báo cáo bài 4 xây dựng đường cong hiệu suất ghi

Thực tập xử lý phổ 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 quy trình phân tích mẫu mơi 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 số đồng vị mẫu môi trường, phương pháp thường sử dụng nhiều phương pháp tương đối dựa việc đo phổ mẫu chuẩn mẫu cần phân tích Phương pháp có ưu điểm với độ xác cao, nhiên cần phải có mẫu chuẩn Trong phương pháp tuyệt đối, để xác định hoạt độ phóng xạ mẫu vật phẩm đó, cần phải xác định hiệu suất ghi đỉnh lượng tia gamma phát tương ứng với dạng hình học mẫu Chính điều đặt nhu cầu xây dựng đường cong hiệu suất detector ứng với đỉnh lượng theo độ cao Việc xây dựng đường cong hiệu suất cần thiết nhằm giúp tính tốn hoạt độ phóng xạ mẫu đo có dạng hình học định Phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn sử dụng rộng rãi nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ hạt nhân Độ phân giải lượng hiệu suất ghi hai số đặc trưng quan trọng phổ kế gamma Cùng với tiến công nghệ, ngày hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ có tinh thể ngày lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi đetectơ mở rộng dải lượng đo phía lượng lớn Cùng với tự mở rộng dải đo phía lượng lớn, đêtectơ có cửa sổ cacbon màng mỏng cho phép mở rộng dải phía lượng thấp để ghi nhận tia gamma mềm tia X Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị hệ phổ kế gamma bán dẫn dải lượng rộng, làm lạnh điện hãng Canberra chế tạo Hệ phổ kế nghiệm thu thức vào tháng 11 năm 2011 Xác định đặc trưng hệ phổ kế cách có hệ thống cần thiết để phục vụ cho việc vận hành bảo dưỡng I, Mục đích: • • • • Nắm phần mềm phân tích phổ chuyên dụng ghi nội dung phân tích phổ gamma mà thiết bị ghi nhận Nắm khái niệm biết cách xác định hiệu suất ghi tuyệt đối Yêu cầu mẫu chuẩn mẫu phân tích Xây dựng đường cong hiệu suất ghi mẫu chuẩn, áp dụng phân tích số mẫu đất đá Xác định hoạt độ phóng xạ riêng 238U, 232Th, 40K II, Hệ phố kế gamma bán dẫn HpGE Đêtectơ Gecmani điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N vùng bên nhạy với xạ ion hóa, đặc biệt tia X tia γ Khi photon tương tác với vật chất vùng I đêtectơ sinh hạt tải điện (lỗ trống electron) tác dụng ngược chúng di chuyển tới cực P N Lượng điện tích tỉ lệ với lượng photon tới chuyển thành xung điện đưa vào khuếch đại nhạy điện tích Hệ phổ kế gamma bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HpGE) giải lượng rộng (BEGe) hãng Canberra, Mỹ, bao gồm: Tinh thể bán dẫn BEGe, buồng chì phơng thấp, hệ điện tử tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp Sơ đồ hệ phổ kế cho hình 1: Hình Sơ đồ hệ phổ kế gamma HpGE dải lượng rộng Hiệu suất ghi đêtectơ Trong toán phân tích 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 gọi hiệu suất ghi tuyệt đối, xác định theo cơng thức sau: Trong đó: n tốc độ đếm đỉnh lượng E mẫu chuẩn trừ phông (số đếm / giây) Iγ hệ số phân nhánh tia gamma có lượng E, giá trị tra cứu trực tiếp sở liệu NNDC, IAEA A hoạt độ nguồn thời điểm đo (Bq) Xây dựng đường cong hiệu