Nghiên ứu ổn định phổ cho thiết bị quan trắc phóng xạ bụi khí môi trương

10: Quátrình xử lý xung tín hiệu trƣớc khi đƣa vào bộ biến đổi ADCSự trôi phổ hạt nhân biểu hiện dƣới dạng các đỉnh năng lƣợng của một bức xạ nào đó không cố định tại vị trí đỉnh năng lƣ

1

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-***** -

NGUYỄN XUÂN VỊNH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH PHỔ CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC PHÓNG XẠ BỤI KHÍ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚ NG DẪ N KHOA H C Ọ

TS ĐẶ NG QUANG THI U Ệ

HÀ N I - 2017 Ộ

L Ờ I CẢM ƠN

Trong quá trình th c hi n luự ệ ận văn này, tôi đã nhận đượ ấc r t nhi u s quan tâm ề ự

và giúp đỡ ủ c a các thầy, các cô, các đồng nghi p và bệ ạn bè cũng như những s ng ự độviên quý báu t ừ phía gia đình và người thân

V i lòng biớ ết ơn sâu sắc, đầu tiên tôi muố ử ờ ảm ơn tới TS Đặn g i l i c ng Quang Thiệu, là người thầy đã luôn hướng dẫn, định hướng và cho tôi nh ng l i khuyên ữ ờ

h u ích v ữ ềcác vấn đề liên quan tới luận văn

Tiếp theo tôi mu n g i l i cố ử ờ ảm ơn tới K ỹ sư Nguyễn Văn Sỹ và các đồng nghiệp đang công tác tại phòng Thi t b hế ị ạt nhân và điều khi n - Trung tâm Chi u x ể ế ạ

Hà N i nhộ ững người đã luôn đồng hành và giúp tôi r t nhi u trong quá trình thấ ề ực

hi n luệ ận văn

K n tôi mu n g i l i cế đế ố ử ờ ảm ơn tới các thầy đang công tác tại Vi n K thuệ ỹ ật

H t nhân và V t lý môi ạ ậ trường, thuộc Trường Đạ ọi h c Bách Khoa Hà Nội – ữ nh ng người đã giúp tôi trang bị nh ng ki n th c n n tữ ế ứ ề ảng cơ bản là tiền đề cho các vấn đềnghiên c u c a tôi trong luứ ủ ận văn này

Cuối cùng tôi mu n g i l i cố ử ờ ảm ơn tới ông, bà, b , m và nhố ẹ ững người thân trong gia đình đã luôn ở bên ng viên và ti p thêm s c m nh cho tôi m i khi tôi g p độ ế ứ ạ ỗ ặkhó khăn và vấp ngã trong cu c s ng ộ ố

H c viên ọ

Nguy n Xuân V ễ ị nh

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứ ổn địu nh ph cho thi t b quan tr c ổ ế ị ắphóng x bạ ụi khí môi trường” là sản ph m nghiên c u c a tôi Các s u và tài li u ẩ ứ ủ ốliệ ệtrong lu n ậ văn là trung thực và chưa được công b trong b t k công trình nghiên ố ấ ỳ

c u nào T t c nh ng tham kh o và k ứ ấ ả ữ ả ế thừa đều được trích d n và tham chiẫ ếu đầy

đủ N u phát hi n có b t k s gian l n nào tôi xin hoàn toàn ch u trách nhi m v n i ế ệ ấ ỳ ự ậ ị ệ ề ộdung luận văn ủ c a mình.

M Ụ C LỤ C

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH V 3 Ẽ DANH MỤC BẢNG BI U 5 Ể M Ở ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V THI T B QUAN TR C PHÓNG XỀ Ế Ị Ắ Ạ ỤB I KHÍ MÔI TRƯỜNG 8

1.1 Ô nhi m phóng x và tác hễ ạ ại với con người 8

1.2 Quan tr c phóng x b i khí môi tắ ạ ụ rường 9

a Quan trắ ạc h t nhân phóng x trên th gi i 9 ạ ế ớ b Tr m quan trạ ắc hạt nhân tại Việt Nam 11

1.3 Thiết bị quan tr c phóng x bắ ạ ụi khí môi trường 12

a Máy bơm hút khí lấy m u b i 13 ẫ ụ b H phân tích và x ệ ửlý số liệ u 14

1.4 Sự trôi phổ hạt nhân 17

1.5 Các phương pháp ổn định phổ 19

a Tạo một đỉnh năng lượng cố định 19

b Sử dụng xung sáng từ một đèn LED [12] [13] 20

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG C A NHIỦ ỆT ĐỘ LÊN THI T B QUAN TR C Ế Ị Ắ PHÓNG X BẠ ỤI KHÍ MÔI TRƯỜNG 23

2.1 Ảnh hưởng c a nhiủ ệ ột đ ớ t i chất nhấp nháy NaI 23

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới PMT 26

2.3 Ảnh hưởng tới các thành phần khác 31

CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH PH CHO THI T B VÀ K T QU ĐÁNH GIÁ 34 Ổ Ế Ị Ế Ả

3.1 Phương pháp ổn định phổ cho thiết bị 34

3.2 Xây dựng hàm tương quan giữa nhiệ ột đ và h s khuệ ố ếch đại s 36 ố a Khảo sát s ự ảnh hưởng của nhiệt độ ớ t i ph ổ năng lượng 36

b Kh o sát s ả ự ảnh hưởng của hệ ố s khuếch đại số ớ t i ph ổ năng lượng 41

c Hàm quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số khuếch đại số 44

d Ổn định theo đỉnh 40K 45

3.4 Đánh giá độ ổn định ph c a thi t b 48 ổ ủ ế ị KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KH O 54 Ả PHỤ Ụ L C 56

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Sơ đồ ố kh i quá trình l y m u b i khí 9 ấ ẫ ụ Hình 1 2: Mạng lưới quan trắc hạt nhân phóng x ạ môi trường t i Pháp và M 10 ạ ỹ Hình 1 3: V trí các tr m quan tr c h t nhân trên toàn c u c a CTBTO 11 ị ạ ắ ạ ầ ủ Hình 1 4: Sơ đồ kh i c a thi t b quan tr c phóng x bố ủ ế ị ắ ạ ụi khí môi trường do các nhà nghiên cứu trong nước ch t o [1] 12 ế ạ Hình 1 5: Máy lấy m u h t bẫ ạ ụi khí ểth tích l n TE-5107[9] 13 ớ Hình 1 6: Đầu dò NaI và ti n khu ch đ i [1][10] 14 ề ế ạ

Hình 1 7: Module 2007P - phân cao áp và ti n khu cề ế h đại [10] 15

Hình 1 8: Bo m ch khuạ ếch đại phổ và MCA [1] 15

Hình 1 9: Hệ ế ị thi t b phân tích phóng x bạ ụi khí môi trường sau khi ch t o 17 ế ạ Hình 1 10: Quá trình xử lý xung tín hiệu trước khi đưa vào bộ biến đổi ADC 18

