KHẢO sát các THÔNG số đặc TRƯNG BAN đầu của đầu dò HPGE GC3520

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.8 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG BAN ĐẦU CỦA ĐẦU DÒ HPGE GC3520 Trương Hữu Ngân Thy, Vũ Ngọc Ba, Huỳnh Thị Yến Hồng, Trương Thị Hồng Loan Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Email: thnthy@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Trong công trình này, thông số đặc trưng ban đầu đầu dò HPGe GC3520 phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân đánh giá Các giá trị có được so sánh với giá trị danh định nhà sản xuất nhằm kiểm tra chất lượng hệ phổ kế Bộ nguồn điểm chuẩn Eckert & Ziegler Ba133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 sử dụng để đo phổ gamma hệ phổ kế HPGe khoảng cách thay đổi 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm , cm cm so với mặt đầu dò giá đỡ mica Từ số liệu này, đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần, đường cong P/T theo khoảng cách nguồn – đầu dò khác xây dựng Từ khóa: đầu dò HPGe, hiệu suất đỉnh lượng toàn phần, P/T MỞ ĐẦU Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đầu tư hệ phổ kế gamma dùng đầu dò germanium siêu tinh khiết dạng đồng trục hãng Canberra vào tháng 12 năm 2013 Để đưa hệ phổ kế vào trình hoạt động, thông số đặc trưng ban đầu đầu dò HPGe GC3520 cần đánh giá Các giá trị so sánh với giá trị danh định nhà sản xuất [1] nhằm kiểm tra chất lượng hệ phổ kế Chúng sử dụng nguồn Co-60, Co-57 để tiến hành thực nghiệm Trong nhiều công trình nghiên cứu hiệu suất hỗ trợ cho việc phân tích định lượng hàm lượng phóng xạ mẫu phân tích nước ta nói riêng giới nói chung, cần hoàn thiện đường cong hiệu suất có lượng trải khoảng phân tích từ 50 keV đến 2000 keV Tuy nhiên phòng thí nghiệm nói chung thường không trang bị đầy đủ nguồn chuẩn với lượng khác khoảng khảo sát nên xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần thực nghiệm, người ta thường kết hợp sử dụng mô Monte Carlo [2, 3], hay sử dụng thuật toán làm khớp [4, 5] Ngoài có nhiều công trình nghiên cứu khảo sát đặc trưng đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần [6], sử dụng đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần hiệu chỉnh trùng phùng [7, 8] Do sau trình nghiệm thu hệ phổ kế gamma, tiến hành xây dựng số liệu đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần, đường cong P/T theo khoảng cách nguồn – đầu dò khác việc sử dụng tám nguồn chuẩn Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65 bố trí khoảng cách 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm, cm, cm so với mặt đầu dò giá đỡ mica Dựa vào số liệu ban đầu này, tiến hành nghiên cứu sau THỰC NGHIỆM Hệ phổ kế gamma sử dụng công trình thuộc phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên gồm phần sau: đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết HPGe loại đồng trục (coaxial), có kí hiệu GC3520 [1] gắn liền với tiền khuếch đại, thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch đại, biến đổi tương tự thành số khối phân tích đa kênh (ADC – MCA), đầu dò làm lạnh nitơ lỏng, buồng chì che chắn phông thấp 747 Phần đầu dò GC3520 tinh thể Ge siêu tinh khiết đường kính 62,2 mm, cao 50,1 mm Bên tinh thể có hốc trụ đường kính 7,5 mm, sâu 23 mm Bên lớp tiếp xúc loại n (lithium) khuếch tán dày 0,46 mm nuôi với điện cực dương Mặt hốc lớp tiếp xúc loại p (boron) có bề dày 3,10-3 mm nối điện cực âm Hệ phổ kế ghép nối với máy tính thông qua cổng cáp, việc ghi nhận xử lý phổ kế gamma thực phần mềm chuyên dụng Genie 2000 3.2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp ghi nhận tia gamma có lượng từ khoảng 40 keV – 10 MeV ISBN: 978-604-82-1375-6 155 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Máy tính PC Buồng chì phông thấp Lynx DSA Bình chứa nitơ làm lạnh Bộ lưu điện Hình Hệ phổ kế GC3520 phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân Bộ nguồn mà sử dụng công trình nguồn chuẩn Eckert & Ziegler Ba-133, Cd109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân với hoạt độ ban đầu µCi, hình Trong trình thực nghiệm khoảng cách khác nhau, nguồn đặt giá đỡ mica buồng chì giảm phông, hình Hình Bộ nguồn chuẩn Eckert & Ziegler Hình Cách bố trí thí nghiệm Sau thu nhận phổ gamma nguồn chuẩn ta tiến hành trừ phông trực tiếp Genie 2000 lấy diện tích tổng toàn phần KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để đánh giá giá trị thông số đặc trưng ban đầu đầu dò HPGe GC3520 so sánh với giá trị danh định nhà sản xuất, bố trí thí nghiệm theo yêu cầu nhà sản xuất, tức sử dụng đỉnh 122 keV phổ Co-57 đỉnh 1332,5 keV phổ Co-60, khảo sát khoảng cách 25 cm Hiệu suất tương đối tính theo tài liệu Germanium Detectors User’s Manual [9] nhà sản xuất:  N 1   100% T R s 1, 103 đó, N số đếm đỉnh 1332 keV, t thời gian đo (s), Rs hoạt độ nguồn thời điểm đo (Bq) Bảng Thông số đặc trưng ban đầu đầu dò HPGe GC3520 so sánh với giá trị danh định nhà sản xuất 122keV (Co-57) 1332keV (Co-60) Chứng nhận [1] Nghiệm thu Chứng nhận [1] Nghiệm thu FWHM (keV) 0,81 0,959 1,68 1,716 FWTM (keV) 1,48 1,77 3,09 3,27 72,6:1 71,8:1 40,7 37,8 Tỷ số P/C Hiệu suất tương đối (%) ISBN: 978-604-82-1375-6 156 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Kết cho thấy giá trị thông số đặc trưng so với giá trị chứng nhận nhà sản xuất đưa ra, chúng nằm ngưỡng chấp nhận mà nhà sản xuất đưa [1], hiệu suất tương đối ≥ 35 %, FWHM ≤ keV đỉnh 1332 keV Co-60, FWHM ≤ 1,2 keV đỉnh 122 keV Co-57, tỷ số P/C ≥ 56:1 Điều giải thích nhà sản xuất kiểm tra giá trị thông số đặc trưng môi trường hoạt động lý tưởng cho hệ phổ kế Việc chuẩn lượng cho hệ phổ kế thực phạm vi lượng từ 59,54 keV ÷ 2614 keV, sử dụng nguồn chuẩn Eckert & Ziegler Ba-133, Cs-137, Co-60, Co-57, Am-241, Zn-65, Mn-54, Na-22, Eu-154, Cd-109 đỉnh phóng xạ tự nhiên K-40, Tl-208, Bi-214 Dựa vào phổ nguồn chuẩn, xác định vị trí đỉnh ứng với lượng nguồn chuẩn, giá trị FWHM theo bảng Bảng Giá trị vị trí đỉnh, lượng, FWHM khảo sát nguồn chuẩn Đồng vị phóng xạ Kênh Năng lượng (keV) FWHM (keV) Am-241 665 59,54 0,89 Ba-133 903 80,99 0,95 Cd-109 983 88,03 0,90 Co-57 1361 122,06 0,98 Eu-154 2758 247,93 1,04 Ba-133 3371 302,67 1,14 Ba-133 3964 355,86 1,18 Eu-154 6582 591,74 1,25 Cs-137 7366 661,66 1,37 Eu-154 8045 723,30 1,37 Mn-54 9295 834,84 1,47 Eu-154 9711 873,19 1,46 Eu-154 11175 1004,73 1,58 Zn-65 12419 1115,52 1,63 Co-60 13059 1173,24 1,74 Na-22 14187 1274,54 1,75 Co-60 14831 1332,49 1,83 K-40 16258 1460,75 1,80 Bi-214 19636 1764,51 2,02 Bi-214 24527 2204,10 2,22 Tl-208 29092 2614,47 2,37 Từ kết bảng 2, khớp liệu lượng (E) theo số kênh (K) theo dạng bậc 2, thu đường chuẩn lượng: E  1010 K2  0,0899K  0,1502 ISBN: 978-604-82-1375-6 157 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 3000 Năng lượng (keV) 2500 2000 1500 1000 500 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Kênh Hình Đường chuẩn lượng hệ phổ kế Từ kết bảng 2, làm khớp liệu theo hàm phương trình bậc FWHM theo lượng E, thu đường chuẩn FWHM: FWHM  8.108 E2  0,0008E  0,8626 Việc xây dựng đường cong P/T cho hệ phổ kế thực phạm vi lượng từ 59,54 keV ÷ 2614 keV, sử dụng nguồn chuẩn đơn lượng Eckert & Ziegler Cs-137, Co-57, Cd-109, Zn-65, Mn-54, Am-241 Bảng Tỷ số P/T thực nghiệm theo khoảng cách E (keV) 25cm 20cm 15cm 10cm 5cm 0cm 59,56 0,633506 0,71924 0,590282 0,619962 0,633537 0,616889 88,06 0,578542 0,591237 0,607998 0,643372 0,685656 0,718112 122,09 0,507446 0,529584 0,560783 0,605318 0,646777 0,716384 661,6 0,192478 0,210883 0,226881 0,24377 0,256524 0,248508 834,88 0,16132 0,186673 0,200589 0,213346 0,227014 0,236039 1115,57 0,138286 0,152451 0,164779 0,175698 0,185862 0,197582 Từ kết bảng 3, làm khớp tỷ số P/T theo khoảng cách với dạng hàm y = ax + b ứng với mức lượng khác theo đồ thị hình xây dựng đường cong P/T theo lượng ứng với khoảng cách khác nhau, đồ thị hình ISBN: 978-604-82-1375-6 158 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 0.8 y = 0,0018x + 0,6134 R² = 0,1427 y = -0,0058x + 0,7101 R² = 0,9623 0.7 0.6 y = -0,0082x + 0,6973 R² = 0,968 Tỳ số P/T 0.5 0.4 y = -0,0025x + 0,2608 R² = 0,8912 0.3 y = -0,0029x + 0,2404 R² = 0,9737 y = -0,0023x + 0,1982 R² = 0,9969 0.2 0.1 0 10 15 20 25 Khoảng cách (cm) 59,56 88,06 122,09 661,6 834,88 1115,57 Linear (59,56) Linear (88,06) Linear (122,09) Linear (661,6) Linear (834,88) Linear (1115,57) Hình Đường làm khớp tỷ số P/T theo khoảng cách ứng với mức lượng Dựa vào đồ thị hình 5, ta thấy mức lượng 59,56 keV đường làm khớp có độ tương quan thấp, xác so với mức lượng lại 0.75 0.65 Tỷ số P/T 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15 100 200 300 400 25 cm 20 cm 15 cm 500 600 700 800 900 Năng lượng (keV) 10 cm cm cm Hình Đường cong P/T theo lượng ứng với khoảng cách khác Từ đồ thị hình 6, ta thấy dạng đường cong P/T theo lượng khoảng từ 200 keV đến 600 keV chưa xác định cụ thể, Điều phòng thí nghiệm thiếu nguồn chuẩn đơn lượng nằm khoảng Những liệu hiệu suất thiếu khoảng lượng 200 keV đến 600 keV đánh giá mô Monte Carlo cho hiệu suất nhóm tác già công trình ISBN: 978-604-82-1375-6 159 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Chuẩn hiệu suất thực với nguồn chuẩn Eckert & Ziegler Ba-133, Cs-137, Co-60, Co-57, Am-241, Zn-65, Mn-54, Na-22, Eu-154, Cd-109 Giá trị hiệu suất xác định từ phổ biên độ thu phần mềm Genie 2000 cho tất nguồn đồng vị, từ diện tích vùng đỉnh lượng quan tâm chia cho hoạt độ nguồn, thời gian đo tỷ số phân nhánh Nguồn chuẩn đặt giá đo vị trí cách bề mặt detector 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm, cm, cm 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Hiệu suất 3.00E-02 3.00E-03 3.00E-04 25 cm 20 cm Năng lượng 15 cm 10 cm cm cm Hình Đường cong hiệu suất thực nghiệm theo lượng ứng với khoảng cách khác Chúng ta thấy đường cong hiệu suất theo lượng thay đổi rõ thay đổi khoảng cách từ nguồn đến đầu dò Hiệu suất lớn khoảng cách gần Điều giải thích nguồn để xa đầu dò góc khối thu nhận xạ giảm hấp thụ xạ không khí đường Chú ý để nguồn gần đầu dò (các khoảng cách 10cm, 5cm, 0cm) giá trị hiệu suất bị thăng giáng mạnh lệch khỏi đường cong hiệu suất dự đoán nguồn đồng vị đa Điều giải thích đặt nguồn gần đầu dò hiệu ứng trùng phùng tổng xảy nhiều góc khối ghi nhận tia gamma đa phát từ nguồn nhiều Hiệu ứng xuất phát từ nguyên nhân sử dụng nguồn đồng vị đa lượng để chuẩn hiệu suất Do tia gamma phân rã nối tầng xảy khoảng thời gian ngắn thời gian phân giải hệ đo khiến hệ đo có xác suất ghi nhận gamma thành gamma có lượng tổng gamma thành phần Do hiệu suất gamma riêng lẽ có khả bị giảm (trùng phùng mất) số gamma ghi nhận thêm đóng góp tia gamma thành phần từ hiệu ứng trùng phùng thêm [7] Vấn đề hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế khảo sát tiếp tục nghiên cứu, đánh giá công trình KẾT LUẬN Trong báo này, sử dụng phương pháp thực nghiệm dùng nguồn chuẩn Eckert & Ziegler Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 khảo sát giá trị đặc trưng ban đầu đầu dò HPGe GC3520 