Đề tài Khảo sát các thông số của hệ phổ kế gamma với đầu dò bán dẫn ge siêu tinh khiết (hpge) gc2018

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 NHÂN  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 1 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 3. Độ phân giải năng lượng (FWHM) ......................................................... 8 4. Chuẩn năng lượng .................................................................................. 8 5. Lớp chết của đầu dò ............................................................................... 9 CHƯƠNG II. TƯƠNG TÁC PHOTON VỚI ĐẦU DÒ VÀ SỰ HÌNH THÀNH PHỔ .......................................................................................... 10 1. Nguyên tắc của sự hình thành phổ ........................................................10 2. Tương tác của photon với đầu dò Ge .....................................................11 a. Hiệu ứng quang điện. ......................................................................11 b. Tán xạ compton ...............................................................................12 c. Hiệu ứng tạo cặp ............................................................................14 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐẦU DÒ BÁN DẪN 1. Đầu dò Ge với năng lượng cực thấp ......................................................15 2. Đầu dò Ge với năng lượng thấp ................................................ ...........16 3. Đầu dò Ge điện cực ngược ........................................................ ...........17 4. Đầu dò Ge đồng trục .................................................................. ...........18 2 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 bị 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 vị trí kênh ..............................26 1. Mối liên hệ giữa vị 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 II. Khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò HPGe .....................................28 1. Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe ................................................ ....... 28 a. Hiệu suất ghi của đầu dò HPGe ...................................... ....... 28 b. Hiệu suất ghi tính theo công thức .................................... ....... 29 2. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng ..................................... ....... 30 a. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi mở nắp buồng chì.30 b. Khảo sát hiệu suất ghi theo năng lượng khi đậy nắp buồng chì.30 c. So sánh hiệu suất khi đậy nắp buồng chì với không đậy nắp buồng chì..................................................................................... ....... 30 3. Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn Co-60 ............ ....... 34 a. Đối với đỉnh năng lượng E= 1173.237 (keV) .................. ....... 34 b. Đối với đỉnh năng lượng E= 1332.501 keV ..................... ....... 35 4. Khảo sát hiệu suất theo khoảng cách với nguồn chuẩn Cs-137 ....... 35 III. Khảo sát độ phân giải năng lượng của đầu dò HPGe ................37 1. Độ phân giải năng lượng ........................................................... ....... 37 2. Cách tính độ phân giải năng lượng ........................................... ....... 37 3. Kết quả ...................................................................................... ....... 38 a. Kết quả đo ...................................................................... ....... 38 b. Đường biểu diễn độ phân giải ........................................ ....... 39 IV. Khảo sát phông của buồng chì ....................................................39 1. Suất đếm trên toàn phổ .............................................................. ....... 39 a. Tiến hành thí nghiệm khảo sát ........................................ ....... 39 b. Kết quả ............................................................................ ....... 40 2. Suất đếm theo đỉnh năng lượng ................................................. ....... 40 a. Tiến hành thí nghiệm khảo sát ........................................ ....... 40 4 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 5 PHẦN A. LÝ THUYẾT 6 Chương I. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1. Cường độ điện trưòng và hiệu điện thế làm việc: Để đầu dò làm việc thì phải áp vào một hiệu điện thế phân cực ngược. Hiệu điện thế này tạo ra một điện trường để tụ điện tích trong quá trình hoạt động của đầu dò. Cường độ điện trường liên quan đến độ rộng vùng nghèo của đầu dò. Với cường độ điện trường đủ mạnh sẽ tạo ra vùng nghèo đủ lớn và các hạt tải tụ tập hoàn toàn về hai điện cực. Khi điện thế phân cực thấp, biên độ tăng theo điện thế phân cực. Nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế phân cực đến một mức độ nào đó thì tất cả điện tích tạo ra bởi bức xạ đều tập trung về các điện cực. Vùng điện thế này gọi là miền bão hòa . Nếu điện thế phân cực đủ cao sẽ xảy ra hiện tượng thác lũ. Lúc này năng lượng của electron sơ cấp đủ lớn để gây ra ion hóa tạo ra electron thứ cấp trên đường di chuyển về các điện cực. Hiện tượng này làm cho các đỉnh phổ kéo dài về miền năng lượng cao. 2. Thời gian tăng xung. Đầu dò bán dẫn là loại đầu dò nhạy nhất trong tất cả các loại đầu dò thông dụng, thời gian tăng xung  khoảng 10ns thậm chí còn nhỏ hơn nữa. Thời gian tăng của xung phát ra từ đầu dò bán dẫn có thể đo được tại ngõ ra của bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích. Nếu tiền khuếch đại có khả năng đáp ứng nhanh thì Tt được xác định bởi các số hạng sau : - Thời gian thu điện tích TR. 7 - Thời gian plasma do hiệu ứng plasma gây ra. - 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 -8 s (ở nhiệt độ Nitơ lỏng ) TR = d.10 -7 s ( 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 vị 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 = V d  253.0 (s) (1) Trong đó : d: bề rộng vùng nghèo, đo bằng cm  : độ linh động của đầu dò đo bằng cm 2 /V V:điện thế phân cực đo bằng Volt 8 Thời gian plasma là khoảng thời gian để đám mây điện tích phân tán cho tới khi quá trình thu thập điện tích diễn ra bình thường. Ngoài ra điện trở của vùng ngoài vùng nghèo làm tăng thời gian tăng xung. Vì vậy, các đầu dò có vùng nghèo hoàn toàn thích hợp cho các phổ kế nhanh. 