Thiết kế và chế tạo detector nhấp nháy sử dụng tinh thể CSI(TL) và quang đi-ốt thác lũ đo bức xạ gamma

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
34 Số 63 - Tháng 6/2020
1. NHẬP ĐỀ
Ngày nay, số lượng nhà máy điện hạt nhân ngày 
càng tăng nhanh, đặc biệt ở Trung Quốc mà Việt 
Nam là quốc gia nằm trong khu vực dễ bị ảnh 
hưởng nhất do ở phía cuối các luồng không khí 
vận chuyển trong các mùa thu, đông và xuân. 
Thêm vào đó, các mỏ quặng chứa chất phóng xạ, 
các nhà máy nhiệt điện thải vào môi trường các xỉ 
than có chứa phóng xạ cũng là một vấn đề quan 
trọng cần được giám sát, theo dõi. Vì vậy, việc 
xây dựng các trạm quan trắc môi trường phóng 
xạ là một nhiệm vụ cấp thiết. Theo quy hoạch đã 
được chính phủ phê duyệt bằng Quyết định số 
1636/QĐ-TTg,Việt Nam cần có mạng lưới quan 
trắc phóng xạ với số trạm lên đến hàng trăm trạm 
trên toàn quốc. Ngoài ra, nhu cầu về các detector 
và hệ thống thiết bị đo đạc, xử lý số liệu bức xạ 
hạt nhân phục vụ nhu cầu nghiên cứu và đào tạo 
cũng tăng nhanh. Cho dù chương trình điện hạt 
nhân đã tạm dừng nhưng các ứng dụng kỹ thuật 
hạt nhân khác trong y tế, công nghiệp vẫn đang 
tăng trưởng mạnh mẽ. Tình hình nói trên đã đặt 
ra yêu cần có nhiều hệ đo gamma nhằm đo liều 
bức xạ, giám sát môi trường, đào tạo Các hệ đo 
với detector nhấp nháy chắc chắn chiếm tỷ lệ cao 
trong số các hệ đo được sử dụng do tính đơn giản 
trong sử dụng, hiệu suất ghi cao, bền trong các 
môi trường làm việc khác nhau và cung cấp nhiều 
thông tin về trường bức xạ được giám sát. 
Các lý do trên đã đặt ra yêu cầu chế tạo số lượng 
lớn các detector ghi đo bức xạ có độ bền cao, đáp 
ứng yêu cầu làm việc liên tục, tiêu thụ năng lượng 
ít, gọn nhẹ, đơn giản và nhanh chóng được bảo 
dưỡng khi có yêu cầu và thay thế khi cần thiết.
2. LỰA CHỌN CẤU HÌNH DETECTOR NHẤP 
NHÁY
2.1. Lựa chọn chất nhấp nháy
Chất nhấp nháy NaI (Tl) thuộc loại phổ cập nhất 
có độ ra sáng lớn, có thể chế tạo thành những 
tinh thể có kích thước lớn đến hàng dm3. Nhược 
điểm chủ yếu của nhấp nháy NaI (Tl) gồm:
- Tuổi thọ của tinh thể giảm nhiều nếu bị sốc 
nhiệt, thậm chí tự rạn vỡ. Điều này làm cho nhấp 
nháy NaI (Tl) được sử dụng chủ yếu trong phòng 
thí nghiệm – nơi có nhiệt độ ổn định hoặc thay 
đổi chậm.
- Độ ra sáng của tinh thể nhấp nháy NaI (Tl) thay 
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO DETECTOR NHẤP NHÁY SỬ 
DỤNG TINH THỂ CSI(TL) VÀ QUANG ĐI-ỐT THÁC LŨ 
ĐO BỨC XẠ GAMMA
 Detector nhấp nháy là loại detector có hiệu suất ghi cao, sử dụng đơn giản, giải quyết tốt 
được mục tiêu của nhiều nghiên cứu và đào tạo nên việc nội địa hóa quá trình chế tạo sẽ mang lại 
nhiều ích lợi. Việc sử dụng quang đi ốt thác lũ thay cho ống nhân quang điện (PMT) cho phép tiết 
kiệm năng lượng, rút gọn thể tích detector và loại bỏ khối cao áp công suất lớn và khối khuếch đại 
hình thành xung. Tổ hợp chất nhấp nháy CsI(Tl), quang đi ốt thác lũ, tiền khuếch đại nhạy điện tích, 
hệ thống khuếch đại dải rộng và hệ nguồn nuôi đã được tích hợp vào trong detector. 
 Bài viết này đưa ra một số kết quả mới trong việc chế tạo thử nghiệm detector nhấp nháy sử 
dụng quang đi ốt thác lũ. Các detector loại này có thể sử dụng được trong các trạm quan trắc môi 
trường, các bệnh viện và các phòng thí nghiệm hạt nhân của các trường đại học để đào tạo và huấn 
luyện sinh viên
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
35Số 63 - Tháng 6/2020
đổi mạnh khi nhiệt độ thay đổi – đến 0,3%/°C. 