so sánh kết với giá trị danh định nhà sản xuất Kết cho thấy hệ phổ kế gamma đạt tiêu chuẩn để nghiệm thu đưa vào hoạt động phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân Bên cạnh tiến hành khảo sát xây dựng đường chuẩn lượng, đường chuẩn FWHM, tỷ số P/T xây dựng đường làm khớp P/T theo khoảng cách ứng với mức lượng, đường cong P/T theo lượng khoảng cách khác thiếu liệu khoảng lượng 200 keV đến 600 keV Đường cong hiệu suất theo lượng ứng với khoảng cách khác xây dựng, từ thay đổi bất thường vị trí sát đầu dò, tiến hành hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng công trình nghiên cứu ISBN: 978-604-82-1375-6 160 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh cung cấp kinh phí đầu tư trang thiết bị cho dự án Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM nơi làm việc INITIAL INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS OF HPGE DETECTOR GC3520 Truong Huu Ngan Thy*, Vu Ngoc Ba, Huynh Thi Yen Hong, Truong Thi Hong Loan Nuclear Technique Laboratory, University of Science, VNU- HCM Email: thnthy@hcmus,edu,vn ABSTRACT In this work, the initial characteristics of HPGe detector GC3520 in the Nuclear Technique Laboratory were evaluated The values of them were compared with the nominal values from manufacturer in order to check the quality of the spectrometer Besides, the standard point sources of Eckert & Ziegler Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 at different distances of 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm, cm, cm from the top of the HPGe detector were measured to obtain the gamma spectra data From these data, full energy peak efficiency curves, and P/T curves according to the different distances of the source – detector were built Keyworks: HPGe detector, full energy peak efficiency, P/T TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Canbera, Detector specification and performance data, Canberra, (2012) [2] Trương Thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh Trần Thiện Thanh, Mô Monte Carlo đường cong hiệu suất đỉnh đầu dò HPGe hệ phổ kế gamma môi trường sử dụng chương trình MCNP4C2, Tạp chí phát triển khoa học & công nghệ, tập 10, số 05 (2007), trang 33–40 [3] I.O.B Ewa, D.Bodizs, Sz Czifrus, Zs Molnar, Monte Carlo determination of full energy peak efficiency for a HPGe detector, Applied Radiation and Isotopes 55 (2001) 103–108 [4] M.S Dias, V Cardoso, V.R Vanin, M.F Koskinas, Combination of nonlinear function and mixing method for fitting HPGe efficiency curve in the 59 – 2754 keV energy range, Applied Radiation and Isotopes 60 (2004) 683–687 [5] Ayman Ibrahim Hawari, Ronald F, Fleming, Martin A, Ludington, High accuracy determination of the relative full energy peak efficiency curve of a coaxial HPGe detector in the energy range 700 – 1300 keV, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 398 (1997) 276–286 [6] Mohsen B, Challan, Gamma-ray efficiency of a HPGe detector as a function of energy and geometry, Applied Radiation and Isotopes 82 (2013) 166–169 [7] ErenŞahiner, Niyazi Meriç, A trapezoid approach for the experimental total-to-peak efficiency curve used in the determination of true coincidence summing correction factors in a HPGe detector, Radiation Physics and Chemistry 96 (2014) 50–55 [8] J-M Laborie, G Le Petit, D.Abt, M Girard, Monte Carlo calculation of the efficiency calibration curve and coincidence-summing corrections in low-level gamma ray spectrometry using well-type HPGe detectors, Applied Radiation and Isotopes 53 (2000) 57–62 [9] Canbera, Germanium Detectors User’s Manual, Canberra (2003) ISBN: 978-604-82-1375-6 161