LUẬN VĂN THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG

LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH LUẬN văn THIẾT kế CHƯƠNG TRÌNH xử lý PHỔ GAMMA tự ĐỘNG TRỊNH QUANG VINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS MAI VĂN NHƠN

Tp Hồ Chí Minh – Năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay tác giả xin chân thành cảm ơn cha

mẹ, gia đình, thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến:

Thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình tìm hiểu và thực hiện luận văn, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa luận văn cho tôi

TS Trương Thị Hồng Loan là người đầu tiên đã gợi ý, cung cấp ý tưởng thực hiện cho tôi về sự cần thiết nghiên cứu cho luận văn này Cô đã tận tình chỉ bảo, đóng góp ý kiến cũng như những lời khuyên giúp tôi có thể định hướng, bổ sung và sửa chữa kịp thời cho tôi Cô cũng là người đồng hành những lúc tôi gặp khó khăn

TS Huỳnh Trúc Phương, TS Trần Thiện Thanh, ThS Nguyễn Thị Cẩm Thu và ThS Đặng Nguyên Phương đã truyền đạt những kinh nghiệm quý báu nhiệt tình giúp đỡ, động viên, cung cấp các tài liệu và đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt luận văn này

Các đơn vị có đào tạo và nghiên cứu lĩnh vực Vật lý Hạt nhân đã hỗ trợ cung cấp thông tin phục vụ về tình hình sử dụng phần mềm xử lý phổ gamma tại đơn vị

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô đã giảng dạy trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm chúng tôi trong suốt quá trình học tập

Xin được phép gửi lời biết ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp những ý kiến quý báu cho luận văn

khóa học và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh tôi đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt khóa học

Trịnh Quang Vinh

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC C C ẢN vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – SƠ LƯỢC VỀ PHỔ GAMMA 4

1.1 Bức xạ gamma và sự ghi nhận bức xạ gamma 4

1.1.1 Khái quát về bức xạ gamma 4

1.1.2 Các tương tác ảnh hưởng đến sự hình thành phổ gamma 5

1.1.2.1 Hiệu ứng quang điện 5

1.1.2.2 Tán xạ Compton 7

1.1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 8

1.1.3 Nguyên lý ghi nhận 9

1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ 10

1.2.1 Tổng quan 10

1.2.1.1 Phát hiện và ghi nhận số liệu 10

1.2.1.2 Phần lưu trữ dữ liệu 11

1.2.1.3 Hệ điều khiển 11

1.2.1.4 Một vài hệ thống điển hình 11

1.2.2 Các thiết bị trong hệ đo bức xạ 12

1.2.2.1 Detector 12

1.2.2.2 Hệ thống điện tử 13

1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ 14

1.3.1 Hình dạng phổ bức xạ 14

1.3.2 Dạng phông 16

1.3.3 Dạng đỉnh quang điện 17

Chương 2 – HỆ PHỔ KẾ GAMMA – PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ PHỔ 19

2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp 19

2.1.1 Đầu dò 19

2.1.2 Buồng chì 21

2.1.3 Nguồn chuẩn 21

2.1.3.1 Các nguồn chuẩn dạng tr 22Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133 Ba, 137Cs 21

2.1.3.2 Nguồn chuẩn dạng Marinelli 152Eu 23

2.1.3.3 Mẫu chuẩn RGU1, RGTh1 dạng Marinelli 24

2.1.3.4 Mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli 25

2.2 Phân tích kích hoạt neutron 26

2.2.1 Giới thiệu 26

2.2.2 Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt 26

2.2.3 Hệ thống phân tích kích hoạt neutron 27

2.2.3.1 Nguồn neutron Am – Be 27

2.2.3.2 Hệ thống chuyển mẫu tự động 28

2.2.4 Thiết bị và vật liệu 29

2.2.5 Chuẩn bị mẫu 30

2.3 Quá trình xử lý phổ 30

2.4 Các bước tiến hành 32

2.4.1 Chuẩn hóa năng lượng và bề rộng đỉnh 32

2.4.1.1 Chuẩn năng lượng 32

2.4.1.2 Chuẩn bề rộng đỉnh 33

2.4.2 Chuẩn hiệu suất 34

2.4.2.1 Xác định đường cong hiệu suất kép 34

2.4.2.2 Xác định đường cong hiệu suất tuyến tính 37

2.4.2.3 Xác định đường cong hiệu suất theo kinh nghiệm 39

2.4.2.4 Mô phỏng hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò 41

2.4.3 Làm trơn phổ bằng bộ lọc Sacitzky – Golay 5, 7, 9, 11, 13, 15 điểm

42

2.4.4 Dò tìm đỉnh tự động 44

2.4.4.1 Phương pháp tìm cực đại 46

2.4.4.2 Phương pháp vi phân bậc nhất cải tiến 46

2.4.4.3 Phương pháp vi phân bậc hai 47

2.4.4.4 Phương pháp hàm tương quan chéo 47

2.4.5 Các phương pháp tính diện tích đỉnh 48

2.4.5.1 Phương pháp diện tích đỉnh toàn phần 48

2.4.5.2 Phương pháp Wasson 48

2.4.5.3 Phương pháp Cowell 49

2.4.5.4 Phương pháp Sterlinski 49

2.4.5.5 Phương pháp Quittner 50

2.4.5.6 Tính diện tích dựa vào hàm khớp 51

2.4.6 Nguồn gốc phóng xạ môi trường 51

2.4.7 Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy 52

2.4.8 Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo 53

2.4.9 Phân tích mẫu môi trường 54

2.4.10 Các phương pháp tính hoạt độ mẫu môi trường 57

2.4.10.1 Phương pháp tuyệt đối 57

2.4.10.2 Phương pháp tương đối 58

2.4.11 Xác định hàm lượng nguyên tố bằng phương pháp k0 – INAA 58

Chương 3 – CHƯƠN TRÌNH XỬ LÝ PHỔ TỰ ĐỘNG 63

3.1 Giới thiệu 63

3.2 Các thành phần của chương trình 66

3.2.1 Sơ đồ khối chính 66

3.2.2 Module đọc và hiển thị phổ 67

3.2.3 Gói làm trơn phổ 69

3.2.4 Gói trừ phông 69

3.2.5 Gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh 71

3.2.6 Module can thiệp đồ thị 73

3.2.7 Gói tìm đỉnh phổ tự động 73

3.2.8 Gói tính toán diện tích đỉnh và các gói nhận diện đồng vị phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ, module tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường; module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường 75

