Lôùp cheát cuûa ñaàu doø ............................................................................... 9 CHÖÔNG II. TÖÔNG TAÙC PHOTON VÔÙI ÑAÀU DOØ VAØ SÖÏ HÌNH THAØNH PHOÅ .......................................................................................... 10 1. Nguyeân taéc cuûa söï hình thaønh phoå ........................................................10 2. Töông taùc cuûa photon vôùi ñaàu doø Ge .....................................................11 a. Hieäu öùng quang ñieän. ......................................................................11 b. Taùn xaï compton ...............................................................................12 c. Hieäu öùng taïo caëp ............................................................................14 CHÖÔNG III. GIÔÙI THIEÄU MOÄT SOÁ LOAÏI ÑAÀU DOØ BAÙN DAÃN 1. Ñaàu doø Ge vôùi naêng löôïng cöïc thaáp ......................................................15 2. Ñaàu doø Ge vôùi naêng löôïng thaáp ................................................ ...........16 3. Ñaàu doø Ge ñieän cöïc ngöôïc ........................................................ ...........17 4. Ñaàu doø Ge ñoàng truïc .................................................................. ...........18 1 PHAÀN B. THÖÏC NGHIEÄM CHÖÔNG I. GIÔÙI THIEÄU VEÀ ÑAÀU DOØ BAÙN DAÃN GE SIEÂU TINH KHIEÁT GC 2018 CUÛA BOÄ MOÂN VAÄT LYÙ HAÏT NHAÂN ..................21 I. Caáu taïo cuûa ñaàu doø baùn daãn Ge sieâu tinh khieát GC 2018 .............21 1. Caáu taïo ñaàu doø HPGe................................................................ ....... 21 2. Caùc thoâng soá kyõ thuaät cuûa ñaàu doø HPGe ................................... ....... 22 3. Hoaït ñoäng cuûa ñaàu doø HPGe ..................................................... ....... 22 a. Quaù trình ion hoùa trong tinh theå Ge ..................................... ....... 22 b. Caáu truùc daûi naêng löôïng cuûa ñaàu doø baùn daãn Ge ................. ....... 23 II. Caùc böôùc chuaån bò vaø tieán haønh ño ..............................................23 1. Moâ taû nguoàn ................................................................................. ....... 23 a. Nguoàn chuaån Co-60 .............................................................. ....... 23 b. Nguoàn chuaån Mn-54 ............................................................. ....... 24 c. Nguoàn chuaån Na – 22 ........................................................... ....... 24 d. Nguoàn chuaån Cs – 137 ......................................................... ....... 24 2. Caùch boá trí thí nghieäm ................................................................ ....... 25 3. Cheá ñoä ño .................................................................................... ....... 25 CHÖÔNG II. KHAÛO SAÙT CAÙC THOÂNG SOÁ CUÛA ÑAÀU DOØ GE SIEÂU TINH KHIEÁT GC 2018 CUÛA BOÄ MOÂN VAÄT LYÙ HAÏT NHAÂN ......26 I. Chuaån naêng löôïng cho heä ño theo vò trí keânh ..............................26 1. Moái lieân heä giöõa vò trí keânh vaø naêng löôïng ghi nhaän ñöôïc ........ ....... 26 2. Phöông phaùp ño ......................................................................... ....... 26 3. Tieán haønh thí nghieäm ................................................................. ....... 27 4. Keát quaû ..................................................................................... ....... 