NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

Khi chiếu với thời gian ngắn, ngoài các đồng vị sống ngắn được tối ưu thì còn chịu sự ảnh hưởng nền matrix phức tạp của các đồng vị sống dài có hàm lượng cao trong nhiều loại mẫu khác nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ QUỐC KHÁNH

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÂM ĐỒNG, 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ QUỐC KHÁNH - 1310538

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS HỒ VĂN DOANH

KHÓA 2013 – 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình của ThS Hồ Văn Doanh đã hướng dẫn thực hiện các nội dung công việc trong khóa luận và tận tình giúp đỡ trong quá trình xử lí

số liệu để đạt được kết quả như ngày hôm nay

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, đam mê trong học tập và nghiên cứu tại trường trong suốt nhiều năm qua

Và lời cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, tin tưởng, giúp tôi có nghị lực phấn đấu để hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn

Đỗ Quốc Khánh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn khoa học là ThS Hồ Văn Doanh đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Các số liệu và kết quả trong khóa luận này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong khóa luận này

Đà Lạt, tháng 12 năm 2017 Người cam đoan

Đỗ Quốc Khánh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) 2

1.2 Thời gian chết trong ghi đo bức xạ 3

1.2.1 Định nghĩa về thời gian chết 3

1.2.2 Các nguyên nhân gây ra thời gian chết 11

1.3 Phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết 12

1.3.1 Phương pháp Live Time Clock (LTC) 13

1.3.2 Phương pháp Zero Dead Time (ZDT) 18

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 23

2.1 Hệ phân tích kích hoạt lặp vòng tại lò phản ứng Đà Lạt 23

2.2 Tiến hành thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian chết 25

2.3 Áp dụng CNAA cho đối tượng mẫu có thời gian chết lớn 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Kết quả xử lí phổ bằng phần mềm GammaVision 35

3.2 Kết quả phân tích các đồng vị sống ngắn bằng CNAA có áp dụng các hiệu chỉnh thời gian chết 39

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết

CNAA Cycle Neutron Activation

ZDT Zero Dead Time Phương pháp thời gian chết

DSPEC

Pro

Digital Signal Processing based gamma-ray spectrometer

Hệ phổ kế gamma xử lý tín hiệu

bằng kỹ thuật số

NIST National Institute of

Standards and Technology

Viện tiêu chuẩn và công nghệ

quốc gia

HPGe High Purity Germanium

Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Độ chính xác của số liệu thống kê 16

Bảng 2 Mô tả chức năng của các bộ phận chính trong hệ PTS 24

Bảng 3 Thông số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu ở kênh 13-2/TC 26

Bảng 4 Số liệu thực nghiệm DT với lần thực nghiệm 35

Bảng 5 % mất số đếm của đỉnh năng lượng Am (59 keV) 36

Bảng 6 % mất số đếm của đỉnh năng lượng Au (411 keV) 37

Bảng 7 % mất số đếm ở đỉnh năng lượng Cs (661 keV) 38

Bảng 8 Kết quả phân tích các đồng vị sống ngắn bằng CNAA khi đo ở thời gian chết cao của mẫu Montana II Soil 2711a 40

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Mô tả nguyên lý kỹ thuật kích hoạt neutron lặp vòng 3