3.2.8.1 Gói tính toán diện tích đỉnh 77

3.2.8.2 Gói nhận diện đồng vị phóng xạ 77

3.2.8.3 Gói xác định hoạt độ nguồn 78

3.2.8.4 Module tra cứu thư viện đồng vị 80

3.2.8.5 Gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron 81 3.2.8.6 Gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron 81

3.2.8.7 Module tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron 82

3.2.8.8 Gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường 83

3.2.8.9 Module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường 83

Chương 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84

4.1 Tính diện tích đỉnh, tìm đỉnh phổ tự động, nhận diện đồng vị phóng xạ xác định hoạt độ phóng xạ 84

4.1.1 Tính diện tích đỉnh, tìm đỉnh phổ tự động và nhận diện đồng vị phóng xạ 84

4.1.2 Xác định hoạt độ phóng xạ 86

4.2 Tìm đỉnh phổ tự động, định tính và xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron 87

4.3 Tìm đỉnh phổ tự động và xác định hoạt độ phóng xạ môi trường 88

KẾT LUẬN 89

NHỮN ĐIỂM MỚI TRONG LUẬN VĂN 92

KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94

DANH MỤC CÔN TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 103

ANH MỤC C C ẢN

Trang

Bảng 2 1 Các đặc trưng nguồn chuẩn tr 22Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs

22

Bảng 2.2 Thông tin về hoạt độ phóng xạ của các mẫu RGU1, RGTh1 24

Bảng 2.3 Thông tin về khối lượng, mật độ các mẫu RGU1, RGTh1 24

Bảng 2.4 Thông tin về hoạt độ phóng xạ có trong mẫu chuẩn IAEA- 375 25

Bảng 2.5 Khối lượng mẫu chiếu 30

Bảng 2.6 Hằng số Kn,m và ck,n,m [4] 43

Bảng 2.7 Các giá trị n,m [4] 44

Bảng 2.8 Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy 53

Bảng 2.9 Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên 54

Bảng 2 10 Các tia gamma thường được dùng trong phân tích mẫu môi trường [54] 55

Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của đầu dò HPGe-GC2018 được cung cấp bởi nhà sản xuất [11] 80

ANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 6

Hình 1.2 Tán xạ Compton 7

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp 9

Hình 1.4 Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu 10

Hình 1.5 Hệ thống đếm trùng phùng 12

Hình 1 6 Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma 16

Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe 2018 19

Hình 2.2 Cấu trúc đầu dò GC2018 20

Hình 2.3 Mặt cắt dọc hệ đầu dò – buồng chì 21

Hình 2.4 Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của các nguồn chuẩn dạng tr 22

Hình 2.5 Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của nguồn chuẩn dạng Marinelli 23

Hình 2.6 Vỏ plastic mẫu chuẩn RGU1, RGTh1 dạng Marinelli 24

Hình 2.7 Cấu trúc hình học mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli 25

Hình 2 8 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron 27

Hình 2 9 Cấu hình nguồn neutron Am – Be 28

Hình 2 10 Hệ thống chuyển mẫu tự động 28

Hình 2 11 Sơ đồ phân rã Kali (40 K) 52

Hình 3.1 Giao diện chính của chương trình VGSpec 65

Hình 3 2 Sơ đồ khối của chương trình Xử lý phổ gamma tự động VGSpec 67

Hình 3 3 Sơ đồ khối của module đọc và hiển thị phổ của chương trình VGSpec 68

Hình 3.4 Giao diện Đọc và hiển thị phổ của chương trình VGSpec 68

Hình 3 5 Sơ đồ khối của gói làm trơn phổ 69

Hình 3.6 Giao diện Phổ trước khi làm trơn a và phổ sau khi làm trơn b của

chương trình VGSpec 69

Hình 3 7 Sơ đồ khối của gói trừ phông của chương trình VGSpec 70

Hình 3.8 Giao diện Trừ phông của chương trình VGSpec 70

Hình 3.9 Giao diện Chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh của chương trình VGSpec71 Hình 3 10 Sơ đồ khối của gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh của chương trình VGSpec 72

Hình 3.11 Sơ đồ khối của module can thiệp đồ thị của chương trình VGSpec 73

Hình 3.12 Giao diện Can thiệp đồ thị của chương trình VGSpec 73

Hình 3 13 Sơ đồ khối của gói tìm đỉnh phổ tự động của chương trình VGSpec 74

Hình 3.14 Giao diện Tìm đỉnh phổ tự động của chương trình VGSpec đối với 7 nguồn 22Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs được đo c ng lúc tại sát bề mặt đầu d 75

Hình 3 15 Sơ đồ khối của gói tính toán diện tích đỉnh và các gói nhận diện đồng vị phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ, module tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường; module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường của chương trình VGSpec 76

