Bùi Văn Loát Mở đầu Hiện nay, để xác định hoạt độ của một số đồng vị trong mẫu môi trường, phương pháp thường được sử dụng nhiều đó là phương pháp tương đối dựa trên việc đo phổ của mẫ
Trang 1Thực tập xử lý phổ và số liệu thực nghiệm hạt nhân
LÊ BÁ THẠCH Sinh viên K61 Ngành Công Nghệ Hạt Nhân
Ngày thực hành: 12/3/2019
Báo cáo: Bài 4: Xây dựng đường chuẩn hiệu suất ghi trong
quy trình phân tích mẫu môi trường sử dụng
hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGE.
Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Văn Loát
Mở đầu
Hiện nay, để xác định hoạt độ của một số đồng vị trong mẫu môi trường, phương pháp thường được sử dụng nhiều đó là phương pháp tương đối dựa trên việc đo phổ của mẫu chuẩn và mẫu cần phân tích Phương pháp này có ưu điểm với độ chính xác cao, tuy nhiên nó cần phải có mẫu chuẩn Trong phương pháp tuyệt đối, để xác định hoạt độ phóng xạ của một mẫu vật phẩm nào đó, chúng ta cần phải xác định được hiệu suất ghi đối với đỉnh năng lượng tia gamma phát ra tương ứng với dạng hình học của mẫu Chính điều này đặt
ra nhu cầu xây dựng đường cong hiệu suất đối với detector ứng với từng đỉnh năng lượng theo độ cao Việc xây dựng đường cong hiệu suất này là rất cần thiết nhằm giúp tính toán hoạt độ phóng xạ của các mẫu đo có dạng hình học nhất định
Phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu
cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ hạt nhân Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế gamma Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của đetectơ và
mở rộng dải năng lượng đo được về phía năng lượng lớn Cùng với tự mở rộng dải
đo về phía năng lượng lớn, các đêtectơ có cửa sổ bằng cacbon màng mỏng cho phép mở rộng dải về phía năng lượng thấp để ghi nhận các tia gamma mềm và tia X
Trang 2Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên -Đại học Quốc gia Hà Nội được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng, làm lạnh bằng điện do hãng Canberra chế tạo Hệ phổ kế được nghiệm thu chính thức vào tháng 11 năm 2011 Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ
kế một cách có hệ thống là cần thiết để phục vụ cho việc vận hành và bảo dưỡng
I, Mục đích:
• Nắm được phần mềm phân tích phổ chuyên dụng và ghi nội dung phân tích phổ gamma mà thiết bị ghi nhận được
• Nắm được khái niệm và biết cách xác định hiệu suất ghi tuyệt đối
• Yêu cầu của mẫu chuẩn và mẫu phân tích
• Xây dựng đường cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn, áp dụng phân tích một số mẫu đất đá Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của 238U, 232Th, 40K
II, Hệ phố kế gamma bán dẫn HpGE
Đêtectơ Gecmani là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng bên trong là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ Khi photon tương tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ trống
và electron) và dưới tác dụng của thế ngược chúng di chuyển tới cực P và N Lượng điện tích này tỉ lệ với năng lượng của các photon tới và được chuyển thành các xung điện đưa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích
Hệ phổ kế gamma bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HpGE) giải năng lượng rộng (BEGe) của hãng Canberra, Mỹ, bao gồm: Tinh thể bán dẫn BEGe, buồng chì phông thấp, các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương
tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp Sơ đồ
hệ phổ kế được cho trong hình 1:
Trang 3Hình 1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma HpGE dải năng lượng rộng.