Hình 2 Mô hình thời gian chết đáp ứng liệt và không liệt 4

Hình 3 Tốc độ đếm thực đối với mô hình thời gian chết mở rộng 5

Hình 4 Xung thứ hai bắt đầu sau thời gian Trt + Tn 7

Hình 5 Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian Tθ 8

Hình 6 Sự chồng chập xảy ra trong thời gian Tθ (thời gian tăng của xung mũ) 9

Hình 7 Chồng chập đuôi và ảnh hưởng của nó lên chỗ phổ độ cao xung vi phân 10

Hình 8 Hai xung ở khoảng cách rất gần nhau tạo thành một xung bị méo 11

Hình 9 Sơ đồ khối trong hệ thống MCA 14

Hình 10 Histogram của hệ PTS đặt tại LPƯ hạt nhân Đà Lạt 23

Hình 11 Hình dạng và kích cỡ của container mang mẫu 26

Hình 12 Vị trí kênh 13-2/TC trong LPƯDL 27

Hình 13 Hệ phổ kế sử dụng detector GMX-4076-PL 28

Hình 14 Cabin 1 nơi nạp mẫu và lấy mẫu ra khỏi hệ 28

Hình 15 Giao diện của phần mềm NASC 29

Hình 16 Giao diện chính của phần mềm CNAA 30

Hình 17 Bảng thông số thời gian điều khiển qua các trạm trong hệ PTS 30

Hình 18 Thông số phổ quan tâm 31

Hình 19 Giao diện của chương trình đọc phổ GammaVision 31

Hình 20 File chứa phổ 32

Hình 21 Hình mô tả việc gọi file ROI.roi 33

Hình 22 Chế độ LTC đọc phổ 33

Hình 23 Chế độ ZDT đọc phổ 34

Hình 24 Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh Am 37

Hình 25 Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh năng lượng Au 38

Hình 26 Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh năng lượng Cs 39

LỜI MỞ ĐẦU

Trong phân tích kích hoạt neutron (NAA), hoạt độ của mẫu ngay khi kích hoạt ở các kênh chiếu ngắn (kênh 7-1 hoặc kênh 13-2) trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯDL) thường rất lớn Đối với NAA sử dụng các đồng vị sống ngắn, mẫu cần được đo ngay hoặc để rã trong một khoảng thời gian rất ngắn khoảng 1  2 chu

kỳ bán rã (T1/2) của đồng vị quan tâm Điều này dẫn đến thời gian chết (DT) của hệ

đo rất lớn, DT  10  15 khi đo để xác định nhóm các đồng vị như 28Al, 51Ti, 52V, 66

Cu, 49Ca và 27Mg (T1/2  2  10 phút) và DT  20  50 khi đo để xác định nhóm các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn hơn như 77mSe, 20F, 110Ag, 179mHf và 46mSc (T1/2

10  30 giây) Ngoài ra, khi áp dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA), mẫu được chiếu và đo lại nhiều lần để tích lũy số đếm, cũng đồng nghĩa với việc thời gian chết tăng lên theo số vòng lặp tăng dần

Như ta đã biết, khi đo phổ tia gamma với thời gian chết cao (DT > 10%) thì sai số số đếm của phép đo phổ rất lớn, đóng góp vào sai số của phép phân tích Vì vậy, hiệu chỉnh số đếm trong phép đo phổ gamma các đồng vị sống ngắn gần như bắt buộc hoặc hệ phổ kế gamma phải có chức năng tự hiệu chỉnh ảnh hưởng của thời gian chết trong quá trình đo mẫu

Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thời gian chết

và các kỹ thuật hiệu chỉnh thời gian chết trong phép đo phổ tia gamma, đặc biệt là

kỹ thuật ZDT (Zero Dead Time) của hệ phổ kế dùng cho CNAA trên LPƯDL

Bố cục của khóa luận được sắp xếp như sau:

Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp trong kĩ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vòng cũng như thời gian chết liên quan, đặc biệt là phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết bằng phương pháp ZDT và LTC

Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày nội dung thực nghiệm và xử lí số liệu để xác định thời gian chết của hệ thống tốc độ đếm cao

Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả tính toán và thảo luận

1.1 Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA)

Phân tích kích hoạt neutron lặp vòng (CNAA) là kỹ thuật phân tích mà mẫu được chiếu, rã, đo và sau đó lặp lại quá trình một cách tuần hoàn để cuối cùng thu được phổ tích lũy Trong CNAA thời gian thực hiện ngắn do đó tăng khả năng phân tích số lượng mẫu trong một thời gian nhất định, tiết kiệm chi phí Ít nhất có khoảng

20 nguyên tố có các đồng vị sống ngắn được xác định bởi CNAA Khi phân tích nguyên tố có các đồng vị sống dài như 75Se (120 ngày), 46Sc (84 ngày), 110mAg (250 ngày) và 181Hf (45 ngày), để đạt được độ nhạy mong muốn yêu cầu điều kiện chiếu thời gian chiếu, rã, đo dài từ vài giờ tới vài ngày do đó làm giảm khả năng cạnh tranh với các phương pháp khác Tại LPƯDL đã được trang bị và nâng cấp hệ chuyển mẫu khí nén nhanh kênh 13-2/TC phục vụ cho kỹ thuật CNAA cho việc phân tích các nguyên tố thông qua các đồng vị có thời gian bán rã ngắn [1] Hệ này cho phép thực hiện các phép chiếu ngắn từ vài giây đến vài chục giây, thời gian vận chuyển mẫu từ vị trí chiếu tới vị trí đo là 3.5 giây và đã được tự động hóa khi chiếu,

đo mẫu tự động

Trong CNAA cần phải lựa chọn điều kiện thực nghiệm tối ưu cho một nhóm nguyên tố nào đó bao gồm thời gian chiếu, rã, đo và số lần lặp thực nghiệm Khi chiếu với thời gian ngắn, ngoài các đồng vị sống ngắn được tối ưu thì còn chịu sự ảnh hưởng nền matrix phức tạp của các đồng vị sống dài có hàm lượng cao trong nhiều loại mẫu khác nhau và do hoạt độ ban đầu lớn gây nên thời gian chết cao (>20%) ảnh hưởng tới ghi nhận số đếm và sai số