Hình 3.16 Giao diện tích toán diện tích đỉnh 133Ba (267,3 keV) của chương trình VGSpec đối với 7 nguồn 22Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs được đo c ng lúc tại sát bề mặt đầu d 77

Hình 3.17 Giao diện Nhận diện đồng vị phóng xạ 137Cs (661,7 keV) của chương trình VGSpec đối với 7 nguồn 22 Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs được đo c ng lúc tại sát bề mặt đầu d 78

Hình 3.18 Giao diện Xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ 60Co (1173,2 keV) của chương trình VGSpec đối với 7 nguồn 22 Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs được đo c ng lúc tại sát bề mặt đầu d 79

Hình 3.19 Giao diện mô phỏng hiệu suất của đầu dò bằng phương pháp Monte Carlo kết nối trong chương trình VGSpec 80Hình 3.20 Giao diện Tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ của chương trình VGSpec 81Hình 3.21 Giao diện Xác định hàm lượng nguyên tố 115In trong mẫu phân tích kích hoạt neutron của chương trình VGSpec 82Hình 3.22 Giao diện Tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron của chương trình VGSpec 83

MỞ ĐẦU

Trong quy trình phân tích đồng vị phóng xạ dựa trên việc đo phổ gamma, vấn đề xử lý và tính toán các thông số của các đỉnh Gamma xuất hiện trong phổ có vai trò rất quan trọng, quyết định thành công của cả một quy trình Các thao tác xử

lý phổ hiện nay phần lớn đều dựa vào các phần mềm chuyên d ng chẳng hạn như các Genie 2000, GammaVision, Ganaas, Sampo, Hypermet, Các phần mềm này dựa trên nhiều thuật toán khác nhau và đều có những ưu khuyết điểm riêng Ðặc biệt trong việc xử lý phổ của các mẫu có hoạt độ thấp như mẫu môi trường thì có sự sai biệt khá lớn giữa các kết quả tính toán của những phần mềm này; hoặc thậm chí

là giữa các phương thức tính toán khác nhau trong cùng một phần mềm (như trường hợp của Genie 2000)

Ðể thúc đẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA trong những năm qua đã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần mềm xử lý phổ, trong đó về lĩnh vực xử lý phổ gamma có hai chương trình kiểm tra: IAEA Gamma-ray Test Spectra (1995) và IAEA Gamma-ray Test Spectra for Low-Level Spectrometry (2002) M c đích chính là nhằm kiểm tra khả năng của các phần mềm

xử lý phổ trong việc tìm kiếm đỉnh phổ tự động, tính diện tích đỉnh độc lập với tỉ lệ đỉnh/phông nền Do vậy, vấn đề tìm kiếm một chương trình xử lý phổ toàn diện vẫn đang là m c tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Hiện tại, hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia

Tp Hồ Chí Minh ph thuộc quá lớn vào chương trình xử lý phổ đang được sử d ng duy nhất hiện nay là Genie 2000 (phần mềm kèm theo hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe của hãng Canberra) Phiên bản phần mềm Genie 2000 tại Bộ môn mắc phải một số khuyết điểm như: thư viện đồng vị phóng xạ đã cũ, kết quả tính diện tích đỉnh không đúng trong trường hợp chồng chập phổ, không định tính nguyên tố và xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron, Đối với

người làm thực nghiệm thì việc đánh giá hoạt độ phóng xạ của mẫu là vô cùng cần thiết

Các phần mềm tính toán hoạt độ phóng xạ gần đây chỉ kế thừa từ kết quả tính diện tích đỉnh từ phần mềm Genie 2000 tại Bộ môn chứ chưa hoàn toàn tự động hóa từ quá trình phân tích, xử lý phổ đến các quá trình nhận diện đồng vị phóng xạ, đánh giá hoạt độ nguồn Vì vậy, vấn đề xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động vẫn đang là m c tiêu nghiên cứu của nhiều tác giả

M c đích chính của luận văn là xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma

tự động cho phân tích hoạt độ môi trường và xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron bao gồm module đọc và hiển thị phổ; gói làm trơn phổ; gói trừ phông; gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh; module can thiệp đồ thị; gói tìm kiếm đỉnh phổ tự động; gói tính toán diện tích đỉnh; gói nhận diện các đồng

vị phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ, tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron, tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường Sau đó thực nghiệm đo mẫu phóng xạ chuẩn bằng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe so sánh với kết quả từ chương trình

xử lý phổ gamma tự động

Với m c đích nêu trên, luận văn bao gồm các nội dung như sau:

– Chương 1: Kết quả khảo sát các đơn vị đào tạo và nghiên cứu lĩnh vực Vật lý Hạt nhân về tình hình sử d ng phần mềm xử lý phổ gamma ở Việt Nam; Sơ lược về phổ gamma và sự hình thành phổ gamma, các hệ thống thiết bị thường được d ng để ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu trong hệ phổ kế gamma Ðồng thời một số đặc trưng quan trọng của phổ gamma chẳng hạn như dạng của đỉnh, phông nền cũng như các đỉnh đặc trưng của phổ gamma cũng được nêu trong chương này

– Chương 2: Giới thiệu về hệ phổ kế gamma, phương pháp phân tích kích hoạt neutron và các quá trình xử lý phổ Quá trình và phương pháp xử lý phổ tự

động bao gồm các bước: chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh, các thuật toán làm trơn, tìm đỉnh tự động, tính toán làm khớp các thông số và tính toán diện tích của đỉnh, xác định hoạt độ phóng xạ, xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron INAA sử d ng hệ

số k0

– Chương 3: Xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động bao gồm các module đọc và hiển thị phổ; gói làm trơn phổ; gói trừ phông; gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh; module can thiệp đồ thị; gói tìm kiếm đỉnh phổ

tự động; gói tính toán diện tích đỉnh; gói nhận diện đồng vị phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ; module tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường; module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường Các sơ đồ khối, đặc điểm và cách thức hoạt động của các module xử lý trong chương trình cũng được nêu ra c thể