Hình 1 11: Sử dụng nguồn 241Am ổn định phổ cho đầu dò nhấp nháy [13] 20

Hình 1 12: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung sáng từ LED [12] 21

Hình 1 13: Xung tín hiệu kết hợp khi sử dụng LED 21

Hình 2 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất nháy sáng của một số loại đầu dò [4] 25

Hình 2 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chiều cao xung của đầu dò NaI [7] 25

Hình 2 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên thời gian phát photon của đầu dò NaI [7] 26

Hình 2 4: Sơ đồ ống nhân quang 27

Hình 2 5: Sự thay đổi độ nhạy của hợp chất SbKCs theo bước sóng tới [4] 28

Hình 2 6: Sự ụ ph thu c nhiệt độ của độ nhạy của photocathode vào bước sóng 28 ộ Hình 2 7: Đặc điểm nhiệt độ của dòng tối Anode quang [4][8] 30

Hình 2 8: Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ lên h s nhân cệ ố ủa ống nhân quang theo m t chu ộ

trình từ 20oC lên 60oC v -40ề oC rồi lại lên 20oC [8] 30

Hình 2 9: Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ lên h s nhân cệ ố ủa ống nhân quang t i cao áp ạ 1500V [4] 31

Hình 2 10: Sơ đồ kh i m t h thố ộ ệ ống điệ ử ạn t h t nhân 31

Hình 3 1: Sơ đồ điều khiển hệ số khuếch đại số 34

Hình 3 2: Sơ đồ mạch điện tử tầng khuếch đại số của thiết bị [1] 35

Hình 3 3: Sơ đồ thí nghiệm xác định s trôi ph c a h u dò theo nhi t đ 37 ự ổ ủ ệ đầ ệ ộ Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khi n ể ổn định nhi t 38 ệ Hình 3 5: Lưu đồ thu t toán cho ph n m m đi u khi n nhi t 38 ậ ầ ề ề ể ệ Hình 3 6: Đồ ị ự th s ph thu c kênh ph b c x vào nhiụ ộ ổ ứ ạ ệt độ đầ u dò 40

Hình 3 7: Sự xê dịch phổ khi chưa thực hiện bù nhiệt 41

Hình 3 8: Sơ đồ thí nghiệm sự phụ thuộc của phổ vào hệ số khuếch đại số 42

Hình 3 9: Sự phụ thuộc của kênh phổ theo hệ số khuếch đại số 44

Hình 3 10: Biểu diễn đỉnh có d ng Gauss và bi n thiên c a đ o hàm b c hai 46 ạ ế ủ ạ ậ Hình 3 11: Lưu đồ thuật toán phần mềm ổn định phổ 48

Hình 3 12: Độ ổn định c a kênh đ nh ủ ỉ 137Cs theo nhiệ ột đ môi trường 50

Hình 3 13: Độ ổn định của đầu dò NaI có trang b h ng ị ệ thố ổn định b ng LED và ằ ph n mầ ềm ổn định c a hãng Saint-Gobain (±5% trên d -20ủ ải 0C đến 500C) [14] 51

Hình 3 14: Độ ổn định của đầu dò NaI có trang b h th ng ị ệ ố ổn định b ng LED và ằ ph n mầ ềm ổn định c a hãng Canberra (±2% trên d -20ủ ải 0C đến 500C) [17] 51

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ng 1 1: Mả ột số đặ c tính c a bo m ch vi x lý trên thi t b [1][11] 16 ủ ạ ử ế ị

B ng 2 1: ả Hệ số nhiệt độ của một số chất và kim loại [3] 33

B ng 3 1: Kh o sát s ả ả ựtrôi kênh phổ ức xạ b theo nhiệ ột đ đầ u dò v i ngu n ớ ồ 137Cs 40

B ng 3 2: ả Khảo sát sự phụ thuộc của kênh đỉnh 137Cs vào hệ số khuếch đại số 43

B ng 3 3: B ng khả ả ảo sát đánh giá thiết bị khi hoạ ột đ ng ngoài tr i 49 ờ

MỞ ĐẦU

Quan tr c và c nh báo phóng x ắ ả ạ môi trường không khí là nhi m v quan tr ng ệ ụ ọ

đố ới v i m i quỗ ốc gia, đặc biệt là các nước phát tricó ển và ng dứ ụng năng lượng h t ạnhân Khi x y ra các s c h t nhân, ả ự ố ạ chất phóng x và kim lo i nạ ạ ặng độc h i phát tán ạvào b u không khí bám vào các h t b i, di chuyầ ạ ụ ển theo hướng vận động c a khí ủquyển, phát tán đi các nơi cách xa hàng nghìn kilomet t ừ nơi xảy ra s cự ố, rơi lắng

xu ng l p không khí g n mố ớ ầ ặt đất, thấm vào đất, nước, cây cối, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và s c kho ứ ẻ con người

M t trong nh ng thi t b c a h quan tr c và c nh báo phóng x ộ ữ ế ị ủ ệ ắ ả ạ môi trường là thiế ịt b quan tr c phóng x b i ắ ạ ụ khí môi trường Thiế ịt b có chức năng phát hiện các

h t nhân phóng x trong l p b i không khí Tạ ạ ớ ụ ại các nước phát tri n, thi t b có th ể ế ị ểđượ ắp đặc l t trên nh ng h th ng ữ ệ ố di động nhằm đáp ứng tính cơ động, d dàng di ễchuy n t i nh ng vùng cể ớ ữ ần đánh giá, hoặ ắp đặ ố địc l t c nh t i các v trí xung quanh ạ ịcác nhà máy điện hạt nhân, các cơ sở nghiên c u và ng dứ ứ ụng năng lượng h t nhân ạ

Tại nước ta, m t s ộ ố cơ sở nghiên c u hứ ạt nhân trong nước đã được trang b ịthiết

b quan tr c h t nhân phóng x ị ắ ạ ạ để đo suất li u và nh n bi t các h t nhân phóng x ề ậ ế ạ ạtrong không khí như Viện Khoa h c và k thu t h t nhân, Vi n Nghiên c u h t nhân ọ ỹ ậ ạ ệ ứ ạ

Đà Lạt Các thi t b này làm viế ị ệc theo phương pháp l y m u b i khí t i v trí c n ấ ẫ ụ ạ ị ầđánh giá sau đó đưa mẫu v phòng thí nghiề ệm để phân tích Phương pháp này giảm thiểu được tác động của môi trường lên h ệ phân tích nhưng lại thiếu cơ động trong quá trình quan tr c khi có s c v h t nhân x y ra ắ ự ố ề ạ ả

Gần đây trong phạm vi đề tài “Nghiên c u ch t o thi t b quan tr c và c nh ứ ế ạ ế ị ắ ảbáo phóng xạ” do Ts Đặng Quang Thi u ch nhi m các nhà nghiên cệ ủ ệ ứu đã chế ạ t o thành công thi t b quan tr c phóng x bế ị ắ ạ ụi khí môi trường có kh ả năng lấy m u, phân ẫtích hoàn toàn t ng và truy n s u v ự độ ề ố liệ ề trung tâm điều hành Quá trình l y m u ấ ẫ

và phân tích được th c hi n ngay t i v trí quan tr c, tự ệ ạ ị ắ uy nhiên cũng vì thế mà tác