Nguyên lý CNAA đã được miêu tả bởi Givens và Spyrou [1] Trong phương pháp này, mẫu được chiếu trong khoảng thời gian ngắn (ti), khoảng thời gian từ lúc ngừng chiếu và trước lúc đo (td) , mẫu được đo trong khoảng thời gian tc và lặp lại các quá trình trên sau khoảng thời gian (tw), cứ thế chúng được thực hiện một cách tuần hoàn, chu kỳ T là tổng thời gian của ti, td, tc, và tw Số đếm tổng của tia gamma

quan tâm được tích lũy sau m

của các hạt nhân sống ng

Hình 2 Mô t

1.2 Thời gian chết trong ghi đo b

1.2.1 Định nghĩa về thời gian ch

Việc đếm xung, trong m

hết các hệ thống dò, một lư

riêng biệt Trong một số

quá trình trong đầu dò, và h

bị điện tử liên quan Sự tách bi

chết của hệ thống đếm T

gian chết nội tại của đầu dò

hiệu đầu cuối tương tự (ví d

quá trình thu thập dữ liệ

hiển thị và lưu trữ) Do đó, c

cho tổn thất nội tại vốn có trong

điện hệ thống, và cuối cùng, đ

tương tự thành số Chỉ có thể hiệu chỉnh cho

nhiên ban đầu và tác động của thời gian chết được hiểu rõ

Như minh hoạ chúng ta hãy phân tích

chết của một yếu tố đơn gi

là hằng số cho tất cả các s

Hình 1 Mô t

ũy sau mỗi vòng lặp trên Nhờ quá trình này, độ

ng ngắn được cải thiện đáng kể Hình 1 mô tả sơ lư

Mô tả nguyên lý kỹ thuật kích hoạt neutron lặ

t trong ghi đo bức xạ

i gian chết

m xung, trong một quy trình ngẫu nhiên chắc chắn sẽ có t

t lượng thời gian tối thiểu có thể được ghi thành hai s trường hợp, thời gian giới hạn có thể được xác đ, và hầu hết các trường hợp khác, giới hạn xảy ra ttách biệt thời gian tối thiểu này thường được g Tổng thời gian chết của hệ thống phát hiện thư

u dò (ví dụ: thời gian thăng giáng trong Detector khí(ví dụ, thời gian định hình của bộ khuếch đại quang ph

ệu (ví dụ: thời gian chuyển đổi của ADCs,

đó, cần có sự điều chỉnh trên ba cấp độ khác nhau

n có trong đầu dò; thứ hai, những mất mát phát sinh do m

i cùng, đối với bộ ADC, nghĩa là thời gian chuyChỉ có thể hiệu chỉnh cho sự mất số đếm nếu cả quá trình tự

nhiên ban đầu và tác động của thời gian chết được hiểu rõ

chúng ta hãy phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ đếđơn giản trong hệ thống Giả sử bộ phận có thời gian chcác sự kiện Hai trường hợp cơ bản thường đư

Mô tả nguyên lý kỹ thuật kích hoạt neutron lặp vòng

i gian chuyển đổi tín hiệu đếm nếu cả quá trình tự

ếm do thời gian

i gian chết τ và τ

ng được phân biệt:

p vòng [1]

thời gian chết kéo dài và không kéo dài Đây cũng được gọi là các mô hình đáp ứng liệt và không liệt Trong trường hợp mở rộng, sự xuất hiện của một sự kiện thứ hai trong khoảng thời gian chết mở rộng này được thêm bằng cách đưa vào thời gian chết của nó τ bắt đầu từ thời điểm xuất hiện của nó Điều này được minh họa trong Hình 2 Điều này xảy ra khi các phần tử vẫn nhạy trong thời gian chết Trong nguyên tắc nếu tỷ lệ sự kiện là đủ cao, các sự kiện có thể đến mà thời gian chết tương ứng chồng lên nhau tất cả Điều này tạo ra sự kéo dài thời gian mà trong đó không có sự kiện nào được chấp nhận Do đó bộ phận này là đáp ứng liệt Ngược lại, trong trường hợp không mở rộng, tương ứng với một phần tử không nhạy trong khoảng thời gian chết Sự xuất hiện của một sự kiện thứ hai trong thời gian này

không được chú ý và sau một thời gian τ hoạt động trở lại

Hình 2 Mô hình thời gian chết đáp ứng liệt và không liệt [1]