1 Hiệu suất ghi của đêtectơ
Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần thường được gọi là hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức sau:
Trong đó:
n là tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng E của mẫu chuẩn đã trừ phông (số đếm / giây)
Iγ là hệ số phân nhánh của tia gamma có năng lượng E, giá trị này được tra cứu trực tiếp trên các cơ sở dữ liệu như NNDC, IAEA
A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo (Bq)
2 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi
Để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích, theo phương pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với vạch hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng Vì vậy, ngoài xây dựng đường chuẩn năng lượng, trước khi đưa hệ phổ kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định được hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với các năng lượng gamma trong dải năng lượng làm việc của đêtectơ Đường cong hiệu suất ghi là đường cong mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng bức xạ gamma Có thể xác định hiệu suất ghi của đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm
Với đêtectơ thông dụng do hãng Canberra (2000), Genie 2000 có thể sử dụng
Trang 4hàm khớp sau E0=1 keV
trong đó: ε là hiệu suất ghi của đêtectơ
E là năng lượng tia gamma
E0=1 keV
ai là các hệ số làm khớp
Hiệu suất ghi đỉnh là hàm theo năng lượng Ln( có dạng:
Ln(ɛ) = a0+a1ln(E)+a2ln(E)^2+a3ln(E)^3+……
Do vậy, đầu tiên cần xác định hiệu suất ghi ln (ɛ) sau đó làm khớp bộ số liệu
đo được với hàm để xác định hệ số a0, a1,a2,a3
Chuỗi phân rã phóng xạ 238U và cân bằng thế kỷ
Chuỗi phóng xạ của 238U được minh hoạ ở Hình 1.1, trong đó chuỗi phân rã phóng xạ từ 238U đến 226Ra (với thời gian sống 1602 năm) thường được coi như đạt trạng thái cân bằng do chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ lớn hơn rất nhiều so với các đồng vị con cháu Khi đó hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong chuỗi là bằng nhau Để đạt trạng thái cân bằng giữa 226Ra và các đồng vị tiếp theo trong chuỗi,
ta cần nhốt mẫu tối thiểu 30 ngày (tương đương khoảng 5 chu kỳ của 222Rn) để tránh mất mát sản phẩm phân rã 222Rn ở trạng thái khí
Trang 5
III, THỰC NGHIỆM , TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ.
- Để tiến hành thí nghiệm này, sử dụng nguồn chuẩn RGU-1 do IAEA cũng cấp Điều này, làm tăng tính chính xác khi xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng Mẩu chuẩn RGU-1 có khối lượng 167,4 gram và biết trước hoạt độ phóng xạ của U238 là 4190 ± 30 (Bq/kg) và U235 là 228±2(Bq/kg)
- Và mẫu K-16 cần phải xác định hoạt độ dựa theo hàm hiệu suất ghi đã xây dựng được từ mẫu RGU-1
- Tiến hành đo mẫu chuẩn RGU-1, đo phông và mẫu cần xác định hoạt độ phóng xạ riêng là K-16
Dưới hình là hình dạng phổ của mẫu chuẩn IAEA RGU-1 và mẫu cần phân tích xác định hoạt độ:
Trang 6Hình 3: phổ gamma của mẫu chuẩn IAEA RGU-1
Hình 4: phổ gamma của mẫu K-16 cần phân tích xác định hoạt độ phóng xạ riêng.
Trang 7Kết quả thí nghiệm và tính toán được cho ở bảng sau:
Bảng 1:
E(kev
)
I(%) ΔI(%)
t mẫu(s)
186.2
1 0.0364 0.008 26496.86 2.241273 0.009215 0.047641968 0.010479381 241.9 0.072
5
0.0016 26496.8
6
2.16674 3
0.00904 4
0.04260886 6
0.00105513 7
295 0.183 0.00001
4 26496.86 5.221788 0.014042 0.040681658 0.000318706
351 0.356 0.0007 26496.8
6 9.171685 0.018609 0.03673074 0.00028506
609 0.454 0.0019 26496.8
6
7.82968 2
0.01719 4
0.02458775 0.00021179
1120 0.147 0.0014 26496.8
6 1.749237 0.008127 0.016965308 0.000222479
1238 0.058
3
0.0004 26496.8
6
0.62975 1
0.00487 7
0.01540035 9
0.00022624 5
1764 0.152 0.002 26496.8
6 1.509152 0.007561 0.014155326 0.000225803
Từ bảng số liệu trên , ta xây dựng được đường cong hiệu suất ghi , đồ thi thi được
vẽ trên phần mềm Origin
Trang 8
Hình 5: hiệu suất ghi của nguồn chuẩn IAEA RGU-1
hàm khớp y=0,006615-1,09284E-4 +7,98019E-8-1,95971E-11
=0,99643
Với sai số lần lượt là:
0,006615±0,00219
-1,09284E-4±8,59673E-6
7,98019E-8±9,1931E-9
-1,95971E-11±2,87757E-12
Trang 9Hình 6: Đồ thị biểu diễn thăng giáng các giá trị thực nghiệm khi khớp hàm
Trang 10
Hình 7: đồ thị mô tả đường cong hiệu suất ghi được fit theo hàm ln trên phần mềm Origin.