3. Độ phân giải năng lượng (FWHM)1 Độ phân giải năng lượng được xét đến chính là bề rộng nữa của đỉnh phổ đơn năng. Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá trị của nó mà phải xem đầu dò đang ghi nhận bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu và mức độ đơn năng của nguồn đó. Độ phân giải năng lượng của các đầu dò Germani tinh khiết đối với bức xạ gamma nhỏ hơn 1 %. Sự mở rộng đỉnh phổ do đóng góp của tạp âm là giới hạn dưới của độ phân giải năng lượng trong các tầng khuếch đại. Quá trình tụ tập điện tích không hoàn toàn và sự mất mát năng lượng không giống nhau trong của sổ vào của đầu dò cũng góp phần làm mở rộng đỉnh phổ, do đó làm giảm khả năng phân giải của đầu dò. Khả năng phân giải không chỉ phụ thuộc vào bản thân đầu dò mà còn phụ thuộc vào các thiết bị điện tử đi kèm theo, chủ yếu là bộ tiền khuếch đại. Nếu tạp âm lớn, điện dung lối vào tiền khuếch đại lớn dẫn tới độ phân giải của hệ thống kém. 4. Chuẩn năng lượng. Đối với electron nhanh và các ion nhẹ như proton, alpha, đường chuẩn năng lượng hầu như tuyến tính và có thể sử dụng đường chuẩn năng lượng của một loại bức xạ cho các loại bức xạ khác mà không phạm phải sai phạm lớn. Chẳng hạn như độ cao xung của hạt alpha và proton cùng năng lượng sai khác khoảng 1% hoặc nhỏ hơn. Nguồn chuẩn phổ biến là Am 241 phát hạt alpha có năng lượng 5.486MeV(85%) và 5.443MeV(13%). Để chuẩn năng lượng chính 9 xác cần tính tới sự suy giảm năng lượng 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 trị 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. 10 Chương II. TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI ĐẦU DÒ VÀ SỰ HÌNH THÀNH PHỔ 1. Nguyên tắc của sự hình thành phổ a. Một tia Gamma có năng lượng h đi vào đầu dò Ge b. Các electron thứ cấp với tổng động năng E(eV) sinh ra trong vùng nhạy trong tinh thể Ge bởi sự tương tác photon với Ge c. Các electron thứ cấp sinh ra một lượng lớn (N) cặp electron –lỗ trống bởi sự ion hoá trong tinh thể Ge . d. Một tín hiệu xung có biên độ V(volt) được sinh ra ở đầu vào tiền khuếch đại với điên dung C (Farad). e. V được khuếch đại và biến đổi thành số chỉ vị trí kênh (ch) bởi ADC của MCA, một số đếm được công vào số đếm tổng tại vị trí kênh ch. f. Nhiều tia Gamma đựơc phân tích bởi quả trình từ a đến e, và sự phân bố độ cao của xung được hình thành (phổ Gamma ). 11 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 định luật bảo toàn năng lượng : E = Te + Io (2) Với : Io: năng lượng liên kết Te : động năng electron cực đại Electron thứ cấp Cặp electron –lỗ trống Tín hiệu xung Phân tích độ cao xung Phổ gamma Tia gamma 12 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 năng 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%), nghĩa là các electron lớp K, mặt khác hiệu ứng này cũng tăng khi Z của môi trường tăng. Công thức tổng quát của tiết diện tán xạ trong hiệu ứng quang điện được dẫn từ sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ với năng lượng tử gamma và số ngưyên tử của vật chất. Tiết diện tán xạ tỉ lệ với Z 5 , nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố nặng. Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của e thì tiết diện tán xạ f (E) tỉ lệ với E -3.5 , nghĩa là nó giảm rất nhanh khi giảm năng lượng. Khi năng lượng bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết nhiều, f (E) giảm chậm hơn, gần bằng E -1 . Trong khoảng chia của năng lượng liên kết, tiết diện tán xạ thay đổi gián đoạn. Thí dụ tiết diện tán xạ thể hiện cực đại rõ ràng hơi cao hơn năng lượng liên kết của electron lớp K, bởi vì nó ở năng lượng thấp hơn, electron lớp K không thể tham gia hiệu ứng quang điện, vì nó bị cấm bởi định luật bảo toàn năng lương. Trong khoảng năng lượng liên kết của nguyên tử, tiết diện tán xạ f (E) rất lớn hơn so với tiết diện tán xạ của quá trình khác. Khi tăng năng lượng, tiết diện tán xạ f (E) giảm mạnh, vì khi đó electron nguyên tử được xem như electron tự do. Động năng electron :Ee = E –Io 13 Ơû đây I là thế ion hoá của nguyên tử môi trương 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. b. Tán xạ Compton: Khi năng lượng lượng tử gamma tăng hiện tượng hấp thụ quang điện giảm thành thứ yếu nhường cho hiệu ứng Compton. Tán xạ compton trở nên nổi bật như một cơ chế hấp thụ trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều năng lượng liên kết trung bình của nguyên tử. Khi tính tiết diện tán xạ của hiệu ứng Compton, có thể xem như electron là tự do với mức độ chính xác phù hợp mục đích thực nghiệm. Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma va chạm đàn hồi với electron tự do. Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên, ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có được kết quả : Sự thay đổi độ dài sóng theo phương xác định không tuỳ thuộc năng lượng photon tới :   cos1 2 0 '  cm h (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 .     E a a EEEe   cos11 cos1'    (4) Với 2mc h a  Ee : động năng của electron sau va chạm