Chúng ta hãy xem xét trường hợp không mở rộng đầu tiên Giả sử tốc độ đếm thực m và detector có k đếm trong một thời gian T Mỗi lần n đếm phát hiện gây ra thời gian chết τ, tổng thời gian chết kτ được tích lũy trong suốt thời gian đếm

T Trong thời gian chết này, tổng đếm mất mkτ Do đó tốc độ đếm thực đáng kể là:

mT = k + mkτ Tính m theo k, chúng ta tìm thấy

1 − (k/T)τ (1.1) Như vậy, công thức (1.1) cung cấp cho chúng ta một công thức để tìm ra tốc

độ đếm thực m từ tốc độ quan sát được k/T

Đối với trường hợp mở rộng là hơi khó khăn hơn Ở đây, người ta nhận ra rằng chỉ có những đếm đến các khoảng thời gian lớn hơn τ được ghi lại Phân bố các khoảng thời gian giữa các sự kiện đang phân rã ở một tốc độ m là:

P(t)=m exp (-mt) Xác suất khi t > τ là:

P(t > ) = m exp(−mt)dt = exp(−m) Tốc độ đếm quan sát trong thời gian T chỉ là một phần của sự kiện thực mT

có thời gian đáp ứng điều kiện này

k = mTexp(−mτ)

Để tìm giá trị thực m, phải được số hóa Hình mô tả cho công thức (1.1) Chú

ý hàm tăng lần đầu tiên, đi qua một giá trị max m = 1/τ và sau đó giảm một lần nữa Nghĩa là với một tốc độ đếm quan sát được cho k/T, có hai giải pháp tương ứng cho m Do đó cần phân biệt giữa các trường hợp

Hình 3 Tốc độ đếm thực đối với mô hình thời gian chết mở rộng [1]

Các kết quả nói trên phù hợp với hầu hết các vấn đề thực tế, tuy nhiên, chúng chỉ xấp xỉ thứ tự đầu tiên

Với các kết quả trên, các vấn đề thường phát sinh là để xác định lớp, áp dụng trường hợp mở rộng hoặc không thể mở rộng Thật vậy, nhiều hệ thống dò được kết hợp cả hai, có một số yếu tố được mở rộng và các yếu tố khác là không phải Và một số có thể không ở trong cả hai lớp Hơn nữa thời gian chết của các yếu tố có thể được biến đổi tùy thuộc vào tỷ lệ đếm, hình dạng xung, v.v… Một giải pháp thường được sử dụng là thêm vào một yếu tố mạch chặn với một thời gian chết lớn hơn tất

cả các yếu tố khác vào hệ thống như vậy hệ thống phát hiện có thể được xử lí bởi một trong những mô hình cơ bản Điều này, tất nhiên, làm chậm hệ thống nhưng loại bỏ sự không chắc chắn trong mô hình thời gian chết

* Quá trình chồng xung

Thời gian phân rã xung tương đối dài được sử dụng trong các giai đoạn ban đầu của phần cứng để giảm sự biến dạng do nhiễu điện tử Với tốc độ đếm cao khả năng một sự kiện thứ hai trong đầu dò có thể xảy ra trước khi xung từ sự kiện trước

đó đã bị phân rã Xung thứ hai sẽ "đi" trên đuôi của xung đầu tiên

Hiệu ứng này được gọi là chồng xung, và kết quả là giá trị chiều cao xung đo được cho xung thứ hai cao hơn giá trị thực Kết quả cuối cùng của chồng xung trong mạch là một số các xung trong đỉnh năng lượng cao sẽ được chuyển sang các giá trị cao hơn; tạo ra một dãy đuôi năng lượng cao của đỉnh trong phổ xung độ cao

Khảo sát quá trình chồng chập xung:

Tθ là thời gian tăng của xung tín hiệu vào, Trt là thời gian tăng của xung hình thang và Tft là thời gian của phần đỉnh bằng Giả sử ΔT là khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp

Trường hợp 1: ΔT > Trt + Tft khi xung thứ hai bắt đầu trên phần bờ giảm của xung thứ nhất thì cả hai xung đều mang thông tin tốt (không có sự kiện chồng chập) Có thể xác định được độ cao của từng xung riêng biệt (xem Hình 4)

Trường hợp 2: ~Tθ< ΔT < Trt + Tft khi xung thứ hai bắt đầu trên phần bờ tăng hoặc phần đỉnh bằng của xung thứ nhất thì việc xác định độ cao từng xung là không thể, do đó không có thông tin năng lượng và xung chồng chập cần được loại bỏ Tuy nhiên, hệ thống vẫn ghi nhận (đếm) được hai sự kiện (xem Hình 5)

