Nghiên cứu đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế Gamma dùng Detector HPGe GEM 15p4

Nghiên cứu đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế Gamma dùng Detector HPGe GEM 15p4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM NGUYỄN THÀNH VINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học TS. VÕ XUÂN ÂN TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 THƯ VIỆN LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: TS. Võ Xuân Ân, người hướng dẫn khoa học, và TS. Trần Văn Luyến, những người thầy đã đã định hướng, chỉ bảo và tạo cho tôi lòng tự tin trong thời gian thực hiện luận văn, truyền cho tôi sự say mê nghiên cứu khoa học, trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt tôi thực hiện những thao tác thí nghiệm. PGS.TSKH Lê Văn Hoàng, TS. Nguyễn Văn Hoa, TS. Nguyễn Mạnh Hùng, những người thầy đã luôn bên cạnh và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn. TS. Thái Khắc Định, người đã bỏ nhiều công sức cho dự án Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân. Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập và nghiên cứu của tôi. Quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân và Khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất; bạn Trịnh Hoài Vinh và bạn Hoàng Bá Kim đã cho tôi những lời đóng góp, đồng thời luôn bên cạnh giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ADC Khối biến đổi tương tự - số Analog – to – digital converter BS Đỉnh tán xạ ngược Back scattering CE Mép Compton Compton Edge DE Đỉnh thoát đôi Double escape ĐHKHTN Tp.HCM Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ĐHSP Tp.HCM Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh FWFM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/50 chiều cao cực đại Full width at fiftieth maximum FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/2 chiều cao cực đại Full width at haft maximum FWTM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/10 chiều cao cực đại Full width at tenth maximum HPGe High Purity Germanium LEGe Low Energy Germanium MCA Máy phân tích biên độ đa kênh Multi channel analysis P/C Tỷ số đỉnh/Compton Peak/Compton PTN Phòng thí nghiệm REGe Reverse Electrode Coaxial Germanium SE Đỉnh thoát đơn Single escape TTHN Tp.HCM Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh ULEGe Ultra Low Energy Germanium VLHN Vật lý hạt nhân MỞ ĐẦU Các kỹ thuật ghi đo bức xạ đã được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượng phóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896. Sự ra đời của detector bán dẫn như detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) và detector silicon (Si) trong những năm 1960 đã cách mạng hóa lĩnh vực đo phổ gamma. Kỹ thuật đo phổ gamma đã trở thành công nghệ tiên tiến trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng như đo hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên, sử dụng trong phép phân tích kích hoạt để đo các đồng vị không có tính phóng xạ hoặc trong phương pháp huỳnh quang tia X với độ chính xác rất cao. Hiện nay ước tính có hơn 10000 detector bán dẫn đang được vận hành trên toàn thế giới [4]. Hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe đã được ứng dụng rộng rãi trong việc đo đạc các nguồn phóng xạ với khoảng năng lượng trải dài từ vài keV đến hàng MeV. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo detector HPGe với nhiều cấu hình khác nhau như detector Ge có năng lượng cực thấp ULEGe, detector Ge có năng lượng thấp LEGe, detector Ge đồng trục điện cực ngược REGe, detector đồng trục Coaxial Ge hoặc detector Ge dạng giếng Well. Ở Việt Nam, từ lâu nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như: Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, TTHN Tp.HCM cũng như Trường ĐHKHTN Tp.HCM đã được trang bị các hệ phổ kế gamma loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp [9]. Những công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ phổ kế này thường tập trung vào các vấn đề như: nghiên cứu về khả năng che chắn của buồng chì [10]; nghiên cứu về hàm đáp ứng của detector, đánh giá các đặc trưng của phổ gamma đo được như độ phân giải, giới hạn phát hiện, phông nền tự nhiên, miền liên tục của phổ, tỷ số P/C, tỷ số P/T [1], [8], [9], [10], [12]; nghiên cứu về tối ưu hóa phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp [10], [22]; nghiên cứu về hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu suất ghi theo năng lượng, theo khoảng cách [13], [14], [15], [26]. Việc nghiên cứu đánh giá tổng quát các thông số kỹ thuật của hệ phổ kế là một việc làm thường quy được tất cả các phòng thí nghiệm có trang bị hệ phổ kế gamma thực hiện. Năm 2007, Bộ môn VLHN thuộc Khoa Vật lý, Trường ĐHSP Tp.HCM đã xây dựng dự án trang bị cho PTN VLHN một hệ đo gamma phông thấp sử dụng detector HPGe. Nhằm mục đích theo dõi và sử dụng hiệu quả hệ phổ kế, các thông số kỹ thuật của hệ phổ kế cần được nghiên cứu và đánh giá một cách có hệ thống. Kết quả này được coi là cơ sở cho việc theo dõi quá trình hoạt động của hệ phổ kế sau này. Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài này với mục tiêu là chuẩn hóa hệ đo, đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu phổ gamma ban đầu cho hệ phổ kế dựa trên bộ nguồn chuẩn có sẵn của PTN. Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu của PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM, đó là bộ thông số kỹ thuật đánh giá khảo sát trực tiếp ban đầu khi đưa hệ phổ kế gamma mới được trang bị vào hoạt động. Kết quả này là dữ liệu tham khảo có giá trị cho quá trình sử dụng và nghiên cứu trên hệ phổ kế sau này. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe GEM 15P4 của hãng Ortec, Inc. đặt tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM và bộ nguồn chuẩn RSS – 8EU với các nguồn chuẩn điểm 133 Ba, 109 Cd, 57 Co, 60 Co, 54 Mn, 22 Na và 65 Zn. Phương pháp nghiên cứu của đề tài là thực nghiệm đánh giá khảo sát trên hệ phổ kế gamma hiện có. Nội dung của luận văn gồm có ba chương: Chương 1 là phần tổng quan, trình bày những tiến bộ trong quá trình phát triển detector ghi đo bức xạ tia X và tia gamma, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn HPGe, cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài cũng như giới thiệu tổng quan về hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM. Chương 2 là phần thực nghiệm xác định các thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma như: đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế; phân tích các đặc trưng của phổ gamma (dạng đỉnh, đỉnh năng lượng toàn phần, mép tán xạ Compton, đỉnh tán xạ ngược, đỉnh thoát đơn, thoát đôi, tỷ số P/C); khảo sát hiện tượng trôi kênh theo thời gian; xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector tại các khoảng cách 5 cm, 10 cm và 15 cm kể từ nguồn đến detector; xác định giới hạn phát hiện của detector đối với một số đỉnh năng lượng cần quan tâm. Chương 3 là phần kết luận trình bày các nhận định, tổng kết đánh giá kết quả đã đạt được của luận văn đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo của luận văn. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Những tiến bộ trong lĩnh vực chế tạo detector ghi đo bức xạ Các detector ghi bức xạ tia X và tia gamma thế hệ đầu tiên chỉ có thể xác định được sự có mặt hoặc cường độ của các chùm bức xạ này. Hiện nay, các detector tiên tiến đã giúp các nhà khoa học giải quyết được những vấn đề nảy sinh trong VLHN nhờ vào những đặc trưng quan trọng của tia X và tia gamma dựa trên phổ ghi nhận được. Sau đây là bức tranh tổng thể nêu lên những sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển và ứng dụng detector ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma. Năm 1985, Roentgen đã tình cờ phát hiện ra tia X thông qua sự phát quang của một số vật liệu nằm cách xa ống phóng điện chứa khí. Từ đó, các phép đo tia X đã được thực hiện dựa vào các detector sơ khai sử dụng phương pháp phát huỳnh quang, buồng ion hóa chứa khí. Việc nghiên cứu các đặc trưng của tia X được phát triển nhờ vào phương pháp nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể tinh khiết của nhà khoa học Bragg. Năm 1896, hiện tượng phóng xạ tự nhiên đã được Becquerel phát hiện ra. Đến năm 1900, Villard đã quan sát được trong các thành phần bức xạ của các nhân phóng xạ tự nhiên có một loại bức xạ mới có khả năng đâm xuyên rất mạnh và không bị lệch trong điện trường và từ trường như các tia  ,  . Đó chính là bức xạ điện từ bước sóng rất ngắn hay còn gọi là bức xạ gamma. Năm 1908, Rutherford và Geiger đã chế tạo ra ống đếm chứa khí giúp người sử dụng phát hiện được sự tồn tại của bức xạ tia X hoặc tia gamma một cách tức thời, đồng thời cho phép người sử dụng xác định định lượng những đặc tính của các bức xạ đó. Đây là một bước tiến nhảy vọt so với kỹ thuật xử lý bằng kính ảnh trước đây. Các loại ống đếm tỷ lệ có khả năng đo cường độ của chùm bức xạ tia X và tia gamma quan tâm nhưng không xác định được năng lượng của các chùm bức xạ đó. Năm 1948, Hofstadter đã chế tạo detector nhấp nháy NaI (Tl) có khả năng đo được phổ gamma với dải năng lượng rộng hơn so với các detector trước đó. Kích thước tinh thể nhấp nháy đã được cải tiến không ngừng giúp detector nhấp nháy có khả năng hấp thụ bức xạ năng lượng cao, thậm chí lên đến 1 MeV. Đặc trưng cơ bản của detector nhấp nháy là độ phân giải tương đối cao (FWHM tại vạch năng lượng 661,6 keV của đồng vị phóng xạ 137 Cs là 45 keV vào cỡ 7%), tinh thể nhấp nháy có đặc tính vật lý và đặc tính hóa học ổn định, hiệu suất tương đối cao. Độ phân giải năng lượng cao của detector nhấp nháy cho phép người sử dụng phân biệt các vạch năng lượng riêng lẻ ứng với đỉnh năng lượng toàn phần của các bức xạ gamma khác nhau. Nửa đầu thập kỷ 60 của thế kỷ trước, một thế hệ phổ kế gamma mới được nghiên cứu và phát triển theo cơ chế nhiễu xạ của chùm tia gamma trên tinh thể của Bragg gọi là phổ kế nhiễu xạ tinh thể. Ưu điểm của loại phổ kế này là độ phân giải rất cao, đặc biệt là trong vùng năng lượng thấp (FWHM tại vạch năng lượng 100 keV vào cỡ 1 eV). Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của loại phổ kế này là hiệu suất ghi rất thấp. Do đó, hệ phổ kế loại này chỉ được dùng để đo một số nguồn phóng xạ có cường độ lớn, đồng thời được sử dụng để chuẩn hóa các hệ đo phổ kế gamma khác nhờ vào độ chính xác cao. Năm 1926, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công detector bán dẫn Ge(Li). Công trình này mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo detector ghi đo bức xạ tia X, tia gamma cũng như phát hiện các hạt mang điện khác. Để nâng cao hiệu suất ghi nhận tín hiệu đầu vào, các detector loại này cần phải được