NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ GAMMA TRONG MẪU MÔI TRƯỜNGBẰNG PHƯƠNG PHÁP FSA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ GAMMA TRONG MẪU MÔI TRƯỜNGBẰNG PHƯƠNG PHÁP FSA SỬ DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe ĐẶT VẤN ĐỀTÌNH HÌNH NGHIÊN CỨUĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUNGUỒN ĐIỂM VÀ MẪU THỂ TÍCHHỆ PHỔ KẾ GAMMAPHƯƠNG PHÁP FSA VÀ PHƯƠNG PHÁP WAKẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNPHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU NGUỒN ĐIỂMPHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG

MỞ ĐẦU

Trong việc xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến nhất là phương pháp Window Analysis (WA) Trong phương pháp này, hoạt độ của mẫu sẽ được xác định dựa trên các diện tích đỉnh, kết hợp với các thông số như xác suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận của detector,… Việc xác định hoạt độ bằng phương pháp này đòi hỏi việc trừ phông và tách đỉnh phổ tốt Bên cạnh đó, các hiệu ứng trong quá trình đo đạc như sự trùng phùng thực, tự hấp thụ hay các sai số trong số liệu từ các thư viện hạt nhân sẽ dẫn đến sự tăng thêm hay giảm bớt giá trị diện tích đỉnh và gây sai lệch đáng kể cho kết quả tính toán hoạt độ bằng phương pháp WA Để hạn chế điều này, thay vì xác định hoạt độ dựa trên các đỉnh gamma riêng rẽ, chúng ta sẽ sử dụng một phương pháp khác nhằm xác định hoạt độ dựa trên toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp này được gọi là phương pháp phân tích toàn phổ Full Spectrum Analysis (FSA) Do phương pháp FSA lên quan đến việc tính toán trên toàn phổ nên có một số ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống chẳng hạn như loại bỏ phần lớn các sai số trong việc xác định diện tích đỉnh do trùng phùng, do trừ phông nền Compton, do thống kê và những sai

số về mặt kĩ thuật do hệ đo gây ra

Một trong những công trình đầu tiên áp dụng phương pháp FSA vào phân tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe là công trình của Katse Piet Maphoto (2004) [7] Tác giả đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238U,

232

Th và 40K trong các mẫu cát, đất và quặng Kết quả cho thấy có sự phù hợp khá tốt giữa hai phương pháp WA và FSA Ở trong nước, phương pháp FSA lần đầu tiên được tìm hiểu trong khóa luận tốt nghiệp của Lê Thị Hỗ (2008) [2] Tuy nhiên,

độ lệch hoạt độ tính bởi phương pháp FSA so với WA đạt được trong khóa luận cỡ 30% Trong luận văn của Nguyễn Thị Cẩm Thu (2010) [3], khi tính toán hoạt độ của một số mẫu đất bằng phương pháp FSA đã chú ý đến việc hiệu chỉnh sự trôi kênh đối với phép đo dài của mẫu môi trường trong tính toán Trong khóa luận này tác giả tiếp tục nghiên cứu chi tiết cách tiến hành thực hiện phương pháp FSA nhằm

tích hoạt độ Nội dung khóa luận bao gồm: Phần mở đầu, ba chương, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và các phụ lục

Chương 1 giới thiệu tổng quan về hiện tượng phóng xạ, nguồn gốc nền phông phóng xạ môi trường, phả hệ các đồng vị phóng xạ phát alpha, beta, gamma trong mẫu môi trường

Chương 2 trình bày đối tượng nghiên cứu, thiết bị ghi nhận bức xạ và các phương pháp phân tích hoạt độ gamma

Chương 3 trình bày kết quả phân tích hoạt độ gamma của 7 nguồn điểm phát gamma đơn năng và đa năng của hãng TSpectrum và 12 mẫu đất chứa các đồng vị

238U, 232Th, 40K cần phân tích thu thập từ vùng đất ở Đắk lắk sử dụng phương pháp toàn phổ FSA So sánh và đánh giá phương pháp FSA so với phương pháp truyền thống WA