suất ghi Để xác định hàm lượng nguyên tố phóng xạ mẫu phân tích, theo phương pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi đêtectơ ứng với vạch hấp thụ toàn phần xạ gamma đặc trưng Vì vậy, ngồi xây dựng đường chuẩn lượng, trước đưa hệ phổ kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định hiệu suất ghi đêtectơ ứng với lượng gamma dải lượng làm việc đêtectơ Đường cong hiệu suất ghi đường cong mô tả phụ thuộc hiệu suất ghi vào lượng xạ gamma Có thể xác định hiệu suất ghi đêtectơ tính tốn lý thuyết đo đạc thực nghiệm Với đêtectơ thông dụng hãng Canberra (2000), Genie 2000 sử dụng hàm khớp sau E0=1 keV đó: ε hiệu suất ghi đêtectơ E lượng tia gamma E0=1 keV hệ số làm khớp Hiệu suất ghi đỉnh hàm theo lượng Ln( có dạng: Ln(ɛ) = a0+a1ln(E)+a2ln(E)^2+a3ln(E)^3+…… Do vậy, cần xác định hiệu suất ghi ln (ɛ) sau làm khớp số liệu đo với hàm để xác định hệ số a0, a1,a2,a3 Chuỗi phân rã phóng xạ 238U cân kỷ Chuỗi phóng xạ 238U minh hoạ Hình 1.1, chuỗi phân rã phóng xạ từ 238U đến 226Ra (với thời gian sống 1602 năm) thường coi đạt trạng thái cân chu kỳ bán rã đồng vị mẹ lớn nhiều so với đồng vị cháu Khi hoạt độ phóng xạ đồng vị chuỗi Để đạt trạng thái cân 226Ra đồng vị chuỗi, ta cần nhốt mẫu tối thiểu 30 ngày (tương đương khoảng chu kỳ 222Rn) để tránh mát sản phẩm phân rã 222Rn trạng thái khí Hình chuỗi phóng xạ tự nhiên 238U III, THỰC NGHIỆM , TÍNH TỐN VÀ KẾT QUẢ - - Để tiến hành thí nghiệm này, sử dụng nguồn chuẩn RGU-1 IAEA cấp Điều này, làm tăng tính xác xây dựng đường cong hiệu suất theo lượng Mẩu chuẩn RGU-1 có khối lượng 167,4 gram biết trước hoạt độ phóng xạ U238 4190 ± 30 (Bq/kg) U235 228±2(Bq/kg) Và mẫu K-16 cần phải xác định hoạt độ dựa theo hàm hiệu suất ghi xây dựng từ mẫu RGU-1 Tiến hành đo mẫu chuẩn RGU-1, đo phông mẫu cần xác định hoạt độ phóng xạ riêng K-16 Dưới hình hình dạng phổ mẫu chuẩn IAEA RGU-1 mẫu cần phân tích xác định hoạt độ: Hình 3: phổ gamma mẫu chuẩn IAEA RGU-1 Hình 4: phổ gamma mẫu K-16 cần phân tích xác định hoạt độ phóng xạ riêng Kết thí nghiệm tính toán cho bảng sau: Bảng 1: E(kev ) 186.2 241.9 I(%) ΔI(%) 295 0.036 0.072 0.183 351 0.356 0.00001 0.0007 609 0.454 0.0019 1120 0.147 0.0014 1238 0.058 0.152 0.0004 1764 0.008 0.0016 0.002 t mẫu(s) 26496.8 26496.8 26496.8 26496.8 26496.8 26496.8 26496.8 26496.8 n trừ p Δn ɛ Δɛ 2.24127 2.16674 5.22178 9.17168 7.82968 1.74923 0.62975 1.50915 0.00921 0.00904 0.01404 0.01860 0.01719 0.00812 0.00487 0.00756 0.04764196 0.04260886 0.04068165 0.03673074 0.01047938 0.00105513 0.00031870 0.00028506 0.02458775 0.00021179 0.01696530 0.01540035 0.01415532 0.00022247 0.00022624 0.00022580 Từ bảng số liệu , ta xây dựng đường cong hiệu suất ghi , đồ thi thi vẽ phần mềm Origin Hình 5: hiệu suất ghi nguồn chuẩn IAEA RGU-1 hàm khớp y=0,006615-1,09284E-4 +7,98019E-8 -1,95971E-11 = 0,99643 Với sai số là: 0,006615±0,00219 -1,09284E-4±8,59673E-6 7,98019E-8±9,1931E-9 -1,95971E-11±2,87757E-12 Hình 6: Đồ thị biểu diễn thăng giáng giá trị thực nghiệm khớp hàm Hình 7: đồ thị mơ tả đường cong hiệu