chế tạo dưới dạng đơn tinh thể với vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, việc chế tạo detector bán dẫn đơn tinh thể là một việc làm khó khăn nên chỉ một số ít vật liệu bán dẫn như Si và Ge mới có thể được sử dụng để chế tạo detector bán dẫn kích thước lớn với độ phân giải cao. Các detector bán dẫn sử dụng vật liệu bán dẫn Ge cho phép đo được một dải năng lượng rộng, trong khi detector bán dẫn sử dụng Si chỉ có thể đo được ở vùng năng lượng thấp vì nguyên tử số của Si thấp. Ưu điểm nổi bật của detector bán dẫn là độ phân giải rất cao so với các thế hệ detector trước đây (FWHM tại vạch năng lượng 1332,5 keV của đồng vị 60 Co là cỡ 2 keV, cao gấp mười lần so với detector nhấp nháy NaI(Tl)) [25]. Việc nâng cao độ phân giải có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo phổ kế gamma để phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng, cho phép người sử dụng xác định được hầu hết các nhóm bức xạ gamma đơn năng có mặt trong phổ. Vào những năm 1980, detector bán dẫn sử dụng Ge siêu tinh khiết đã được chế tạo nhằm khắc phục khuyết điểm lớn nhất của các loại detector bán dẫn trước đó như Ge(Li) là cần phải giữ lạnh ở nhiệt độ của nitơ lỏng. Loại detector bán dẫn này có thể di chuyển và bảo quản ở nhiệt độ phòng khi không sử dụng. Detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết có hiệu suất ghi và độ phân giải tốt hơn so với detector Ge(Li) (FWHM tại vạch năng lượng 1332,5 keV của đồng vị 60 Co thường nhỏ hơn 2 keV), phổ gamma thu được cho khả năng phân tích tốt hơn. Hiện nay, detector HPGe ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo hoạt độ các mẫu phóng xạ. Sự xuất hiện của các thế hệ detector bán dẫn đã dần dần thay thế các loại detector nhấp nháy và các loại khác ra đời trước đó. Ngày nay, người sử dụng không cần quan tâm nhiều đến độ phân giải của detector ghi đo bức xạ mà cần tập trung cải thiện hệ thống điện tử sao cho tín hiệu đầu ra là tối ưu, nâng cao hiệu suất ghi của detector bằng cách chế tạo các đơn tinh thể bán dẫn lớn hơn hoặc lựa chọn hình học đo giữa nguồn và detector thích hợp [1], [25]. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, việc nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với những nghiên cứu lý thuyết sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo trên hệ phổ kế gamma phông thấp là tương đối nhiều. TS. Trần Văn Luyến đã nghiên cứu về hệ phổ kế gamma, các đặc trưng của hệ phổ kế và ứng dụng hệ phổ kế vào việc nghiên cứu nền phông phóng xạ môi trường cho vùng Nam bộ Việt Nam [10]. Các tác giả Trần Thiện Thanh, Võ Thị Ngọc Thơ đã nghiên cứu về hiện tượng trùng phùng tổng trong phổ gamma của các nguồn đa năng [14], [15]. Các tác giả đã xây dựng được chương trình hiệu chỉnh trùng phùng tổng dựa vào phương pháp tỷ số theo khoảng cách và phương pháp ma trận. Nhóm nghiên cứu Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân [5], [6], [7] ở Đại học Công nghiệp Tp.HCM và TTHN Tp.HCM đã nghiên cứu về phổ và tối ưu hiệu suất của hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe đặt tại TTHN Tp.HCM bằng chương trình MCNP4C2 có kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng. Nhóm nghiên cứu Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh [8], [11], [13] ở Bộ môn VLHN, Trường ĐHKHTN Tp.HCM sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP4C2 và MCNP5 để nghiên cứu chuẩn hiệu suất và đặc trưng đáp ứng của detector HPGe có tại PTN VLHN, Trường ĐHKHTN Tp.HCM. Năm 2009, luận án Tiến sĩ của tác giả Trương Thị Hồng Loan [9] đã thực hiện việc nghiên cứu nhiều bài toán hạt nhân, sử dụng kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng bằng chương trình MCNP: nghiên cứu hàm đáp ứng, hiệu chuẩn hiệu suất ghi hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe và khử miền liên tục phổ gamma sử dụng thuật toán giải cuộn ML-EM. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1986, Bikit và Veskovic đã nghiên cứu và xác định được chiều dài tối ưu của nguồn trụ dùng trong việc đo đạc hoạt độ của một số năng lượng gamma quan tâm [22]. Năm 1990, Moss và cộng sự đã đưa ra kết quả so sánh giữa hàm đáp ứng thực nghiệm và hàm đáp ứng tính toán bằng thuật toán Monte Carlo cho các nguồn chuẩn 65 Zn, 137 Cs và 113 Sn. Trong đó, các đặc trưng của phổ đã được phân tích và cho kết quả phù hợp khá tốt giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng [36]. Năm 1992, trong công trình [17] Aksoy đã sử dụng detector HPGe để tính toán hiệu suất ghi tuyệt đối cho các đỉnh năng lượng tương ứng từ 40 keV đến 1500 keV. Để đưa ra đường chuẩn hiệu suất, 14 nguồn chuẩn có chu kỳ bán rã lớn đã được sử dụng. Các nguồn này được đo với những khoảng cách từ nguồn đến detector khác nhau, sau đó các kết quả này được đem so sánh với nhau. Kết quả cho thấy, đối với khoảng cách nguồn – detector nhỏ cần thiết phải hiệu chỉnh trùng phùng tổng. Ngoài ra, đường chuẩn hiệu suất này còn giúp nội suy hiệu suất của những đỉnh năng lượng bất kỳ trong khoảng năng lượng từ 40 keV đến 1500 keV. Năm 2000, trong công trình [35], Mietelski và Meczynski đã đưa ra phương pháp sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định hoạt độ của đồng vị phóng xạ 90 Sr. Các tác giả đã sử dụng phổ bức xạ hãm được tạo ra bởi tương tác giữa chùm tia beta do nguồn 90 Sr phát ra và các chất liệu hấp thụ khác nhau bao gồm nhôm, sắt, đồng, chì. Kết quả thực nghiệm cho thấy giới hạn phát hiện khi sử dụng detector HPGe có hiệu suất tương đối 10% là 0,38 Bq. Năm 2002, Baglin đã khẳng định nguồn 66 Ga là một nguồn thích hợp cho việc chuẩn hóa detector ở những vùng năng lượng cao, có thể lên đến 4806 keV [21]. Trong những năm 2002 và 2005, các nhóm nghiên cứu Hardy, Karamanis, và El-Gharbawy đã công bố các công trình [26], [28], [30] về xây dựng đường cong hiệu suất cho detector HPGe đối với nguồn chuẩn điểm. Trong đó, quy trình chuẩn hiệu suất cho detector HPGe đã được đưa ra. Ngoài ra, một họ đường cong hiệu suất thực nghiệm cho một khoảng cách nguồn – detector xác định được dùng để trích xuất ra những đường cong hiệu suất tương ứng với các hình học đo khác (khoảng cách nguồn – detector có giá trị khác) bằng cách sử dụng phần mềm tính toán [26]. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng sử dụng chương trình MCNP4B và GEANT 3.21 cho thấy có sự phù hợp tốt giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm. Năm 2006, nhóm nghiên cứu Jutier đã tính toán được hoạt độ phóng xạ của nguyên tố phóng xạ hiếm 176 Lu sử dụng 22 đỉnh năng lượng trong phổ gamma ghi nhận được dưới lòng đất. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy 17 đỉnh là những đỉnh trùng phùng của 2 hay 3 tia gamma hoặc tia X. Mối tương quan trùng phùng tổng đã được thiết lập nhờ vào chương trình tính toán Coincal và Monte Carlo [29]. Năm 2006 và năm 2007, các công trình [18], [34] đã nghiên cứu về chuẩn hiệu suất cho các hình học đo khác nhau của detector HPGe đối với nguồn phóng xạ dạng đĩa bằng cách sử dụng detector điểm giả định. Sự tương quan giữa tốc độ đếm và khoảng cách từ mặt phẳng detector giả định đến bề mặt detector giúp nội suy và ngoại suy đường chuẩn hiệu