động của môi trường lên thi t b ế ị là tương đố ới l n Trong các y u t ế ố tác động t môi ừtrường, nhiệt độ là yế ốu t có ảnh hưởng l n nh t lên thi t b , nhiớ ấ ế ị ệt độ gây ra s trôi ự

ph hổ ạt nhân, do đó cần có bi n pháp gi m thi u nh ng ệ ả ể ữ ảnh hưởng này N i dung ộ

c a luủ ận văn đi vào nghiên cứ ổn địu nh ph cho thi t b quan tr c phóng x b i khí ổ ế ị ắ ạ ụmôi trường b ng vi c xây dằ ệ ựng đường chu n liên h gi a nhiẩ ệ ữ ệt độ môi trường v i ớkênh đỉnh ph , k t h p ổ ế ợ thêmphương pháp ổn định ph bổ ằng đỉnh K40, tăng độ chính xác trong các k qu ết ả đo đạc, phân tích c a thiủ ết bị

Nội dung của luận văn gồm:

Chương 1: ổT ng quan v thi t b quan tr c phóng x bề ế ị ắ ạ ụi khí môi trường Gi i ớthiệ ổu t ng quan v thi t b phân tích h t nhân phóng x trong không khí, tình hình ề ế ị ạ ạnghiên c u ng d ng ứ ứ ụ trong và ngoài nước ự S trôi ph b c x và m t s ổ ứ ạ ộ ố phương pháp ổn định ph ổ đã từng được áp dụng

Chương 2: Ảnh hưởng c a nhi t lên thi t b quan tr c phóng x b i khí môi ủ ệ độ ế ị ắ ạ ụtrường Đánh giả ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ lên các thành ph n c a thi t b ầ ủ ế ị như: chất

nh p nháy, ng nhân quang, các linh kiấ ố ện điệ ửn t

Chương 3: Ổn định ph cho thi t b ổ ế ị và đánh giá sau khi ổn định Ti n hành ếđánh giá độ trôi theo nhiệt độ ủ c a thi t b , xây dế ị ựng đường chu n: k h ẩ ên đỉnh theo nhiêt độ, kênh đỉnh theo h s khuệ ố ếch đạ ối s K t h p pế ợ hương pháp ổn định b ng ằcách tìm đỉnh 40K n u có ế Cuối cùng là k t qu ế ả đánh giá c nghithự ệm độ ổn định ph ổ

của thiết bị và so sánh kết quả ớ ột số thiế ị v i m t b khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC PHÓNG XẠ

BỤI KHÍ MÔI TRƯỜNG

Môi trường không khí là h n h p các khí bao bỗ ợ ọc quanh trái đất, có nhi m v ệ ụduy trì và b o v s sả ệ ự ống trên trái đất đóng vai trò quan trọ- ng trong s sinh t n ự ồ Ô nhi m không khí chính là s ễ ự thay đổi các thành ph n, tính ch t v t lý, hóa h c cầ ấ ậ ọ ủa môi trường không khí, gây tác động xấu đế độn ng th c v t và ự ậ con người

Ô nhi m phóng x không khí - m t trong nh ng d ng c a ô nhi m không khí, ễ ạ ộ ữ ạ ủ ễ là

vi c ch t phóng x t n tệ ấ ạ ồ ại trong không khí nơi mà sự ệ hi n di n c a chúng là ngoài ý ệ ủmuốn ho c không mong mu n hoặ ố ặc quá trình gia tăng sự hi n di n c a các ch t ệ ệ ủ ấphóng x nhạ ở ững nơi như vậy Ô nhi m b i phóng x có th b t ngu n t các v ễ ụ ạ ể ắ ồ ừ ụthử

h t nhân, các tai nạ ạn nhà máy điện h t nhân, ho c các s c trong quá trình ng d ng ạ ặ ự ố ứ ụnăng lượng h t nhân Phát x vào b u khí quy n nh ng h t nhân phóng x nguy h i ạ ạ ầ ể ữ ạ ạ ạ

tới con người và môi trường (s c TMI, Chernobyl, Fukushima Các h t nhân ự ố ) ạphóng x m t phạ ộ ần rơi lắng ngay xu ng mố ặt đất xung quanh nơi xảy ra s c ự ố dưới

d ng các h t b i, m t phạ ạ ụ ộ ần được v n chuy n theo các dòng khí quy n gây nên tình ậ ể ể

trạng nhiễm bẩn phóng x ạtoàn cầu

Ảnh hưởng c a b c x nguyên tủ ứ ạ ử, phơi nhiễm phóng x ạ lên con người có th gây ể

tổn thương các tế bào, gi t ch t m t s t bào ho c biế ế ộ ố ế ặ ến đổi các t bào Vi c gi t mế ệ ế ột lượng đủ ớ l n các t bào s gây t n h i trông thế ẽ ổ ạ ấy đố ới v i các b phộ ận cơ thể, có th ể

dẫn đến t vong N u t bào b biử ế ế ị ến đổ không đượi c s a ch a, s biử ữ ự ến đổi này s ẽđược truy n sang các t bào con cháu, d n ề ế ẫ đến ung thư Các tế bào truy n thông tin ề

di truy n cho con cái c a các cá nhân b ề ủ ị phơi nhiễm n u b biế ị ến đổi có th gây ra rể ối loạn di truy n ề

Thảm th c v t b nhi m phóng x khi b i phóng x ự ậ ị ễ ạ ụ ạ rơi, bám trực ti p trên b m t ế ề ặ

c a th c v ủ ự ật, đượ ấc h p th qua rụ ễ, lá, thân Con người cũng ị phơi nhiễ b m phóng x ạkhi ăn phải nh ng th c v t trên, hay ữ ự ậ khi ăn thịt và s a t ng vữ ừ độ ật ăn cỏ trên th m ả

th c vậ ịt b nhi m x

1.2 Quan tr c phóng x b ắ ạ ụi khí môi trườ ng

Quan tr phóng x b i khí ắc ạ ụ môi trường quá trình thu th p các thông tin v s là ậ ề ự

t n tồ ại cũng như biến đổ ồng đội n các ch t phóng x ấ ạ trong môi trường không khí có ngu n g t nhiên ho c nhân tồ ốc ự ặ ạo, quá trình này được th c hi n b ng các phép ự ệ ằ đo lường liên t c v i mụ ớ ật độ ẫu đủ m dày v c không gian và thề ả ời gian để ừ đó có thể t đánh giá các biến đổi, xác định ngu n g c và c nh báo cho dân chúng khi c n thi t ồ ố ả ầ ếNguyên t c chung c quá trình l y m u b quan tr c phóng x trong không khí ắ ủa ấ ẫ ụi ắ ạ

là s d ng máy hút, hút m t th tích không khí nhử ụ ộ ể ất định qua m t màng l các hộ ọc, ạt

bụi được gi l i, khữ ạ ối không khí được đưa ra ngoài nh l c hút t o ra t ờ ự ạ ừ bơm hút khí, lưu lượng khí hút được điều ch nh ỉ ổn định nh ờ lưu lượng k và h u khi n, th ế ệ điề ể ểtích khí hút được xác định qua thời gian hút khí (Hình 1.1)

