Đầu dò bán dẫn (Semiconductor detector)

Nguyên lý hoạt động

Đầu dò bán dẫn hoạt động dựa trên hiệu ứng ion hóa do bức xạ tạo ra trong vật liệu bán dẫn. Khi bức xạ tương tác với nguyên tử trong bán dẫn, nó truyền năng lượng cho các electron, đưa chúng từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Quá trình này tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Số lượng cặp electron-lỗ trống tạo ra tỉ lệ với năng lượng của bức xạ. Một điện trường được đặt vào vật liệu bán dẫn để thu thập các electron và lỗ trống này, tạo ra một xung điện. Biên độ của xung điện này tỉ lệ với năng lượng của bức xạ tới. Vật liệu bán dẫn thường được sử dụng làm đầu dò là silicon (Si) và germanium (Ge), đặc biệt là ở dạng tinh thể siêu tinh khiết để giảm thiểu nhiễu nền. Để tăng hiệu suất thu thập hạt mang điện, vùng bán dẫn thường được chế tạo thành một diode bán dẫn phân cực ngược. Điện áp phân cực ngược giúp mở rộng vùng nghèo, tăng xác suất tương tác của bức xạ với vật liệu và cải thiện tốc độ thu thập hạt mang điện.

Vật liệu bán dẫn

Các vật liệu bán dẫn thường được sử dụng trong đầu dò bao gồm:

• Silicon (Si): Thường dùng để phát hiện các hạt mang điện và tia X năng lượng thấp. Si có vùng cấm hẹp hơn Ge, do đó năng lượng cần thiết để tạo ra cặp electron-lỗ trống thấp hơn, dẫn đến độ phân giải năng lượng tốt hơn cho bức xạ năng lượng thấp.
• Germanium (Ge): Sử dụng để phát hiện tia gamma năng lượng cao nhờ số nguyên tử lớn hơn Silicon. Thường phải được làm lạnh để giảm nhiễu nhiệt. Việc làm lạnh giúp giảm dòng điện rò rỉ do kích thích nhiệt, từ đó cải thiện đáng kể tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
• Cadmium telluride (CdTe) và Cadmium zinc telluride (CdZnTe): Có số nguyên tử cao và vùng cấm rộng, cho phép hoạt động ở nhiệt độ phòng và phát hiện tia X và tia gamma năng lượng cao. Ưu điểm này làm cho CdTe và CdZnTe rất hữu ích trong các ứng dụng di động và không cần hệ thống làm mát phức tạp.

Các loại đầu dò bán dẫn

Một số loại đầu dò bán dẫn phổ biến bao gồm:

• Đầu dò bề mặt chặn (Surface Barrier Detector): Một lớp mỏng kim loại được phủ lên bề mặt bán dẫn để tạo ra một vùng nghèo, nơi các cặp electron-lỗ trống được tạo ra và thu thập. Loại đầu dò này thường được sử dụng để phát hiện các hạt mang điện tích như alpha và beta.
• Đầu dò PIN: Gồm một lớp bán dẫn loại i (intrinsic – bán dẫn tinh khiết) nằm giữa hai lớp bán dẫn loại p và n. Vùng i hoạt động như vùng nhạy cảm với bức xạ. Cấu trúc PIN giúp tăng độ dày của vùng nghèo, cải thiện khả năng phát hiện bức xạ năng lượng cao.
• Đầu dò Germanium tinh khiết (HPGe): Được chế tạo từ Germanium có độ tinh khiết cực cao để giảm thiểu các khuyết tật bẫy hạt tải, giúp tăng độ phân giải năng lượng. HPGe là lựa chọn hàng đầu cho phép đo phổ gamma chính xác.

Ưu điểm của đầu dò bán dẫn

• Độ phân giải năng lượng tốt: Cho phép phân biệt chính xác năng lượng của các bức xạ khác nhau. Đây là ưu điểm nổi bật nhất của đầu dò bán dẫn so với các loại đầu dò khác.
• Kích thước nhỏ gọn: Dễ dàng sử dụng và tích hợp vào các hệ thống đo lường.
• Thời gian đáp ứng nhanh: Phù hợp để đo các sự kiện xảy ra nhanh.

Nhược điểm của đầu dò bán dẫn

• Một số loại cần làm lạnh: Ví dụ như HPGe cần được làm lạnh bằng nitơ lỏng để giảm nhiễu. Điều này làm tăng chi phí vận hành và gây khó khăn cho việc sử dụng trong một số ứng dụng.
• Dễ bị hư hỏng bởi bức xạ: Tiếp xúc với liều bức xạ cao có thể làm giảm hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của đầu dò.
• Giá thành cao: Đặc biệt là các loại đầu dò làm từ Germanium do yêu cầu cao về độ tinh khiết của vật liệu và quá trình chế tạo phức tạp.