– Chương 4: Một số kết quả tính toán từ chương trình đối với các nguồn chuẩn

tr (22Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs), nguồn chuẩn Marinelli (152Eu); các mẫu môi trường chuẩn Marinelli RGU1, RGTh1, Soil IAEA-375

và các nguyên tố phân tích kích hoạt neutron (197Au, 115In, 55Mn, 98Mo, 81Br) Các mẫu được đo từ detector HPGe tại Bộ môn, các kết quả tính toán diện tích đỉnh, tìm kiếm đỉnh phổ tự động và nhận diện đồng vị phóng xạ được so sánh với kết quả thu được từ Genie 2000 để kiểm định tính đúng đắn của chương trình Ðồng thời đánh giá hoạt độ phóng xạ; định tính nguyên tố trong mẫu, xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron INAA sử d ng hệ số k0; xác định hoạt độ phóng xạ môi trường bằng chương trình đối với các mẫu chuẩn này

Chương 1 – SƠ LƯỢC VỀ PHỔ AMMA

1.1 Bức xạ gamma và sự ghi nhận bức xạ gamma

1.1.1 Khái quát về bức xạ gamma

Khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, hoặc trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra 1 lượng tử có năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nó dịch chuyển và có dạng phổ vạch Đó chính là bức xạ gamma, có bản chất của sóng điện

từ với bước sóng nhỏ hơn 10-8 cm Tia gamma không bị lệch trong điện trường và

từ trường, có khả năng đâm xuyên rất lớn, gây nguy hiểm cho con người [42]

Bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình hấp th và tán xạ Năng lượng của tia gamma sẽ giảm dần theo quy luật hàm mũ:

m t o

Trong đó:

I là cường độ chùm tia gamma sau khi qua vật chất;

Io là cường độ ch m tia gamma ban đầu;

μm là hệ số suy giảm khối (cm2/g);

ρ là mật độ khối vật chất (g/cm3

);

t là bề dày của khối vật chất (cm)

Quá trình hấp th là quá trình mà tia gamma truyền toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất, làm cho chúng chuyển động và tia gamma biến mất

Quá trình tán xạ là quá trình tia gamma truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất Tia gamma sẽ giảm năng lượng đồng thời phương chuyển động cũng thay đổi

Để ghi nhận sự tương tác của bức xạ gamma với vật chất, người ta dựa vào các hiệu ứng cơ bản mà tia gamma gây ra trong môi trường vật chất:

– Hiệu ứng quang điện

xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp là tham gia chủ yếu vào việc tạo thành tín hiệu xung trong detector Ngoài ra, hiệu ứng bremsstrahlung của các electron cũng đóng góp vào sự hình thành phông nền của phổ gamma [44]

1.1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Là quá trình tương tác mà năng lượng bức xạ tới bị electron hấp th hoàn toàn và bứt ra khỏi nguyên tử Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức

xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự do

Tiết diện của hiệu ứng quang điện qd 1

E

 

Khi năng lượng bức xạ E tiến dần đến năng lượng liên kết Elk thì tiết diện

quang điện tăng theo tỉ lệ qd 17

E

Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra với các electron ở lớp K Tiết diện của

nó ph thuộc chủ yếu vào năng lượng bức xạ và điện tích hạt nhân môi trường

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện

Với năng lượng liên kết nhỏ (cỡ eV) và E> Elk:

 

7 2

Tỉ số tiết diện của hiệu ứng quang điện ở các tầng khác nhau

 

 qdqd KL

15

Hiệu ứng quang điện là cơ chế hấp th bức xạ chủ yếu trong vật chất nặng [44]

2 2

m c

 là bán kính cổ điển của electron;

2 0

Là quá trình tương tác trong đó bức xạ biến mất trong trường hạt nhân sinh

ra một cặp electron và positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp positron này và nhân giật l i Quá trình tương tác xảy ra chủ yếu với bức xạ có E ≥ 1,022 MeV

electron-Các electron và positron sinh ra trong trường điện từ của hạt nhân nên dưới tác động của lực Coulomb:

– Positron bay ra khỏi và electron bị hãm lại Do đó, phổ năng lượng đo được khác nhau với hai loại bức xạ này Sự khác biệt càng lớn khi Z của môi trường lớn

– Năng lượng giật lùi của hạt nhân là đáng kể trong trường hợp hai hạt bay ra vuông góc với bức xạ tới và ngược chiều nhau

Xác suất của hiệu ứng tạo cặp thay đổi xấp xỉ tỉ lệ với Z2 và tăng đối với các nguyên tố có Z cao chẳng hạn như chì hay uranium Trong chì, xấp xỉ 20% số tương

tác là của tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp, và tỉ lệ là 50% đối với tia gamma

có năng lượng 2 MeV Đối với cacbon thì các tỉ lệ tương ứng là 2% và 4% [44]

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Trong khoảng năng lượng cao, do tiết diện của hiệu ứng quang điện và Compton giảm đến 0, vì vậy hiệu ứng tạo cặp trở thành cơ chế hấp th năng lượng chủ yếu

1.1.3 Nguyên lý ghi nhận

Việc ghi nhận bức xạ hạt nhân thông qua những tương tác của bức xạ với vật chất Năng lượng trao đổi (mất mát) của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ được biến đổi thành một dạng năng lượng khác phù hợp với quá trình ghi nhận Thông thường, năng lượng mất mát của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ được chuyển thành các xung điện Các xung này mang những thông tin đặc trưng về bức xạ và được xử lý thông qua các thiết bị điện tử của hệ thống ghi nhận Cuối cùng các xung này được biểu diễn dưới dạng số đếm hoặc các phổ bức xạ tùy vào thiết bị lưu trữ hay m c đích ban đầu của thí nghiệm