27 2 II. Khaûo saùt hieäu suaát ghi cuûa ñaàu doø HPGe .....................................28 1. Hieäu suaát ghi cuûa ñaàu doø HPGe ................................................ ....... 28 a. Hieäu suaát ghi cuûa ñaàu doø HPGe ...................................... ....... 28 b. Hieäu suaát ghi tính theo coâng thöùc .................................... ....... 29 2. Khaûo saùt hieäu suaát ghi theo naêng löôïng ..................................... ....... 30 a. Khaûo saùt hieäu suaát ghi theo naêng löôïng khi môû naép buoàng chì.30 b. Khaûo saùt hieäu suaát ghi theo naêng löôïng khi ñaäy naép buoàng chì.30 c.So saùnh hieäu suaát khi ñaäy naép buoàng chì vôùi khoâng ñaäy naép buoàng chì..................................................................................... ....... 30 3. Khaûo saùt hieäu suaát theo khoaûng caùch vôùi nguoàn Co-60 ............ ....... 34 a. Ñoái vôùi ñænh naêng löôïng E= 1173.237 (keV) .................. ....... 34 b. Ñoái vôùi ñænh naêng löôïng E= 1332.501 keV ..................... ....... 35 4. Khaûo saùt hieäu suaát theo khoaûng caùch vôùi nguoàn chuaån Cs-137 ....... 35 III. Khaûo saùt ñoä phaân giaûi naêng löôïng cuûa ñaàu doø HPGe ................37 1. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng ........................................................... ....... 37 2. Caùch tính ñoä phaân giaûi naêng löôïng ........................................... ....... 37 3. Keát quaû ...................................................................................... ....... 38 a. Keát quaû ño ...................................................................... ....... 38 b. Ñöôøng bieåu dieãn ñoä phaân giaûi ........................................ ....... 39 IV. Khaûo saùt phoâng cuûa buoàng chì ....................................................39 1. Suaát ñeám treân toaøn phoå .............................................................. ....... 39 a. Tieán haønh thí nghieäm khaûo saùt ........................................ ....... 39 b. Keát quaû ............................................................................ ....... 40 2. Suaát ñeám theo ñænh naêng löôïng ................................................. ....... 40 a. Tieán haønh thí nghieäm khaûo saùt ........................................ ....... 40 3 b. Keát quaû ño ...................................................................... ....... 41 3. Tyû soá trong vaø ngoaøi buoàng chì ................................................. ....... 41 4. Caùch tính phoâng cuûa buoàng chì .................................................. ....... 41 a. Coâng thöùc tính phoâng cuûa moät ñænh phoå ......................... ....... 41 b. Tính phoâng cuûa ñænh Co-60 khoâng ñaäy naép buoàng chì .... ....... 42 c. Tính phoâng cuûa ñænh Co-60 ñaäy naép buoàng chì .............. ....... 43 V. Giôùi haïn phaùt hieän cuûa ñaàu doø ......................................................44 1. Möùc giôùi haïn Lc ......................................................................... ....... 44 2. Giôùi haïn döôùi cuûa ñaàu doø ........................................................... ....... 44 3. Giôùi haïn phaùt hieän ..................................................................... ....... 45 4. Tính giôùi haïn phaùt hieän aD vaø giôùi haïn ño LD ............................ ....... 45 PHAÀN C . KEÁT LUAÄN PHẦN D. PHỤ LỤC TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 4 PHAÀN A. LYÙ THUYEÁT 5 Chöông I. CAÙC ÑAËC TRÖNG CUÛA HEÄ PHOÅ KEÁ GAMMA 1. Cöôøng ñoä ñieän tröoøng vaø hieäu ñieän theá laøm vieäc: Ñeå ñaàu doø laøm vieäc thì phaûi aùp vaøo moät hieäu ñieän theá phaân cöïc ngöôïc. Hieäu ñieän theá naøy taïo ra moät ñieän tröôøng ñeå tuï ñieän tích trong quaù trình hoaït ñoäng cuûa ñaàu doø. Cöôøng ñoä ñieän tröôøng lieân quan ñeán ñoä roäng vuøng ngheøo cuûa ñaàu doø. Vôùi cöôøng ñoä ñieän tröôøng ñuû maïnh seõ taïo ra vuøng ngheøo ñuû lôùn vaø caùc haït taûi tuï taäp hoaøn toaøn veà hai ñieän cöïc. Khi ñieän theá phaân cöïc thaáp, bieân ñoä taêng theo ñieän theá phaân cöïc. Neáu tieáp tuïc taêng hieäu ñieän theá phaân cöïc ñeán moät möùc ñoä naøo ñoù thì taát caû ñieän tích taïo ra bôûi böùc xaï ñeàu taäp trung veà caùc ñieän cöïc. Vuøng ñieän theá naøy goïi laø mieàn baõo hoøa . Neáu ñieän theá phaân cöïc ñuû cao seõ xaûy ra hieän töôïng thaùc luõ. Luùc naøy naêng löôïng cuûa electron sô caáp ñuû lôùn ñeå gaây ra ion hoùa taïo ra electron thöù caáp treân ñöôøng di chuyeån veà caùc ñieän cöïc. Hieän töôïng naøy laøm cho caùc ñænh phoå keùo daøi veà mieàn naêng löôïng cao. 2. Thôøi gian taêng xung. Ñaàu doø baùn daãn laø loaïi ñaàu doø nhaïy nhaát trong taát caû caùc loaïi ñaàu doø thoâng duïng, thôøi gian taêng xung  khoaûng 10ns thaäm chí coøn nhoû hôn nöõa. Thôøi gian taêng cuûa xung phaùt ra töø ñaàu doø baùn daãn coù theå ño ñöôïc taïi ngoõ ra cuûa boä tieàn khueách ñaïi nhaïy ñieän tích. Neáu tieàn khueách ñaïi coù khaû naêng ñaùp öùng nhanh thì Tt ñöôïc xaùc ñònh bôûi caùc soá haïng sau : - Thôøi gian thu ñieän tích TR. 6 - Thôøi gian plasma do hieäu öùng plasma gaây ra. - Thôøi gian taêng xung cuûa maïch töông ñöông ñaàu doø, thöôøng thaønh phaàn naøy raát beù coù theå boû qua. Trong haàu heát caùc tröôøng hôïp, TR laø thaønh phaàn chuû yeáu. Ñöïôc tính bằng : TR = d. 10-8s (ôû nhieät ñoä Nitô loûng ) TR = d.10-7s ( ôû nhieät ñoä phoøng ) Trong ñoù d laø ñoä roäng vuøng ngheøo, tính baèng mm (rieâng ñoái vôùi ñaàu doø ñoàng truïc d laø baùn kính cuûa khoái truï). Thôøi gian thu ñieän tích laø thôøi gian haït taûi di chuyeån töø vò trí hình thaønh veà caùc ñieän cöïc. Thôøi gian naøy phuï thuoäc vaøo ñieän theá phaân cöïc vaø beà roäng vuøng ngheøo. Ñoái vôùi ñaàu doø coù vuøng ngheøo toaøn phaàn, thôøi gian tuï taäp ñieän tích taêng theo ñieän theá phaân cöïc. Ñoái vôùi ñaàu doø phaân cöïc moät phaàn, söï taêng ñieän theá phaân cöïc khoâng nhöõng laøm taêng ñieän tröôøng maø coøn taêng beà roäng vuøng ngheøo, hôn nöõa vaân toác troâi cuûa ñieän töû vaø loã troáng bieán ñoåi trong quaù trình di chuyeån veà caùc ñieän cöïc do söï khoâng ñoàng ñeàu cuûa ñieän tröôøng. Do vaäy söï phuï thuoäc cuûa thôøi gian thu ñieän tích vaøo ñieän theá phaân cöïc raát phöùc taïp. Giaû söû ñoä linh ñoäng cuûa electron laø haèng soá, thôøi gian tuï taäp ñieän tích laø : Tt = 0.53d 2 (s) V (1) Trong ñoù : d: beà roäng vuøng ngheøo, ño baèng cm  : ñoä linh ñoäng cuûa ñaàu doø ño baèng cm2/V V:ñieän theá phaân cöïc ño baèng Volt 7 Thôøi gian plasma laø khoaûng thôøi gian ñeå ñaùm maây ñieän tích phaân taùn cho tôùi khi quaù trình thu thaäp ñieän tích dieãn ra bình thöôøng. Ngoaøi ra ñieän trôû cuûa vuøng ngoaøi vuøng ngheøo laøm taêng thôøi gian taêng xung. Vì vaäy, caùc ñaàu doø coù vuøng ngheøo hoaøn toaøn thích hôïp cho caùc phoå keá nhanh. 3. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng (FWHM)1 Ñoä phaân giaûi naêng löôïng ñöôïc xeùt ñeán chính laø beà roäng nöõa cuûa ñænh phoå ñôn naêng. Ngöôøi ta xeùt ñoä phaân giaûi naêng löôïng khoâng phaûi chæ xeùt ôû giaù trò cuûa noù maø phaûi xem ñaàu doø ñang ghi nhaän böùc xaï gì, naêng löôïng bao nhieâu vaø möùc ñoä ñôn naêng cuûa nguoàn ñoù. Ñoä phaân giaûi naêng löôïng cuûa caùc ñaàu doø Germani tinh khieát ñoái vôùi böùc xaï gamma nhoû hôn 1 %. Söï môû roäng ñænh phoå do ñoùng goùp cuûa taïp aâm laø giôùi haïn döôùi cuûa ñoä phaân giaûi naêng löôïng trong caùc taàng khueách ñaïi. Quaù trình tuï taäp ñieän tích khoâng hoaøn toaøn vaø söï maát maùt naêng löôïng khoâng gioáng nhau trong cuûa soå vaøo cuûa ñaàu doø cuõng goùp phaàn laøm môû roäng ñænh phoå, do ñoù laøm giaûm khaû naêng phaân giaûi cuûa ñaàu doø. Khaû naêng phaân giaûi khoâng chæ phuï thuoäc vaøo baûn thaân ñaàu doø maø coøn phuï thuoäc vaøo caùc thieát bò ñieän töû ñi keøm theo, chuû yeáu laø boä tieàn khueách ñaïi. Neáu taïp aâm lôùn, ñieän dung loái vaøo tieàn khueách ñaïi lôùn daãn tôùi ñoä phaân giaûi cuûa heä thoáng keùm. 4. Chuaån naêng löôïng. Ñoái vôùi electron nhanh vaø caùc ion nheï nhö proton, alpha, ñöôøng chuaån naêng löôïng haàu nhö tuyeán tính vaø coù theå söû duïng ñöôøng chuaån naêng löôïng cuûa moät loaïi böùc xaï cho caùc loaïi böùc xaï khaùc maø khoâng phaïm phaûi sai phaïm lôùn. Chaúng haïn nhö ñoä cao xung cuûa haït alpha vaø proton cuøng naêng löôïng sai khaùc khoaûng 1% hoaëc nhoû hôn. Nguoàn chuaån phoå bieán laø Am 241 phaùt haït alpha coù naêng löôïng 5.486MeV(85%) vaø 5.443MeV(13%). Ñeå chuaån naêng löôïng chính 8 xaùc caàn tính tôùi söï suy giaûm naêng löôïn g cuûa caùc haït trong nguoàn, trong moâi tröôøng vaät chaát giöõa nguoàn vaø ñaàu doø cuõng nhö trong lôùp cheát cuûa ñaàu doø. Ñoái vôùi caùc ion naëng nhö maûnh phaân haïch ñöôøng chuaån naêng löôïng ít tuyeán tính hôn vaø coù söï sai khaùc lôùn giöõa bieân ñoä xung cuûa ion naëng vaø ion nheï cuøng naênglöôïng. Nguyeân nhaân cuûa söï sai khaùc naøy laø do söï khaùc nhau cuûa caùc naêng löôïng maát maùt taïi lôùp cheát cuûa ñaàu doø, do va chaïm haït nhaân vaø hieäu öùng plasma. 5. Lôùp cheát cuûa ñaàu doø. Tröôùc khi vaøo vuøng ngheøo cuûa ñaàu doø, böùc xaï phaûi xuyeân qua lôùp cheát cuûa ñaàu doø. Lôùp cheát bao goàm ñieän cöïc kim loaïi vaø lôùp chaát baùn daãn nhö laø Ge ngay beân döôùi ñieân cöïc, beà daøy cuûa noù coù theå phuï thuoäc vaøo ñieän theá phaân cöïc. Khi qua lôùp cheát naøy böùc xaï seõ hao phí ñi moät phaàn naêng löôïng vaø naêng löôïng hao phí naøy khoâng ñöôïc ñaàu doø ghi nhaän. Do ñoù, beà daøy cuûa lôùp cheát cuõng raát quan troïng vaø coù phaàn aûnh höôûng tôùi ñoä phaân giaûi naêng löôïng cuûa ñaàu doø. Neáu beà daøy lôùp cheát quaù lôùn thì naêng löôïng hao phí seõ lôùn. Khi ñoù naêng löôïng ñaàu doø ghi nhaän ñöôïc khoâng phaûi laø giaù trò thöïc cuûa haït tôùi. Ñoä moûng cuûa lôùp cheát côõ 100nm seõ töông öùng vôùi naêng löôïng hao phí laø4 KeV ñoái vôùi proton laø 1MeV, 14 keV ñoái vôùi haït alpha 5 MeV vaø côõ vaøi traêm keV ñoái vôùi maûnh phaân haïch. Ngoaøi ra, heä soá hình hoïc cuõng aûnh höôûng tôùi söï maát naêng löôïng trong