Ứng dụng

Đầu dò bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong:

• Vật lý hạt nhân: Nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, phản ứng hạt nhân.
• Vật lý y tế: Chẩn đoán hình ảnh y tế (SPECT, PET), đo liều bức xạ. Trong y tế, đầu dò bán dẫn được sử dụng trong các máy chụp X-quang, CT scanner, và máy PET.
• Thiên văn học tia X và gamma: Quan sát các nguồn bức xạ trong vũ trụ.
• Kiểm tra không phá hủy: Phát hiện các khuyết tật trong vật liệu.
• An ninh và quốc phòng: Phát hiện vật liệu hạt nhân.

Hiệu suất và độ phân giải năng lượng

• Hiệu suất: Hiệu suất của đầu dò được định nghĩa là tỉ lệ giữa số xung được ghi nhận và số lượng bức xạ tới. Hiệu suất phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, vật liệu bán dẫn, kích thước và hình dạng của đầu dò. Kích thước lớn hơn thường cho hiệu suất cao hơn, nhưng cũng đồng nghĩa với giá thành cao hơn.
• Độ phân giải năng lượng: Độ phân giải năng lượng là khả năng phân biệt hai đỉnh năng lượng gần nhau. Nó thường được biểu diễn bằng độ rộng nửa chiều cao cực đại (FWHM – Full Width at Half Maximum) của một đỉnh năng lượng. Độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đỉnh năng lượng càng tốt.
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và độ phân giải năng lượng:
  • Nhiễu nhiệt: Làm giảm độ phân giải năng lượng, đặc biệt quan trọng đối với Ge.
  • Dòng rò: Dòng điện chạy qua đầu dò khi không có bức xạ, cũng góp phần vào nhiễu.
  • Bẫy hạt tải: Các khuyết tật trong mạng tinh thể bán dẫn có thể bẫy các electron hoặc lỗ trống, làm giảm số lượng hạt tải được thu thập, ảnh hưởng đến cả hiệu suất và độ phân giải năng lượng.

• Knoll, Glenn F. Radiation detection and measurement. John Wiley & Sons, 2010.
• Leo, William R. Techniques for nuclear and particle physics experiments: a how-to approach. Springer Science & Business Media, 2012.
• Tsoulfanidis, Nicholas, and Sheldon Landsberger. Measurement and detection of radiation. CRC press, 2015.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài Si, Ge, CdTe và CdZnTe, còn có vật liệu bán dẫn nào khác được sử dụng trong đầu dò bức xạ, và ưu điểm của chúng là gì?

Trả lời: Một số vật liệu khác bao gồm: Gallium arsenide (GaAs) có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao và chống bức xạ tốt hơn Si; Mercuric iodide (HgI$_2$) có số nguyên tử cao và vùng cấm rộng, cho phép hoạt động ở nhiệt độ phòng với độ phân giải năng lượng tốt; Lead iodide (PbI$_2$) được nghiên cứu cho ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y tế. Tuy nhiên, các vật liệu này thường khó chế tạo hơn và có một số hạn chế về hiệu suất hoặc độ ổn định.

Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu nhiệt đến độ phân giải năng lượng của đầu dò bán dẫn, đặc biệt là đối với đầu dò Ge?

Trả lời: Nhiễu nhiệt có thể được giảm thiểu bằng cách làm lạnh đầu dò đến nhiệt độ thấp, thường sử dụng nitơ lỏng. Ngoài ra, việc sử dụng các tiền khuếch đại nhiễu thấp và các kỹ thuật xử lý tín hiệu cũng giúp cải thiện độ phân giải năng lượng. Thiết kế tối ưu hóa hình dạng và kích thước của đầu dò cũng góp phần giảm thiểu nhiễu.

Hiệu suất của đầu dò bán dẫn phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Trả lời: Hiệu suất phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, vật liệu bán dẫn, kích thước và hình dạng của đầu dò, cũng như mật độ và độ dày của vật liệu. Bức xạ năng lượng cao hơn dễ xuyên qua đầu dò mà không tương tác, làm giảm hiệu suất. Đầu dò lớn hơn có hiệu suất cao hơn do tăng xác suất tương tác.

So sánh ưu nhược điểm giữa đầu dò bán dẫn và đầu dò khí.

Trả lời: Đầu dò bán dẫn có độ phân giải năng lượng tốt hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và thời gian đáp ứng nhanh hơn so với đầu dò khí. Tuy nhiên, chúng thường đắt hơn, một số loại cần làm lạnh và dễ bị hư hỏng bởi bức xạ liều cao. Đầu dò khí có thể chế tạo với kích thước lớn hơn, phù hợp cho phát hiện bức xạ năng lượng thấp, và ít bị ảnh hưởng bởi hư hỏng bức xạ, nhưng độ phân giải năng lượng kém hơn.

Ứng dụng của đầu dò bán dẫn trong lĩnh vực an ninh và quốc phòng là gì?

Trả lời: Đầu dò bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị phát hiện vật liệu hạt nhân, giúp ngăn chặn buôn lậu và khủng bố hạt nhân. Chúng có thể được sử dụng để quét hành lý, hàng hóa và phương tiện vận chuyển để phát hiện sự hiện diện của các vật liệu phóng xạ. Tính di động và độ nhạy cao của đầu dò bán dẫn làm cho chúng trở thành công cụ quan trọng trong lĩnh vực an ninh.