1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ

1.2.1 Tổng quan

Hình 1.4 Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu

Một hệ thống ghi nhận bức xạ có thể chia làm ba phần cơ bản, và tùy thuộc vào yêu cầu và m c đích của việc ghi nhận mà mỗi hệ sẽ có mức độ đơn giản hay phức tạp khác nhau

– Phát hiện bức xạ và chọn lựa số liệu

– Lưu trữ số liệu

– Điều khiển

1.2.1.1 Phát hiện và ghi nhận số liệu

Phần này bao gồm detector là nơi bức xạ tương tác với môi trường vật chất của detector qua đó chuyển hóa năng lượng tiêu hao của bức xạ thành các xung điện Các xung điện này mang những thông tin về bức xạ ghi nhận như cường độ, năng lượng cũng như loại bức xạ Sau đó, các xung điện này được chuyển qua bộ khuếch đại để làm tăng biên độ xung Tiếp đến, bộ phận phân tách có nhiệm v loại

bỏ các xung không phù hợp với m c đích ghi nhận, các xung có biên độ nhỏ hơn một giá trị ngưỡng đặt trước Ngoài ra, với m c đích đặc biệt, phần ghi nhận còn có

bộ trùng phùng hoặc đối tr ng ph ng để xem xét các xung điện xuất hiện đồng thời hay không đồng thời từ hai hay nhiều kênh đo

1.2.1.2 Phần lưu trữ dữ liệu

Phần tiếp theo của hệ ghi nhận bức xạ là một hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử có tác d ng lưu trữ các thông số về bức xạ được ghi nhận thông qua phần phát hiện và ghi nhận Tùy thuộc vào m c đích thực nghiệm cũng như thiết kế hệ đo

mà phần này có thể là một máy đếm, máy đo tốc độ đếm hoặc thiết bị phân tích xung hay là một hệ thống các thiết bị trên Nếu phần này là một máy phân tích độ cao xung thì chức năng của nó nối tiếp ngay sau bộ phân thứ nhất vì máy phân tích

có thể phân chia các xung theo biên độ vào các phần khác nhau của bộ phân lưu trữ

dữ liệu trong chính nó

1.2.1.3 Hệ điều khiển

Tầng cuối cùng trong một hệ ghi nhận có chức năng điều khiển toàn bộ thiết

bị và ghi nhận, biểu diễn số liệu Việc biểu diễn số liệu có thể thông qua các thiết bị

vẽ đồ thị, các màn hình biểu diễn hay suất ra dưới dạng băng từ, file số liệu Hiện nay, thành phần này có thể tích hợp vào một máy vi tính cá nhân

1.2.1.4 Một vài hệ thống điển hình

Hệ thống đếm xung: Đây là một trong những hệ thống đơn giản với m c đích chủ yếu là thống kê số lượng bức xạ được phát ra ở một giới hạn năng lượng đặt trước

Hệ đo tr ng ph ng: Là hệ thống tương đối phức tạp, có thể đếm số xung trùng phùng ở lối ra từ hai detector đồng thời tiến hành lấy phổ biên độ một cách độc lập

Hệ thống đo phổ bức xạ: đây là hệ phổ kế được sử d ng để đo năng lượng của bức xạ Detector và khuếch đại sẽ được chọn sao cho biên độ tín hiệu xung ra

có quan hệ tuyến tính với năng lượng bức xạ Xung ra sẽ được xử lý thông qua một máy phân tích độ cao xung đơn kênh hoặc đa kênh rồi qua máy đếm Hệ thiết bị được kiểm soát tốc độ đếm một cách liên t c nhờ máy đo tốc độ đếm

Hình 1.5 Hệ thống đếm trùng phùng 1.2.2 Các thiết bị trong hệ đo bức xạ

1.2.2.1 Detector

Detector là thành phần chính của một hệ ghi nhận bức xạ Chức năng chính của chúng là phát hiện và chuyển đổi năng lượng của các bức xạ Khi bức xạ đi vào detector, nó sẽ tương tác với môi trường vật chất của detector và mất toàn bộ hay một phần năng lượng của nó cho detector Năng lượng hao h t này sẽ được chuyển đổi thành xung điện ở lối ra

Một vài loại detector thường dùng là:

– Detector nhấp nháy (NaI, Plastic )

– Detector bán dẫn (HPGe, Si(Li) .)

– Detectorchứa khí (buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, detector Geiger Muller) – Ống đếm Cerenkov

1.2.2.2 Hệ thống điện tử

Một hệ thống điện tử ph c v cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều thành phần Chúng thường được chia thành các khối (Module) khác nhau, mỗi khối thực hiện một công việc c thể Các khối chủ yếu của hệ ghi nhận bức xạ:

– Khối cao thế: cung cấp điện áp cho detector hoạt động

– Khối tiền khuếch đại: tạo ra kết nối tối ưu giữa lối ra của detector và các khối điện tử phía sau của hệ phổ kế, loại bỏ ảnh hưởng của các xung nhiễu

– Khối khuếch đại: chức năng chính là khuếch đại biên độ của xung Nó có thể khuếch đại biên độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn Một chức năng quan trọng nữa của khối khuếch đại là biến đổi dạng xung của khối tiền khuếch đại thành dạng phù hợp với m c đích của thực nghiệm Đa số khối khuếch đại cho ra hai dạng xung: xung đơn cực và xung đa cực

