Luận văn Khảo sát phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn hpge

Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho mỗi nguyên tố, cường độ bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỉ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố đó. Chính vì vậy, việc xác định chính xác phổ gamma của mỗi nguyên tố có ý nghĩa rất quan trọng trong các bài toán phân tích xác định các thành phần nguyên tố, phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân, Tuy nhiên, phổ gamma đo được trong các phép phân tích thường khá phức tạp. Hiện nay, việc ghi nhận phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn thường có nền Compton cao cho nên một số đỉnh năng lượng có cường độ thấp hiện lên không rõ nét, có khi bị nền Compton che lấp. Do đó việc xác định các đỉnh này thường phạm sai số lớn làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của phép đo. Mặt khác, độ nhạy phân tích chỉ có thể cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên nền Compton là lớn. Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm sao hạ được nền Compton càng thấp càng tốt, từ đó mới có khả năng làm lộ rõ được các đỉnh năng lượng thấp

pdf70 trang | Chia sẻ: duongneo | Lượt xem: 1423 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Khảo sát phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn hpge, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ------------------------- Huỳnh Minh Hiền KHẢO SÁT PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG GAMMA SỬ DỤNG ĐẦU Dề BÁN DẪN HPGe Chuyờn ngành: Vật lớ nguyờn tử, hạt nhõn và năng lượng cao Mó số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐINH SỸ HIỀN Thành phố Hồ Chớ Minh – 2010 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Vật Lí, cán bộ phòng Sau Đại Học - Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS Đinh Sỹ Hiền, người đã trực tiếp chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Sự giúp đỡ tận tình của thầy chính là động lực và nền tảng để em hoàn thành được luận văn này. Em xin trân trọng gửi tới Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt lời cảm ơn chân thành vì sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em được làm thực nghiệm tại Viện. Xin trân trọng cảm ơn cán bộ Phòng Vật Lí Điện Tử Hạt Nhân, đặc biệt là anh Nguyễn Xuân Hải, anh Hồ Hữu Thắng đã giúp đỡ tận tình, hướng dẫn chi tiết và có những đóng góp quý báu cho em. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu và Tổ Vật Lí - KTC trường THPT Nam Hà - Biên Hòa - Đồng Nai đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa học tại Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh. TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010 Huỳnh Minh Hiền Mở ĐầU Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho mỗi nguyên tố, cường độ bức xạ gamma đặc trưng của mỗi nguyên tố phóng xạ tỉ lệ thuận với hàm lượng của nguyên tố đó. Chính vì vậy, việc xác định chính xác phổ gamma của mỗi nguyên tố có ý nghĩa rất quan trọng trong các bài toán phân tích xác định các thành phần nguyên tố, phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân,Tuy nhiên, phổ gamma đo được trong các phép phân tích thường khá phức tạp. Hiện nay, việc ghi nhận phổ gamma bằng đầu dò bán dẫn thường có nền Compton cao cho nên một số đỉnh năng lượng có cường độ thấp hiện lên không rõ nét, có khi bị nền Compton che lấp. Do đó việc xác định các đỉnh này thường phạm sai số lớn làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của phép đo. Mặt khác, độ nhạy phân tích chỉ có thể cải thiện trong điều kiện tỉ số diện tích đỉnh phổ trên nền Compton là lớn. Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm sao hạ được nền Compton càng thấp càng tốt, từ đó mới có khả năng làm lộ rõ được các đỉnh năng lượng thấp. Như ta đã biết, khoảng thời gian phát các tia gamma nối tầng hoặc các tia gamma sinh ra trong quá trình hủy cặp electron - pozitron vào khoảng vài trăm picô giây nên ta có thể coi như chúng phát ra đồng thời, đó là các tia gamma trùng phùng. Tín hiệu trùng phùng đặc trưng cả về năng lượng và tương quan thời gian của hai bức xạ phát ra từ một hạt nhân nên nó có tính chọn lọc cao. Vì vậy, ta có thể lợi dụng sự tương quan về thời gian của các tia gamma trùng phùng để ghi nhận chọn lọc các bức xạ gamma đặc trưng của mỗi hạt nhân phóng xạ, nghĩa là ta dùng thông số thời gian để điều khiển việc ghi nhận năng lượng phổ bức xạ gamma. Nhờ đó, ta có thể giảm ảnh hưởng của các tia gamma tán xạ Compton và các dịch chuyển gamma không tương quan về thời gian giúp giảm đáng kể nền Compton, nâng cao chất lượng của phép đo. Trong trường hợp này, thông tin chính xác về thời gian tới của lượng tử bức xạ trong đầu dò là đặc biệt quan trọng. Sự chính xác về thời gian có thể được thực hiện phụ thuộc vào tính chất của đầu dò được sử dụng để xử lý tín hiệu. Đặc trưng thời gian tốt nhất nhận được đối với các đầu dò trong đó điện tích được thu góp nhanh nhất. Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe là loại dầu dò có khả năng thu góp điện tích nhanh và cung cấp khả năng phân giải năng lượng tốt nhất trong tất cả các loại đầu dò thông dụng cho nên nó rất thích hợp khi sử dụng trong các sơ đồ ghi nhận bức xạ gamma sử dụng kỹ thuật trùng phùng. Mục đích của luận văn là nhằm tìm hiểu về các khối điện tử cùng nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe, tìm hiểu phương pháp trùng phùng thường và phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (còn gọi là trùng phùng sự kiện - sự kiện) để ghi nhận phổ năng lượng của bức xạ gamma, sử dụng hệ phổ kế trùng phùng gamma thu phổ năng lượng của nguồn 60Co, 22Na nhằm khảo sát khả năng giảm phông của hệ phổ kế trùng phùng so với hệ phổ kế bán dẫn đơn tinh thể. Cấu trúc của luận văn bao gồm các phần chính sau : Chương 1 : Tổng quan về các hệ phổ kế gamma Chương 2 : Tìm hiểu hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Chương 3 : Thực nghiệm ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co, 22Na bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể và hệ phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn trong phần nội dung của luận văn sẽ có nhiều thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô cùng các đồng nghiệp để tác giả ngày càng hoàn thiện hơn về kiến thức. CHƯƠNG 1 : TổNG QUAN Về CáC Hệ PHổ Kế Gamma 1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ gamma Bức xạ gamma là các lượng tử của sóng điện từ (các photon). Năng lượng của photon E tỉ lệ với tần số sóng : E = h , xung lượng của photon được tính theo công thức h p c   . Bức xạ gamma tương tác với vật chất thông qua 3 quá trình cơ bản sau đây : 1.1.1 Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gama va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron. Quang electron nhận được động năng Ee, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E và năng lượng liên kết lk của electron trên lớp vỏ. Ee = E - lk (1.1) 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 > M . '  Theo công thức (1.1), năng lượng gamma vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Nếu E < K thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp L, M, Nếu E < L thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp M, Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron tự do vì không bảo đảm định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện thì electron phải liên kết trong nguyên tử. Tiết diện hấp thụ của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng gamma và loại nguyên tử. Cụ thể là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5 (Z là số nguyên tử), nghĩa là nó tăng rất nhanh với các nguyên tử nặng. 1.1.2 Hiệu ứng Compton Trong quá trình này, phôton tới nhường một phần năng lượng của mình cho một electron của nguyên tử. Electron này sẽ bắn ra khỏi nguyên tử còn phôton sẽ bị tán xạ. Phôton tán xạ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của phôton tới ( 'h h  ). '    lk eh h E (1.2) Trong đó Ee là động năng của electron bắn ra,  lk là năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ. Hình 1.1 : Giản đồ biểu diễn tán xạ Compton. Liên hệ giữa động năng của phôton tán xạ và góc tán xạ cho bởi hệ thức 2 0 ' 1 (1 cos ) h h hv m c       (1.3) Trong đó : m0c 2 là khối lượng nghỉ của electron (m0c 2 = 0,511 MeV). Hiệu ứng Compton là quá trình tương tác phôton - vật chất chủ yếu trong khoảng năng lượng một vài trăm keV đến vài MeV. Hiệu ứng Compton có thể xảy ra đối với electron tự do (liên kết yếu với nguyên tử) hay với electron liên kết chặt với nguyên tử vì ở đây nhờ có phôton tán xạ mà có thể thỏa mãn đồng thời cả hai định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - pozitron Trong quá trình này, phôton biến thành một cặp electron - pozitron. Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng thì năng lượng của phôton phải lớn hơn tổng năng lượng nghỉ của cặp e - - e+ ( 1,022h  MeV). Sở dĩ phải lớn hơn vì theo định luật bảo toàn xung lượng, cặp e - - e+ phải có một động năng nào đó. Theo định luật bảo toàn điện tích thì tổng điện tích các hạt tạo thành phải bằng 0 vì photon không có điện tích. Quá trình tạo cặp e - - e+ xảy ra chủ yếu gần điện trường của hạt nhân, hạt nhân này cũng hấp thụ một phần xung lượng của phôton ban đầu. Tiết diện hiệu dụng tỉ lệ với Z2, nghĩa là hiệu ứng xảy ra chủ yếu đối với các nguyên tố nặng (Z lớn). Các pozitron được tạo ra cuối cùng cũng sẽ lại biến mất do bị hủy cặp với electron của nguyên tử : 2e e    Quá trình tạo cặp đóng vai trò quan trọng đối với các phôton có năng lượng lớn hơn 1,022 MeV. Với một nguyên tố cho trước, đóng góp của mỗi quá trình tương tác nói trên có thể được hình dung qua đồ thị biểu diễn các tiết diện của từng quá trình riêng lẻ và tiết diện tổng cộng theo năng lượng tới của phôton tới. Các quá trình tương tác nói trên dẫn tới sự hình thành các đặc trưng của phổ gamma như sau : + Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng của phôton tới  E h trên đầu dò, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng E . + Trong quá trình tán xạ Compton, phôton tới chỉ mất một phần năng lượng, phần còn lại chuyển thành năng lượng phôton tán xạ. Sự phân bố giữa hai phần này tùy thuộc vào góc tán xạ. Do đó trên phổ gamma xuất hiện nền liên tục (nền Compton) trải dài từ giá trị E trở xuống. Tia gamma sau khi tán xạ lần đầu có thể tiếp tục tán xạ nhiều lần, cuối cùng bị hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò do hiệu ứng quang điện. Quá trình tán xạ nhiều lần này cũng đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần, mức đóng góp tùy thuộc vào thể tích đầu dò. + Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0,511 MeV. Tùy theo trường hợp cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai lượng tử bay ra khỏi đầu dò mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau đây : - Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của đầu dò : ta được đỉnh hấp thụ toàn phần E . - Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của đầu dò : ta được đỉnh thoát đơn 0,511E  MeV. - Cả hai lượng tử gamma hủy cặp thoát khỏi đầu dò : ta được đỉnh thoát đôi ứng với năng lượng 1,022E  MeV. 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ phổ kế năng lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe 1.2.1 Đầu dò bán dẫn HPGe 1.2.1.1 Cấu trúc của đầu dò bán dẫn Để ghi phổ gamma, hiện nay người ta thường dùng hai loại đầu dò : đầu dò nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl), đầu dò bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe). Giữa hai loại này thì đầu dò HPGe có khả năng ghi phổ gamma với chất lượng phổ tốt hơn. Vì vậy, nội dung của đề tài chủ yếu là tìm hiểu về đầu dò bán dẫn HPGe. Ta có thể phân biệt hai loại đầu dò Ge tuỳ theo xuất phát điểm ban đầu là chất bán dẫn loại p hay n. Ngoài ra, về mặt hình học còn có thể chia ra các loại : loại đồng trục, loại hình giếng hay loại phẳng (planar). Thông thường ta có các loại sau. Đầu dò HPGe loại p kiểu đồng trục : về cơ bản, chất bán dẫn xuất phát là loại p, đó là tinh thể Ge hình trụ với lớp tiếp xúc loại n trên bề mặt ngoài và lớp tiếp xúc loại p trên mặt trong. Cấu trúc đầu dò đồng trục được trình bày trên hình 1.2. Germani có mức tạp chất cỡ 1010 nguyên tử /cm3 sao cho khi có điện áp ngược thích hợp đặt vào hai cực thì thể tích giữa hai điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng này. Người ta tạo ra một lớp tiếp xúc n+ dày khoảng 0,5 mm bằng phương pháp khuếch tán Li, lớp tiếp xúc p+ phía trong có độ dày cỡ 0,3 mm bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng phải đặt cao thế dương khoảng 2 - 5 kV để kéo các cặp electron - lỗ trống tạo ra. Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở năng lượng tia gamma thấp (dưới 100 keV) vì sự hấp thụ trên lớp chết n+. Hình 1.2 : Cấu trúc đầu dò Ge đồng trục. Vì Ge có độ rộng vùng cấm thấp nên khi sử dụng loại đầu dò này cần phải làm lạnh để giảm việc sinh ra phần tử mang điện do nhiệt nên giảm được dòng rò. Nếu không, tạp âm do dòng rò gây ra sẽ làm tồi khả năng phân giải năng lượng của đầu dò. Người ta thường dùng Nitơ lỏng có nhiệt độ 77 K làm môi trường làm lạnh cho các đầu dò loại này. Đầu dò được lắp trong một buồng chân không được gắn hoặc đưa vào Dewar chứa Nitơ lỏng. Do đó bề mặt nhạy của đầu dò được chống ẩm và không ngưng chất bẩn. Cấu hình chuẩn của đầu dò bao gồm : ống làm lạnh (cryostat) thẳng đứng với Dewar 30 lít và tiền khuếch đại 2002C (đối với hãng Canberra). Cấu tạo của cryostat bằng Nitơ lỏng được giới thiệu trong hình 1.3. Dải năng lượng sử dụng của đầu dò Ge đồng trục là 50 keV đến 10 MeV. Khả năng phân giải, dạng đỉnh là rất tốt. Đường cong hiệu suất của đầu dò Ge đồng trục điển hình được trình bày trên hình 1.4. Hình 1.3 : Cấu tạo của cryostat cần đứng mẫu 7500SL. Hình 1.4 : Đường cong hiệu suất tuyệt đối điển hình đối với đầu dò Ge đồng trục (khoảng cách đầu dò tới nguồn là 2,5 cm). Các mẫu đầu dò Ge đồng trục thường gặp được liệt kê trong bảng 1.1 Bảng 1.1 : Các mẫu đầu dò Ge đồng trục.[2] Số mẫu CANBERR A Hiệu suất tương đối Khả năng phân giải Tỉ số P/C FWHM (122 keV) FWHM (1332 keV) FWTM (1332 keV) GC1018 10 0,9 1,8 3,4 38 GC1019 10 1,0 1,9 3,7 36 GC10021 100 1,2 2,1 4,0 80 GC10023 100 1,3 2,3 4,6 74 Đầu dò HPGe loại n kiểu đồng trục : chất bán dẫn xuất phát là là loại n. Người ta tạo ra một lớp p+ dày khoảng 0,3 m bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng, cần đặt điện áp âm. So với loại trên thì loại này có hiệu suất ít bị giảm hơn ở năng lượng thấp vì lớp chết p+ mỏng hơn. Đầu dò HPGe hình giếng (hình 1.5) : loại này có hiệu suất hình học cao hơn nên thích hợp cho các phép đo hoạt độ nhỏ. Độ phân giải năng lượng có kém đôi chút do đặc điểm cấu tạo. Hình 1.5 : Cấu trúc đầu dò HPGe hình giếng. Đầu dò phẳng (planar) : có độ phân giải năng lượng tốt nhưng hiệu suất giảm nhanh ở năng lượng cao nên chỉ thích hợp để đo ở vùng năng lượng thấp. 1.2.1.2 Nguyên lý làm việc Nguyên lý chung của các loại đầu dò bán dẫn như sau : chất bán dẫn thường dùng hiện nay là Si hoặc Ge (để ghi các lượng tử gamma người ta thường dùng đầu dò bán dẫn Ge). Khi lượng tử gamma bay vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu với tinh thể bán dẫn. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo nên một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Các cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới, chúng sẽ được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược áp vào đầu dò : các electron sẽ chuyển động đến cực dương, các lỗ trống sẽ chuyển động về phía cực âm, kết quả là ta có một xung dòng điện ở lối ra. Khi đó, ở mạch ngoài đầu dò xuất hiện một tín hiệu thế, xung thế này được ghi 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. Năng lượng cần thiết để tạo ra được một cặp electron - lỗ trống trong Si là 3,61 eV, còn trong Ge là 2,98 eV. Nếu năng lượng của tia gamma là E thì số cặp electron lỗ trống mà nó tạo ra được trong Ge là E  , với  = 2,98 eV. 1.2.1.3 Các đặc trưng kỹ thuật đầu dò bán dẫn  Độ phân giải năng lượng Độ phân giải năng lượng cho biết khả năng mà đầu dò có thể phân biệt các đỉnh có năng lượng gần nhau trong phổ. Đại lượng này xác định bằng độ rộng ở 1 2 độ cao của đỉnh hấp thụ toàn phần (FWHM) hoặc đôi khi ở 1 10 độ cao của đỉnh hấp thụ toàn phần (FWTM). Độ phân giải của đầu dò bán dẫn HPGe còn tuỳ thuộc vào loại đầu dò, thể tích đầu dò và năng lượng tia gamma. Nói chung, hiện nay có thể đạt vào khoảng 1,8 keV (FWHM) ở đỉnh 1332 keV của 60Co. Với đầu dò NaI thường chỉ đạt độ phân giải cỡ 7 - 8 % ở đỉnh 1332 keV của 60Co, nghĩa là FWHM vào khoảng 100 keV. Khả năng phân giải là một ưu điểm nổi bật của đầu dò Ge so với đầu dò nhấp nháy NaI khiến nó được sử dụng phổ biến hiện nay trong các phép đo phổ năng lượng gamma khi yêu cầu về độ phân giải năng lượng cần được đặt lên hàng đầu.  