suất cho nguồn đĩa ở những khoảng cách nguồn – detector khác nhau. Năm 2007, Mrđa và cộng sự đã nghiên cứu sự đóng góp của bức xạ hãm của đồng vị 210 Pb trong vật chất làm buồng chì che chắn phóng xạ vào phông phóng xạ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với hoạt độ phóng xạ riêng 25 Bq/kg của 210 Pb, bức xạ hãm có thể đóng góp đến 20% vào phông phóng xạ [23]. Năm 2009, trong công trình [16] nhóm nghiên cứu Asm đã đưa ra những thông số tối ưu hóa cho việc chế tạo hộp đựng mẫu Marinelli nhằm mục đích nâng cao hiệu suất ghi nhận cho detector HPGe. Việc nâng cao hiệu suất ghi nhận sẽ giúp cho quá trình đo đạc được rút ngắn hơn, từ đó có thể tiết kiệm được thời gian và nâng cao hiệu quả kinh tế. 1.3. Cơ sở vật lý tương tác của gamma với vật chất 1.3.1. Hiệu ứng quang điện Trong hiệu ứng hấp thụ quang điện, một lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo và hoàn toàn biến mất, khi đó toàn bộ năng lượng của gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là electron quang điện. Electron quang điện bay ra với động năng E e bằng đúng hiệu số giữa năng lượng của gamma tới E và năng lượng liên kết lk  của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. lke EE  (1.1) Trong đó: Klk  đối với lớp K, Llk  đối với lớp L và LK  . Theo hệ thức (1.1) thì năng lượng của tia gamma phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới có thể xảy ra. Những tia gamma có năng lượng vào khoảng vài trăm keV sẽ truyền phần lớn năng lượng của mình cho electron quang điện. Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do vì không thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng [4]. Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện cần có thêm một điều kiện nữa là các electron phải ở trạng thái liên kết với nguyên tử đồng thời năng lượng của tia gamma không quá lớn. Vì tia gamma năng lượng lớn sẽ coi các electron như những electron liên kết rất yếu, gần như là các electron tự do và hiện tượng quang điện không xảy ra. Hình 1.1. Cơ chế của hiện tượng quang điện Trong hiệu ứng quang điện, khi một electron quang điện bị bứt ra ngoài, nó sẽ tạo ra một lỗ trống tại lớp vỏ mà nó bứt ra. Lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi những electron tự do trong môi trường vật chất hoặc sự dịch chuyển của các electron ở những lớp ngoài của nguyên tử. Kèm với sự dịch chuyển của electron giữa hai lớp trong nguyên tử là việc phát ra tia X đặc trưng hay còn gọi là tia X huỳnh quang. Tia X đặc trưng này sẽ bị hấp thụ bởi những nguyên tử khác [...]... phát gamma có cường độ lớn hoặc đo trong một thời gian dài Hình 1.8 cho thấy một phổ gamma điển hình tương ứng với nguồn 60Co được ghi bởi detector HPGe Các đỉnh thoát đơn và thoát đôi không thể hiện rõ vì xác suất tạo cặp thấp 1173 keV 1332,5 keV 2500 keV Hình 1.8 Phổ gamma điển hình tương ứng với nguồn 60Co [38] 1.4 Hệ phổ kế gamma 1.4.1 Cấu trúc của hệ phổ kế gamma Sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma. .. trong một đĩa plexiglas với đường kính 25,4 mm và chiều cao 3 mm Bề dày cửa sổ kiểu nguồn này là 3,81 mm Mặt trên cùng của đĩa có dán một lớp decal chứa các thông tin về nguyên tố phóng xạ, hoạt độ, thời gian bán rã, ngày sản xuất, công ty sản xuất và cơ quan cấp chứng nhận nguồn Chương 2 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.5 Đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế gamma. .. 