Trường hợp 3: ΔT < ~Tθ khi hai xung vào chồng chập tại phần bờ tăng của chúng thì không thể xác định được độ cao xung đồng thời cũng không phân biệt được hai xung do đó thông tin năng lượng và thời gian đều mất Xung chồng chập này cần được loại bỏ (xem Hình 6)

Hình 4 Xung thứ haiXung thứ hai bắt đầu sau thời gian Trt + Tn (ứng với vị trí bờ

giảm của xung hình thang thứ nhất) [1]

ứng với vị trí bờ

Hình 5 Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian T

trí bờ tăng hoặc đỉnh bằng của xung hìn

Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian Ttrí bờ tăng hoặc đỉnh bằng của xung hình thang thứ nhất)

Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian Tθ (ứng với vị

) [1]

Hình 6 Sự chồng chập xảy ra trong thời gian

Hiện tượng chồng ch

lên việc tính độ cao xung là khác nhau Lo

xung thứ hai xuất hiện trên ph

chồng hoặc bướu âm củ

nên đáng quan tâm khi hệ

tục kéo dài khoảng thời gian này Hi

năng lượng trong phép đo b

phổ độ cao xung Các dạng xung mà suy gi

chồng chập đuôi

Sự chồng chập xảy ra trong thời gian Tθ (thời gian tăng của xung mũ

ng chập có thể chia làm hai loại, mà ảnh hưởng ccao xung là khác nhau Loại thứ nhất được gọi là ch

n trên phần đuôi hoặc phần âm của xung thứ nh

ủa xung thứ hai (Hình 7) Sự chồng chập xung đuôi s

ệ đếm chậm, vì phần đuôi chồng chập hoặc bư

i gian này Hiện tượng này ảnh hưởng xấu đế

ng trong phép đo bởi sự xuất hiện phần “cánh” bên cạnh đ

ng xung mà suy giảm về mức cơ bản nhanh s

thời gian tăng của xung mũ)

ng của mỗi loại

i là chồng chập đuôi, nhất, gây ra xếp

Hình 7 Chồng chập đuôi và ảnh hưởng của nó lên phổ độ cao xung vi phân

Loại chồng chập th

nhau đến mức hệ thống phân tích xem như m

riêng lẻ) Trong Hình 8 cho th

xung kết hợp xuất hiện có đ

chồng chập loại này không ch

gây nhiễu các phép đo đ

lượng toàn phần Sự chồ

vốn có của cả hai trong ph

toàn phần trong phổ sẽ không còn là m

phần đúng Bởi vì sự chồ

phần diện tích tổng cộng dư

hệ trong suốt thời gian đo

Chồng chập đuôi và ảnh hưởng của nó lên phổ độ cao xung vi phân

p thứ hai là chồng chập đỉnh, xuất hiện khi hai xung r

ng phân tích xem như một xung (không thể phân bicho thấy sự chồng chập với các phần đỉnh bằ

n có độ cao gần bằng tổng độ cao của hai xung thành ph

i này không chỉ dẫn đến sự biến dạng phổ phóng xạ thu đư

u các phép đo định lượng dựa trên việc đo phần diện tích dư

ồng chập của hai xung năng lượng toàn phần làm mhai trong phổ độ cao xung và phần diện tích dưới đỉ

không còn là một số đo tổng số sự kiện năng lưồng chập dẫn đến việc ghi nhận một xung thay vì hai xung,

ng dưới phổ thu được sẽ nhỏ hơn tổng số xung có mgian đo

Chồng chập đuôi và ảnh hưởng của nó lên phổ độ cao xung vi phân [1]

n khi hai xung rất gần phân biệt hai xung ằng dẫn đến một

a hai xung thành phần Sự

hu được mà còn

n tích dưới đỉnh năng

n làm mất vị trí ỉnh năng lượng

n năng lượng toàn

t xung thay vì hai xung, xung có mặt trong

Hình 8 Hai xung ở khoảng cách rất gần nhau tạo thành

Một vài trường hợp khác được phát th

những trường hợp này, các thi

gian chết Trong trường h

giây) và không đổi, chỉ có m

hoàn toàn trước khi xung k

lệ đếm đến có thể cao ho

đếm cao trong khoảng 100 μs

thời gian xảy ra của xung ti

gian chết sẽ cao hơn nhiề

cao, điện tử phải bù đắp chính xác th

việc định lượng hoạt động c

Chồng chập xung:

Đặc tính quan trọng c

đầu dò phát để tạo thành tín hi

các thuộc tính thời gian c

xung ở khoảng cách rất gần nhau tạo thành một xung bị méoờng hợp khác được phát thảo với sự tăng chồng chập của xung