Vì vậy, các hệ phổ kế nhấp nháy NaI (Tl) thường 
phải có hệ thống ổn định phổ đi kèm [1] hoặc 
phải có hệ thống phần mềm hiệu chỉnh phổ khi 
thời gian đo kéo dài, nhất là với các hệ đo dã 
ngoại, đặt ngoài phòng thí nghiệm. Việc sử dụng 
bộ ổn định phổ làm cho chi phí mua sắm hệ đo 
tăng lên nhiều lần.
Hình 1. Cường độ phát của 4 loại nhấp nháy và độ 
nhạy phổ của 2 loại PMT [3]
Chất nhấp nháy CsI(Tl) có hai ưu điểm so với 
NaI(Tl) là độ ra sáng ổn định, thay đổi theo nhiệt 
độ môi trường ít hơn 30 lần (~ 0,01%/°C) và chịu 
được sốc nhiệt. Hơn nữa, khối lượng riêng của 
CsI(Tl) cao hơn NaI(Tl) và số photon được tạo 
nên trên 1 keV năng lượng tia gamma đi tới de-
tector cao hơn (4,51 g/cm3, 55 photon/keV so 
với 3,67 g/cm3 và 38 photon/keV tương ứng). 
Tuy nhiên, khi ghép CsI(Tl) với PMT thì biên độ 
xung ra ở anod thấp hơn 2 lần so với NaI(Tl) – 
do phổ phát xạ của CsI(Tl) nghiêng về phía hồng 
ngoại mà ở vùng bước sóng đó, hiệu suất lượng 
tử của PMT thấp. Tình hình sẽ đổi khác nếu ghép 
CsI(Tl) với quang đi ốt Si: Nhấp nháy CsI(Tl) 
ghép với quang đi ốt cho biên độ xung ra lớn hơn 
hẳn so với ghép NaI(Tl) với quang đi ốt. Hình 1 
cho thấy mức độ phù hợp của các nhấp nháy với 
các PMT. 
Vì có nhiều loại quang đi ốt (quang đi ốt Si; quang 
đi ốt Si loại PIN và quang đi ốt Si loại thác lũ), 
việc lựa chọn chất nhấp nháy CsI(Tl) và yêu cầu 
chế tạo hệ đo gọn nhẹ dẫn đến lựa chọn quang đi 
ốt làm hệ thống biến đổi quang - điện.
2.2 Lựa chọn linh kiện biến đổi quang-điện
Hình 2. Hiệu suất lượng tử của quang đi-ốt 
S3590-08[4]
Hình 3. Hiệu suất lượng tử của quang đi-ốt 
S8664-0505[4]
Với thành tựu phát triển khoa học trong lĩnh vực 
linh kiện bán dẫn, sự thay thế PMT bằng quang 
đi ốt (gồm quang đi ốt thường và quang đi ốt thác 
lũ) đang diễn ra. So với ống nhân quang điện, 
quang đi ốt có những ưu điểm:
- Kích thước nhỏ, quãng đường di chuyển của các 
phần tử tải điện cỡ % mm nên hoạt động của 
quang đi ốt không nhạy với từ trường.
- Không cần khối cao áp công suất lớn, điện áp 
cao như detector nhấp nháy sử dụng PMT. Điện 
áp bias đặt lên quang đi ốt thường dưới 400V và 
dòng điện cỡ nA.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
36 Số 63 - Tháng 6/2020
- Hiệu suất lượng tử cao, đạt tới trên 80% ở vùng 
bước sóng khả kiến.
Hình 2 thể hiện hiệu suất lượng tử phụ thuộc 
bước sóng của các photon tới và sự phù hợp 
của quang đi ốt S3590-08 với các loại nhấp nháy 
NaI(Tl), BGO và CsI(Tl). Và rõ ràng là trong số 
3 loại nhấp nháy thì CsI(Tl) phù hợp nhất với 
quang đi ốt.
Tuy nhiên, việc sử dụng quang đi ốt thường làm 
bộ chuyển đổi quang điện cũng có nhược điểm là 
quang đi ốt thuộc loại S3590 không có sự khuếch 
đại nội nên tín hiệu ra nhỏ, tỷ số tín hiệu trên tập 
âm không cao. Để khắc phục tình trạng này, có 
hai giải pháp như sau:
- Sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích có tạp 
âm rất thấp và được chống nhiễu tốt. Công bố [2] 
là một ví dụ đi theo hướng này.
- Thay thế quang đi ốt thường(như S3590-08) 
bằng quang đi ốt thác lũ (như S8664-1010/0505). 