– Khối phân biệt biên độ hay khối phân tích đơn kênh: nhiệm v chính của khối này là loại bỏ nhiễu hay loại bỏ các xung không mong muốn Thường khối này có hai chế độ làm việc: là phân biệt chế độ xung và phân tích đơn kênh

– Bộ đếm: bộ đếm d ng để đếm số xung xuất hiện ở lối ra của khối phân tích đơn kênh phân biệt biên độ xung) Cứ mỗi lần xuất hiện xung đến bộ đếm thì số đến sẽ tăng một đơn vị Khi thời gian đo kết thúc, bộ đếm sẽ hiển thị tổng số đếm

– Khối thời gian: được nối với khối đếm chức năng chính của khối này là điều khiển hoạt động của khối đếm

– Khối phân tích đa kênh: chức năng chính của khối này là số hóa biên độ của xung Khối này c n được gọi là khối biến đổi tương tự – số ADC (Analog to

Digital Converter) Kết quả làm việc của ADC là một con số mà độ lớn của

nó tỉ lệ với biên độ của xung vào Độ phân giải của ADC là độ lớn của nó và còn gọi là số kênh và thường có các giá trị là: 256, 512, 1024, 2048, 4096,

8192 Các khối phân tích đa kênh hiện đại thường được lắp đặt trong các máy vi tính dưới dạng các card tích hợp và có nhiều chức năng quan trọng cho người sử d ng, đặc biệt là các chức năng phân tích phổ

đó trong detector như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hay hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng quang điện sinh ra một xung điện tương ứng với năng lượng toàn phần của bức xạ nếu các điều kiện sau được đảm bảo:

– Các tia X thứ cấp phải được hấp th hoàn toàn trong detector

– Các electron quang điện phải mất hết năng lượng trong detector

– Các hiệu ứng ph đóng vai tr không đáng kể trong việc hình thành xung Đối với tán xạ Compton, nếu các electron Compton bị mất hết năng lượng

trong detector thì nó tạo ra một phân bố năng lượng liên t c từ 0 đến 2

0

E

m c1

E



,

với E là năng lượng bức xạ tới và m0c2 là năng lượng nghỉ của electron Những bức

xạ bị tán xạ, có năng lượng nằm trong khoảng 2

0

E

m c1

– Nếu nó bị hấp th hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện, xung tổng cộng sẽ được tính vào đỉnh hấp th toàn phần

– Nếu nó tiếp t c gây ra tán xạ Compton và bức xạ sau đó thoát ra khỏi detector thì xung sẽ được tính vào phần phổ liên t c bên dưới đỉnh

Khi năng lượng bức xạ tới lớn hơn 1,022 MeV thì lúc đó hiệu ứng tạo cặp bắt đầu đóng góp vào phổ bức xạ

– Nếu động năng của cặp electron-positron bị hấp th hoàn toàn và bức xạ phát

ra tự sự hủy positron thoát ra khỏi detector thì nó sẽ tạo thành đỉnh thoát đôi tại năng lượng E – 2m0c2 trong phổ

– Nếu chỉ một thành phần bức xạ của sự hủy positron thoát ra khỏi detector thì

sẽ tạo thành đỉnh thoát đơn tại mức năng lượng E – m0c2

– Nếu cả hai tia bức xạ hủy positron đều bị hấp th thì xung tổng cộng sẽ đóng góp vào đỉnh quang điện hoặc phần phổ nằm trong khoảng năng lượng từ E – 2m0c2 đến E – m0c2

Các tương tác trên hình thành trên phổ bức xạ các đỉnh đặc trưng Có hai nhân tố đóng góp vào phổ gamma quan sát được làm khác biệt so với phổ lý thuyết, một là sự nở rộng tự nhiên của năng lượng photon và hai là khả năng ghi nhận của

hệ đo Tuỳ theo cách bố trí những vật liệu che chắn trong hệ đo ví d như loại vật liệu che chắn, hệ chuẩn trực cho tia, khay đựng nguồn,… trong phổ sẽ xuất hiện những đỉnh đặc trưng Những đỉnh này được tạo thành do các bức xạ tán xạ từ vật liệu xung quanh đi vào detector

Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma bao gồm:

– Đỉnh quang điện: Đỉnh hình thành do quá trình hấp th toàn phần năng lượng gamma tới

– Đỉnh tán xạ nền: các bức xạ mà ta muốn ghi nhận có thể thoát khỏi detector

và tán xạ lên các vật liệu bên ngoài như tán xạ với thành chì che chắn, tán xạ

với thành ống chuẩn trực, tán xạ với các chất hấp thu, tán xạ với giá đỡ của nguồn, hộp chứa tinh thể, cửa sổ nhân quang điện Và nó đóng góp trong phổ bức xạ một đỉnh gọi là đỉnh tán xạ nền

Hình 1.6 Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma

– Đỉnh tia X đặc trưng: tia gamma từ nguồn có thể thoát ra từ detector đến tương tác với vật liệu che chắn chung quanh thường dùng chì) bởi hiệu ứng quang điện Kết quả là trên phổ nhấp nháy ở v ng năng lượng thấp xuất hiện một đỉnh tia X đặc trưng cho vật liệu mà nó tương tác thí d E = 72 keV với chì