Các nguyên nhân gây ra thời gian chết

n tử trong hệ thống quang phổ sử dụng một ph

1 đến 70 μs, để xử lý các xung từ đầu dò Trong khi đi

ột xung khác không thể được xử lý cho thời gian đó Trong

p này, các thiết bị điện tử có các xung “chết” đến và gây ra th

ng hợp tốc độ đếm xung đến nhỏ (ít hơn một vài trăm l

có một xác suất nhỏ mà xung đầu tiên sẽ không đư

hi xung kế tiếp vào đầu dò Tuy nhiên, trong một scao hoặc thay đổi nhanh chóng (từ tỷ lệ đếm rất th

ng 100 μs) đến điểm mà khi xử lý một xung chồng lên nhau v

a xung tiếp theo Trong những trường hợp này, xác su

ều Trong bất kỳ hệ thống nào, cho dù tốc đ

p chính xác thời gian chết để loại bỏ sai số

ng của bất kỳ nuclit nào trong một mẫu

:

ng của đầu dò là thời gian đáp ứng của nó Đây là th

o thành tín hiệu sau khi phát xạ Điều này rất quan tr

i gian của detector Đối với thời gian tốt, nó là cầ

ột xung bị méo

o với sự tăng chồng chập của xung

t phần thời gian, Trong khi điện tử

i gian đó Trong

có các xung “chết” đến và gây ra thời

t vài trăm lần / không được xử lý

t số ứng dụng, tỷ

t thấp đến tỷ lệ

ng lên nhau với

p này, xác suất mất thời

c độ đếm thấp hay

hệ thống trong

a nó Đây là thời gian

t quan trọng đối với

ần thiết cho các

tín hiệu để nhanh chóng hình thành một xung với một sườn tăng càng gần chiều dọc càng tốt

Theo cách này một khoảng thời gian chính xác hơn trong thời gian được đánh dấu bằng tín hiệu Thời gian của tín hiệu cũng rất quan trọng Trong thời gian này, một sự kiện thứ hai không thể được chấp nhận bởi vì đầu dò không nhạy hoặc

vì tín hiệu sẽ đống lên trên đầu tiên Điều này góp phần vào thời gian chết của đầu

dò và giới hạn tốc độ đếm mà nó có thể hoạt động

1.3 Phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết

Phổ tia gamma yêu cầu một thời gian xử lý hữu hạn để đo lường và ghi lại mỗi phát hiện ra tia gamma Thông thường, thời gian xử lý nằm trong khoảng micro giây đến hàng chục micro giây dựa trên phổ kế và ứng dụng dự định của nó Các quang phổ không thể hồi đáp lại với tia gamma khác trong thời gian xử lý này Vì thế, thời gian xử lý nói chung được gọi là thời gian chết Kể từ photon tia gamma đến đầu dò với một sự phân bố ngẫu nhiên trong thời gian, các photon đến đầu dò trong thời gian chết này sẽ không được đếm hoặc đo, kết quả là mất thời gian chết Trong quá trình xử lí khác, số lượng tia gamma được báo cáo trong dải năng lượng

đo được sẽ là thấp hơn số lượng các tia gamma bị ảnh hưởng trên đầu dò trong các quá trình đo

Đối với một sự tích tụ phổ thời gian cho một thời gian thực TR giây, thời gian thực, tổng thời gian chết TD, và tổng thời gian sống TL có liên quan như sau [3]:

T = T − T (1.2) Thời gian thực (TR) là thời gian trôi qua mà trong đó phổ được tích lũy, như được đo bằng đồng hồ trên tường, hoặc đồng hồ bấm giây chuẩn Tổng thời gian chết (TD) là tổng của tất cả các khoảng thời gian chết cá nhân trong quá trình tích lũy phổ

Tổng thời gian sống (TL) là sự khác biệt giữa TD và TR, trong đó quang phổ

kế có thể phản ứng lại với tia gamma khác

Các phổ kế thường cho kết quả thời gian chết dưới dạng phần trăm, giúp người vận hành biết về mức độ nghiêm trọng của những mất mát thời gian chết Sử dụng phương trình (1.2), phần trăm thời gian chết (% DT) có thể được sinh ra như sau:

%DT =T

T x100% = 1 −

T

T x100%

1.3.1 Phương pháp Live Time Clock (LTC)

Việc sử dụng thiết bị quang phổ để xác định vật liệu phóng xạ trong nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân vẫn tiếp tục mở rộng Các ứng dụng bao gồm phân tích các mẫu môi trường, kiểm soát quy trình hoặc các mẫu xác minh quá trình, các mẫu phóng xạ, không phổ biến hạt nhân, kiểm tra thải chất thải môi trường và phân tích thành phần hóa học thông qua việc sử dụng phân tích kích hoạt neutron Một hệ thống quang phổ năng lượng cho bức xạ hạt nhân, nói chung, bao gồm một máy soi hoặc thiết bị dò chất bán dẫn, điện tử bao gồm một Multi Channel Analyser (MCA), máy tính và phần mềm thu thập dữ liệu và phân tích