Sự khuếch đại dòng trong quang đi ốt thác lũ 
không đóng góp tạp âm như các mạch điện tử. 
Tuy điện dung của quang đi ốt thác lũ cao nhưng 
việc khuếch đại dòng điện bù lại nên vẫn nâng 
được cả biên độ tín hiệu ra lẫn tỷ số tín hiệu 
trên tạp âm. Công bố [5] là ví dụ điển hình của 
phương án thứ 2.
Trong nghiên cứu này, phương án thứ 2 đã được 
lựa chọn là sử dụng quang đi ốt thác lũ loại S8664-
0505 để ghép với nhấp nháy CsI(Tl). Hiệu suất 
quang điện của S8664-0505 được thể hiện trên 
Hình 3. Các photon do CsI(Tl) phát ra có bước 
sóng từ khoảng 380 : 780 nm và ở dải bước sóng 
này, hiệu suất lượng tử của S8664-0505 tính trung 
bình không nhỏ hơn 80%.
3. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO 
LUẬN
3.1 Thực nghiệm, kết quả
Detector có dạng hình trụ có đường kính 32mm, 
độ dài 190 mm, dày 2 mm – chế tạo từ nhôm 
như ở Hình 4. Tinh thể CsI(Tl) kích thước 1x1x-
3cm, quang đi ốt thác lũ loại S8664-0505 và tiền 
khuếch đại nhạy điện tích CR-110 được đưa vào 
trong ngăn thứ nhất và thứ 2 của detector (phía 
bên phải). 
Hình 4. Detector và mạch nguồn nuôi, khuếch đại
Ngăn thứ 2 (phía bên trái) của detector là hệ thống 
nguồn và khuếch đại sơ bộ: Từ điện áp ±12 V đưa 
vào, hệ mạch nguồn tạo ra: điện áp 5 V để tạo 
điện áp bias cho quang đi ốt thác lũ S8664-0505; 
các điện áp ± 6,8 V cung cấp cho tiền khuếch đại 
và ± 6V cung cấp cho hệ khuếch đại sơ bộ. Hệ 
khuếch đại sơ bộ được đưa vào để chuẩn dải biên 
độ xung ra – thay đổi hệ số biến đổi năng lượng 
của lượng tử gamma bị tinh thể nhấp nháy hấp 
thụ thành biên độ xung cho các loại nhấp nháy và 
tiền khuếch đại khác nhau để biên độ xung ra với 
cùng một loại chuyển dời gamma là như nhau. 
Điện áp bias 380 V được tạo ra từ linh kiện tổ hợp 
C10940-53 do hãng Hamamatsu chế tạo.
Hình 5: Cấu hình thực nghiệm đánh giá detector
Hệ thiết bị kiểm tra detector gồm khuếch đại và 
tạo dạng 2022 của hãng Canberra, MCA loại AP-
G7300A của hãng TechnoAP – trên hình 5 được 
sử dụng để khảo sát detector nhấp nháy được 
lắp ráp như mô tả ở trên. Các nguồn phóng xạ 
dùng trong các thực nghiệm đánh giá detector là 
Cs137 và Co60 phát ra các lượng tử gamma 661,7; 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
37Số 63 - Tháng 6/2020
1173,2 và 1332,5 keV tương ứng.
Phổ thu được đo với Cs137 được thể hiện trên 
hình 6, phổ thu được khi đo với Co60 được biểu 
diễn trên Hình 7. Các giá trị độ phân giải năng 
lượng với các đỉnh 661,7 keV và 1332,5 keV là 
9,81% và 6,08%.
Hình 6: Phổ đo được với Cs137, độ phân giải ở 
đỉnh 661 keV đạt 9,8 %
Hình 7: Phổ đo với nguồn Co60. Độ phân giải 
năng lượng ở đỉnh 1332 keV đạt 6,08%
3.2 Thảo luận
Các kết quả thu được về phổ trên Hình 6 và Hình 
7 cho thấy:
- Kích thước tinh thể thuộc loại nhỏ nên số lượng 
quá trình tán xạ Compton nhiều lần dẫn tới tạo 
xung ra có biên độ nằm ở đỉnh hấp thụ quang điện 
không lớn. Điều này dẫn tới đóng góp của tán xạ 
Compton vào hiệu suất ghi toàn phần của detec-
tor cao hơn so với đóng góp của tán xạ Compton 
ở các tinh thể nhấp nháy kích thước lớn (phổ cập 
là 40 mm đường kính và cao 40 mm).
- Ngưỡng cắt còn cao – khoảng 40 keV nên chưa 
thể sử dụng detector loại này đo tia X hoặc các 
gamma mềm có năng lượng dưới 40 keV.