Hình 1 1:Sơ đồ kh i quá trình l y m u b i khí ố ấ ẫ ụLượng b i trên l p màng lụ ớ ọc được đưa ớ t i các phòng thí nghiệm, trung tâm đo

đạc hạt nhân để phân tích ho c có th phân tích tr c ti p trên h thi t b Hi n nay, ặ ể ự ế ệ ế ị ệ

v n t n tẫ ồ ại song song hai phương thức quan tr c b i khí trênắ ụ Phương thức đo tại phòng thí nghi m ch yêu c u ệ ỉ ầ máy hút đặ ạ ịt t i v trí c n quan tr c, ầ ắ tránh được các tác

động của môi trường lên h ệ phân tích Phương thức đo trực ti p t i hiế ạ ện trường yêu

c u c h phân tích cùng vầ ả ệ đi ới máy hút do đó sẽ có những tác động t ừ môi trường, nhưng tính đáp ứng c a ủ phương thức này tốt hơn so với phương thức đo tại phòng thí nghiệm ế ất ngờ có ự ố ạn u b s c h t nhân x y ra ả

Các nước có ng dứ ụng năng lượng hạt nhân đều xây d ng m t mự ộ ạng lưới quan trắc riêng trong đó có th bao g m các trể ồ ạm đo suất liều môi trường, h t nhân phóng ạ

H u khi n ệ điề ể

Không khí Màng l c ọ Ố ng d n ẫ Bơm hút khí Ra ngoài

Lưu lượ ng k ế

x , ạ dư chấn động đất, ồng độn Xenon, thủy âm ( Hình 1.2 mô t m ng lu quan ả ạ ới trắ ạc h t nhân phóng x c a Pháp và M ) Các tr m quan trạ ủ ỹ ạ ắc giúp đo đạc c nh báo ảphóng x ạ trong môi trường không khí, m t khác khi liên k t các d u t các trặ ế ữ liệ ừ ạm

chức năng cònxác định được nguyên nhân di n bi n c các s c hễ ế ủa ự ố ạt nhân

Hình 1 2 M: ạng lưới quan trắc hạt nhân phóng x ạ môi trường t i Pháp và M ạ ỹNgoài các tr m quan tr c c a t ng qu c gia, trên ph m vi toàn c u hi n nay còn ạ ắ ủ ừ ố ạ ầ ệ

có h ng quan tr c qu c t ệ thố ắ ố ế IMS (International Monitoring System) c a t ủ ổ chức

C m th h t nhân toàn di n CTBTO (Comprehensive Nuclear-ấ ử ạ ệ Test-Ban Treaty Organization) đây là ạng lướ m i các thi t b quan trế ị ắc để tìm ki m, phát hi n và cung ế ệ

c p b ng ch ng v v n h t nhân có th x y ra nh m khấ ằ ứ ề ụ ổ ạ ể ả ằ ẳng định s tuân th ự ủ Hiêp

c C m th h t nhân toàn di n CTBT (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty)

c a các qu c gia H ng g m 321 tr m quan trủ ố ệthố ồ ạ ắc được phân b ố khắp các nơi trên trái đất, c các vùng xa xôi h o lánh ả ở ẻ trong đó có 80 trạm quan tr c h t nhân phóng ắ ạ

x trong khí quy n M i trạ ể ỗ ạm được trang b máy l y m u khí và ph k gamma, hoị ấ ẫ ổ ế ạt

động t ng hoàn toàn ho c bán t ng ự độ ặ ự độ

Hình 1 3 V trí các tr m quan tr c h t nhân trên toàn c u c a CTBTO : ị ạ ắ ạ ầ ủ

Các phòng thí nghiệm đo đạc phóng x t i Viạ ạ ệt Nam đã có các hệthống đo phổgamma t p k 70 và 80 c a th k ừ thậ ỷ ủ ế ỷ trước và có nhi u kinh nghiề ệm trong đo đạc

h t nhân phóng x ng d ng cho m c ạ ạ ứ ụ ụ đích dân s , nghiên c u khoa hự ứ ọc cũng như quan trắc môi trường phóng x V nguyên t c, quan tr c phóng x ạ ề ắ ắ ạ môi trường không khí đang thực hi n t i Vi n Khoa h c và K thu t h t nhân và Vi n Nghiên ệ ạ ệ ọ ỹ ậ ạ ệ

c u hứ ạt nhân tương tự vi c quan tr c h t nhân phóng x mà t ệ ắ ạ ạ ổ chức CTBTO đang

thực hi n Tuy nhiên, thi t b máy móc c a h ống đo đạ ủệ ế ị ủ ệ th c c a CTBTO đã được chuẩn hóa, đồng b ộ và đầu tư rất cao; t n xu t quan tr c cầ ấ ắ ủa CTBTO cũng cao hơn nhi u M t khác các thi t b hi n tề ặ ế ị ệ ại ở nước ta hoạt động theo phương thứ ấc l y mẫu

t i hiạ ện trường và đem về phòng thí nghiệm để phân tích, không đáp ứng được tính

t c th i khi có s c h t nhân x y ra ứ ờ ự ố ạ ả Đây là tiền đề thúc đẩy các nhà nghiên c u ứ

thuộc Vi n khoa h c K ậ ạệ ọ ỹthu t h t nhân ựth c hiện đề tài “Nghiên c u ch t o thi t b ứ ế ạ ế ịquan tr c và c nh báo phóng x ắ ả ạ môi trườ ” trong đó có nghiên cứng u ch t o thi t b ế ạ ế ịquan tr c phóng x bắ ạ ụi khí môi trường Mục đích hướng đến là m t thi t b có kh ộ ế ị ảnăng lấy m u b i và phân tích m t cách t ng phóng x trong l p b i không khí và ẫ ụ ộ ự độ ạ ớ ụtruy n s u v ề ốliệ ề trung tâm điều khi n thông qua m ng internet ho c vi n thông ể ạ ặ ễ

Thiết bị có c u t o gấ ạ ồm máy bơm hút lấy m u, h n t x lý tín hiẫ ệ điệ ử ử ệu, điều khi n chuy n m u, nguể ể ẫ ồn nuôi, đầu dò nh p nháy NaI (Model 802), và các c m bi n ấ ả ế

Mọi hoạ ột đ ng c a thiủ ết bị được điều khi n t ể ừ trung tâm điều hành thông qua m ng ạinternet hoặc vi n thông Hình 1.4 ể ện sơ đồ ốễ th hi kh i của thiết bị

