nghiên cứu cải tiến buồng chì cho phân tích đồng vị phóng xạ tại vùng năng lượng nhỏ hơn 100 kev bằng phương pháp thực nghiệm

33 B ảng 3.3 Kết quả tốc độ đếm đỉnh của các đồng vị có trong phông nền trong các trường hợp mở nắp buồng chì, đóng nắp chưa cải tiến và cải tiến buồng chì.. Đơn vị B ảng 3.6 Giá trị gi

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM



Thành phố Hồ Chí Minh-2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

L ỜI CÁM ƠN

Như người ta thường nói “Cần cù bù thông minh” Câu ấy rất đúng với tôi, không thông minh nhưng sau một khoảng thời gian dài phấn đấu chăm chỉ học tập, tôi rất vui mừng, phấn khởi và xen cả tự hào khi nhận được thông báo tôi đủ tiêu chuẩn được làm luận văn tốt nghiệp đại học Thế nhưng, vốn không nhanh nhạy, khi

bắt tay vào làm luận văn, tôi gặp nhiều khó khăn cả về mặt tư duy lẫn tinh thần…

Cuối cùng, để có thể hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hỗ trợ của thầy

cô, bạn bè và gia đình Nay, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng đến:

 Toàn thể thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM Thầy cô,

những người đưa đò cần mẫn đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cho tôi, đó chính

là nền tảng phục vụ các vấn đề trong luận văn và là hành trang trên con đường sự nghiệp của tôi trong tương lai

Thầy Ths Hoàng Đức Tâm, cô Phan Thị Minh Tâm giúp đỡ về mặt tài

liệu, trả lời câu hỏi những ngày đầu bỡ ngỡ không biết làm gì với luận văn

Thầy Ths Lê Công Hảo dành thời gian quý báu của mình để đọc nội dung

và góp ý cho luận văn của tôi hoàn thiện hơn

 Đặc biệt, thầy Ths Trần Thiện Thanh, người thầy hướng dẫn ý tưởng luận văn, giải đáp thắc mắc của tôi để có thể hoàn thành luận văn này

 Xin cám ơn gia đình đã hỗ trợ mọi mặt từ vật chất đến tinh thần cho tôi

 Bạn Vũ Ngọc Ba nhiệt tình giúp đỡ

Chân thành cám ơn Đống Thị Như Ý

M ỤC LỤC

DANHMỤCCÁCCHỮVIẾTTẮT I DANH MỤC CÁC BẢNG II DANH MỤC CÁC HÌNH III

PHẦN MỞ ĐẦU V

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1

1.1 Phóng xạ môi trường 1

1.1.1 Đồng vị phóng xạ nhân tạo 1

1.1.2 Đồng vị phóng xạ tự nhiên 1

1.1.2.1 Đồng vị phóng xạ tạo ra từ tia vũ trụ 1

1.1.2.2 Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất 2

1.1.3 Phông bức xạ gamma 4

1.2 Tương tác bức xạ với vật chất 5

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 5

1.2.2 Hiệu ứng Compton 7

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 8

1.3 Các hiệu chính quan trọng trong bài toán ghi nhận bức xạ 10

1.3.1 Các hiệu chính hình học đo 10

1.3.1.1 Hiệu chính gây ra do lớp vật chất nằm giữa mẫu đo và detector… 10

1.3.1.2 Hiệu chính do góc đặc 10

1.3.2 Các hiệu chính liên quan đến mẫu cần đo 12

1.3.2.1 Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu 12

1.3.2.2 Hiệu chính tán xạ trên nguồn 13

1.3.3 Các hiệu chính liên quan đến detector 13

1.3.3.1 Tán xạ hoặc hấp thụ gây ra do cửa sổ detector 13

1.3.3.2 Hiệu suất ghi của detector 14

CHƯƠNG 2- GIỚI THIỆU HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP ĐẦU DÒ