Các tính chất của tia phóng xạ dần dần được phát hiện ecquerel năm

1898-1899, rồi sau đó là utherford năm 19 3 nhận thấy có một phần của chùm tia phóng

xạ bị lệch khi xuyên qua từ trường (tia , tia ) và phần còn lại không chịu ảnh hưởng của từ trường (tia γ)

Vào năm 19 3, utherford và Soddy kết hợp sự phóng thích và với sự thay đổi bậc số nguyên tử của nguyên tố phóng xạ Và sau đó, vào năm 19 5, Schweidler chứng minh được bản chất thống kê của hiện tượng phóng xạ

Năm 1934, Irenn và Fréderic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ nhân tạo đầu tiên, đó là nguyên tố 30

Pcó được bằng cách bắn tia vào một lá nhôm:

nPP

Al 1531 n 301527

15

Từ đó số loại nhân phóng xạ nhân tạo không ngừng tăng lên Với khoảng 14 loại nhân được biết hiện nay, có khoảng 11 nhân phóng xạ, trong đó chỉ có khoảng 1 nguyên tố là phóng xạ tự nhiên Các đồng vị phóng xạ nhân tạo chiếm

đa số và được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực như k thuật,hóa học, sinh học, nông nghiệp, y học,… Người ta c ng nhận thấy hoàn toàn không có sự khác biệt về tính phóng xạ giữa nguyên tố phóng xạ tự nhiên và nguyên tố phóng xạ nhân tạo

- Nếu có 1 13 hạt nhân 226 a thì trong một giây có một hạt nhân bị biến đổi

- Nếu có một hạt nhân 226 a thì trong một giây xác suất biến đổi nó là 1 -13

Mỗi một đồng vị phóng xạ có thời gian sống trung bình nhất định Phóng xạ

là quá trình thống kê, các đồng vị phóng xạ có thời gian sống khác nhau nhưng thời gian sống trung bình của một số lớn hạt là đại lượng đặc trưng cho loại hạt nhân đó

Mối quan hệ giữa chu kì bán rã T1/2 và hằng số phân rã:

Như ta đã biết rằng hằng số phân rã λ là xác suất để một hạt nhân phân rã trong một đơn vị thời gian Nếu như có N hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t thì trong một đơn vị thời gian có λN hạt nhân phân rã Mỗi một hạt nhân có một λ đặc trưng

Ta gọi N là số hạt nhân phóng xạ A* tại thời điểm t Trong một đơn vị thời gian số hạt nhân phân rã là λN Trong khoảng thời gian dt số nhân phân rã sẽ là:

dN với:

Đây chính là định luật cơ bản của phân rã phóng xạ đơn

1 Đ

Độ phóng xạ C(t) là đại lượng đặc trưng cho khả năng phóng xạ tại thời điểm

t, nó bằng số hạt nhân phóng xạ phân rã tại thời điểm t trong một đơn vị thời gian của nguồn Dễ dàng chứng minh được:

t t

e)0(C)t(Ne

)0(Ndt

dN)t(

Các đơn vị của độ phóng xạ là Becquerel ( q) và đơn vị ngoại hệ Curi (Ci) Trong đó:

1 q 1 phân rã trên một giây

1Ci=3,7×1010 phân rã trên một giây = 3,7×1010

Bq Nó chính là độ phóng xạ của 1 gram adi Các ước số: 1mCi=10-3 Ci, 1μCi 1 -6 Ci

Từ năm 1974 bắt đầu dùng đơn vị ecquerel (Bq)

Ví dụ: 238Ucó chu kì bán rã 4,47.109 năm, 232Th có chu kì bán rã 1,41.1010

và 14C

Các nhân phóng xạ v trụ khi đi vào trái đất, một phần tương tác với vật chất trong bầu khí quyển, một phần truyền xuống bề mặt trái đất

Có hai loại tia bức xạ v trụ: tia sơ cấp và tia thứ cấp

ức xạ v trụ sơ cấp: Được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kì cao (lên đến 1 8 eV), đa phần là proton cùng với một số hạt nặng khác hần lớn các tia v trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời và chúng c ng đã được tìm thấy trong không gian v trụ Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của mặt trời

ức xạ v trụ thứ cấp: Là các bức xạ tạo ra khi tia sơ cấp tương tác với các nguyên tử của bầu khí quyển, đồng thời sinh ra bức xạ năng lượng thấp, ánh sáng thấy được, electron và nơtrơn Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia v trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt trái đất [4]

1

Năm 1934, Irene và Frederic Joliot Curi tạo ra và cô lập được nguyên tố phóng xạ đầu tiên, đó là 30 có được bằng cách bắn tia vào một lá nhôm Từ đó số đồng vị phóng xạ nhân tạo không ngừng tăng lên Ngoài ra, các nhân phóng xạ nhân tạo còn được tìm thấy trong:

- Các vụ kiểm tra v khí hạt nhân: Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử v khí hạt nhân là 3,1 7 Sv người với 7 là 14C, các đồng vị khác như 137

Cs, 90Sr, 95 r và 106 u chiếm phần còn lại

- Điện hạt nhân: cho đến cuối năm , theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16 sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ T q năm hoặc nhỏ hơn

- Tai nạn hạt nhân: khoảng 15 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernoboyl xảy ra ở Ucraina năm 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng, là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng

Các hoạt động của con người làm phát ra những nhân phóng xạ tự nhiên vào môi trường dưới dạng chất thải hoặc những sản phẩm phụ Đó là sự khai mỏ và nghiền quặng Uranium Những hoạt động khác bao gồm việc đốt cháy những nhiên liệu hóa thạch, sản xuất phốt phát từ đá phốt phát, khai thác mỏ và nghiền đá vô cơ

U, 235U, 234U với độ phổ cập tương ứng là 99, 8 ; ,7 ; , 57 Uranium phân tán rộng khắp trong tự nhiên, có nhiều trong đá, muối Uranium có thể hòa tan vào nước biển Người ta ước tính hàm lượng Uranium trong nước biển cỡ 1 -6 gram lít và hàm lượng trung bình trong lớp vỏ trái đất cỡ 4×10-4 %

1.4.2 Thorium

Thorium phân tán rộng trên vỏ trái đất, hàm lượng trung bình của Thorium trong lớp trên cùng khoảng 1, 1 -5 Trong khi đó hàm lượng trung bình của chì khoảng 1,6 1 -5 nên độ giàu của Thorium tương đương với chì, do vậy Thorium không được xem là một nguyên tố hiếm

Thorium có 6 đồng vị trong tự nhiên nhưng 232Th phân tán rộng hơn cả

1.4.3 Kali

Kali là kim loại kiềm có ba đồng vị, nhưng chỉ có 40K là có tính phóng xạ với độ phổ cập , 117 và thời gian bán rã T1/2=1,28×109 năm, phát ra tia gamma

có năng lượng 1,46 MeV

Trong lớp bề mặt của vỏ trái đất, Kali có hàm lượng cao trong đá magma, hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%

Hoạt động của nước và cacbon dioxide làm cho Kali trong đá ngầm dần dần

bị hòa tan và được các dòng nước mang ra biển, một phần khác được lưu lại trong đất hần lớn kali trong đất tồn tại dưới dạng muối tan có trong silicat và aluminosilicat Các muối này phân biệt thành hai loại là Kali đã qua quá trình trao đổi chất giữa thực vật với đất và Kali không trao đổi chất

Kali chủ yếu trong sinh vật, vì vậy việc phát xạ 40K là tất yếu nhưng có sự biến thiên về độ tuổi và giới tính trong vạch phổ với những thay đổi tương ứng trong nồng độ kali Sự có mặt của 40K trong đá và trong đất tạo ra nguồn chiếu xạ ngoài [4]

1 (A=4n)

Các nhân trong chuỗi Thorium có số khối A 4n Chuỗi này mang tên của đồng vị sống lâu nhất còn trong tự nhiên là232Th có T1/2=13,9.109 năm (gấp hai lần tuổi trái đất) Vì thời gian sống lâu như vậy nên 232

Th còn tồn tại trong tự nhiên cùng với các sản phẩm phân rã của nó tạo nên chuỗi Thorium Thực ra nhân mẹ của

232

Thlà 236

Uphát với T1/2=2,4.107 năm, khoảng 1 1 tuổi của trái đất và do đó không còn được tìm thấy trong tự nhiên Theo những chứng cứ địa vật lí tìm thấy được chứng tỏ rằng 236U là một trong những đồng vị của Uranium khi v trụ còn rất

tr hả hệ của chuổi Thorium được cho trong hình 1

1 (A=4n+3)

Chuỗi này được nghiên cứu từ năm 19 , khi Giesel khám phá ra sự phóng

xạ của Actinium Nhưng mãi cho đến năm 1935, khi đồng vị 235U được nhận diện bằng khối phổ kế và chứng tỏ là thủy tổ của chuỗi Actinium thì nó mới được hiểu đầy đủ, bởi vì là đồng vị còn trong tự nhiên duy nhất phân hạch bởi neutron nhiệt

Do đó, chuỗi Actinium chứa trong nhánh phụ của nó đồng vị tự nhiên của nguyên tố Astatine ( 85) và Francium (Z=87) Hình 1.3 trình bày phả hệ của chuỗi Actinium Actinium (227Ac) tự nó có thể được tách ra từ khoáng chất Uranium bằng cách kết tủa với đất hiếm Lanthanium và là nguồn cho chuỗi Actinium lâu dài

ở phòng thí nghiệm

Hình 1.1 Chuỗi Uranium A=4n+2 [9]

hổ của 227Ac có năng lượng cực đại khoảng , 4 MeV Nhánh phân rã

có độ phổ cập rất thấp nhưng rất quan trọng vì nó dẫn tới Francium (223Fr) là đồng

vị nặng duy nhất có trong tự nhiên Francium biến đổi bằng cách phân rã thành

223 a, nhưng c ng có , 4 Francium biến đổi bằng cách phân rã thành Astatine (215At)

Hình 1.2 Chuỗi Thorium A=4n [9]

1.5.4 Đ ng ị 40 K

Đồng vị phóng xạ 40K có chu kì bán rã 1, 8 1 9 năm Hình 1.4 cho thấy kiểu phân rã cạnh tranh nhau, phân rã + với xác suất phát là , 1 và bắt EC với xác suất phát là 1 ,3 để tạo thành hạt nhân bền 40Ar Trong khi đó, có tới

89, 8 phân rã - để tạo thành 40Ca Hình 1.4 trình bày sơ đồ 40K phân rã + và bắt electron tạo 40Ar và phân rã -

tạo 40Ca

Trong môi trường 40K chiếm một lượng đáng kể trong đất đá nguyên thủy

c ng như ở vùng đất nông nghiệp sử dụng phân bón thường xuyên Do đó 40K có mặt trong các nguồn nước, lương thực, thực phẩm của con người Việc đánh giá hoạt độ của 40K giúp cho việc đánh giá liều chiếu ngoài đáng kể của môi trường

Hình 1.3 Chuỗi Actinium A=4n+3 [9]

Hình 1.4 40K phân rã +

và bắt electron tạo 40Ar và phân rã - tạo 40Ca [9]

HƯƠNG ĐỐI ƯỢNG À HƯƠNG HÁ NGHIÊN Ứ

1 Đ ượ ứ

Khóa luận tập trung nghiên cứu về phương pháp đánh giá hoạt độ phóng xạ gamma trong môi trường do các đồng vị Uranium, Thorium, Kali trong đất đá đóng góp Đối tượng nghiên cứu là bảy nguồn điểm phát gamma đơn năng và đa năng của hãng TSpectrum và mười hai mẫu đất thu thập ở khu vực Đắk lắk Phương pháp phân tích là phương pháp toàn phổ FSA sử dụng hệ phổ kế GMX phông thấp đầu

dò HPGe có tại phòng thí nghiệm K thuật Hạt nhân

ế ị ậ - H ổ ế H Ge [4]