– Sự đóng góp do bức xạ hủy: đây chính là trường hợp nguồn có phát tia β+

Tia β+ từ nguồn có thể bị hủy trong các vật liệu che chắn khi đo phổ Khi đó

từ vật liệu này sẽ phát ra các photon hủy có năng lượng 0,511MeV Các photon này có thể đi vào detector và tạo ra xung đóng góp vào phổ của nguồn Nếu phần trăm trong mỗi phân rã cao thì sự đóng góp do hủy có thể đáng kể Tuy nhiên có thể hạn chế sự đóng góp này khi bố trí thí nghiệm hợp

lý Ngoài quá trình hủy do nguồn phát ra, sự đóng góp photon hủy vào phổ c n do tia gamma có năng lượng cao đến tương tác với vật liệu che chắn

bên ngoài bởi hiệu ứng tạo cặp

– Đỉnh tán xạ ngược: Trong phổ gamma còn có thể xuất hiện một đỉnh trong vùng lân cận năng lượng 0,2 – 0,25 MeV do tia gamma từ nguồn tương tác với vật liệu xung quanh bởi hiệu ứng Compton, gọi là đỉnh tán xạ ngược (back scattering peak)

1.3.2 ạng phông

Khi phân tích một phổ bức xạ, hai điều thường được quan tâm chính là đỉnh quang điện và phông Thông thường chúng ta thường hay xác định phông theo những cách sau:

– Đo phổ phông không có nguồn bức xạ, hay còn gọi là phổ phông tự nhiên – Coi tất cả các thành phần tạo nên phổ ngoại trừ thành phần có năng lượng mà chúng ta quan tâm là phông Bao gồm phổ phông môi trường và phổ do các hiệu ứng không quan tâm như tán xạ Compton, tạo cặp đóng góp vào phổ

Có rất nhiều hàm d ng để mô tả các phông này Các hàm này thường bao gồm hai phần Phần thứ nhất là một đa thức bậc thấp cho những phân bố sinh ra do các bức xạ năng lượng cao, phần thứ hai mô tả sự tăng bậc về phía năng lượng cao của đỉnh quang điện Phần thứ nhất của hàm phông có thể là một hằng số hoặc một

đa thức bậc ba theo kênh

1.3.3 ạng đỉnh quang điện

Đỉnh quang điện, hay đỉnh năng lượng toàn phần trong trường hợp đơn giản

có thể được mô tả bởi một hàm Gauss cho bởi công thức sau

2 0

x0 là tâm đỉnh;

 là bề dày một nửa tại y0

e,

FWHM2,335

Chương 2 – HỆ PHỔ KẾ AMMA – PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT

NEUTRON VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ PHỔ

2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp

Hệ phổ kế gamma sử d ng trong luận văn này thuộc Phòng thí nghiệm chuyên đề 2, Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp HCM

Hệ gồm có các phần chính như sau: Đầu dò HPGe GC2018 với các thiết bị kèm theo gồm nguồn nuôi cao thế cho đầu d , tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, nguồn phóng xạ, buồng chì che chắn phông bao quanh đầu dò và nguồn Tuy nhiên khi mô hình hoá hệ phổ kế chúng tôi chỉ quan tâm đến cấu hình của đầu dò, nguồn và buồng chì che chắn

Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe 2018

2.1.1 Đầu dò

Đầu d đang sử d ng ký hiệu GC2018 Nó có hiệu suất danh định là 20% (giá trị chính xác là 22,4%) và độ phân giải năng lượng 1,8 keV (giá trị chính xác là 1,72 keV) tại năng lượng 1,33 MeV của 60Co [Ph l c 1]

Phần chính của đầu d GC2018 là tinh thể Ge siêu tinh khiết độ tạp chất vào khoảng 1010 nguyên tử cm3 gồm tinh thể Ge đường kính ngoài 52 mm, chiều cao 49,5 mm Bên trong tinh thể có một hốc hình tr 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 x 10-3 mm nối với điện cực âm Mặt trên

c ng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu bao gồm lớp trên được làm bằng kapton với bề dày 0,1 mm, lớp dưới làm bằng mylar được kim loại hóa với bề dày 0,85 x

10-3 mm [16]

Hình 2.2 Cấu trúc đầu dò GC2018

Hộp kín bằng nhôm có độ dày 2,7 mm (chỗ dày nhất , 0,76 mm chỗ mỏng nhất để đảm bảo tránh được sự hấp th 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

2.1.2 uồng chì

Đầu d GC2018 được đặt trong buồng chì giảm phông từ môi trường Như ta

đã biết chì là loại vật liệu có cao chính điều này đã giúp nó hấp th tia gamma trong môi trường và làm giảm phông cho đầu dò

Tuy nhiên tương tác của tia gamma với chì cũng tạo ra các tia X có năng lượng trong khoảng 75 – 85 keV Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu d và làm cho phổ gamma bị nhiễu Để hạn chế điều này người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp Cu và Sn có bề dày tương ứng là 1,5 mm và 1,0 mm [16]

Hình 2.3 Mặt cắt dọc hệ đầu dò – buồng chì

2.1.3 Nguồn chuẩn

2.1.3.1 Các nguồn chuẩn dạng trụ 22 Na, 54 Mn, 57 Co, 60 Co, 109 Cd, 133 Ba, 137 Cs

Các nguồn có dạng tr nhỏ được mượn tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm Tp.HCM với đường kính 2 mm, chiều cao 2 mm, được phủ một lớp plastic dày 1 mm, có đường kính toàn phần 3 cm, chiều cao toàn phần 4 mm

Chu kỳ bán rã (ngày)

1 năm = 365,2422 ngày

Hoạt độ (Bq)

Ngày sản xuất

2.1.3.2 Nguồn chuẩn dạng Marinelli 152 Eu

Nguồn có dạng Marinelli xuất xưởng từ phòng thí nghiệm Isotope Products,

mã số EG-152, mã nguồn 1576-32 có 14 đỉnh năng lượng gamma với chu kỳ bán hủy T1/2 = 4933  11 ngày, có hoạt độ 37,89 kBq (1,024 Ci), sản xuất ngày