HPGE-GC2018 VÀ BUỒNG CHÌ CẢI TIẾN ĐỂ GIẢM PHÔNG NỀN 15

2.1 Mô tả hệ phổ kế 15

2.1.1 Đầu dò HPGe GC2018 16

2.1.2 Buồng chì giảm phông 18

2.2 Buồng chì cải tiến cho phân tích đồng vị phóng xạ vùng năng lượng thấp 19

2.2.1 Buồng chì trước khi cải tiến 19

2.2.2 Buồng chì cải tiến 20

2.3 Khái quát các đại lượng dùng khảo sát hiệu quả việc cải tiến buồng chì 21

2.3.1 Chuẩn năng lượng 22

2.3.2 Chuẩn độ rộng đỉnh phổ 22

2.3.3 Giới hạn tới hạn LC (số đếm) 23

2.3.4 Giới hạn phát hiện LD (số đếm) 24

2.3.5 Giới hạn phát hiện hoạt độ MDA (Bq) 26

2.3.6 Giới hạn phát hiện nồng độ MDC (Bq/ kg) 27

2.3.6.1 Đường cong hiệu suất chuẩn 28

2.3.6.2 Sai số hiệu suất 28

CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 30

3.1 Chuẩn năng lượng 30

3.2 Chuẩn độ rộng đỉnh phổ 32

3.3 Kết quả khảo sát các đồng vị có trong phông nền hệ phổ kế gamma 32

3.3.1 Tốc độ đếm của các đồng vị trong phông nền 32

3.3.2 Kết quả khảo sát giá trị giới hạn phát hiện LD của các đồng vị có trong phông nền 40

3.3.3 Kết quả khảo sát giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị phóng xạ có trong phông nền 44

3.3.3.1 Giới hạn phát hiện nồng độ MDC cho các đồng vị có trong phông nền khi sử dụng nguồn chuẩn hình trụ 44

3.3.3.2 Giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông nền

khi sử dụng nguồn chuẩn là nguồn điểm 49

KẾT LUẬN 55

KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SE Single Escape peak Đỉnh thoát đơn

DE Double Escape peak Đỉnh thoát đôi

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số

MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa kênh

FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ HPGe Hyper pure Germanium Germanium siêu tinh khiết MDA Minimum Detectable Activity Giới hạn phát hiện hoạt độ

LD Detection Limit Giới hạn phát hiện

LC Critical Limit Giới hạn tới hạn

MDC Minium Detectable Concentration Giới hạn phát hiện nồng độ

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ảng 2.1 Thông tin kích thước đầu dò HPGe GC 2018 17

B ảng 3.1 Bảng các đồng vị chuẩn đã biết năng lượng gamma và số kênh 30

B ảng 3.2 Kết quả tốc độ đếm toàn phần của các đồng vị có trong phông nền trong

các trường hợp mở nắp buồng chì, đóng nắp chưa cải tiến và cải tiến buồng chì Đơn vị tốc độ đếm (số đếm/ giờ) 33

B ảng 3.3 Kết quả tốc độ đếm đỉnh của các đồng vị có trong phông nền trong các

trường hợp mở nắp buồng chì, đóng nắp chưa cải tiến và cải tiến buồng chì Đơn vị

B ảng 3.6 Giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông

nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp, cải tiến buồng chì (Nguồn trụ) Đơn vị MDC (Bq/ kg) 47

B ảng 3.7 Nguồn điểm chuẩn 49

B ảng 3.8 Giá trị giới hạn phát hiện nồng độ MDC của các đồng vị có trong phông

nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp, cải tiến buồng chì (Nguồn điểm) Đơn vị MDC (Bq/ kg) 51

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Họ Thorium (4n) 2

Hình 1.2 Họ uranium (4n+2) 3

Hình 1.3 Họ actinium (4n+3) 3

Hình 1.4 Cơ chế hấp thụ quang điện 6

Hình 1.5 Tán xạ Compton 8

Hình 1.6 Hiệu ứng tạo cặp 9

Hình 1.7 Minh họa tính góc đặc nguồn điểm nhìn detector có bề mặt hình tròn 11

Hình 1.8 Mẫu đo phủ trên đế 12

Hình 1.9 Hiệu ứng tán xạ hoặc hấp thụ bức xạ do cửa sổ detector 13

Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma 1 5 Hình 2.2 Hệ phổ kế gamma tại bộ môn vật lý hạt nhân 16

Hình 2.3 Cấu trúc đầu dò HPGe GC2018 (kích thước mm) 17

Hình 2.4 Mặt cắt dọc buồng chì giảm phông (cm) 18

Hình 2.5 Buồng chì trước khi cải tiến 19

Hình 2.6 Buồng chì được cải tiến bằng cách lót thêm khối chì siêu sạch hình trụ và lớp đồng hấp thụ tia X 21

Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn năng lượng theo số kênh 31

Hình 3.2 Đồ thị đường chuẩn FWHM theo năng lượng 32

Hình 3.3 Phổ phông khi buồng chì mở nắp và đóng nắp chưa cải tiến 38

Hình 3.4 Phổ phông khi buồng chì đóng nắp chưa cải tiến và sau khi cải tiến 39

Hình 3.5 Phổ phông khi buồng chì mở nắp, buồng chì trước và sau khi cải tiến 40

Hình 3.6 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi mở nắp và đóng nắp buồng chì chưa cải tiến 43

Hình 3.7 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi đóng nắp và cải tiến buồng chì 43

Hình 3.8 Đồ thị so sánh giới hạn phát hiện khi mở nắp, đóng nắp chưa cải tiến và sau khi cải tiến buồng chì 44

Hình 3.9 Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn cho nguồn hình trụ 46