1 G ớ

Detector H Ge là loại detector đo tia gamma có độ nhạy và độ phân giải cao nhất hiện nay, và chúng được sử dụng rộng rãi cho cả nghiên cứu cơ bản lẫn vật lí ứng dụng Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể được đo với độ phân giải lên đến ,1

Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá trị của nó mà phải xem detector đang ghi bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu và mức độ đơn năng của nguồn đó Detector có độ phân giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, ghi nhận được các nguồn yếu có năng lượng riêng biệt khi nó nằm chồng lên miền liên tục

Bảng 2.1 Độ phân giải năng lượng (keV) đối với các loại đầu dò khác nhau [4]

Hình 2.1 trình bày sự so sánh độ phân giải trong phổ của nguồn 60Co được đo bởi detector nhấp nháy và detector bán dẫn siêu tinh khiết

Hình 2.1 hổ của nguồn60Co được đo bởi [4]:

a Detector nhấp nháy NaI (Tl); b Detector bán dẫn Germanium

Trong các detector siêu tinh khiết, động năng của một electron được đo bởi tập hợp các điện tích được tạo bởi sự ion hóa dọc theo quãng đường của electron Năng lượng để tạo một cặp electron-lỗ trống trong germanium có giá trị trung bình vào khoảng 3 eV

Ví dụ một hạt electron 1MeV khi vào trong detcector sẽ tạo ra khoảng 381 5 cặp electron-lỗ trống Chúng ta có thể tập hợp gần như tất cả điện tích này trong detector germamium nếu như các tạp chất trong germanium được loại bỏ đến một mức độ nào đó Tuy nhiên phương sai thống kê của 38 15 cặp là quá nhỏ cho nên

nó có thể bị nhiễu loạn từ các cặp electron-lỗ trống kích thích nhiệt ngẫu nhiên

Để khắc phục và giảm thiểu được điều này người ta phải làm lạnh tinh thể germanium và chất làm lạnh đuợc sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ làm lạnh là 770K Tuy tín hiệu được tạo ra là do sự ion hóa của các electron có động

năng, năng lượng của tia gamma có thể có được đo bằng detector germanium bởi vì năng lượng của một photon có thể được chuyển sang cho các electron Các tia gamma năng lượng thấp có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện tạo ra một electron đơn với hầu hết năng lượng của photon tới

Đối với các photon có năng lượng từ khoảng 1 keV đến dưới 1 MeV, hiệu ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi phải có một hay nhiều hơn các tán xạ Compton và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện

Sự tạo thành các cặp electron-positron đóng vai trò quan trọng ở các mức năng lượng trên mec2 (hay 1,022MeV)

Hình 2.2 trình bày hệ thống làm lạnh bằng Nitơ lỏng cho detector HPGe

Hình 2.2 Detector bán dẫn và hệ thống làm lạnh [9]

2.2.2 H phổ kế G ầu dò HPGe [6]

 Detector

Detector được sử dụng trong khóa luận này là detector HPGe loại n, cửa sổ

Be (GMX35P4-70) của ORTEC với đường kính và chiều dài tinh thể lần lượt là 55,8 mm và 78,1 mm được làm lạnh bằng hệ X-Cooler III

Hoạt động của detector HPGe: Khi một bức xạ ion hóa đi vào detector, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua các hiệu ứng chủ yếu với tinh thể bán dẫn Các electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn, đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích dương ở trong vùng hóa trị Các cặp electron – lỗ trống được tạo ra trong vùng nghèo dọc theo qu đạo của bức

xạ tới Chúng được kéo về hai điện cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược được áp vào detector: các electron sẽ chuyển động đến cực dương, còn 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 detector xuất hiện một tín hiệu điện thế Xung điện thế này được ghi nhận ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau

 H th n t

Một hệ thống điện tử phục vụ cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều thành phần, chúng thường được chia thành các khối khác nhau mà mỗi khối sẽ thực hiện một công việc cụ thể như:

Cao thế: Để thu góp các hạt mang điện hình thành trong detector cần phải được cung cấp một cao áp Giá trị cao áp tối ưu thường được nhà sản xuất đánh giá

và quy định, giá trị này từ vài trăm Volt với detector nhỏ đến trên 4000 Volt với detector lớn

