Các hệ thống tốc độ đếm thấp đo bức xạ hạt nhân

Hiện nay các bài toán đo phóng xạ với hoạt động thấp, thường được gọi là đo “mẫu môi trường”, đang được quan tâm bởi nhiều phòng thí nghiệm có sử dụng phổ kế gamma. Mẫu cần đo có thể là các mẫu thực phẩm, chất thải thường, hoặc có thể là đo toàn thân trong y tế. Một số dự án nghiên cứu cơ bản tập trung vào đo gamma cường độ thấp đã được thực hiện, như ta sẽ thấy trong Phần 13.4. Nhìn chung, càng ngày người ta càng muốn xác định được các mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp hơn, và dải các đồng vị cần đo cũng được mở rộng

CHƯƠNG 13 26 Các hệ thống tốc độ đếm thấp 13.1 GIỚI THIỆU Hiện tốn đo phóng xạ với hoạt động thấp, thường gọi đo “mẫu mơi trường”, quan tâm nhiều phòng thí nghiệm có sử dụng phổ kế gamma Mẫu cần đo mẫu thực phẩm, chất thải thường, đo tồn thân y tế Một số dự án nghiên cứu tập trung vào đo gamma cường độ thấp thực hiện, ta thấy Phần 13.4 Nhìn chung, ngày người ta muốn xác định mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp hơn, dải đồng vị cần đo mở rộng Bài tốn đo mẫu mơi trường đại dương lĩnh vực đặc biệt mà nhiều nỗ lực thực để phát triển kỹ thuật đo mẫu có hoạt độ thấp Để đo hoạt độ thấp, hệ phổ kế gamma đặt ngầm lòng đất, nơi phông xạ vũ trụ thấp nhiều so với phòng thí nghiệm thơng thường Một lý khác khiến cho kỹ thuật đo sử dụng phổ kế gamma cần phải cải thiện MDA các kỹ thuật khác, chẳng hạn ICPMS AMS sử dụng với mẫu có kích thước nhỏ Do đó, kỹ thuật đo phóng xạ cần phải cải thiện để làm việc với mẫu có kích thước nhỏ tương tự Mẫu nhỏ giúp việc thu phật, lưu trữ chuẩn bị mẫu thuận lợi giúp làm giảm thời gian làm việc tàu thăm dò Trong phần 5.6, tơi trình bày ngun lý để xây dựng lên mơ hình Giới hạn tới hạn, Giới hạn phát hoạt độ tương đương với giới hạn phát hiện, hoạt độ phát tối thiểu (MDA) Trên thực tế MDA hoạt độ tối thiểu mà hệ phổ kế phát Trong chương này, khái niệm MCA sử dụng thị giới hạn hoạt độ mẫu đo, trường hợp giá tị thu phép đo khơng có đủ độ tin cậy cần thiết để kết luận MDA tham số sử dụng đánh giá phương pháp MCA hệ phổ kế gamma, tính theo Becquerels, chưa hiệu chỉnh phân rã xác định cơng thức sau: Trong giới hạn phát tính theo đơn vị số đếm, hiệu suất ghi đầu dò lượng gamma cần đo, xác suất phát gamma thời gian đo (thời gian thực trừ thời gian chết hệ) Trong Chương 5, Phần 5.6.4, thấy giới hạn phát phụ thuộc vào độ tin cậy mà ta cần đạt phép đo Ví dụ để việc phát đỉnh đạt độ tin cậy 95%, số đếm đỉnh, hay giới hạn phát hiện, phải là: Trong độ bất định phông Nếu, tạm thời ta giả thiết ta đo số lượng số đếm vùng ROI, , số đếm phơng Ta cần nhớ rằng, phổ kế gamma, đỉnh xuất phông xuất nguồn phóng xạ bên ngồi kiện gamma bị tán xạ với lớp che chắn bao quanh đầu dò tán xạ mẫu Nếu tổng số đếm phơng BR số đếm kênh giây, phông đo vùng ROI rộng n kênh là: Độ rộng ROI xác