• Nhận xét đường cong hiệu suất:
Trong vùng năng lượng thấp hệ số suy giảm khối phụ thuộc mạnh vào năng lượng, khi năng lượng gamma tăng hệ số hấp thụ giảm Vì vậy khi năng lượng bức xạ gamma tăng xác suất bức xạ gamma đi qua cửa sổ đêtectơ tăng Vì vậy hiệu suất ghi tăng rất nhanh khi năng lượng tăng Khi năng lượng bức xạ gamma đủ lớn, xác suất để bức xạ gamma đi vào đêtectơ bằng 1 Khi đó hiệu suất ghi tuyệt đối chỉ còn phụ thuộc vào xác suất hấp thụ quang điện và xác suất tán xạ Compton nhiều lần
gamma cuối cùng kết thúc trong đêtectơ Khi năng lượng bức xạ gamma chưa quá lớn xác suất bị hấp thụ quang điện chiếm ưu thế coi như nó sẽ
bị hấp thụ toàn bộ năng lượng Khi đó năng lượng tăng hiệu suất ghi không thay đổi
Phần giảm của hiệu suất ghi theo năng lượng được giải thích là do kích thước đêtectơ là hữu hạn và khi năng lượng bức xạ gamma tăng xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm dần và hiện tượng tán xạ Compton
Trang 11nhiều lần chiếm ưu thế, xác suất để tia gamma bay ra khỏi đêtectơ tăng dẫn tới hiệu suất ghi giảm khi năng lượng tăng
Hình 8: Đồ thị biểu diễn thăng giáng các giá trị thực nghiệm khi khớp hàm
Từ đồ thị hình 4, ta xây dựng được hàm như sau:
Hàm khớp:ln(ɛ) =-38,45237+17,87966*ln(E)-2,92731*ln(E)^2+0,15348*ln(E)^3 Sai số của đường fit =0,99746
Với các hệ số khớp hàm là:
a0= -38,45237±7,56461
a1=17,87966±3,62498
a2= -2,92731±0,57543
a3= 0,15348±0,03026
Từ bảng 1 và số liệu khớp hàm , ta thu được kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ trong dãy Uran, Thorium và Kali như sau:
Trang 12Bảng 2: kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ 226Ra, 232Th và 40K.
241.9 Pb-214
U
0.072
0.438
338.3 Ac-228
T h
0.1127 0.004488 0.03712 1.073
1.070 583.19 Tl-208 0.3055 0.008369 0.02552 1.073
911.2 Ac-208 0.0674 0.001339 0.01869 1.063
1460.8 k-40 K 0.106
IV, KẾT LUẬN
Về mặt lý thuyết đã tổng quan về các dạng đêtectơ bán dẫn Ge Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý của hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe-Canberra được làm lạnh bằng điện Thông qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe-Canberra nói riêng và hệ phổ kế gamma nói chung
Về mặt thực nghiệm đã tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe - Canberra
Tiến hành tìm hiểu quá trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm việc thích hợp kết quả chỉ ra rằng chế độ làm việc thích hợp của hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGE Khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của bức xạ gamma Đã xây dựng được đường cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn IAEA RGU-1, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali