Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn be5030

Thông qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ phổ kế

Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về các dạng đêtectơ bán dẫn Ge, tìm hiểu sơ đồ nguyên lý của

hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra được làm lạnh bằng điện Thông qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra nói riêng và hệ phổ kế gamma nói chung Tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra: xác định sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng (FWHM) vào thời gian hình thành xung, kết quả nhận được với thời gian hình thành xung là 4μs độ phân giải năng lượng là tốt nhất; tìm hiểu quá trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm việc thích hợp kết quả chỉ ra rằng chế độ làm việc thích hợp của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra: thế nuôi là 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thô là 20, chỉnh tinh là 0,9, thời gian hình thành xung là 4μs; khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của bức xạ gamma; khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ; xây dựng được đường cong hiệu suất ghi đối với cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali

bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của đetectơ và mở rộng dải năng lượng đo được về phía năng lượng lớn Cùng với tự mở rộng dải đo về phía năng lượng lớn, các đêtectơ có cửa sổ bằng

cacbon màng mỏng cho phép mở rộng dải về phía năng lượng thấp để ghi nhận các tia gamma mềm và tia X

Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng, làm lạnh bằng điện do hãng Canberra chế tạo Hệ phổ kế được nghiệm thu chính thức vào tháng

11 năm 2011 Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách có hệ thống là cần thiết

để phục vụ cho việc vận hành và bảo dưỡng

Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xác định các đặc trưng của

hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 ”, tác giả được giao những nhiệm vụ sau:

Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, nguyên lí hoạt động của hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng – Canberra và xác định chế độ làm việc của hệ

Xác định bằng thực nghiệm độ phân giải năng lượng của đêtectơ

Xây dựng đường chuẩn năng lượng và đường cong hiệu suất ghi Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ

Xây dựng đường cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn, áp dụng phân tích một số mẫu đất đá Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của 238

U, 232Th, 40K Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ và 10 bảng biểu, được hoàn chỉnh dựa trên

12 tài liệu tham khảo

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm ba chương

Chương 1 Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani

Chương 2 Phương pháp thực nghiệm

Chương 3 Kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI

1.1 Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani

1.1.1 Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma và tia X

Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công đêtectơ Ge (Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng như các loại đetectơ phát hiện các hạt mang điện khác Để tập hợp điện tích tốt, loại đêtectơ này phải chế tạo dưới dạng tinh thể Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn như silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma có độ phân giải cao này Các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Ge cho phép đo được một dải năng lượng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm

bằng vật liệu bán dẫn Si chỉ đo được ở vùng năng lượng thấp vì số nguyên tử của silicon thấp Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ 5 keV tại vạch năng lượng 1332 keV của đồng vị phóng xạ 60Co ) và tốt hơn 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy NaI (T1) Đặc biệt từ năm

1980 người ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn trước đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phương pháp phân tích hạt nhân Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng Canberra như Ultra LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6]

1.1.2 Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani

Đêtectơ Gecmani

Đêtectơ Gecmani [6] là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng bên trong ( I ) là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ Khi photon tương tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ trống và electron) và dưới tác dụng của thế ngược chúng di chuyển tới cực P và N Lượng điện tích này tỉ lệ với năng lượng của các photon tới và được chuyển thành các xung điện đưa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích

Đêtectơ Gecmani năng lƣợng siêu thấp ( Ultra- LEGe )

Đêtectơ ULEGe [1] của hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính của đêtectơ Ge xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải, dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên nền khi mà ta nghĩ là không thể đạt được đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử ( Z=32) và do đó phủ một dải rộng năng lượng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào trên thị trường Đêtectơ ULEGe có khả năng phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM) tại 5,9 keV

Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp

Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới trong hình học đêtectơ Ge với những ưu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản mỏng (planar) hoặc đồng trục thông thường có nhiều ứng dụng Đêtectơ LEGe được chế tạo với tiếp xúc phía trước mỏng Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần và do đó điện dung của đêtectơ bé hơn điện dung của đêtectơ planar có cùng kích thước

Đêtectơ Gecmani đồng trục

Đêtectơ đồng trục thông thường hay được xem như đêtectơ Ge tinh khiết [1] ,về cơ bản đầu dò là Ge hình trụ với tiếp xúc loại N trên mặt ngoài tiếp xúc loại P trên mặt của giếng

đồng trục Gecmani có mức tạp chất thực cỡ 1010

nguyên tử / cm3 sao cho với điện áp ngược thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng hoạt này Dải năng lượng sử dụng của đêtectơ Ge đồng trục là 50 keV đến hơn 10 MeV

Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc

Đêtectơ điện cực ngược ( REGe ) [1] khác với các đêtectơ đồng trục thông thường khác đó là điện cực của đêtectơ REGe ngược với đêtectơ đồng trục thông thường trong đó điện cực loại P, ( B được nuôi cấy ion ) bên ngoài và tiếp xúc loại N ( khuếch tán Li ) bên trong Ưu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ

Đêtectơ Ge dải rộng XtRa

Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] là một đetectơ Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV Các đêtectơ đồng trục thông thường có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày giữa 0,5 và 1,5 mm Lớp chết này dừng hầu hết các photon có năng lượng dưới 40 keV

Đêtectơ giếng Gecmani

Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho các mẫu nhỏ gần như được bao quanh bằng vật liệu đêtectơ hoạt Đêtectơ giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất 5mm độ dày đêtectơ hoạt tại đáy của giếng Đêtectơ giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng

1.2 Hiệu suất ghi của đêtectơ

Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần thường được gọi là hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức sau:

abs( )

r m

N E

AI t

1.3 Độ phân giải năng lƣợng

Thăng giáng của các nguồn có thể được xác định bởi biểu thức[10]

2 2 2 2 2

Trong đó η là tổng thăng giáng năng lượng được đo bằng phổ kế

 thăng giáng năng lượng do độ rộng mức năng lượng

truyền năng lượng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là năng lượng cần thiết để

1.4 Tỉ số bề rộng đỉnh

Bên cạnh việc xác định FWHM của đỉnh phổ, thì bề rộng của đỉnh phổ còn được đo

bằng thông số khác là FWTM, là bề rộng tại 1/10 chiều cao Người ta đưa ra tỉ số

FWTM/FWHM để làm thông số đánh giá hình dạng của phổ [8] Đối với đỉnh Gauss lí tưởng

thì tỉ số này là 1,82 còn trong thực tế tỉ số này nhỏ hơn 1,9

chƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra

Chất lượng của một hệ phổ kế được đánh giá bởi các thông số: Hiệu suất ghi, độ phân

giải năng lượng (FWHM), dải năng lượng có thể ghi nhận, tỷ số đỉnh trên phông, độ tuyến

tính và ổn định của ADC…Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra gồm: buồng chì, đêtectơ bán dẫn Ge giải năng lượng rộng (BEGe), các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC) , máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn

nuôi cao áp

Hình 2 1b Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra

1 Đêtectơ BEGe 5 Khuếch đại tuyến tính

2 Nguồn nuôi cao áp 6 Máy phân tích biên độ nhiều kênh

3 Tiền khuếch đại 7 Máy tính

4 Máy phát xung chuẩn

2.2 Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –

Canberra

2.2.1 Đêtectơ BEGe

Có dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV[6] Độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng thấp của BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của đêtectơ Ge năng lượng thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng

lượng của đêtectơ đối xứng trục chất lượng tốt

Quan trọng nhất là BEGe có hình dạng ngắn và to giúp tăng hiệu suất ghi dưới 1 MeV cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình Hình dạng đêtectơ được chọn cho hiệu suất ghi tối ưu đối với các mẫu thực tế trong dải năng lượng là quan trọng nhất để phân tích phổ gamma

Trong luận văn này sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải năng lượng rộng ( BEGe ) model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đường kính 80.5mm, diện tích 5000 mm2, chiều dày 31mm, làm lạnh bằng điện cần 24 giờ để làm lạnh đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90K, đetectơ do hãng Canberra sản xuất

1

2

4

2.2.2 Buồng chì

Để giảm bớt phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố xung quanh đêtectơ làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo được, điều tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp Với đêtectơ BEGe dạng thẳng đứng sử dụng buồng chì có vỏ ngoài làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9,5 mm, phần chì phông thấp dày 10cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm có phông phóng xạ dày 1mm và đồng tinh khiết dày 1,6

mm, trọng lượng 950 kg

2.2.3 Khối tiền khuếch đại

Tiền khuyếch đại được nối trực tiếp với đêtectơ Khả năng tốc độ đếm >~ 30000 số đếm / s (60

Co ), lối vào cao thế cung cấp cho đêtectơ từ 0 đến ± 5 kV DC, lối ra cấm cao thế

±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại <0,005% với dải nhiệt độ 0 đến +500C Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu từ đêtectơ Khối tiền khuếch đại quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế Các phổ kế sử dụng đêtectơ Ge thường được sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích

2.2.4 Khối khuếch đại phổ

Có hệ số khuếch đại thô điều chỉnh được bằng chuyển mạch có 8 vị trí X5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000 Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh được bằng chiết áp nhiều vòng chính xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0,5 – 1,5 của thang khuếch đại tương ứng Thời gian hình

thành xung điều chỉnh được bằng núm chuyển mạch, có 6 vị trí 0,5; 1; 2; 4; 6;12 μs có nhiệm

vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại ( thông qua biên độ nhỏ hơn 1 V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý một cách dễ dàng và chính xác

2.2.5 Khối cao thế Canberra model 3106D

Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đêtectơ có mức điện áp trên 6 kV và cường độ dòng trên 30μA Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V tới ±6000 V Với các đêtectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung bình trong khoảng từ ±3 V tới

± 600V và phải đảm bảo độ ổn định

2.2.6 Khối phân tích đa kênh

Gồm có bộ biến đổi tương tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA) Bộ biến đổi tương tự

số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số Phương pháp phổ biến nhất

là phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V0 được so sánh với điện áp tăng tuyến tính

Vr cho đến khi Vr = V0 thì xuất hiện một xung mở cổng Độ rộng của xung này bằng khoảng

cách thời gian cần thiết để Vr = V0.Trong thời gian cổng được mở các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi bộ đếm địa chỉ

2.3 Đường chuẩn năng lượng

Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại đỉnh hấp thụ toàn phần vào năng lượng của vạch bức xạ gamma tương ứng Để xây dựng đường chuẩn năng lượng bằng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch gamma đã biết trước năng lượng Nguồn chuẩn năng lượng là nguồn đã biết trước năng lượng của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn Độ chính xác của việc xây dựng đường chuẩn năng lượng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định vị trí cực đại của đỉnh được chọn làm chuẩn

để xây dựng đường chuẩn Tốt nhất là chọn nguồn chuẩn năng lượng là các nguồn gamma đơn năng Các đỉnh được chọn xây dựng đường chuẩn năng lượng có giá trị phân bố đều trong vùng năng lượng gamma quan tâm là tốt nhất Trên thực tế, nếu không có nguồn chuẩn gamma đơn năng, có thể sử dụng nguồn gamma phức tạp có nhiều thành phần Trong các vạch gamma của nguồn phức tạp, chọn vạch phổ có năng lượng lớn nhất, những vạch có cường độ mạnh và ở xa các vạch khác

2.4 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi

Để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích, theo phương pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với vạch hấp thụ toàn phần của bức

xạ gamma đặc trưng Vì vậy, ngoài xây dựng đường chuẩn năng lượng, trước khi đưa hệ phổ

kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định được hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với các năng lượng gamma trong dải năng lượng làm việc của đêtectơ Đường cong hiệu suất ghi là đường cong mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng bức xạ gamma Có thể xác định hiệu suất ghi của đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm

Với đêtectơ thông dụng do hãng Canberra (2000), Genie 2000 có thể sử dụng hàm khớp sau [6]

0

i i

E là năng lượng tia gamma

E0=1 keV

ai là các hệ số làm khớp

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1 Xác định chế độ làm việc của hệ phổ kế BEGe – Canberra

Theo khuyến cáo của hãng, thế làm việc của đetectơ là 4000 V, trong thực nghiệm của luận văn, thế luôn được giữ cố định ở mức 4000 V Để chọn chế độ đo và ghi nhận phổ ban đầu tiến hành xác định hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại được chọn sao cho đêtectơ có thể ghi nhận được các vạch gamma từ 3 keV tới 3 MeV Kết quả thực nghiệm chọn được hệ số khuếch đại với chỉnh thô: 20 và chỉnh tinh là: 0,9

Bảng 3.1 Độ phân giải năng lượng tại vạch 661,66 keV ứng với thời gian hình thành của

0 2 4 6 8 10 12 14 0

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng của năng lượng tại một nửa chiều cao

của đỉnh (FWHM ) và độ rộng năng lượng tại 1/10 chiều cao của đỉnh (FWTM), tỉ số ( FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn 137

Cs ở khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ 8cm

Trong thực nghiệm tiếp theo của khóa luận chọn chế độ làm việc của hệ phổ kế gamma

bán dẫn BEGe - Canberra: Cao thế đặt vào nuôi đetectơ là 4000 V, hệ số khuếch đại với chỉnh tinh (fine): 0,9 và chỉnh thô, (coarse): 20, thời gian hình thành xung là 4μs

Cs, 54Mn, 60Co, 22Na, 133Ba

Để xác định chính xác vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần được chọn chuẩn năng lượng, phổ bức xạ gamma của các nguồn chuẩn được đo trong thời gian thích hợp để số đếm ứng với kênh cực đại của đỉnh không nhỏ hơn 104

E (keV) I(%) ( kênh )