Hiệu suất ghi đỉnh quang điện Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một chỉ tiêu quan trọng của đầu dò, đặc biệt cần chú ý đến trong các phép đo hoạt độ nhỏ. Hiệu suất ghi này phụ thuộc vào loại đầu dò, thể tích đầu dò và năng lượng tia gamma. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện của một đầu dò thường được xác định với đỉnh 1332 keV của nguồn 60Co đặt cách đầu dò 25 cm (theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 325- 1971). Hiệu suất tuyệt đối được xác định bằng cách lấy số đếm tổng cộng trong đỉnh 1332 keV chia cho tổng số lượng tử gamma phát ra từ nguồn trong cùng khoảng thời gian.  Tỉ số Peak/Compton (P/C) Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của đầu dò có thể phân biệt được các đỉnh yếu, năng lượng thấp nằm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao. Đó là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần với chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy ở rìa Compton). Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo hoạt độ thấp và phổ gamma phức tạp. Tỉ số này phụ thuộc vào thể tích của đầu dò : các đầu dò lớn có tỉ số P/C lớn vì đóng góp của tán xạ Compton nhiều lần vào đỉnh hấp thụ toàn phần lớn. Tỉ số P/C theo quy định thường được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1332 keV cho độ cao trung bình của nền Compton trong khoảng 1040 keV và 1096 keV. [8] Soỏ ủeỏm taùi ủổnh 1332 keV P/C = Soỏ ủeỏm trung bỡnh cuỷa keõnh 1040 keV vaứ 1096 keV (1.4) 1.2.2 Khối tiền khuếch đại (Preamplifier) Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau đầu dò. Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ đầu dò mà vẫn đảm bảo mức tạp âm khả dĩ là nhỏ nhất (ta thường nói là đảm bảo tỉ số tín hiệu/tạp âm (S /N) tối đa) . Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của phổ kế, sau đầu dò, nó quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế. Tuỳ loại đầu dò mà người ta sử dụng một trong loại tiền khuếch đại sau đây : + Tiền khuếch đại nhạy dòng. + Tiền khuếch đại nhạy thế. + Tiền khuếch đại nhạy điện tích. Hình 1.6 : Sơ đồ của một tiền khuếch đại nhạy thế (a) và tiền khuếch đại nhạy điện tích (b). Bộ tiền khuếch đại nhạy dòng thường được sử dụng với các dụng cụ có trở kháng thấp, do đó nó rất ít thông dụng với các đầu dò bức xạ vì chúng thường là dụng cụ trở kháng cao. Tiền khuếch đại điện nhạy thế là tiền khuếch đại khá thông dụng. Nó khuếch đại bất kì điện thế nào xuất hiện tại lối vào của nó : vì các đầu dò bức xạ chủ yếu là các dụng cụ tạo nên điện tích cho nên điện thế này xuất hiện qua tụ thuần cộng với các tụ ký sinh khác có thể có mặt tại lối vào, tức là : tot Q V C  (1.5) Do đó, để V ổn định thì cần giữ cho tụ đầu dò ổn định trong khoảng thời gian hoạt động. Đối với các đầu dò bán dẫn, thường xuất hiện sự thay đổi riêng của tụ đầu dò khi xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ. Sự thay đổi này là do dòng rò trong điốt bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, tiền khuếch đại nhạy điện thế không thích hợp sử dụng với các đầu dò bán dẫn. Với đầu dò bán dẫn HPGe dùng cho mục đích đo phổ gamma, ta thường dùng loại khuếch đại nhạy điện tích nên sau đây ta chỉ nói về loại này. Đặc điểm quan trọng của khối tiền khuếch đại là nó không nhạy đối với sự biến đổi điện dung của đầu dò nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi Cf . Điện áp ở lối ra V0 tỉ lệ với điện tích tạo ra trên đầu dò Q : 0V f Q C  (1.6) Xung điện áp ở lối ra có thời gian tăng gần bằng độ rộng của xung dòng điện trên đầu dò và có hằng số thời gian phân rã cho bởi :  = Cf Rf (1.7) Trong đó : Rf là điện trở phản hồi, Cf có giá trị cỡ 0,1 pF đến vài pF. Điện tích Q tạo ra trên đầu dò cho bởi : 6. .10E e Q   (1.8) Trong đó : E là năng lượng phôton tới, có đơn vị là MeV. e là độ lớn điện tích
Luận văn liên quan