Tiền khuếch đại: Bộ tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau detector Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu ban đầu từ detector và tải nó nhờ vào cáp nối tiền khuếch đại với phần còn lại của hệ thiết bị Vì tín hiệu vào tiền khuếch đại tương đối yếu cho nên tiền khuếch đại được lắp đặt sao cho càng gần với detector để giảm thiểu độ dài dây cáp

Hình 2.3 Hệ phổ kế gamma GMX đầu dò HPGe

Khuếch đại tuyến tính: Bộ khuếch đại có hai nhiệm vụ chính, đó là khuếch đại trực tiếp xung ra từ tiền khuếch đại lên đến giá trị thích hợp và hình thành xung

để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo Yêu cầu quan trọng của một khuếch đại là độ tuyến tính, dạng xung lối ra, sự ổn định và mức độ nhiễu Nó có thể khuếch đại biên độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn nữa

Hệ phân tích đa kênh MCA: Hệ MCA được sử dụng để đo phổ năng lượng (hay phân bố năng lượng) của bức xạ hạt nhân Từ phổ năng lượng chúng ta có thể

biết được diện tích của phổ đỉnh c ng như giá trị của đỉnh Trong khối MCA bao gồm bộ chuyển đổi ADC, bộ nhớ và chương trình giao tiếp trên máy tính

ADC (Analog to Digital Converter) có chức năng đo biên độ của tất cả các tín hiệu tương tự đến và chuyển chúng thành tín hiệu số Các đặc điểm quan trọng của ADC là độ tuyến tính tích phân, độ tuyến tính vi phân và ổn định zero

Với hệ đo đang sử dụng, ngoại trừ bộ tiền khuếch đại cần đặt gần đầu dò, các

bộ phận điện tử phía sau này được tích hợp thành một khối ký hiệu DJSPEC 2.0 như hình 3

G ớ ƣơ ị ƣ

Có nhiều phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ gamma sử dụng hệ phổ kế gamma Trong phần này tác giả phân biệt phương pháp xác định hoạt độ gamma dựa vào thông tin diện tích đỉnh phổ (phương pháp WA -Window Analysis), và phương pháp xác định hoạt độ gamma dựa vào thông tin toàn phổ (phương pháp FSA -Full Spectrum Analysis)

1 ƣơ W

ƣơ ƣơ

Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ cần phân tích được xác định thông qua việc so sánh mẫu cần phân tích với mẫu chuẩn Ở phương pháp này, mẫu cần phân tích và mẫu chuẩn phải đo trong cùng điều kiện

Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ cần phân tích tại thời điểm đo mẫu được xác định theo công thức [6]:

m m c

c c m c m

.m.tS

.m.tSA

Trong đó:

Ac, Am: Hoạt độ riêng của mẫu chuẫn và mẫu phân tích (Bq/kg)

Sc, Sm: Diện tích đỉnh đã trừ phông và hiệu chỉnh thời gian chết của mẫu chuẩn và mẫu phân tích

tc, tm: Thời gian đo của mẫu chuẫn và mẫu phân tích (giây)

mc, mm: Khối lượng mẫu chuẩn và mẫu phân tích (kg)

Vấn đề quan trọng trong phương pháp này là việc chuẩn bị mẫu chuẩn Có

rất nhiều phương pháp chuẩn bị mẫu chuẩn khác nhau như phương pháp hóa học,

phương pháp cơ học… Để tiện lợi chúng ta nên sử dụng các mẫu chuẩn do nhà sản

xuất mẫu chuẩn cung cấp

Sai số tương đối của hoạt độ mẫu được xác định từ công thức truyền sai số:

2 c

2 m 2 m

2 m 2 c

2 t 2 m

2 t 2 c

2 S 2 m

2 S 2 c

2 A 2

m

2 A

mm

ttSSAA

C m

C m C m C

2 S 2 c

2 A 2

m

2 A

SS

AA

C m C

2 S 2 c

2 A m A

SS

C A

 : Sai số hoạt độ mẫu chuẩn

m A

 : Sai số hoạt độ mẫu phân tích

C m

 : Sai số khối lượng của mẫu chuẩn

m m

 : Sai số khối lượng của mẫu phân tích

m S

 : Sai số diện tích đỉnh của mẫu phân tích

C S

 : Sai số diện tích đỉnh của mẫu chuẩn

hương pháp này khá đơn giản vì không cần sử dụng quá nhiều các số liệu

thực nghiệm Sai số của phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào sai số của hàm

lượng mẫu chuẩn và thành phần matrix giữa mẫu chuẩn và mẫu phân tích Do vậy,

có thể loại bỏ được nhiều sai số trong thực nghiệm và sai số hệ thống do thiết bị

Tuy nhiên, phương pháp này c ng khá tốn kém do phải chuẩn bị nhiều mẫu chuẩn

b ƣơ

Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ cần phân tích được xác định chủ yếu dựa vào hiệu suất ghi của detector

hương pháp này khá phức tạp hơn so với phương pháp tương đối vì chúng

ta phải sử dụng các số liệu hạt nhân và cả số liệu thực nghiệm

Hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ cần phân tích tại thời điểm đo mẫu được xác định theo công thức:

tf m

SA



Trong đó:

m: Khối lượng của mẫu cần phân tích (kg)

S: Diện tích đỉnh của tia gamma ở năng lượng E

ε: Hiệu suất ghi tuyệt đối

f: Xác suất phát của tia gamma tại năng lượng đỉnh đang xét

t: Thời gian đo mẫu (giây)

Sai số tuyệt đối được xác định như sau:

2 2

2

2 m 2

2 f 2

2 S 2

2 A

mfS

 : Sai số hiệu suất

Sai số của kết quả phân tích bằng phương pháp này là khá lớn do phải sử dụng quá nhiều các số liệu thực nghiệm Tuy nhiên, trong trường hợp cần phân tích

hoạt độ phóng xạ nhưng không có nhiều mẫu chuẫn có thành phần matrix gần giống với mẫu phân tích thì sử dụng phương pháp này là một lợi thế

ƣơ FS

Trong phương pháp này, hầu như toàn bộ phổ đo đều được sử dụng và hoạt

độ của các đồng vị có trong phổ được tính dựa vào việc làm khớp phổ đo với các phổ chuẩn ứng với từng đồng vị riêng l

Sơ ƣợ ề ị

hương pháp FSA được sử dụng ban đầu cho mục đích địa vật lý với việc sử dụng các hệ detector được làm bằng tinh thể nhấp nháy để phát hiện và ghi nhận tia gamma của các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất trên bãi biển và trong đất liền Các công trình nghiên cứu về phương pháp này có thể kể đến chẳng hạn như Crossley và Reid (198 ), Minty và cộng sự (1998), de Meijer (1998), Henriks và cộng sự ( 1)… Trong những năm gần đây, phương pháp FSA đã và đang dần dần được áp dụng vào việc tính toán hoạt độ phóng xạ của các mẫu môi trường được đo bằng detector trong phòng thí nghiệm, một trong những công trình tiêu biểu nhất có thể kể đến là Maphoto [7] Trong khóa luận này tác giả đã xác định hoạt độ phóng

xạ tự nhiên trong đất bằng phương pháp FSA và so sánh kết với kết quả với giá trị tính toán từ phương pháp WA

hổ cần phân tích S được xem như là sự chồng chập có trọng số của ba phổ chuẩn

SU, STh, SK và phông nền SB Về mặt toán học có thể biểu diễn theo phương trình sau [7]:

)i(S.C)i(S.C)i(S.C)i(S.C)i(

Trong đó, CU, CTh và CK lần lượt là hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 238U,

Trong khóa luận này tác giả sử dụng phương pháp khớp bình phương tối thiểu dạng đa thức với việc giải hệ phương trình tuyến tính tìm các tham số bằng phương pháp ma trận [8], phương pháp này thuận lợi cho việc kết hợp tuyến tính 3 phổ chuẩn và phổ của mẫu cần phân tích Trong phương pháp này, chúng ta cần phải xác định các ma trận sau:

23 22 21

13 12 11

(2.10)

k l k

, 1 S (i).S (i)

i 2

a a        1 

(2.14)Vậy:

1 .