lôùp cheát. Neáu haït vaøo theo höôùng vuoâng goùc vôùi beà maët cuûa ñaàu doø thì söï hao phí naêng löôïng laø nhoû nhaát, neáu böùc xaï ñi vaøo theo moät goùc xieân thì naêng löôïng hao phí lôùn hôn. 9 Chöông II. TÖÔNG TAÙC CUÛA PHOTON VÔÙI ÑAÀU DOØ VAØ SÖÏ HÌNH THAØNH PHOÅ 1. Nguyeân taéc cuûa söï hình thaønh phoå a. Moät tia Gamma coù naêng löôïng h  ñi vaøo ñaàu doø Ge b. Caùc electron thöù caáp vôùi toång ñoäng naêng E(eV) sinh ra trong vuøng nhaïy trong tinh theå Ge bôûi söï töông taùc photon vôùi Ge c. Caùc electron thöù caáp sinh ra moät löôïng lôùn (N) caëp electron –loã troáng bôûi söï ion hoaù trong tinh theå Ge . d. Moät tín hieäu xung coù bieân ñoä V(volt) ñöôïc sinh ra ôû ñaàu vaøo tieàn khueách ñaïi vôùi ñieân dung C (Farad). e. V ñöôïc khueách ñaïi vaø bieán ñoåi thaønh soá chæ vò trí keânh (ch) bôûi ADC cuûa MCA, moät soá ñeám ñöôïc coâng vaøo soá ñeám toång taïi vò trí keânh ch. f. Nhieàu tia Gamma ñöïôc phaân tích bôûi quaû trình töø a ñeán e, vaø söï phaân boá ñoä cao cuûa xung ñöôïc hình thaønh (phoå Gamma ). 10 Tia gamma Electron thöù caáp Caëp electron –loã troáng Tín hieäu xung Phaân tích ñoä cao xung Phoå gamma Sô ñoà söï hình thaønh phoå 2. Töông taùc photon vôùi ñaàu doø Ge: a. Hieäu öùng quang ñieän : Löôïng töû gamma va chaïm khoâng ñaøn hoài vôùi nguyeân töû vaø trao toaøn boä naêng löôïng cuûa mình cho electron lieân keát cuûa nguyeân töû. Moät phaàn naêng löôïng naøy giuùp electron thaéng löïc lieân keát, phaàn coøn laïi trôû thaønh ñoäng naêng cuûa electron. Theo ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng : E = T e + Io (2) Vôùi : Io: naêng löôïng lieân keát Te : ñoäng naêng electron cöïc ñaïi 11 Xung löôïng cuûa heä cuõng ñöôïc baûo toaøn do söï giaät luøi cuûa nguyeân töû. Ñaëc tính chuû yeáu cuûa hieäu öùng quang ñieän laø do ñieàu kieän baûo toaøn naên g löôïng vaø xung löôïng electron töï do haáp thuï hay böùc xaï 1 photon hoaøn toaøn. Do ñoù hieäu öùng quang ñieän maïnh nhaát xaûy ra ñoái vôùi löôïng töû gamma coù naêng löôïng coù theå so saùnh ñöôïc vôùi naêng löôïng lieân keát cuûa nguyeân töû. Naêng löôïng lieân keát cuûa nguyeân töû lôùn hôn ñoái vôùi caùc electron voû nguyeân töû saâu hôn vaø vôùi nguyeân töû coù soá Z lôùn hôn. Do ñoù, hieäu öùng quang ñieän chuû yeáu xaûy ra ôû lôùp trong cuøng (30%), nghóa laø caùc electron lôùp K, maët khaùc hieäu öùng naøy cuõng taêng khi Z cuûa moâi tröôøng taêng. Coâng thöùc toång quaùt cuûa tieát dieän taùn xaï trong hieäu öùng quang ñieän ñöôïc daãn töø söï phuï thuoäc cuûa tieát dieän taùn xaï vôùi naêng löôïng töû gamma vaø soá ngöyeân töû cuûa vaät chaát. Tieát dieän taùn xaï tæ leä vôùi Z 5, nghóa laø noù taêng raát nhanh ñoái vôùi caùc nguyeân toá naëng. Neáu naêng löôïng cuûa böùc xaï gamma tôùi chæ lôùn hôn naêng löôïng lieân keát cuûa e thì tieát dieän taùn xaï  f (E) tæ leä vôùi E-3.5, nghóa laø noù giaûm raát nhanh khi giaûm naêng löôïng. Khi naêng löôïng böùc xaï gamma tôùi lôùn hôn naêng löôïng lieân keát nhieàu ,  f (E) giaûm chaäm hôn, gaàn baèng E-1. Trong khoaûng chia cuûa naêng löôïng lieân keát, tieát dieän taùn xaï thay ñoåi giaùn ñoaïn. Thí duï tieát dieän taùn xaï theå hieän cöïc ñaïi roõ raøng hôi cao hôn naêng löôïng lieân keát cuûa electron lôùp K, bôûi vì noù ôû naêng löôïng thaáp hôn, electron lôùp K khoâng theå tham gia hieäu öùng quang ñieän , vì