01 3 2012 được trang bị cho BM VLHN với đường kính ngoài R = 12 cm, đường kính trong r = 8,8 cm, chiều cao H = 9 cm, chiều cao trong h = 7,5 cm, khoảng cách

d = 0,5 cm, vỏ là một lớp plastic dày a1 = a2 = b = 2 mm, thành phần chất nền là epoxy, khối lượng riêng ρ = 1 g/cm3 [Ph l c 2]

Kích thước: mm

Hình 2.5 Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của nguồn chuẩn dạng Marinelli

2.1.3.3 Mẫu chuẩn R U1, R Th1 dạng Marinelli

Mẫu RGU1, RGTh1 có dạng Marinelli là các nguồn chuẩn đất chứa 238U,

232Th những đồng vị có mặt phổ biến trong các loại đất đá với đường kính ngoài R = 11,9 cm, đường kính trong r = 7,8 cm, chiều cao H = 8,25 cm, chiều cao trong h = 6,8 cm, khoảng cách d = 0 cm, vỏ là một lớp plastic dày a1 = a2 = b = 1,5 mm Thông tin về hoạt độ phóng xạ mẫu cho trong bảng 2.2 và khối lượng, mật độ mẫu trong bảng 2.3 được cung cấp bởi IAEA [16,51] như sau:

Bảng 2.2 Thông tin về hoạt độ phóng xạ của các mẫu RGU1, RGTh1

2.1.3.4 Mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli

Mẫu có dạng Marinelli là mẫu đất lấy tại một trang trại trong vùng Novozybkov, Brjansk, Liên bang Nga vào tháng 7 năm 1990 với đường kính ngoài

R = 11,9 cm, đường kính trong r = 7,8 cm, chiều cao H = 8,25 cm, chiều cao trong h

= 6,8 cm, khoảng cách d = 0 cm, vỏ là một lớp plastic dày a1 = a2 = b = 1,5 mm Trong các thí nghiệm được khảo sát mẫu có khối lượng 760 g, mật độ hiệu d ng của mẫu  = 1,503 g/cm3

Kích thước: mm

Hình 2.7 Cấu trúc hình học mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli

Thông tin về hoạt độ phóng xạ mẫu trong bảng 2.4 được cung cấp bởi IAEA [16]như sau:

Bảng 2.4 Thông tin về hoạt độ phóng xạ có trong mẫu chuẩn IAEA- 375

2.2 Phân tích kích hoạt neutron

2.2.1 iới thiệu

Phân tích kích hoạt neutron (NAA) là một phương pháp phân tích định tính

và định lượng có hiệu quả cao trong nhiều loại mẫu khác nhau như: địa chất, môi trường, khoáng sản, dầu khí, khảo cổ, v v…

Trong NAA, mẫu được kích hoạt bởi neutron và trong suốt quá trình chiếu

xạ mẫu với neutron, các đồng vị bền của các nguyên tố được chuyển thành những đồng vị phóng xạ qua phản ứng bắt neutron Sau đó hạt nhân phóng xạ theo những chu kì bán hủy khác nhau Khi neutron tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán

xạ không đàn hồi, một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra Hầu hết các hạt nhân hợp phần đều có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng bằng cách phát tia gamma tức thời đặc trưng Trong nhiều trường hợp, trạng thái cân bằng mới này lại tạo ra một hạt nhân phóng xạ phân rã bằng cách phát ra một hoặc nhiều tia gamma trễ đặc trưng, nhưng ở một tốc độ chậm hơn nhiều so với quá trình phát tia gamma tức thời ở trên Các tia gamma có thể được phát hiện bằng detector bán dẫn có độ phân giải năng lượng cao Trong phổ gamma, năng lượng của đỉnh xác định sự có mặt của nguyên tố có trong mẫu hay còn gọi là phép định tính, và diện tích của đỉnh cho phép ta định lượng nguyên tố đó

2.2.2 Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt

Sau khi kết thúc chiếu xạ mẫu các đồng vị bền của các nguyên tố trong mẫu được chuyển thành những đồng vị phóng xạ qua phản ứng bắt neutron; các đồng vị phóng xạ này được phân biệt dựa trên những tính chất bức xạ khác nhau hay dựa vào các hoạt tính phóng xạ đặc trưng của chúng như loại bức xạ, năng lượng bức

xạ, thời gian bán rã Đây là cơ sở cho việc nhận diện nguyên tố định tính) và xác định hàm lượng nguyên tố dựa trên việc đo lường cường độ của các bức xạ gamma phát ra từ các sản phẩm kích hoạt định lượng)

Quan trọng nhất trong NAA là phản ứng (n,): một hạt nhân X (hạt nhân bia) hấp th một neutron tạo ra một hạt nhân phóng xạ với cùng số nguyên tử nhưng

có khối lượng nguyên tử A tăng lên một đơn vị và phát tia gamma đặc trưng, quá trình này được biểu diễn bởi phản ứng:

Trong đó:

A là số khối nguyên tố bia;

Z là số hiệu nguyên tử của hạt nhân bia

Hình 2.8 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron

2.2.3 Hệ thống phân tích kích hoạt neutron

Hệ thống phân tích kích hoạt neutron tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật

lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp HCM bao gồm các thiết bị như sau: i nguồn neutron Am – Be; ii) hệ chuyển mẫu tự động; iii) hệ phổ kế gamma HPGe; iv) phần mềm phân tích phổ gamma

có được là do xung quanh nguồn có che phủ một lớp parafin dùng làm chậm neutron [34]

Hình 2.9 Cấu hình nguồn neutron Am – Be 2.2.3.2 Hệ thống chuyển mẫu tự động

Hình 2.10 Hệ thống chuyển mẫu tự động