Đây chính là ma trận tham số cần xác định Từ ma trận tham số này, chúng ta

sẽ xác định được hoạt độ phóng xạ của mẫu cần phân tích

23 22 21

13 12 11

(2.16)

HƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong chương này trình bày kết quả áp dụng phương pháp FSA để xác định hoạt độ gamma của các nguồn dạng điểm và dạng thể tích của mẫu môi trường đo trên hệ phổ kế GMX phông thấp đầu dò HPGe Đánh giá khả năng áp dụng, độ chính xác của phương pháp, dự đoán các yếu tố ảnh hưởng bằng cách so sánh với kết quả tính toán hoạt độ bằng phương pháp truyền thống WA

3.1 Xác ịnh ho c a m t s ngu n ểm b ươ FS

3.1.1 Các ngu n chuẩn

Các nguồn điểm chuẩn 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 54Mn, 22Na, 65Zn và 137Cs sử dụng trong phương pháp này được cung cấp bởi hãng Eckert & Ziegler của M Hoạt độ tính đến thời điểm đo được tính toán dựa trên hoạt độ đã cung cấp bởi hãng

và cho trong bảng 3.1 sau:

Các nguồn cần phân tích bao gồm 7 nguồn điểm của hãng TSpectrum, trong

đó có 6 nguồn một đồng vị phóng xạ: 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 54Mn, 22Na và một nguồn kết hợp hai đồng vị phóng xạ (65Zn-137Cs) Thông tin đo đạc của các nguồn phân tích được cho trong bảng 3.2 dưới đây:

Bảng 3.2 Thông tin các nguồn cần phân tích

Các nguồn đồng vị phóng xạ gamma chuẩn 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 54Mn,

22

Na, 65Zn và 137Cs lần lượt được đặt tại tâm trục detector, trên giá đỡ bằng mica, ở khoảng cách 25cm so với mặt đầu dò và được đo bằng hệ phổ kế GMX

Hình 3.2, trình bày minh họa phổ thu được của nguồn 133 a đo trong 17 giờ và hình 3.3 là phổ của nguồn 109Cd đo trong 19 giờ Những phổ thu được còn lại được trình bày trong phụ lục

Hình 3.2 Phổ của mẫu chuẩn 133Ba chưa trừ phông

Hình 3.3 Phổ của mẫu chuẩn 109Cd chưa trừ phông

3.1.3.3 Phổ phân tích

Các nguồn cần phân tích 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 54Mn, 22Na, và nguồn kết hợp hợp 65Zn - 137Cs c ng được đặt tại tâm trục detector, trên giá đỡ bằng mica, ở

Hình 3.4 trình bày phổ thu được của nguồn 133Ba cần phân tích đo trong 3 giờ, hình 3.5 là phổ của nguồn 109Cd cần phân tích đo trong 3 giờ, hình 3.6 trình bày phổ của nguồn kết hợp gồm 65Zn -137Cs đo trong 4 giờ Những phổ thu được còn lại được trình bày trong phụ lục

Hình 3.4 Phổ của mẫu 133 a chưa trừ phông

Hình 3.5 Phổ của mẫu 109Cd chưa trừ phông

Hình 3.6 Phổ của mẫu kết hợp (65Zn-137Cs) chưa trừ phông

3.1.4 Kết quả và thảo luận

Các phổ thu được của nguồn chuẩn và nguồn cần phân tích được trừ phông sau đó được sử dụng để tính toán hoạt độ theo hai phương pháp FSA và WA

3.1.4.1 ƣơ FS

Các phổ chuẩn và phổ phân tích sau khi trừ phông được xử lý tiếp tục để đưa vào chương trình phân tích theo phương pháp FSA đã xây dựng ở chương và tính toán hoạt độ Kết quả phân tích được trình bày ở bảng 3.3 sau đây:

Bảng 3.3 Giá trị hoạt độ các nguồn điểm tính bằng phương pháp FSA