noù bò caám bôûi ñònh luaät baûo toaøn naêng löông. Trong khoaûng naêng löôïng lieân keát cuûa nguyeân töû, tieát dieän taùn xaï  f (E) raát lôùn hôn so vôùi tieát dieän taùn xaï cuûa quaù trình khaùc. Khi taêng naêng löôïng, tieát dieän taùn xaï  f (E) giaûm maïnh, vì khi ñoù electron nguyeân töû ñöôïc xem nhö electron töï do. Ñoäng naêng electron :Ee = E –Io 12 Ôû ñaây I laø theá ion hoaù cuûa nguyeân töû moâi tröông Theo ñoù hieäu öùng quang ñieän laø cô caáu haáp thuï troäi hôn ôû vuøng naêng löôïng thaáp, vai troø cuûa noù trôû neân khoâng ñaùng keå ôû vuøng naêng löôïng cao. b. Taùn xaï Compton: Khi naêng löôïng löôïng töû gamma taêng hieän töôïng haáp thuï quang ñieän giaûm thaønh thöù yeáu nhöôøng cho hieäu öùng Compton. Taùn xaï compton trôû neân noåi baät nhö moät cô cheá haáp thuï trong khoaûng naêng löôïng lôùn hôn nhieàu naêng löôïng lieân keát trung bình cuûa nguyeân töû. Khi tính tieát dieän taùn xaï cuûa hieäu öùng Compton, coù theå xem nhö electron laø töï do vôùi möùc ñoä chính xaùc phuø hôïp muïc ñích thöïc nghieäm. Trong hieäu öùng Compton, löôïng töû gamma va chaïm ñaøn hoài vôùi electron töï do. Giaû söû tröôùc luùc va chaïm electron ñöùng yeân , öùng duïng ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng vaø xung löôïng ta coù ñöôïc keát quaû : Söï thay ñoåi ñoä daøi soùng theo phöông xaùc ñònh khoâng tuyø thuoäc naêng löôïng photon tôùi :   '  h 1  cos  m0 c 2 (3) Vôùi  : laø böôùc soùng cuûa photon ' :laø böôùc soùng cuûa photon tôùi Söï thay ñoåi naêng löôïng phuï thuoäc nhieàu vaøo naêng löôïng photon tôùi . Ee  E  E '  Vôùi a  a1  cos  E 1  a1  cos  (4) h mc 2 Ee : ñoäng naêng cuûa electron sau va chaïm 13 Naêng löôïng photon taùn xaï laø : E'  1 ' ' (5) me c 2 1  cos   , taàn soá cuûa böôùc soáng tôùi Naêng löôïng cuûa löôïng töû gamma taêng hieäu öùng Compton trôû thaønh cô caáu haáp thuï troäi leân ôû mieàn naêng löôïng cao. Chuù yù raèng taùn xaï Compton vôùi haït nhaân Z 2e2 khoâng ñaùng keå, vì baùn kính ñieän töû coå ñieån raát nhoû (r= ) M nuc c 2 c. Söï taïo caëp. Khi naêng löôïng  >>2mec2 =1,022Mev thì quaù trình töông taùc chính cuûa  leân vaät chaát laø söï taïo caëp electron –positron. Caëp e-,e+ sinh ra trong tröôøng ñieân töø cuûa haït nhaân, khi ñoù löôïng töû  bieán maát (haáp thuï hoaøn toaøn ) vaø naêng löôïng cuûa noù truyeàn heát cho caëp e +,e- vaø nhaân bò giaät luøi. Naêng löôïng giaät luøi khoâng ñaùng keå, bieåu thöùc ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng ñöôïc vieát nhö sau : E = T- + T+ + 2mec2 (6) Caùc e+,e- sinh ra trong tröôøng ñieän töø cuûa nhaân neân caùc e + seõ bay ra khoûi haït nhaân (do löïc ñaåy Coulomb), coøn caùc electron bò haõm laïi. Do ñoù phoå naêng löôïng ño ñöïôc khaùc nhau ñoái vôùi naêng löôïng E. Söï khaùc nhau caøng taêng ñoái vôùi moâi tröôøng coù Z lôùn. 14 Chöông III. GIÔÙI THIEÄU MOÄT SOÁ LOAÏI ÑAÀU DO BAÙN DAÃN 1. Ñaàu doø Ge coù naêng löôïng cöïc thaáp (ULEGe: Ultra low energy Ge) Ñaàu doø ULEGe cuûa haõng Canberra môû roäng daûi ñaëc tính cuûa ñaàu doø Ge xuoáng tôùi vaøi traêm eV, cung caáp khaû naêng phaân giaûi,daïng ñænh vaø tyû soá ñænh treân neàn khi maø ta nghó laø khoâng theå ñaït tôùi ñöôïc ñoái vôùi ñaàu doø baùn daãn. Ñaàu doø ULEGe giöõ laïi hieäu suaát naêng löôïng cao ñoái vôùi ñaàu doø Ge. Ñaàu doø ULEGe cung caáp nhöõng öu ñieåm veà khaû naêng phaân giaûi