Vấn đề cho bất kỳ ADC là nó chỉ có thể xử lý một xung mỗi lần Trong thời gian đo xung, ở nhiều micro giây trong nhiều trường hợp, các xung khác phải được ngăn chặn Đó là chức năng của cổng đầu vào Giả sử khi xung của chúng ta đến cổng đầu vào, ADC không hoạt động và mở cổng Xung sẽ chuyển đến ADC và quá trình chuyển đổi bắt đầu Khi đó, ADC tạo ra một xung chọn - tín hiệu 'bận' - được

sử dụng để đóng cổng vào Khi ADC kết thúc và đếm số liệu trong kênh MCA thích hợp, cổng sẽ được mở lại để chờ xung kế tiếp Thời gian đóng cửa được gọi là thời gian chết (DT), không đáng ngạc nhiên, thời gian mở được gọi là thời gian sống (LT) (Thời gian chết trong X quang có thể được gọi là thời gian giải quyết hoặc thời gian tê liệt Không phải là những thuật ngữ này thích hợp cho quang phổ gamma) Thời gian vật lý bình thường được gọi là thời gian thực (RT), đôi khi gọi là thời gian đồng hồ (CT) hoặc thời gian thực (TT) [3]

DT = RL – LT Trong một phép đo cụ thể, thời gian từ lúc bắt đầu đếm đến cuối của phép đếm có thể là 1000 giây (thời gian thực), nhưng trong khoảng 235 giây có thể cần chuyển đổi xung (thời gian chết) dẫn đến cổng đầu vào chỉ được mở cho thời gian sống 765 giây Để tính toán tỷ lệ đếm của toàn bộ dải hoặc các đỉnh trong dải phổ, chúng ta phải chia số đếm được ghi lại theo thời gian sống Theo cách đó, chúng ta giải thích các xung trong khoảng thời gian chết Các hệ thống MCA sẽ thường trình bày thời gian chết khi số lượng tiến triển theo tỷ lệ phần trăm - 100 × (RT-LT) / RT Trong ví dụ trên, thời gian chết sẽ là 23.5% Vậy cách nào để đo thời gian sống?

Các hệ thống MCA luôn đưa ra một đồng hồ đo thời gian sống (LTC); điều này có thể cung cấp mỗi xung vài mili giây Việc ghi nhận những xung này thẳng vào bộ ghi sẽ đưa ra một cách đo về thời gian đếm - thời gian thực Tuy nhiên, nếu các xung đó được đưa vào bộ ghi qua cổng đầu vào, số được ghi lại sẽ tượng trưng

cho thời gian cổng được m

thường đo thời gian sống Trong các h

để đếm xung ghi (thời gian s

nay, các bộ ghi riêng biệt đư

kênh 0 và 1 để tương thích

Lưu ý rằng bất kỳ

một khoảng thời gian chế

bộ khuếch đại để chỉ ra kho

Điều này hoạt động t

tốc độ đếm cao Ở tốc độ đếm cao sẽ sinh ra th

còn chính xác cao nữa Cho đ

phòng thí nghiệm đều có gi

sống có thể không chính xác do s

xung đồng hồ thời gian s

sống không chính xác có thể nh

lượng của phép đo đồng vị đ

c mở - thời gian hoạt động của đếm Đây là cách thông

ng Trong các hệ thống MCA cũ, thường sử d

i gian sống) và kênh 1 để đếm các xung thời gian th

t được sử dụng, nhưng số liệu vẫn có thể đượtương thích ngược

ỳ tín hiệu chọn được áp dụng cho cổng đầu vào s

ết Do đó, đây là nơi thích hợp để gửi các xung nh

ra khoảng thời gian loại bỏ chồng chập

Hình 9 Sơ đồ khối trong hệ thống MCA [3]

i có một điều chỉnh cho các bộ tạo xung khi tới h

c phân tích vì ADC đã bận việc đo trước đó Bởi vì các xung bxung với một kênh, ở khu vực quan tâm, một đ

i gian tính thực sẽ đánh giá thấp tỷ lệ đếm Các xung b

ng cách chia số đếm theo thời gian sống, được đo b

i gian sống, mà không bị chặn bởi các cổng vào Vi

ng không chính xác có thể nhận biết được đồng vị nhưng ảnh hư

a phép đo đồng vị định lượng

m Đây là cách thông dụng các kênh 0

n trung bình nhưng lại giới hạn ở

t làm cho điều này không

Hệ thống LTC bình thường cũng có những hạn chế khi tốc độ đếm thay đổi nhanh chóng trong suốt thời kỳ đếm Các tình huống như vậy có thể phát sinh khi

đo nhanh các nguồn phân hủy hoặc khi phổ kế gamma được sử dụng để theo dõi dòng chảy vật liệu qua đường ống Một dòng của vật liệu đột ngột hoạt động cao có thể làm tăng tỷ lệ đếm lên trên một phần giây và sau đó rơi lại một cách nhanh chóng bằng nhau Trong các trường hợp như vậy, tùy theo tốc độ đồng hồ, tỷ lệ đếm

có thể thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian xung đồng hồ, gây ra sự không chính xác cho các xung bị mất

Phương pháp LTC thường được gọi là phương pháp thời gian mở rộng (extended live time clock – ELTC) vì đếm được mở rộng theo thời gian thực để tính toán thời gian chết và nó thường được đếm để tính thời gian sống [3] Khi đếm một nguồn phân rã, tỷ lệ đếm tại thời điểm bắt đầu đếm, sẽ rõ ràng là lớn hơn thời gian

đó Trong thời gian có thể xảy ra tình huống đó, nó sẽ vào một khoảng thời gian thấp hơn Đây không phải là một tình huống thỏa đáng Trong những trường hợp như vậy, tốt hơn là đếm thời gian thực định trước để mọi phép đo có cùng một yếu

tố phân rã Cho dù đếm thời gian thực hay thời gian sống định sẵn, trong bất kỳ trường hợp nào cũng cần thiết để hiệu chỉnh sự phân rã trong khi đếm

Phương pháp luận cho việc giải quyết vấn đề:

Vì các tia gamma được tạo ra bởi nguồn phóng xạ với sự phân bố ngẫu nhiên theo thời gian, số lượng tia gamma tính trong một khoảng thời gian cố định là một biến ngẫu nhiên Nếu phổ năng lượng được tích lũy cho một thời gian sống định trước TL, sau đó áp dụng phân bố Poisson [4] Do đó, độ lệch chuẩn trong số liệu ghi đếm NL, ở một vùng quan tâm được đặt trên một đỉnh trong phổ là:

Đối với máy quang phổ gamma, điều quan tâm là hoạt động của đồng vị phóng xạ, nó tỉ lệ thuận với tỷ lệ đếm đỉnh Bằng cách chia số lần ghi lại theo thời gian sống, ta tính toán tốc độ đếm đúng tại detector, không có mất mát thời gian chết

R =N

T (1.3) Trong đó, Ri biểu thị tốc độ thực đầu vào của tia gamma trong detector đối với đỉnh được chọn trong phổ năng lượng

Trường hợp thời gian sống được coi là biến, công thức đơn giản cho việc lan truyền của hiệu suất lỗi thống kê là:

σ =√E

T (1.4) Trong đó là độ lệch chuẩn của tốc độ đếm Ri

Bởi vì khoảng thời gian chết được tạo ra bởi các tia gamma đến ngẫu nhiên,

có một sự thay đổi ngẫu nhiên trong tỉ số TR / TL

Do đó, độ lệch chuẩn về số lần đếm được ghi trong một thời gian thực được đặt trước không chỉ đơn giản là căn bậc hai của số đếm Hơn nữa, độ lệch tiêu chuẩn trong số đếm được ghi lại trong một thời gian thực đã định sẵn rất khó tính toán [4, 5, 6] Tuy nhiên các phương trình (1.3) và (1.4) có thể áp dụng, bất kể việc ghi nhận phổ bị dừng lại Tức là luôn chia số lần ghi lại theo thời gian sống Điều này mang lại tỷ lệ đếm đầu vào đúng và cung cấp một cách đơn giản để tính toán độ lệch chuẩn trong tỷ lệ đếm đó

Từ phương trình (1.3) và (1.4) ta lấy được phần trăm độ lệch chuẩn trong tốc

độ đo đầu vào:

%σ =σ

R x100% =

100%

NBảng 1 cho thấy độ chính xác của số liệu thống kê phụ thuộc vào số lần đếm được Cần hơn 10.000 bộ đếm để đạt được độ chính xác dưới 1%

Bảng 1 Độ chính xác của số liệu thống kê [10]

Percent Precision from Counting Statistics versus Live Time Counts

Làm thế nào để giảm phông nền trong đỉnh năng lượng, tuy nhiên ở đây, phương pháp đã bỏ qua vấn đề trừ phông

 Giới hạn chính xác của phương pháp LTC

 Khoảng thời gian tick