Hình 1 4: Sơ đồ ối củ thiết bị kh a quan tr c phóng x bắ ạ ụi khí môi trường do các nhà

nghiên cứu trong nước ch t o [1] ế ạQuá trình hoạt động c a thi t b ủ ế ị được điều khi n t trung tâm, các thông tin v ể ừ ề

thể tích khí c n hút, thầ ời gian phơi mẫu, th i gian phân tích ờ được g qua đường ửi

m ng internet ho c m ng viạ ặ ạ ễn thông 2G/3G đến b vi x lý, kh i vi x ộ ử ố ửlý sau đó ẽ s điều khi n b t máy hút Không khí cùng bể ậ ụi đi vào máy hút, qua l p phin l c, bớ ọ ụi

c gi l i trong khi ph n không khí ti p t ng d

suốt quá trình, tín hi u áp su t t c m biệ ấ ừ ả ến đặt trên đường ng khí liên tố ục được g i ử

v b vi x lý, t ề ộ ử ừ đó tính lưu lượng khí và th ể tích khí đã hút Khi đạt được m c th ứ ểtích theo yêu c u, máy hút s ầ ẽ đượ ắ đồc t t ng th i h chuy n m u hoờ ệ ể ẫ ạt động đưa mẫu

ch a lứ ớp b i t v trí máy hút sang v ụ ừ ị ị trí phân tích (đặt sẵn đầu dò) Khi hoàn t t phân ấtích, các thông tin v ềphổ ấ ều, đồ, su t li ng v phóng x ị ạ được lưu trữ vào b nh c a vi ộ ớ ủ

x , g i v ửlý ử ề trung tâm điều khi n sau kho ng th i gian nh t nh S u này ể ả ờ ấ đị ốliệ sau đó được hi n th tr c quan trên ph n m m giao di n t i trung tâm đi u hành ể ị ự ầ ề ệ ạ ề

n ng và các h t nhân phóng x Tặ ạ ạ ính năng điều khiển lưu lượng giúp vi c thu th p ệ ậ

h t chính xác theo th ạ ểtích ộ điề B u khiển lưu lượng điều ch nh tỉ ốc độ mô tơ để duy trì tốc độ dòng khí ổn định đi qua trong toàn bộ ờth i gian l y m u [9] ấ ẫ

Hình 1 5 Máy l y m u h: ấ ẫ ạt bụi khí th tích l n TE-5107[9]ể ớ

b H phân tích và x ệ ử lý số liệ u

H phân tích có chệ ức năng chuyển hóa tín hi u h t nhân ệ ạ thu được ừ ớ ụi t l p bthành các tín hiệu điện, biến đổi, truy n s u v ề ố liệ ề trung tâm điều khi n, hi n th ể ể ịchúng dướ ạng mà ngườ ử ụi d i s d ng có th nh n bi t ể ậ ế và đánh giá

H phân tích cệ ủa thiế ịt b bao gồm:

- u dò NaI hình tr Đầ ụ kích thước 76.2mm x 76.2mm (Hình 1.6)

- Ti n khu ề ếch đại đi kèm Model 2007P (Hình 1.7)

- Khối khuếch đại ph ổ và phân tích đa kênh MCA (Hình 1.8)

- Điện áp hoạ ột đ ng: Catot t i ớ Anot là 800VDC

 Đầu ra khu ch đế ại biên độ kho ng t 100mV đ n 10V ả ừ ế

 Độ ộ r ng xung sau khu ch đ i là 6µS ế ạ

 D ng xung theo chu n d ng Gauss ạ ẩ ạ

 H s khuệ ố ếch đại có th ể thay đổ ừi t bên ngoài qua chiết áp và điều khi n s t ể ố ừ vi điều khi n ể

 Độ phân gi i 2048 kê ả nh

 Thời gian biến đổi 7μSec

 Độ phi tuyến tích phân: 0.022%

 Độ phi tuyế i phân: 1.44% trên 90% thang đon v

Vi x lý tinny 6410 ử

Khố ử lý trung tâm có vai trò điềi x u hành toàn b hoộ ạt động c a thi t b : Nh n ủ ế ị ậthông tin v ề ểth tích kh i khí cố ần hút, điều khi n h ể ệ bơm hút, hệ chuy n m u, nh n ể ẫ ậthông tin t MCA, phân tích tính toán giá tr ừ ịsuấ ềt li u, nh n diậ ện đồng v và truy n s ị ề ốliệ ều v trung tâm u hành điề

K t qu ế ả chạy th nghi m thi t b sau khi ch t o xong cho th y thi t b hoử ệ ế ị ế ạ ấ ế ị ạt động tương đồ ổn địi nh, các s li u v th tích khí hút, thố ệ ề ể ời gian phơi mẫu, th i gian ờphân tích đều chính xác theo yêu cầu đặ ừt t trung tâm Hình 1.9 là hình nh c a thi t ả ủ ế

b ị sau khi đã được lắp ráp hoàn ch nh ỉ

Hình 1 9 H : ệ thiế ịt b phân tích phóng x bạ ụi khí môi trường sau khi ch t o ế ạ

1.4 Sự trôi phổ hạt nhân

Y u t ế ố môi trường luôn có ảnh hưởng t i k t qu ớ ế ả đánh giá cũng như quá trình

hoạt động c a b t kủ ấ ỳ m t thi t b nào Thi t b hoộ ế ị ế ị ạt động trong phòng thí nghiệm

ph n nào gi m thiầ ả ểu được nh ng ữ ảnh hưởng này, thi t b ph i hoế ị ả ạt động bên ngoài môi trường thì nh ng ữ ảnh hưởng là rất đáng ngại Vì th i v i các thi t b quan tr c ế đố ớ ế ị ắmôi trường nói chung và thi t b quan tr c phóng x ế ị ắ ạ môi trường nói riêng người ta

c n có nh ng bi n pháp k ầ ữ ệ ỹthuật để ảm thiể gi u nh ng ữ ảnh hưởng này Trong các yếu

t ố môi trường, nhiệt độ có ảnh hưởng m nh m nh t lên các thi t b quan tr c phóng ạ ẽ ấ ế ị ắ

x , nhiạ ệt độ ngây lên s trôi ph b c x làm thi u chính xác trong các phép phân ự ổ ứ ạ ếtích, đánh giá suấ ềt li u, nh n diậ ện đồng v phóng x ị ạ

Hình 1 10: Quátrình xử lý xung tín hiệu trước khi đưa vào bộ biến đổi ADC

Sự trôi phổ hạt nhân biểu hiện dưới dạng các đỉnh năng lượng của một bức xạ nào đó không cố định tại vị trí đỉnh năng lượng chính xác của nó mà bị xê dịch sang các mức năng lượng bên cạnh Tiến trình xử lý và ghi nhận một tín hiệu bức xạ như sau:

- B c x ứ ạ đi vào đầu dò sinh ra m t tín hiộ ệu điệ ại đần t u ra c a ti n khuủ ề ếch đại Biên độ tín hi u này ph thu c vào mệ ụ ộ ức năng lượng b m t c a b c x ị ấ ủ ứ ạ ban đầu trong