Hình 3.10 Đồ thị đường cong hiệu suất chuẩn cho nguồn điểm 50

Hình 3.11 Phổ phông trước và sau khi cải tiến khi không lót thêm lớp đồng 53

Hình 3.12 Phổ phông trước và sau cải tiến khi có lót thêm lớp đồng 54

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do ch ọn đề tài

Các đồng vị phóng xạ tồn tại khắp nơi trong môi trường xung quanh chúng ta,

gồm: đồng vị phóng xạ nhân tạo (chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ) và đồng vị phóng xạ tự nhiên (được tạo ra từ tia vũ trụ, đồng vị phóng xạ nguyên

thủy) Trong đó, các đồng vị phóng xạ tự nhiên, mà chủ yếu là 238

U, 232Th,40 K đóng góp nhiều nhất vào phông phóng xạ gamma gây ảnh hưởng ít nhiều đến sức

khỏe con người Chính nền phông này cũng gây ảnh hưởng cho việc xác định chính xác các đỉnh gamma mà ta quan tâm phát ra từ một mẫu cần đo Đặc biệt, là việc xác định các đỉnh gamma ở vùng năng lượng thấp nhỏ hơn 100 keV càng khó khăn hơn vì đây là chỗ bị ảnh hưởng nhiều nhất của phông phóng xạ tự nhiên (phông nền thường cao) làm cản trở việc xác định các đỉnh gamma năng lượng thấp phát ra từ

mẫu đo Để khắc phục điều đó, cả detector và mẫu đo được đặt trong buồng chì để

giảm phông gamma Tuy nhiên, buồng chì giảm phông vẫn có khuyết điểm và nền phông ở vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV vẫn khá cao Vì vậy, ta cần có phương

án cải tiến buồng chì để giảm phông nền thấp tới hạn Từ đó, việc thực hiện các phép đo mẫu ở vùng năng lượng thấp được dễ dàng, chính xác hơn

Với những lí do nêu trên nên tên đề tài luận văn được chọn: “Nghiên cứu cải

ti ến buồng chì cho phân tích đồng vị phóng xạ tại vùng năng lượng nhỏ hơn

100 keV b ằng phương pháp thực nghiệm”

B ố cục luận văn:

Với mục đích trên, bố cục luận văn gồm 3 chương:

Chương 1- Tổng quan về lý thuyết: Trình bày khái quát về nguồn gốc phóng

xạ môi trường, các chuỗi phóng xạ tự nhiên Tương tác của bức xạ gamma với vật

chất và một số hiệu chính trong bài toán ghi đo bức xạ

Chương 2- Giới thiệu hệ phổ kế gamma phông thấp đầu dò HPGe GC 2018

và bu ồng chì cải tiến để giảm phông nền: Trình bày về hệ phổ kế gamma phông

thấp đầu dò HPGe GC 2018 của Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM (đây là hệ

phổ kế gamma dùng khảo sát kết quả cải tiến buồng chì) Phương án cải tiến buồng chì nhằm giảm phông nền thấp tới hạn Đồng thời, chương này cũng trình bày một

số đại lượng vật lý dùng trong tính toán thực nghiệm ở chương 3

Chương 3- Kết quả tính toán thực nghiệm: Trình bày kết quả cải tiến buồng

chì (khảo sát tốc độ đếm, giới hạn phát hiện LD và giới hạn phát hiện nồng độ MDC được tính toán cho nguồn chuẩn hình trụ và nguồn chuẩn dạng điểm của các đồng vị

có trong phông nền trong trường hợp mở nắp, đóng nắp buồng chì chưa cải tiến, cải

tiến buồng chì) Từ đó, thấy rõ việc cải tiến buồng chì đã làm phông nền thấp tới

hạn, thuận lợi cho việc phân tích đồng vị phóng xạ ở vùng năng lượng thấp

1

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1 Phóng x ạ môi trường

Nguồn phóng xạ môi trường được chia làm hai loại: Thứ nhất là nguồn phóng

xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay tạo ra bằng các máy gia tốc hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân

Thứ hai là nguồn phóng xạ tự nhiên Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: Nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy (có từ khi tạo thành Trái Đất) và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ (được tia vũ trụ tạo ra)

1.1.1 Đồng vị phóng xạ nhân tạo [12], [13]

Phát minh của Frederic Joliot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân

tạo của phốt-pho và ni-tơ năm 1934 đã mở ra kỉ nguyên của phóng xạ nhân tạo Ngày nay con người đã tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kì bán rã khác nhau trong một dãy rất rộng, chúng có chu kì bán rã

ngắn hơn nhiều so với các đồng vị phóng xạ nguyên thủy Việc gia tăng nhanh chóng các ứng dụng công nghệ hạt nhân và sự tăng đột biến các vụ thử vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh lạnh đã khiến cho thế giới lo ngại về sự quản lí các nguồn đồng vị phóng xạ mà nguồn phóng xạ được quan tâm hàng đầu Phóng xạ nhân tạo chiếm 15% sự đóng góp vào phông phóng xạ, phóng xạ nhân tạo đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên ít nhất, kế đến là các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc

từ vũ trụ và chiếm phần lớn lượng phóng xạ là các hạt nhân phóng xạ tự nhiên Một

số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên là 3H,121 I, 129T,137 Cs, 90Sr,

H, 7Be, 10Be,14C… và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt neutron

hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào Trái Đất Cụ thể là khi đi vào khí quyển của Trái Đất, tia vũ trụ sơ cấp (86% proton, 13% alpha, còn lại là các

hạt có số khối A>4) tương tác với các nguyên tử vật chất trong khí quyển tầng cao sinh ra tia vũ trụ thứ cấp Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn Các hạt sơ

cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hóa môi trường khí quyển Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon Ngoài các hạt sơ cấp và thứ cấp, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền

1.1.2.2 Đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất

Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất gồm các họ phóng xạ uranium, thorium

và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb… Năm 1896, nhà bác học người Anh Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của

nó Đến nay người ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là họ Thorium (232Th), uranium (238U) và actinium (235U) Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: 238

U (99,3%), 235U (0,7%) và 234U( 5.10-3%) Trong đó, 238

U và 234U thuộc cùng họ unranium, 235

U là thành viên đầu tiên của một họ actinium 232Th là thành viên đầu tiên của họ Thorium

Hình 1.1 Họ Thorium (4n)

Hình 1.2 Họ uranium (4n+2)

Hình 1.3 Họ actinium (4n+3)

Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất Điều này

dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối

ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của Trái Đất

Đặc điểm chung thứ hai là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng chất khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon

Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi

họ đều là chì (Pb)

Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là 40

K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương là khoảng 380mg/L), trong thực vật, động vật và cơ thể con người (Hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg)

rất nhỏ Vì vậy, 87Rbít được quan tâm trong địa vật lý hạt nhân Bức xạ do 87Rb phát ra không đóng góp vào phông phóng xạ chung trên mặt đất

Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong vật liệu xây dựng đều nằm trong

3 họ phóng xạ 238U, 232Th, 40K, với 40K là nguyên tố phóng xạ kèm theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46 MeV Các hạt nhân con cháu của 238

U, 232Th, 40K phân

rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các

bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản

Các bức xạ gamma, đặc biệt là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy giảm trong đất đá rất nhỏ Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất lớn Khi được sinh ra từ các lớp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay ra khỏi

mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất Ngoài ra phông bức xạ trên

mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra Thành phần phông phóng xạ gamma do tia vũ

trụ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển Thành phần này thường

rất nhỏ so với các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ dưới mặt đất và vật

liệu xây dựng xung quanh gây nên Như vậy, khi nói đến phông phóng xạ có nghĩa

là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất

1.2 Tương tác bức xạ với vật chất

Như đã trình bày ở 1.1.3 là: “Các hạt nhân con cháu của 238U, 232Th, 40K phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở trạng thái kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ bản” Trong mục này, trình bày

về cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Mặc dù các tia gamma có thể tương tác với vật chất theo các cơ chế khác nhau nhưng trong ghi đo bức xạ, ba quá trình đóng vai trò quan trọng nhất là hiệu ứng quang điện, Compton và tạo cặp

1.2.1 Hi ệu ứng quang điện [5]

Khi lượng tử gamma 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 là Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E và năng lượng liên kết

ɛ lk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra

e lk

Từ công thức (1.1) ta thấy hiện tượng quang điện xảy ra khi photon tới có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn động lượng và năng lượng Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và

với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn như chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp Khi electron được

bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, thì tại đó xuất hiện một lỗ trống Lỗ trống này sẽ nhanh chóng bị lấp bởi một electron từ lớp trên Quá trình này dẫn tới việc bức xạ

ra tia X đặc trưng hay electron Auger Trong đa số trường hợp, lượng tử gamma ứng với tia X đặc trưng sẽ bị hấp thụ trong nguyên tử bị ion hóa lân cận do nó gây

ra một hiệu ứng quang điện khác

Hình 1.4 Cơ chế hấp thụ quang điện [18]

1.2.2 Hi ệu ứng Compton [5]

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên

kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma tới và tán xạ gamma lên electron có

thể xem như là tán xạ với electron tự do Tán xạ này gọi là tán xạ Compton, là tán

xạ đàn hồi của gamma vào với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử Sau tán xạ, lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử

Tia gamma sau tán xạ có bước sóng λ2 lớn hơn bước sóng λ1 của gamma tới Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ θ như sau:

Xác suất xảy ra tán xạ Compton phụ thuộc vào năng lượng của gamma Trong vùng năng lượng 0,1 MeV- 10MeV, hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng

nhất trong sự tương tác của gamma

cặp electron và positron, đó là hiệu ứng sinh cặp electron- positron Xác suất của tương tác này rất thấp cho đến khi năng lượng của tia gamma đạt giá trị vài MeV Năng lượng dư sẽ chuyển thành động năng của electron và positron Electron bị mất

dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử của môi trường, positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy electron- positron và một cặp photon 0,51 MeV xuất hiện Có ba khả năng xảy ra :

- Cả 2 photon đều được hấp thụ, như vậy tia gamma mất hoàn toàn năng lượng nên ta có sự đóng góp vào số đếm toàn phần

- Chỉ một photon hủy bị hấp thụ, một photon thoát ra ngoài nên năng lượng tia gamma bị mất trong vùng nhạy là 0,51 MeV Các xung này đóng góp số đếm vào

phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ nhất (đỉnh thoát đơn, SE)

- Khi cả 2 photon hủy đều thoát khỏi tinh thể, năng lượng tia gamma bị mất trong vùng nhạy là 1,02 MeV Các xung này đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ hai (đỉnh thoát đôi, DE)