- So sánh độ phân giải năng lượng ở 661,7 keV 
như thông lệ cho thấy độ phân giải năng lượng 
của detector được chế tạo gần tiếp cận được với 
kết quả ở [2], [5] và [7].
Các chuyển dời gamma 661,7; 1173,2 và 1332,5 
keV tạo nên các đỉnh trong phổ ở các kênh 352; 
620 và 705 tương ứng. Việc xây dựng đường 
chuẩn năng lượng E
γ
 = a.X + b với X là vị trí đỉnh; 
E
γ
 là năng lượng của tia gamma; a và b là các tham 
số của đường chuẩn năng lượng cho kết quả a = 
1,900 và b = -7,2. Như vậy, đường chuẩn năng 
lượng cắt trục hoành ở tọa độ (4, 0). Ngưỡng cắt 
của phổ ở kênh 25 tương ứng với năng lượng 40 
keV. Trong vùng từ kênh 4 đến kênh 25 là đóng 
góp của các xung có biên độ nhỏ do nhấp nháy 
hấp thụ được một phần nhỏ năng lượng của tia 
gamma và các xung do tiếng ồn tạo nên – các 
xung này không được phân tích biên độ. Việc 
đánh giá đóng góp của tiếng ồn có thể thông qua 
xem xét độ phân giải của đỉnh 1332,5 keV. Độ 
phân giải của đỉnh 1332,5 keV là 6,08% tương 
đương 80 keV. Do các đóng góp tiếng ồn của hệ 
khuếch đại 2022 là nhỏ nên tạp âm chủ yếu là do 
đóng góp của tiếng ồn nội của tiền khuếch đại và 
tạp âm ENC do điện dung của quang đi ốt thác lũ 
gây nên - ước lượng ban đầu là dưới 20 keV. Tuy 
nhiên, để chính xác loại tiếng ồn và tỷ lệ đóng góp 
của các thành phần tiếng ồn, cần tiến hành các 
thực nghiệm bổ sung khác. Ngoài ra, cũng cần 
thiết kế lại vỏ detector để tăng khả năng truyền 
qua của tia X và tia gamma mềm.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
38 Số 63 - Tháng 6/2020
Các thực nghiệm đánh giá hiệu suất ghi, ảnh 
hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, độ ổn định và độ bền, 
chống nhiễu điện từ và khắc phục tạp âm của hệ 
để giảm ngưỡng đo sẽ được tiếp tục trong thời 
gian tới.
4. KẾT LUẬN
Với các kết quả như trên, có thể đánh giá tích cực 
về triển vọng tự chế tạo các detector nhấp nháy để 
phục vụ mục tiêu nội địa hóa thiết bị đo đạc bức 
xạ của Việt Nam nhằm làm chủ công nghệ, giảm 
chi phí trang bị, chủ động bảo trì, bảo dưỡng, 
sửa chữa và thay thế của các đơn vị giám sát môi 
trường, nghiên cứu và đào tạo. Ở tình trạng hiện 
tại, các detector với các thông số như trên hoàn 
toàn có thể sử dụng được ở các trạm quan trắc 
môi trường, thiết bị trinh sát phóng xạ, các phòng 
thí nghiệm phục vụ đào tạo và bệnh viện y học 
hạt nhân để đo bức xạ gamma có năng lượng từ 
50 keV trở lên. Các hiệu chỉnh kỹ thuật và mỹ 
thuật công nghiệp cũng đang được thực hiện để 
sớm chế tạo hàng loạt detector loại này.
Các tác giả trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa 
Hà Nội đã cung cấp kinh phí mua APD S8664 cho 
nghiên cứu này thông qua đề tài T2018-PC-124.
Phạm Đình Khang
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Scintillation Materials and Assemblies. www.
crystals.saint-gobain.com.
[2] Kwang Hyun Kim et al. Signal and noise per-
formance of large-area PIN photodiodes and 
charge-sensitive preamplifiers for gamma radi-
ography. Nuclear Instruments and Methods in 
Physics Research A 591 (2008) 63–66.
[3] G. Knoll, Radiation Detection and Measure-
ment, 3rd ed. Hoboken, NY: John Wiley & Sons, 
2000
[4] HAMAMATSU Corp., Si PIN Photodiodes 
S3590- / S2744- / S3204-/ S3584- / S3588-08 (pre-
liminary data), Hamamatsu Photonics K.K. 
[5] Gascon M. et all, Optimization of Energy Res-
olution Obtained With CsI(Tl) Crystals for the 
R3B Calorimeter. IEEE Transactions on Nuclear 
Science, 55(3), 1259–1262, 2008.
[6] Hamamatsu Photonics K.K., “Si APD S8664 
series data sheet”, KAPD1012E04 DN, Japan, 
Sep.2005.
[7]https://www.kromek.com/product/sigma-
scintillator-detectors/