vaø hieäu suaát voán coù cuûa ñaàu doø Ge maø khoâng coù nhöõng nhöôïc ñieåm cuûa caùc ñaàu doø Ge thoâng thöôøng, vì vaäy noù coù taàm aùp duïng trong phaïm vi naêng löôïng roäng hôn. Khaû naêng phaân giaûi cuûa ULEGe 100 mm 2 laø nhoû hôn 150 eV (FWHM) taïi 5,9 keV. Ñaàu doø Si(Li) toát nhaát coù cuøng kích thöôùc coù khaû naêng phaân giaûi 175 eV(FWHM). Ñeå taän duïng ñoä nhaïy vôùi naêng löôïng thaáp cuûa ULEGe, ngöôøi ta chon cuûa soå laø moät maøng polymer. Cöûa soå polymer naøy laø moät maøng coù nhieàu lôùp ñöôïc hoã trôï bôûi moät khung laøm baèng Silic. Maøng naøy ñöôïc môû roäng ra treân caùc xöông Silic côõ 100  m, coù ñoä daøy 0.3mm vaø hoaït ñoäng nhö moät oáng chuaån tröïc(collimator). Ñoái vôùi caùc maùy ñieàu hoaø naèm ngang, söï ñònh höôùng khung söôøn hoã trôï coù theå ñöôïc choïn bôûi vieäc thieát keá maãu cöûa soå thích hôïp : V ñoái vôùi khung xöôøng thaúng ñöùng vaø H cho caùc khung xöôøng naèm ngang. Caáu truùc ñôõ ñöôïc môû 75% do ñoù dieän tích hieäu duïng cuûa ñaàu doø bò giaûm 25% töø dieän tích toång coäng. Ñoä daøy maøng toång coäng laø côõ 340nm, 400nm laø lôùp nhoâm giaûm ñoä 15 nhaïy vôùi aùnh saùng moâi tröôøng. Tuy nhieân, caùc ñaàu doø coù cuûa soå polymer phaûi ñöôïc vaän haønh trong moâi tröôøng toái. Window Elemen Hình 3.1: Caáu truùc ñôõ cuûa soå vaø ñaàu doø 2. Ñaàu doø Ge coù naêng löôïng thaáp (LEGe). Ñaàu doø Ge naêng löôïng thaáp mieâu taû moät khaùi nieäm môùi trong hình hoïc ñaàu doø Ge vôùi nhöõng öu ñieåm so vôùi ñaàu doø planar hoaëc ñoàng truïc thoâng thöôøng trong nhieàu öùng duïng. Ñaàu doø LEGe ñöôïc cheá taïo vôùi lôùp tieáp xuùc phía tröôùc moûng. Tieáp xuùc phía sau beù hôn dieän tích toaøn phaàn vaø do ñoù ñieän dung cuûa ñaàu doø beù hôn ñieän dung cuûa ñaàu doø planar coù cuøng kích thöôùc. Vì vaäy taïp aâm cuûa tieàn khueách ñaïi laø haøm soá ñieän dung cuûa tuï ñaàu doø thaáp, cho neân LEGe coá gaéng laøm cho taïp aâm thaáp hôn vaø do ñoù khaû naêng phaân giaûi toát hôn taïi naêng löôïng thaáp vaø vöøa vôùi baát kyø hình hoïc cuûa ñaàu doø khaùc naøo. Khoâng gioáng caùc ñaàu doø planar raõnh, coù ít Ge cheát ngoaøi vuøng hoaït. Thöïc teá beà maët tuï tích hôn laø caùch ñieän, ñieàu naøy daãn thôøi gian taêng xung ngaén hôn vôùi ñaëc tröng cuûa taàn soá vaø tyû soá ñænh treân neàn ñöôïc caûi thieän. Ñaàu doø LEGe laø coù saün vuøng hoaït töø 50 mm 2 ñeán 38 cm2 vaø vôùi ñoä daøy töø 5 tôùi 25 mm. Ñoái vôùi caùc öùng duïng lieân quan tôùi naêng löôïng gamma 16 trung bình, LEGe coù theå thay theá moät ñaàu doø ñoàng truïc dung tích lôùn ñaét tieàn. Lôïi duïng öu ñieåm cuûa ñaùp öùng naêng löôïng thaáp cuûa ñaàu doø cöûa soå nhoû cô baûn naøy, LEGe thöôøng ñöôïc trang bò vôùi cuûa soå Be moûng. Ñoái vôùi nhöõng öùng duïng treân 30 keV hoaëc hôn, LEGe coù theå ñöôïc cung caáp vôùi moät cuûa soå nhoâm 0.5 mm thoâng thöôøng. Hình 3.2 : Moâ hình ñaàu doø Germanium naêng löôïng thaáp caáu hình phaúng 3. Ñaàu doø Ge ñoàng truïc ñieän cöïc ngöôïc (REGe) Töôïng töï veà hình hoïc nhö ñoái vôùi ñaàu doø Ge ñoàng truïc khaùc vôùi moät söï khaùc nhau quan troïng. Ñieän cöïc cuûa REGe ngöôïc vôùi ñaàu doø ñoàng truïc thoâng thöôøng trong ñoù ñieän cöïc loaïi p, (Bo ñöôïc nuoâi caáy ion) laø beân ngoaøi vaø tieáp xuùc loaïi n ( khueách taùn Li) laø beân trong. Coù hai öu ñieåm cho boá trí ñieän cöïc naøy : ñoä daøy cöûa soå vaø choáng hoûng hoùc do böùc xaï. Tieáp xuùc ngoaøi nuoâi caáy ion laø heát söùc moûûng (0.3  m) so vôùi tieáp xuùc khueách taùn Li. Keát hôïp vôùi cöûa soå cuûa cryostat moûng seõ môû roäng ñoä nhaïy naêng löôïng xuoáng khoaûng 5 keV, cung caáp cho ñaàu doø moät khoaûng ñoäng hoïc lôùn hôn 2000 laàn . 