Tuy nhiên các xác suất phát đỉnh thoát đơn và thoát đôi là rất thấp do đó cần có nguồn cường độ mạnh hoặc thời gian đo dài mới khảo sát được các đỉnh này

Hình 1.6 Hiệu ứng tạo cặp [18]

1.3 Các hiệu chính quan trọng trong bài toán ghi nhận bức xạ [4]

Mục 1.2 đã trình bày về tương tác của bức xạ gamma với vật chất Trên thực tế, người ta quan tâm việc ghi nhận bức xạ gamma của các nguyên tố quan tâm phát ra

từ mẫu Phần này trình bày các hiệu chính quan trọng trong bài toán ghi nhận bức

xạ Có thể chia các hiệu chính này thành 3 nhóm và chúng ta sẽ khảo sát chúng chi

tiết hơn: Hiệu chính liên quan đến hình học đo, hiệu chính liên quan đến mẫu đo và

hiệu chính liên quan đến detector

1.3.1 Các hiệu chính hình học đo

1.3.1.1 Hiệu chính gây ra do lớp vật chất nằm giữa mẫu đo và detector

Thường thì lớp vật chất nằm giữa mẫu đo và detector là không khí có mật độ

thấp Với việc đo lường neutron hoặc bức xạ gamma thì lớp không khí này gần như không ảnh hưởng đến kết quả đo nhưng khi đo các hạt tích điện hoặc ion nặng, chúng có quãng chạy ngắn trong không khí và do đó các hạt bay ra từ mẫu có thể bị

hấp thụ hoặc tán xạ trước khi đến được detector Độ lớn hiệu ứng này thay đổi theo năng lượng các hạt cần đo Để giảm hiệu ứng này bằng cách giảm khoảng cách giữa

mẫu đo với detector hoặc đặt cả mẫu đo lẫn detector trong chân không Trong trường hợp cần thiết tính đến hiệu chính này thì có thể đánh giá theo cả hai cách:

thực nghiệm và tính toán (Mô phỏng Monte- Carlo) để xác định độ lớn của hiệu chính này

detector trong một giây với tổng số hạt mà nguồn phát ra theo mọi phía trong một giây

Hình học đo hay gặp hơn cả là trường hợp bề mặt nhìn mẫu đo của detector có

dạng hình tròn và mẫu đo đặt cách bề mặt detector một khoảng d Hơn nữa, mẫu đo

có kích thước nhỏ so với khoảng cách mẫu và detector nên có thể bỏ qua thể tích

mẫu và xem nó như một điểm Khi R<< d, thì công thức tính góc đặc Ω như sau:

d: khoảng cách mẫu- bề mặt detector

Hình 1.7 Minh họa tính góc đặc nguồn điểm nhìn detector có bề mặt hình tròn [4]

1.3.2 Các hiệu chính liên quan đến mẫu cần đo

1.3.2.1 Hiệu chính tự hấp thụ trong mẫu

Xét mẫu đo có bề dày t phủ trên một đế, hạt thứ nhất đi qua mẫu và được detector ghi nhận Hạt thứ hai bị hấp thụ bên trong mẫu đo và vì vậy nó không được

hệ đo ghi nhận Hiệu ứng tự hấp thụ làm giảm tốc độ đếm Hiệu ứng tự hấp thụ bức

xạ sơ cấp trong mẫu ngoài việc làm giảm đáng kể số hạt ghi nhận được còn làm thay đổi năng lượng của hạt khi đi ra khỏi mẫu Từ đây, ta thấy nếu chỉ quan tâm đến số hạt do nguồn phát ra thì hiệu ứng này không làm ảnh hưởng đến kết quả, nhưng khi cần phải đo cả phổ năng lượng của các hạt thì bắt buộc phải hiệu chính

phần năng lượng đã bị thất thoát Có thể đánh giá được hiệu chính tự hấp thụ nếu

biết quy luật suy giảm của các hạt khi đi qua lớp vật chất mẫu

Hình 1.8 Mẫu đo phủ trên đế [4]

1.3.2.2 Hiệu chính tán xạ trên nguồn

Các mẫu phóng xạ không thể để tự do trong không khí mà người ta luôn phải

phủ nó lên một cái đế đỡ được làm bằng một loại vật chất thích hợp nào đó Bề dày

của đế này thường là rất mỏng Tuy nhiên, hiện tượng hạt bị tán xạ trên đế sẽ làm cho nó bay ra khỏi vùng không gian được chắn bởi nguồn và detector

1.3.3 Các hiệu chính liên quan đến detector

1.3.3.1 Tán xạ hoặc hấp thụ gây ra do cửa sổ detector

Thông thường bức xạ cần ghi nhận sẽ đi vào detector qua cửa sổ được làm bằng

lớp vật chất rất mỏng (thủy tinh, mica, kim loại mỏng) Hạt số 1 đi qua cửa sổ detector và đi vào bên trong detector, hạt 2 bị tán xạ trên cửa sổ và hạt 3 hoàn toàn

bị cửa sổ detector hấp thụ Nói chung khó có thể đánh giá trực tiếp hiệu chính tán xạ

hoặc hấp thụ do sự có mặt của cửa sổ detector Việc làm giảm số đếm do sự có mặt

của cửa sổ sẽ được tính đến nhờ việc đo hiệu suất ghi của detector

Hình 1.9 Hiệu ứng tán xạ hoặc hấp thụ bức xạ do cửa sổ detector [4]