định độ rộng đỉnh gamma Độ rộng đỉnh gamma thực tế liên quan với FWHM đỉnh Bảng 13.1 cho biết phần diện tích đỉnh bao tương ứng với giá trị FWHM khác Như số kênh cần lấy để xác định phơng xác định thông qua FWHM sau: Bảng 13.1 Tỷ số diện tích đỉnh bao tương ứng với độ rộng đỉnh Phần diện tích bao phủ (%) 95.45 98.76 99.00 99.68 99.73 99.96 99.99 Hệ số bao phủ Độ rộng đỉnh, FWHM 2.000 1.699 2.500 2.123 2.576 2.188 2.944 2.500 3.000 2.548 3.533 3.000 4.000 3.397 FWHM=2.35 Ở đây, F hệ số bao phủ, ECAL hệ số chuẩn lượng để chuyển đơn vị FWHM sang kênh Sử dụng phương trình (13.4) để xác định , vào (13.2), sau vào (13.1) ta được: Trong phần lớn trường hợp, hệ số 2.71 nhỏ so với giá trị lại bỏ qua F, ECAL, số tương ứng với phép đo cụ thể, tỷ lệ với hiệu suất ghi tương đối, RE, phương trình (13.5) rút gọn thành: Nghịch đảo phương trình sử dụng giá trị hệ số phẩm chất (FOM) hệ thống Phương trình (13.6) cho ta thấy rằng, để đạt MDA thấp hơn, tức tăng độ nhạy phép phân tích, ta cần phải:  Giảm phông liên tục cách cải thiện hệ thống che chắn, sử dụng đầu dò làm từ vật liệu phóng xạ  Giảm độ rộng đỉnh (FWHM), chẳng hạn sử dụng đầu dò với độ phân giải cao  Tăng hiệu suất, cách sử dụng đầu dò có kích thước lớn cách tối ưu dạng hình học cấu hình hình học mẫu đầu dò  Tăng thời gian đo Vì giá trị nằm thức, để giảm MDA lần ta cần tăng thời gian đo lên lần Thời gian đo bị giới hạn số lượng mẫu cần đo khoảng thời gian xác định (sự tối ưu hóa thời gian đo trình bày Chương 5, Phần 5.5.3) Ta cần nhớ rằng, nhiều đồng vị phát số lượng lớn gamma với lượng khác Ưu điểm việc xác định đồng vị dựa vào gamma lượng cao chúng phông đỉnh lượng cao thấp phông gamma lượng thấp hơn, xác suất phát đỉnh thấp đỉnh lượng thấp Tuy nhiên, gamma lượng thấp có độ rộng đỉnh nhỏ Điều khiến cho việc lựa chọn đỉnh để đánh giá trở nên rắc rối Tơi trình bày số giải pháp để cải thiện MDA Tuy nhiên trước quay lại với phương trình (13.6) Phương trình sử dụng tài liệu ORTEC mang tên “Lớn tốt hơn” (Bigger is MUCH better” (Keyser et al., 1990), rút từ tính tốn sâu mặt tốn học Tuy nhiên, q trình xây dựng phương trình này, giả thiết đo ROI mà , thay cho phương trình diện tích đỉnh cho , mà (xem Chương 5, phần 5.6.4); số kênh sử dụng để đánh giá mức phông liên tục phía đỉnh) Nếu ta sử dụng theo cách tính cho phương trình (13.3), ta thu được: Độ rộng vùng phơng lựa chọn chương trình phân tích phổ Thơng thường, giá trị đặt cố định Chắc chắn rằng, để so sánh giản đồ đếm khác khác nhau, phải đặt cố định Trong Phương trình (13.7), giả thiết n nhỏ so với sử dụng Sử dụng phương trình (13.7) ta thu phương trình tính MDA (13.8): Tơi sử dụng Phương trình (13.8) để xác định MDA chương Phương trình khơng trường hợp, bạn đọc muốn biết dùng phương trình để lựa chọn cho phù hợp Bảng tính để giúp bạn đọc thực điều cung cấp trang web sách Tóm lược lại, chương