đầu dò

- Xung tín hi u ệ được ki m tra có thể ỏa mãn điều kiện ngưỡng phân bi t b i b ệ ở ộphân biệt ngưỡng ay không Xung nào có biên độ ớn hơn mứ h l c phân biệt dưới và

nh ỏ hơn mức phân bi t trên s ệ ẽ được gi lữ ại và ửi tới bộg ADC (Hình 1.14)

- ADC s biẽ ến đổi xung tín hi u thành s ệ ố tương ứng với năng lượng c a s ki n ủ ự ệ(hay biên độ xung tín u mà s kihiệ ự ện đó tạo ra)

- S ố này được biến đổi thành địa ch ỉ và định v v trí trong b nh c a MCA, ị ị ộ ớ ủ

đồng th i s m n i dung c a ô nh ờ ố đế ộ ủ ớ ấy được c ng thêm 1 ộ

- Quá trình này đượ ặ ạc l p l i nhi u lề ần đến khi k t thúc b nh c a ế ộ ớ ủMCA ch a thông tin theo xác xuứ ất rơi vào các kênh của xung tùy thu c vào mộ ức năng lượng c a b c x ủ ứ ạ đó

Với một nguyên tố phóng xạ nó luôn phát ra những photon mang năng lượng nhất định (E0), khi đó chiều cao xung tín hiệu nhận được sẽ là ổn định Giả sử đỉnh xung này có biên độ A0(V) và được lưu tại vị trí thanh ghi bộ nhớ của MCA là M0, giá trị của M0 sẽ được cộng thêm một khi có một bức xạ đi vào Trên phổ hiển thị vị trí kênh thứ N0 sẽ hiển thị cho giá trị của M0 tương ứng với năng lượng E0 Nhưng khi biên độ xung bị thay đổi do yếu tố nào đó tác động thành các giá trị khác A, 0 (A-

2, A-1, A1, A2, …) giá trị ô nhớ M0 trong thanh ghi sẽ không được cộng thêm mà thay vào đó là các ô nhớ lân cận (M-2 tương ứng A-2, M-1 tương ứng A-1, M1 tương ứng A1,

M2 tương ứng A2,…) Và thay bằng kênh thứ N0 thì các kênh khác (N-2, hoặc N-1, hoặc N1, N2, …) sẽ tương ứng với mức năng lương E0 ban đầu Như vậy giá trị kênh

đã bị thay đổi khi biên độ tín hiệu thay đổi, hay nói cách khác là xảy ra sự trôi kênh phổ ghi nhận được với bức xạ mang năng lượng E0

M t s cách th c ộ ố ứ đã từng được nghiên c u và ng d ng cho thi t b quan trứ ứ ụ ế ị ắc phóng x ạ môi trường giúp gi m thiả ểu các tác động t nhiừ ệt độ như sử ụ d ng một ngu n chu n ho c LED chu n g n sồ ẩ ặ ẩ ắ ẵn trên đầu dò t o ra mạ ột đỉnh năng lượng nằm ngoài vùng cần đánh giá, sử ụ d ng xung sáng t mừ ột đèn LED giúp ổn định lượng photon đập vào photocathode, ho c n nhi t cho t t c h ặ ổ ệ ấ ả ệ đo

a Tạo một đỉnh năng lượng cố định

Với phương pháp này một nguồn bức xạ cường độ nhỏ, hoặc một đèn LED chuẩn được đưa vào bên trong đầu dò, phía trên mặt tinh thể nhấp nháy, tạo ra một đỉnh năng lượng nằm ngoài khu vực cần đánh giá như một đỉnh tham chiếu Đỉnh này được cố định tại một vị trí kênh N0 sao cho khi nhiệt độ thay đổi nó luôn luôn được giữ tại vị trí kênh N0 đó Để thực hiện quá trình kéo đỉnh phổ này về vị trí kênh

N0 một mạch khuếch đại số trong đó có IC biến đổi từ số sang tương tự được thêm vào Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm, mạch khuếch đại số sẽ giúp điều chỉnh tăng hoặc giảm biên độ xung thu được sau tiền khuếch đại và đỉnh sẽ được giữ cố định Ví dụ một nguồn 241Am rất nhỏ (<1000Bq) được gắn trong một đầu dò nhấp nháy Các hạt

α phát ra bởi 241Am gây ra nhấp nháy trong tinh thể được ghi nhận bằng ống nhân quang của đầu dò Đối với NaI(Tl), đỉnh α xuất hiện tại vị trí tương đương với tia gamma có năng lượng 3.81MeV (Hình 1.11) Năng lượng gamma tương đương (GEE - Gamma Equivalent Energy) có thể điều chỉnh thông qua việc giới hạn mức năng lượng của các hạt alpha trước khi chúng đi vào chất nhấp nháy Các vị trí của đỉnh gamma tương đương được sử dụng như một vị trí tham chiếu cố định để bù đắp các thay đổi trên đầu dò theo nhiệt độ Ngoài ra việc ổn đỉnh phổ cũng có thể đạt được ở mức năng lượng thấp khi sử dụng nguồn 241Am với năng lượng 59,5keV hoặc với một nguồn 137Cs cung cấp một năng lượng ở đỉnh 662 keV…

Hình 1 11: Sử dụng nguồn 241Am ổn định phổ cho đầu dò nhấp nháy [13]

b Sử dụng xung sáng từ một đèn LED [12] [13]

Phương pháp này sử dụng một đèn LED chuẩn để cung cấp một nguồn sáng phụ tới photocathode của ống nhân quang (Hình 1.12) Nguồn photon phát ra từ LED tạo ra một xung tín hiệu (Hình 1.13), xung LED có dạng một xung vuông, tín hiệu xung bức xạ sẽ cộng trên đỉnh của xung vuông Biên độ xung thu được sẽ là tổng của biên độ xung từ đèn LED và xung của tín hiệu bức xạ gây ra, vậy chỉ cần thay đổi biên độ xung từ LED theo nhiệt độ, sẽ giúp ổn định được biên độ xung tín hiệu sau tiền khuếch đại, qua đó giúp phổ được ổn định

Hình 1 12: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung sáng từ LED [12]

(LP: Khối tạo xung LED sơ đồ hình bên phải ( ), LG: Ống dẫn sáng, HV: Cao

áp, PMT: Ống nhân quang, PA: Tiền khuếch đại, LA: Khuếch đại chính, MCA:

Phân tích đa kênh)

Hình 1 13: Xung tín hiệu kết hợp khi sử dụng LEDNguồn sáng LED được nuôi qua điện thế Vb, xung điều khiển cung cấp từ một mạch đa hài, điều khiển công tắc đóng ngắt dòng Dòng điện đi qua đèn LED phụ thuộc vào giá trị Vc và giá trị điện trở R Bằng cách cố định giá trị Vc, giá trị dòng điện qua LED sẽ thay đổi theo R (một nhiệt điện trở) khi nhiệt độ môi trường thay đổi, cường độ sáng của đèn LED sẽ thay đổi, qua đó cung cấp vào tổng lượng nháysáng tới đập vào photocahode