1.3.3.2 Hiệu suất ghi của detector

Không phải bất cứ hạt nào đi vào được thể tích bên trong detector cũng sẽ được ghi nhận Xác suất để hạt được ghi nhận sẽ phụ thuộc vào loại hoạt cần ghi nhận, năng lượng của nó, loại detector và hình dạng của detector

Trong việc xử lý phổ gamma, chúng ta cần quan tâm đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối, được định nghĩa là tỉ số giữa diện tích đỉnh với số photon

có năng lượng tương ứng phát ra từ nguồn

γ m

Nε=

Với N là số đếm diện tích đỉnh

A là hoạt độ nguồn phóng xạ

Iγ là xác suất phát gamma

tm là thời gian đo

Hiệu suất ghi của detector phụ thuộc vào

- Mật độ của vật chất detector và kích thước của vùng thể tích nhạy của detector

- Loại bức xạ cần ghi nhận và năng lượng của nó

- Hệ điện tử dùng để phân tích xung tạo thành

CHƯƠNG 2- GIỚI THIỆU HỆ PHỔ KẾ GAMMA PHÔNG THẤP ĐẦU DÒ HPGe- GC2018 VÀ BUỒNG CHÌ CẢI TIẾN ĐỂ GIẢM PHÔNG NỀN

xuất hiện tín hiệu điện yếu Tín hiệu này được khuếch đại nhờ bộ tiền khuếch đại

tiếp sau Bộ tiền khuếch đại có tác dụng dung hòa tổng trở giữa lối ra của detector

và lối vào của bộ khuếch đại Bộ khuếch đại phục vụ cho hai mục đích cơ bản: khuếch đại tín hiệu từ tiền khuếch đại và hình thành xung để có dạng thuận tiện cho

xử lý tiếp theo Kế đến, là bộ ADC (Bộ biến đổi tương tự thành số) đo biên độ cực đại của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số và cuối cùng là máy phân tích đa kênh MCA [8] Hình 2.1 là sơ đồ hệ phổ kế gamma

Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma [11]

Hình 2.2 Hệ phổ kế gamma tại bộ môn vật lý hạt nhân [13]

2.1.1 Đầu dò HPGe GC2018 [11]

Phần chính của đầu dò GC2018 là khối tinh thể Ge siêu tinh khiết (độ tạp chất vào khoảng 1010 nguyên tử/ cm3 [13]) hình trụ chữ U có đường kính ngoài 52 mm, chiều cao 49,5 mm Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7 mm, độ sâu của hốc là 35 mm Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp Lithium) được khuếch tán có bề dày 0,86 mm nối với điện cực dương Mặt trong hốc tinh thể là lớp

tiếp xúc loại p (lớp boron) được cấy ion có bề dày 3.10-3

mm nối với điện cực âm

Mặt trên cùng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu bao gồm lớp trên được làm bằng kapton với bề dày 0,1 mm và lớp dưới làm bằng mylar được kim loại hóa với bề dày 0,85.10-3 mm Đầu dò được đặt trong một hộp kín bằng nhôm có độ dày 1,5

mm Ở chỗ dày nhất là 2,7 mm, chỗ mỏng nhất là 0,76 mm để đảm bảo tránh được

sự hấp thụ của các photon năng lượng thấp Khoảng chân không ở giữa mặt trên của tinh thể Ge với mặt dưới của vỏ nhôm là 5 mm để tránh va chạm với bề mặt tinh thể

Ge khi lắp ráp đầu dò

Hình 2.3 Cấu trúc đầu dò HPGe GC2018 ( kích thước mm) [11]

Bảng 2.1 Thông tin kích thước đầu dò HPGe GC 2018

Độ sâu hốc hình trụ 35,0 mm Đường kính hốc hình

Bề dày vỏ detector 1,5 mm Đường kính tổng

2.1.2 Buồng chì giảm phông [8], [11]

Như ta đã biết, vật liệu nào có số Z càng cao thì hấp thụ gamma càng tốt Cụ thể

là tiết diện hấp thụ tỉ lệ với Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố

nặng Chì (Pb) là một loại vật liệu có Z cao, hấp thụ tia gamma trong môi trường

tốt Chính vì vậy, người ta mới dùng chì để che chắn làm giảm phông cho đầu dò Ở đây, đầu dò HPGe GC 2018 được đặt trong một buồng chì để giảm phông Buồng chì được mua của hãng CANBERRA có chiều cao tổng cộng là 53,10 cm Bề dày đáy và nắp là 11,3 cm Chiều cao thân buồng chì (trừ nắp) là 41,80 cm Ngoài lớp chì dày bên ngoài, bên trong buồng chì người ta đã lót thêm các lớp thiếc (Sn) và đồng (Cu) có bề dày tương ứng là 1 mm và 1,5 mm để hấp thụ các tia X có năng lượng trong khoảng 75- 85 keV do tương tác của tia gamma với chì tạo ra Các tia

X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu

Lớp thiếc (Sn) có tác dụng hấp thụ tia X phát ra từ chì (Pb), lớp đồng (Cu) có tác

dụng hấp thụ tia X phát ra từ thiếc (Sn) Các tia X do Cu phát ra có năng lượng thấp khoảng 8-9 keV, cường độ rất yếu không làm ảnh hưởng tới phổ gamma đo được

Hình 2.4 Mặt cắt dọc buồng chì giảm phông (cm) [11]

Buồng chì giảm phông ban đầu ở 2.1.2 còn có khuyết điểm Trong luận văn này, ta nghiên cứu cách cải tiến buồng chì để phân tích đồng vị phóng xạ ở vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV, tức là phải tìm cách làm giảm phông nền phóng xạ tự nhiên ở vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV để dễ phát hiện các đỉnh gamma ta quan tâm trong vùng năng lượng thấp này Tiếp theo là cách cải tiến buồng chì giảm phông ở mục 2.2

2.2 Bu ồng chì cải tiến cho phân tích đồng vị phóng xạ vùng năng lượng thấp 2.2.1 Buồng chì trước khi cải tiến

Hình 2.5 Buồng chì trước khi cải tiến [13]

Như ta đã biết, các đồng vị phóng xạ tự nhiên tồn tại ở khắp mọi nơi (trong đất, nước, không khí ), chúng tồn tại ngay bên trong buồng chì và xung quanh đầu dò, phát bức xạ, được detector ghi nhận và hiển thị thành phổ phông gamma, hay phông

bức xạ gamma tự nhiên (chủ yếu được tạo thành do các nguyên tố có trong đất) cũng tạo phông nền lớn trong việc đo đạc Điều này gây khó khăn cho việc xác định các đỉnh gamma mà ta quan tâm phát ra từ nguồn, đặc biệt là các tia gamma ở vùng

năng lượng thấp nhỏ hơn 100 keV, vùng này bị ảnh hưởng nhiều nhất của phông phóng xạ tự nhiên- phông nền cao, do đó khó phát hiện các đỉnh gamma ta quan tâm trong vùng năng lượng này Vì vậy, chúng ta cần phải cải tiến buồng chì để làm

giảm phông nền thấp tới hạn Quan sát buồng chì trước khi cải tiến có khoảng trống

giữa phía dưới detector và buồng chì, có đường kính trong 8cm và đường kính ngoài 13 cm [13] Không khí và các bức xạ gamma từ bên ngoài có thể theo khoảng

trống này khuếch tán vào bên trong buồng chì gây ra phông nền trong quá trình đo

mẫu Do đó, ta phải cải tiến buồng chì, ngăn không cho không khí từ bên ngoài tràn vào trong buồng chì, cũng như phông bức xạ gamma tự nhiên gây ảnh hưởng đến

phép đo

2.2.2 Buồng chì cải tiến

Buồng chì được cải tiến bằng cách lấp khoảng trống phía dưới detector và

buồng chì bằng khối chì siêu sạch hình trụ Khối chì hình trụ này có hai công dụng,

thứ nhất là lấp khoảng trống ngăn không cho không khí bên ngoài tràn vào tạo phông nền lớn, công dụng thứ hai là dùng khối chì này để hấp thụ các tia gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ trong môi trường bên ngoài buồng chì Tuy nhiên, chì che chắn mới đưa vào có chứa một hàm lượng 210

Pb nhất định 210

Pb là hạt nhân không bền, phân rã thành hạt nhân con 210Bi Phóng xạ β− từ 210 Bi có năng lượng

cực đại 1160 keV, có thể tạo ra các ra các bức xạ hãm và các đặc trưng tia X của chì [13] (Pbkα1 = 75keV, Pbkα2 = 72,8 keV, Pbkβ1 = 85keV,Pbkβ2 = 87 keV [9]) Điều này có thể được khắc phục bằng cách lót thêm lớp đồng (Cu) lên khối chì (Pb) vừa

mới được đưa vào để hấp thụ các tia X này vì đồng ( Cu) là vật liệu nhẹ mà lớp vật

liệu nhẹ sẽ hấp thụ các tia X phát ra từ lớp che chắn chính là chì (Pb), đồng thời chỉ

tạo ra các tia X năng lượng thấp dễ dàng bị hấp thụ, hoặc tạo ra các đỉnh phổ trong

miền năng lượng rất thấp do đó không ảnh hưởng đến các đỉnh phổ quan tâm Lớp đồng lót thêm lên khối chì hình trụ có dạng hình chữ nhật, chiều dài 15 cm, chiều

rộng 2cm, bề dày 5 mm Lớp đồng có 1 lỗ tròn ở giữa, đường kính 8 cm Quan sát hình (2.6) là hình ảnh buồng chì sau khi đã được cải tiến

Hình 2.6 Buồng chì được cải tiến bằng cách lót thêm khối chì siêu sạch hình trụ và

lớp đồng hấp thụ tia X [13]