này, đưa hai vấn đề: để đạt phép đo có hiệu cao tạo mơi trường phơng thấp để đầu dò làm việc (giảm ) Hiệu suất ghi đầu dò xác định kích thước hình dạng đầu dò Theo phương trình (13.8), MDA phụ thuộc vào độ phân giải Tơi trình bày tất yếu tố 13.2 ĐẾM VỚI HIỆU SUẤT GHI CAO 13.2.1 MDA: hiệu suất độ phân giải Giả sử cấp lượng ngân sách định để trang bị đầu dò Ta muốn lựa chọn loại đầu dò giới hạn tài cho MDA nhỏ Nhả sản suất tư vấn cho số loại đầu dò khác nhau; số đầu dò có độ phân giải tốt; số lại đầu dò có hiệu suất ghi tương đối lớn Giá thành chúng khác nhau; độ phân giải tốt hiệu suất ghi cao có nghĩa giá cao Thơng thường, đầu dò lớn, độ phân giải đầu dò tồi Nếu ngân sách bị giới hạn, ta phải ưu tiên cho kích thước đầu dò hay độ phân giải đầu dò? Phương trình (13.8) giúp ta đưa lựa chọn Ta cần phải xác định hiệu suất ghi, Trên nguyên tắc giá trị hiệu suất ghi giá trị hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần Khi chưa mua đầu dò ta khơng thể biết giá trị Tuy nhiên, hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần tỷ lệ với hiệu suất ghi tuyệt đối, mà giá trị hiệu suất ghi tuyệt đối lại cung cấp sách hướng dẫn nhà sản xuất Ta cần phải xét tới việc kích thước đầu dò tăng, tốc độ đếm phơng tăng theo tỷ lệ Do vậy, ta coi tỷ lệ với , hiệu suất ghi tương đối Áp dụng cho phương trình (13.8), ta thấy MDA tỷ lệ với Xét hai đầu dò – có độ phân giải 1.7 keV hiệu suất ghi tương đối 30% , đầu dò 45% với độ phân giải 1.9 keV Tỷ số MDA hai đầu dò bằng: Do vậy, dự đốn đầu dò kích thước lớn cho MDA thấp chút Để cải thiện MDA đáng kể, cần đầu dò có kích thước lớn Ví dụ, đầu dò 114% đưa Bảng 11.3 (chương 11) cải thiện MDA lượng 0.65 13.2.2 MDA: hiệu suất ghi, phông thời gian đo Có hai lý gây phơng liên tục nằm đỉnh  Sự hấp thụ không hoàn toàn tia gamma hiệu ứng Compton; tia gamma mẫu từ nguồn mơi trường đặt đầu dò Nếu mẫu chứa lượng đủ lớn chất phóng xạ, nên phông phổ chủ yếu thành phần đóng góp Tơi gọi loại phơng  Các tương tác tia vũ trụ tạo photon liên tục (Xem Chương 13.4.6) Thêm nữa, phần gamma từ nguồn bên ngồi che chắn bị tán xạ Compton đâm xuyên qua lớp che chắn Do đó, đầu dò “nhìn thấy” gamma liên tục Trong hệ thống phống thấp, nguồn định mức đỉnh-phông Ta gọi thành phần Như vậy, Sự thăng giáng , Compton liên tục mẫu, theo kích thước đầu dò Chúng ta dự đốn rằng, hiệu suất ghi cao, tức đầu dò kích cỡ lớn tốc độ đếm phơng cao lên Tỷ số số kiện đóng góp vào đỉnh với số kiện phông biểu diễn thông qua tỷ số đỉnh Compton Hình 13.1 l mơ tả thay đổi tỷ số đỉnh Comtpon theo hiệu suất ghi tương đối Dữ liệu hình lấy từ kết phép đo thực ORTEC CANBERRA với số lượng lới đầu dò đồng trục loại p Đường thẳng hàm khớp phù hợp với liệu thực nghiệm Hai đường đứt nét bao phía ngoại đại diện cho độ phân tán tương ứng, bất định sản xuất thiết bị Với đầu dò nhỏ (hiệu suất ghi tương đối