Giả sử quan hệ giữa trở kháng và nhiệt độ là tuyến tính ta có phương trình 1.1:

Với k là hệ số nhiệt độ của điện trở, bằng cách lựa chọn nhiệt điện trở có k<0 (nhiệt điện trở nghịch) điện trở của nó sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Qua đó tăng cường

độ dòng điện qua LED, hiều cao xun từ đèn LED sẽ thay đổi, giúp ổ định phổ bức c g n

xạ trước tác động từ nhiệt độ môi trường bên ngoài

Hai phương pháp trên có cùng ưu điểm không những giúp ổn định được phổ bức xạ theo nhiệt độ môi trường mà còn ổn định cho phổ theo thời gian Đặc tính của chất nhấp nháy là các tinh thể nhấp nháy bị già hóa theo thời gian, (thời gian sử dụng càng lâu khả năng ghi nhân bức xạ càng giảm) khi liên tục họat động trong môi trường có cường độ bức xạ cao thì sự già hóa càng xảy ra nhanh Bản thân ống nhân quang cũng bị lão hóa khi sử dụng Làm cho khả năng ghi nhận bức xạ bị suy giảm Hai phương pháp có thể ổn định đầu dò nhấp nháy theo thời gian là do luôn có kênh xác định để tham chiếu hoặc ổn định được lượng photon đập vào photocathode Nhược điểm ở hai phương pháp trên là đều đóng góp vào phổ bức xạ một mức phông nền nhất định nào đó

Ngoài hai phương pháp trên, một số hệ quan trắc còn loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ phân tích bằng cách sử dụng các chất cách nhiệt bao bọc toàn bộ hệ bao gồm đầu dò, khối khuếch đại, MCA và sử dụng một bộ điều khiển nhiệt độ luôn giữ cho nhiệt độ bên trong của hệ ổn định Ưu điểm của phương pháp này là tương đối đơn giản so với các phương pháp khác, không đóng góp bức xạ vào phổ ghi nhận Nhược điểm của phương pháp là thiết bị trở lên cồng kềnh, tổn hao năng lượng

và không ổn định được phổ theo thời gian

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞ NG C A NHI Ủ ỆT ĐỘ LÊN THI T B QUAN TR C Ế Ị Ắ

Thiế ịt b quan tr c phóng x bắ ạ ụi khí môi trường hoạt động theo phương thứ ấc l y

mẫu và đo đạc phân tích ngay t i v trí quan tr c, ạ ị ắ do đó tác động t ừ môi trường là không th tránh kh Ngoài ra, thi t b s dể ỏi ế ị ử ụng đầu dò nh p nháy, m t loấ ộ ại đầu dò được dùng ph bi n cho các phép phân tích phóng x ổ ế ạ môi trường nhưng lại có nhược điểm ph b c x ch u ổ ứ ạ ị ảnh hưởng l n t nhiớ ừ ệt độ Trôi ph b c x theo nhiổ ứ ạ ệt độ ẫ d n

t i sai l trong các k t qu c a thi t b ớ ệch ế ả đo ủ ế ị như đánh giá su t liấ ều, xác định ng v đồ ịphóng x trong l p b i N i dung cạ ớ ụ ộ ủa chương là nh m ằ đánh gi ảnh hưởá ng c a nhiủ ệt

độ lên mộ ốt s thành ph n ầ chính a thi t b bao g m ch t nh p nháy, ng nhân củ ế ị ồ ấ ấ ốquang, và các linh kiện điệ ửn t

Nguyên lý nháy sáng của chất nhấp nháy được giải thích thông qua các mức năng lượng trong cấu trúc tinh thể (giản đồ mức năng lượng Fermi) Khi bức xạ đi vào trong tinh thể sẽ kích thích điện tử và nâng nó từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Tuy nhiên bản chất tự nhiên các điện tử sẽ không ở vùng kích thích lâu, chúng chuyển động loanh quanh trong vùng dẫn, khi đến đáy vùng dẫn thoát khỏi trạng thái kích thích bằng cách rơi xuống vùng hóa trị, phát ra một photon ánh sáng

Các nghiên cứu đã chỉ ra iệt độ của môi trường gây ảnh hưởng tới hai đặc nhtính của chất nhấp nháy là hiệu suất nhấp nháy và thời gian trễ Chúng là những hàm

phụ thuộc theo nhiệt độ [4][6][7] Hiệu suất nhấp nháy đặc trưng cho lượng photon nháy sáng phát ra từ chất nhấp nháy khi có photon bức xạ đi vào, ảnh hưởng trực tiếp tới chiều cao xung tín hiệu và được đóng góp bởi 2 thành phần là thành phần ánh sáng tức thì (thời gian phân rã khoảng 230ns) và thành phần ánh sáng trễ (kéo dài trong vài µs) Tại nhiệt độ phòng thành phần ánh trễ gần như không đáng kể , (tuy nhiên nó đóng góp tới 40% lượng ánh sáng đầu ra tại nhiệt độ -200C), sự kết hợp của hai thành phần này rất phức tạp, gây nên những đặc tính riêng cho đầu dò Hai phương trình sau sẽ cho thấy rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ và hai đặc tính trên

Phương trình hiệu suất phát xạ photon của quá trình nhấp nháy cho bởi công thức [7]:

Với: Q: Hiêu suất phát xạ nhấp nháy (%)

f(T): Hàm đặc tính theo nhiệt độ để đơn giản thường được lấy = ( 1)

kf: Xác suất chuyển hóa thành photon khi electron kích thích chuyển về trạng thái bền

kq: Xác suất dập tắt photon khi electron kích thích chuy n v ể ề ạtr ng thái

b n (không phát x photon) ề ạ

Wq: Năng lượng kích ho ừạt t vùng b n lên vùng phát x (eV) ề ạ

k: Hằng s Boltzmann (8,617(15).10ố -5(eV/K)

T: Nh ệ ội t đ (0K)

Phương trình thời gian phát x photon c a ch t nh p nháy cho b i công th c: ạ ủ ấ ấ ở ứ

V ới: : Thời gian phân rã huỳnh quang (ns)

kf: X sác uất chuyển hóa thành photon khi electron kích thích chuyển về trạng thái bền

Wf: Năng lượng kích từ vùng phát xạ lên vùng bị dập tắt (eV)

k: Hằng số Boltzmann

T: Nhiệt độ (0K)

Hai phương trình 2.1 và 2.2 u có th a s nhiđề ừ ố ệt độ T, v toán h c m i quan h ề ọ ố ệ

Q – T và τ – T là m i quan h ngh ch bi n do v y k t lu n r ng ố ệ ị ế ậ ế ậ ằ hiệu suất phát xạ photon và thời gian phát xạ photon trong hợp chất nhấp nháy đều tỷ lệ nghịch với

= kf

(2.2)

nhiệt độ, giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại (Hình 2.2, 2.3) Riêng với hiệu suất nháy sáng khi giảm tới T < Tmin quá trình không còn nghịch biến, tuy nhiên Tmin rất nhỏ nên không cần quan tâm trong phép đo môi trường [7]