1.4.3.1 Detector HPGe GEM 15P4 Một số thông số kỹ thuật của detector [19]: + Hiệu suất tương đối 15% so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 3 inch x 3 inch + Độ phân giải năng lượng tại đỉnh 1332,5 keV của đồng vị 60Co là 1,80 keV + Tỷ số P/C tại đỉnh 1332,5 keV của đồng vị 60Co là 46:1 + Dải năng lượng cho phép 5 keV – 4 MeV Hình 1.15 Cấu trúc bên trong của detector HPGe [25] Phần chính của detector. .. THUẬT CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.5 Đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế gamma 1.5.1 Các thông số hệ điện tử 1.5.1.1 Các thông số vận hành của hệ điện tử Các thông số vận hành của amplifier, MCA và ADC của hệ phổ kế được trình bày trong bảng 2.1 Bảng 2.1 Thông số cơ bản của hệ điện tử Thông số Amplifier gain Giá trị 0,98 Coarse gain 20 Shaping 6 Gate Off Conversion Gain 8192 Lower level Disc 50 Upper... tiếp ngay sau detector Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu rất nhỏ từ detector mà vẫn đảm bảo mức "ồn" khả dĩ là nhỏ nhất Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của hệ phổ kế vì nó góp phần quyết định độ phân giải năng lượng của hệ phổ kế Với detector Ge dùng cho mục đích đo phổ gamma ta thường dùng loại khuếch đại nhạy điện tích Đặc điểm quan trọng của khối tiền... lắp ráp detector Detector được đặt trong một buồng chì để giảm phông gamma từ môi trường Hình 1.16 Mặt cắt dọc detector HPGe GEM 15P4 (đơn vị mm) [20] 1.4.3.2 Buồng chì Detector được đặt trong buồng chì nhằm mục đích che chắn, giảm phông phóng xạ do các vật liệu xung quanh và tia vũ trụ gây nên, từ đó cải thiện được kết quả phân tích phổ gamma Điều này rất quan trọng do mục đích của hệ phổ kế gamma tại... Compton của các đỉnh năng lượng cao của detector Đó là tỷ số chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần với chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy ở mép Compton) Tỷ số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo hoạt độ thấp và phổ gamma phức tạp Tỷ số này phụ thuộc vào thể tích của detector, các detector lớn có tỷ số P/C lớn vì phần đóng góp của tán xạ Compton vào đỉnh hấp thụ toàn phần lớn Tỷ số P/C... VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM Hệ phổ kế bao gồm: buồng chì, detector HPGe GEM 15P4, cao thế nuôi detector, khối tiền khuếch đại, khối khuếch đại tuyến tính, khối phân tích biên độ đa kênh (MCA), khối biến đổi tương tự – số (ADC) và lưu trữ dữ liệu, máy tính (PC) với phần mềm ghi nhận phổ Maestro – 32 Sơ đồ hệ phổ kế được trình bày tại phụ lục 1 Ngoài ra, để khảo sát những đặc trưng của detector, bộ nguồn chuẩn... được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1332,5 keV cho độ cao trung bình của nền Compton trong khoảng 1040 keV và 1096 keV Đối với detector HPGe, tỷ số P/C thông thường nằm trong khoảng 40:1 đến 60:1 ứng với đỉnh năng lượng 1332,5 keV 1.4.2.3 Dạng của đỉnh Dạng chi tiết của các đỉnh quan sát được trong phổ gamma là một thông số quan trọng nếu diện tích đỉnh cần được đo một cách chính xác Hầu hết sự... cấu hình của detector sẽ có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau Đối với detector đồng trục, có nhiều hàm làm khớp được đưa ra, phát triển và so sánh trong khoảng năng lượng từ 50 keV đến 8500 keV Các hàm thông dụng được làm khớp từ các số liệu đo đạc thực nghiệm thường chứa từ 3 đến 9 thông số Một số thông số có thể được bỏ qua nếu khoảng năng lượng bị giới hạn Những hàm có nhiều thông số hơn . là chuẩn hóa hệ đo, đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu phổ gamma ban đầu cho hệ phổ kế dựa trên bộ. một hệ đo gamma phông thấp sử dụng detector HPGe. Nhằm mục đích theo dõi và sử dụng hiệu quả hệ phổ kế, các thông số kỹ thuật của hệ phổ kế cần được nghiên