17 Roõ raøng khoaûng ñoäng hoïc naøy lôùn hôn khoaûng 100 laàn maø ñöôïc cung caáp bôûi haàu heát caùc heä thoáng phaân tích vì theá ñaàu doø naøy khoâng theå bao phuû khoaûng naêng löôïng 5keV ñeán 10keV cuøng moät luùc. Caùc ñaëc tính haïn cheá söï toån haïi do böùc xaï cuûa ñaàu doø REGe ôû choã : ngöôøi ta ñaõ phaùt hieän raèng söï toån haïi do böùc xaï chuû yeáu laø vì caùc neutron hoaëc caùc haït mang ñieän gaây ra vieäc baãy loã troáng trong maïng tinh theå Ge. Khoâng gioáng tröôøng hôïp caùc ñaàu doø ñoàng truïc theo quy öôùc, caùc loã troáng bò caét bôûi lôùp ñieän cöïc beân ngoaøi cuûa ñaàu doø REGe. Do phaàn lôùn theå tích laøm vieäc cuûa ñaàu doø maø ñöôïc ñaëc beân trong moät khoaûng caùch cho tröôùc cuûa lôùp tieáp xuùc beân trong, vì theá veà trung bình caùc loã troáng coù quaõng chaïy ngaén hôn trong töôøng hôïp noù bò huùt veà beân ngoaøi so vôùi tröôøng hôïp noù bò huùt veà beân trong. Vôùi khoaûng chaïy ngaén hôn caùc loå troáng döôøng nhö ít bò baét trong caùc vaät lieäu bò sai hoûng do böùc xaï. Dó nhieân, vieäc gia taêng söï ngaên chaën caùc toån haïi do böùc xaï coøn phuï thuoäc caùc thöøa soá khaùc, vì caùc baèng chöùng thöïc nghieäm ñaõ cho thaáy raèng söï ngaên chaën caùc toån haïi cuûa ñaàu doø REGe toát hôn 10 laàn so vôùi caùc ñaàu doø Ge ñoàng truïc theo quy öôùc. Hình 3.3: Moâ hình ñaàu doø ñieän cöïc ngöôïc 18 4. Ñaàu doø Germani ñoàng truïc Ñaàu doø ñoàng truïc thoâng thöôøng hay ñöôïc xem nhö Ge tinh khieát, HPGe, Ge beân trong hay Ge sieâu saïch. Baát chaáp caáp ñoä ñöôïc söû duïng, ñaàu doø veà cô baûn laø Ge hình truï tieáp xuùc vôùi loaïi n treân maët ngoaøi tieáp xuùc loaïi p treân maët cuûa gieáng ñoàng truïc. Caáu hình cuûa ñaàu doø ñoàng truïc ñöôïc trình baøy treân hình 3.3. Germani coù möùc taïp chaát côõ 1010 nguyeân töû / cm3 sao cho vôùi thieân aùp ngöôïc thích hôïp, theå tích toaøn theå giöõa caùc ñieän cöïc ñöôïc laøm ngheøo vaø ñieän tröôøng môû roäng qua vuøng hoaït naøy. Töông taùc cuûa photon trong vuøng naøy taïo neân caùc phaàn töû mang ñieän bò queùt baèng ñieän tröôøng tôùi caùc ñieän cöïc tuï cuûa noù, ôû ñaây moät tieàn khueách ñaïi nhaïy ñieän tích bieán ñoåi ñieän tích naøy thaønh xung theá tyû leä vôùi naêng löôïng bò maát trong ñaàu doø. Tieáp xuùc n vaø p hay caùc ñieän cöïc laø Li khueách taùn vaø Bo ñöôïc nuoâi caáy ion töông öùng. Tieáp xuùc Li khueách taùn ngoaøi loaïi n naøy coù ñoä daøy côõ 0,5 mm. Tieáp xuùc phía trong coù ñoä daøy côõ 0,3 mm. Haøng raøo beà maët coù theå ñöôïc thay cho Bo nuoâi caáy ion vôùi keát quaû nhö nhau. Ñaàu doø ñoàng truïc coù theå vaän chuyeån vaø giöõ khoâng caàn laøm maïnh. Maëc duø vaäy, söï oån ñònh daøi haïn ñöôïc baûo quaûn toát nhaát baèng giöõ laïnh ñaàu doø. Gioáng nhö taát caû caùc ñaàu doø Ge, noù phaûi ñöôïc laøm laïnh khi söû duïng ñeå traùnh doøng roø nhieät quaù möùc. Baûn chaát khoâng deã hoûng cuûa ñaàu doø loaïi naøy môû roäng öùng duïng cuûa phoå keá Ge bao goàm lónh vöïc söû duïng hieän tröôøng caùc phoå keá xaùch tay. Hình 3.4 : Moâ hình ñaàu doø daïng ñoàng truïc 19