Hình 2 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất nháy sáng của một số loại đầu dò [4]

Hình 2 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chiều cao xung của đầu dò NaI [7] Qua hình 2.1 ta thấy, chất nhấp nháy NaI có mức độ phụ thuộc của hiệu suất phát xạ photon vào nhiệt độ tương đối lớn so với các loại chất nhấp nháy khác BGO

là chất nhấp nháy bị ảnh hưởng nhiều nhất trong khi BF2 bị ảnh hưởng ít nhất Có thể

dễ dàng xác định thông qua hình 2.2, nếu lấy mốc chiều cao xung là tín hiệu nhận được tại 200C thì khi thay đổi 200C chiều cao xung tín hiệu nhận được giảm 5% trên đầu dò nhấp nháy (tinh thể hình trụ 2’x12’ tương đương 5,8cm x 30,48cm) Điều này tác động rất lớn lên kết quả phân tích thu được nếu không được xử lý

Hình 2 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên thời gian phát photon của đầu dò NaI [7]Trong khi đó, hình 2.3 thể hiện sự phụ thuộc của tốc độ phát xạ photon với các chế độ làm việc khác nhau của đầu dò vào nhiệt độ Trong miền nhiệt độ môi trường từ 00C đến 500C sự thay đổi cỡ 150ns Tuy nhiên, tốc độ biến đổi của khôi MCA là 7µs do đó sự thay đổi này không có tác động rõ ràng lên phổ bức xạ nói chung

Ống nhân quang điện gồm một ống hình trụ chân không, photocathode lối ởvào, anode ở lối ra, các chân dynode (Hình 2.4) Một đầu của ống nhân quang phẳng

để gắn tốt với chất nhấp nháy hoặc ống dẫn quang, mặt phía trong là photocathode

khi ánh sáng đập vào photocathode thì các điện tử được bật ra Photocathode làm từ các vật liệu dễ giải phóng điện tử ó độ nhạy cao trong vùng ánh sáng khoảng 440nmc

 40nm, ví dụ cho loại S11 có hiệu suất 10% có nghĩa rằng 10 photon đập vào Photocathode thì bật ra được một điện tử

Hình 2 4: Sơ đồ ống nhân quangKhi điện tử bắn ra khỏi photocathode gặp lưới hội tụ, điện thế của lưới hội tụ khoảng 100V dương so với photocathode nên điện tử được gia tốc và hướng đến dynode đầu tiên có điện thế dương hơn lưới hội tụ khoảng 100V, một điện tử bắn vào dynode được bổ sung năng lượng khoảng 200eV Dynode làm bằng vật liệu đặc biệt

có công suất thoát điện tử cao, cứ một điện tử sơ cấp đập vào làm thoát 3 hay 4 điện

tử thứ cấp Điện tử thứ cấp lại được hội tụ, gia tốc hướng đến dynod thứ hai, quá e trình nhân điện tử này tiếp tục cho đến dynode cuối cùng tạo ra một tín hiệu điện tạianode

Các nghiên cứu chỉ ra hiệt độ ảnh hưởng tới một số đặc tính của ống nhân nquang là độ nhạy cường độ dòng tối, và hệ số nhân [4] Mức độ chịu ảnh hưởng của

c ác đặc tính trên theo nhiệt độ lại phụ thuộc vào từng loại ống nhân quang (các chất cấu thành, cấu hình vật lý, kích thước…) do đó ảnh hưởng của nhiệt độ theo đó mà khác nhau với từng loại

Độ nhạy được định nghĩa là dòng quang điện tạo bởi photocathode trên thông lượng ánh sáng tại một bước sóng nhất định Đặc trưng nhiệt độ của độ nhạy phụ thuộc nhiều vào bước sóng tới Đầu dò NaI sử dụng trên thiết bị có cấu tạo photocathode bằng SbKCs (Bialkali cathode), hợp chất có tính ổn định nhiệt độ cao

Độ nhạy của hợp chất này phụ thuộc tương đối ít vào nhiệt độ tại vùng bước sóng từ 400nm đến 500nm (vùng nháy sáng của chất nhấp nháy NaI) (Hình 2.5) Theo các đánh giá trong khoảng nhiệt độ từ -200C đến 200C và 200C đến 600C độ nhạy của nó thay đổi không quá 0.15%/0C [4]

Hình 2 5: Sự thay đổi độ nhạy của hợp chất SbKCs theo bước sóng tới [4] Khi xét trên một dải rộng bước sóng độ nhạy của photoncathode thay đổi từ , một giá trị âm đến một giá trị dương khi tiến dần đến giới hạn bước sóng của photocathode (Hình 2.6) ][7]) [4

Hình 2 6 S ph thu: ự ụ ộc nhiệt độ của độ nhạy của photocathode vào bước sóng

Nhiệt độ gây nên dòng tối do hiện tượng bức xạ nhiệt điện tử (cả trên dynode

và photocathode) tạo ra một dòng tối chung trên anode của ống nhân quang)[8] Dòng tối được định nghĩa là một lượng nhỏ của dòng điện chạy trong ống nhân quang ngay cả khi ống hoạt động ở trạng thái hoàn toàn tối (không có bức xạ) Và lý tưởng nên được giữ càng nhỏ càng tốt bởi ống nhân quang được sử dụng để phát hiện một lượng nhỏ dòng điện từ các nháy sáng

Có nhiều nguyên nhân gây ra dòng tối, ở đây ta chỉ xét nguyên nhân phát nhiệt điện tử từ photocathode và dynode Các photocathode và dynode được cấu tạo bởi các vật liệu dễ dàng bứt electron ra ngoài chúng rất dễ gây phát sinh những eletron , nhiệt ngay tại nhiệt độ phòng

Hiệu ứng bức xạ nhiệt điện tử có thể hiểu rõ hơn thông qua công thức được W Richrdson nghiên cứu và đưa ra như sau:

Trong đó: Is: Dòng tối (A)

tron ψ: Công thoát của elece: Điện tích electronk: Hằng số BoltzmannA: Hằng số phụ thuộcT: Nhiệt độ tuyệt đốiMối quan hệ giữa Is và T là đồng biến trong phương trình 2.3 Nhiệt độ tăng đồng ghĩa với cường độ dòng tối tăng, ngược lại nhiệt độ giảm cường động dòng tối ncũng giảm ậy dòng tối tăng theo chiều tăng của nhiệt độ Đóng góp của dòng tốiV sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, giảm độ phân giải, tăng mức phông nhưng gần như không ảnh hưởng tới sự trôi kênh phổ sau quá trình xử lý Hình 2.7 thể hiện dòng tối của một số loại đầu dò trong đó các đầu dò có photocathode làm bằng hợp chất biakali có mức đóng góp của dòng tối là nhỏ nhất cỡ 10-11 đến 10-9 (A)

Is = AT5/4 e(-eΨ/KT) (2.3)