2.3 Khái quát các đại lượng dùng khảo sát hiệu quả việc cải tiến buồng chì

Sau khi chúng ta đo được phổ phông trong trường hợp buồng chì mở nắp, đóng

nắp chưa cải tiến và cải tiến Công việc tiếp theo là xử lý phổ Người ta thường sử

dụng các chương trình xử lý phổ (ở đây sử dụng Genie -2000) cần có các thao tác

cơ bản: Phát hiện các vị trí đỉnh trong phổ, ước lượng diện tích đỉnh với sai số đi kèm, xác định năng lượng gamma ứng với các đỉnh trong phổ Khi xử lý phổ đã xong, chúng ta tiến hành tính toán các kết quả từ dữ liệu thực nghiệm Mục này trình bày sơ lược các đại lượng dùng khảo sát phổ gamma của các đồng vị có trong phông nền

Trước khi xử lý phổ, người ta thường tiến hành chuẩn năng lượng và chuẩn độ

rộng đỉnh phổ, công việc này thường được xem như là một phần của việc khởi động

hệ đo

2.3.1 Chu ẩn năng lượng [3],[11]

Mục đích của việc chuẩn năng lượng là tìm ra mối quan hệ giữa năng lượng và

số kênh (vị trí) Để chuẩn năng lượng, ta cần một phổ chuẩn đã biết sẵn năng lượng

và số kênh tương ứng của các nguyên tố có trong phổ

Cụ thể, việc chuẩn năng lượng bao gồm những bước sau:

- Đo phổ của một nguồn phóng xạ có năng lượng gamma phát ra đã được biết

trước

- Sau đó xác định các đỉnh gamma có trong phổ

- Tiếp theo là cung cấp năng lượng tương ứng với các đỉnh đã xác định

Từ đó thiết lập mối quan hệ giữa năng lượng gamma và số kênh theo hàm bậc

nhất hoặc bậc hai bằng các phần mềm xử lý phổ (Trong luận văn này sử dụng

Độ rộng đỉnh thường được biểu diễn bằng độ rộng ở một nửa chiều cao của

đỉnh (FWHM) là một hàm phụ thuộc vào năng lượng Độ rộng này phụ thuộc vào

thăng giáng thống kê của quá trình tập hợp điện tích và truyền tín hiệu từ đầu dò

đến MCA Việc chuẩn bề rộng đỉnh góp phần nâng cao tính chính xác của việc tính

diện tích đỉnh và xác định đỉnh chập

Mối quan hệ giữa độ rộng FWHM và năng lượng E được biểu diễn:

FWHM= aE ½ + bE +c (2.3) Trong đó a, b, c là các hằng số thực nghiệm có được từ việc làm khớp

Debertin và Helmer [22] cũng đề nghị mối quan hệ như sau:

FWHM= (a + bE) 1/2 (2.4)

Nếu các đỉnh có dạng phân bố đỉnh Guass Độ rộng đỉnh được xác định bằng:

FWHM= 0,939 A/ (CT - C0) (2.5) Trong đó A là diện tích đỉnh, CTlà độ cao đỉnh và Colà phông, FWHM là bề rộng

toàn phần ở một nửa chiều cao cực đại

Quy trình chuẩn độ rộng đỉnh phổ tương tự như chuẩn năng lượng nên hai quy

trình này thường được tiến hành đồng thời Các hệ số và hàm chuẩn này được lưu

trong máy tính có thể gọi lại để dùng cho các phép đo tiếp theo

Trong chương trình Genie- 2000 [11] độ rộng đỉnh được xác định bằng công

thức (2.6) như sau:

2.3.3 Gi ới hạn tới hạn L C (s ố đếm) [2], [13]

Tín hiệu cần đo từ nguồn phóng xạ thường nằm trên một nền phông ngẫu nhiên

Một cách lý tưởng thì nền phông có thể xác định nhờ việc đo “mẫu trắng” trong

cùng khoảng thời gian đo như mẫu thật Mẫu trắng là mẫu giống như mẫu thật

nhưng không có phóng xạ cần đo như trong mẫu thật Gọi B là số đếm phông nền,

còn số đếm tổng của mẫu thật cần đo là C = N + B, với N là số đếm thuần của

lượng phóng xạ cần khảo sát, thì số đếm N = C - B Trong trường hợp mẫu thật có

hoạt độ phóng xạ rất thấp thì số đếm tổng C của mẫu cần đo không lớn hơn hẳn số

đếm phông B, tức là Ngần bằng 0 Khi đó cần phải xác định giới hạn của hiệu số

C-B bằng bao nhiêu với độ tin cậy cho trước thì N được coi hay không được coi là số

đếm phóng xạ Giới hạn đó gọi là giới hạn tới hạn LC Giới hạn tới hạn LC có liên

quan đến việc có khẳng định được rằng mẫu khảo sát thực sự có phóng xạ sau khi

hoàn thành phép đo hay không Quyết định đó có thể phạm phải hai sai lầm, sai lầm

loại 1 khi nói mẫu khảo sát là có phóng xạ trong khi thực tế không đo được lượng

phóng xạ đó Sai lầm loại hai khi nói rằng mẫu khảo sát không có phóng xạ trong

khi trong thực tế đo được có lượng phóng xạ đó