suất ghi fit theo hàm ln phần mềm Origin • Nhận xét đường cong hiệu suất: Trong vùng lượng thấp hệ số suy giảm khối phụ thuộc mạnh vào lượng, lượng gamma tăng hệ số hấp thụ giảm Vì lượng xạ gamma tăng xác suất xạ gamma qua cửa sổ đêtectơ tăng Vì hiệu suất ghi tăng nhanh lượng tăng Khi lượng xạ gamma đủ lớn, xác suất để xạ gamma vào đêtectơ Khi hiệu suất ghi tuyệt đối phụ thuộc vào xác suất hấp thụ quang điện xác suất tán xạ Compton nhiều lần gamma cuối kết thúc đêtectơ Khi lượng xạ gamma chưa lớn xác suất bị hấp thụ quang điện chiếm ưu coi bị hấp thụ tồn lượng Khi lượng tăng hiệu suất ghi khơng thay đổi Phần giảm hiệu suất ghi theo lượng giải thích kích thước đêtectơ hữu hạn lượng xạ gamma tăng xác suất xảy hiệu ứng quang điện giảm dần tượng tán xạ Compton nhiều lần chiếm ưu thế, xác suất để tia gamma bay khỏi đêtectơ tăng dẫn tới hiệu suất ghi giảm lượng tăng Hình 8: Đồ thị biểu diễn thăng giáng giá trị thực nghiệm khớp hàm Từ đồ thị hình 4, ta xây dựng hàm sau: Hàm khớp:ln(ɛ) = -38,45237+ 17,87966*ln(E) -2,92731*ln(E)^2+ 0,15348*ln(E)^3 Sai số đường fit = 0,99746 Với 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 số liệu khớp hàm , ta thu kết phân tích hoạt độ phóng xạ dãy Uran, Thorium Kali sau: Bảng 2: kết phân tích hoạt độ phóng xạ 226Ra, 232Th 40K E(kev) Đồng vị 241.9 Pb-214 295 351 609 1120 338.3 Bi-214 Bi-214 Bi-214 Bi-214 Ac-228 583.19 Tl-208 911.2 Ac-208 1460.8 k-40 I𝛾(%) U T h K 0.072 0.183 0.356 0.454 0.147 0.1127 0.305 0.067 0.106 n ɛ 0.002872 0.0439 0.003025 0.006376 0.004426 0.001057 0.004488 0.0401 0.0363 0.0247 0.0166 0.03712 0.008369 0.02552 0.001339 0.01869 0.017503 0.01475 A0(bq/kg) 0.457 0.412 0.493 0.394 0.434 1.073 1.073 A0(bq/kg ) 0.438 1.070 1.063 11.132 11.134 IV, KẾT LUẬN Về mặt lý thuyết tổng quan dạng đêtectơ bán dẫn Ge Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe-Canberra làm lạnh điện Thông qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ nguồn chuẩn hệ đo hiểu rõ trình tương tác xạ gamma với vật liệu đêtectơ nguyên tắc làm việc hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe-Canberra nói riêng hệ phổ kế gamma nói chung Về mặt thực nghiệm tiến hành đánh giá số thông số đặc trưng hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGe - Canberra Tiến hành tìm hiểu trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm việc thích hợp kết chế độ làm việc thích hợp hệ phổ kế gamma bán dẫn HpGE Khảo sát phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma Đã xây dựng đường cong hiệu suất ghi mẫu chuẩn IAEA RGU-1, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali ... 609 0 .45 4 0.0019 1120 0. 147 0.00 14 1238 0.058 0.152 0.00 04 17 64 0.008 0.0016 0.002 t mẫu(s) 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 2 649 6.8 n trừ p Δn ɛ Δɛ 2. 241 27 2.166 74 5.22178... 0.00021179 0.01696530 0.01 540 035 0.0 141 5532 0.00022 247 0.000226 24 0.00022580 Từ bảng số liệu , ta xây dựng đường cong hiệu suất ghi , đồ thi thi vẽ phần mềm Origin Hình 5: hiệu suất ghi nguồn chuẩn IAEA... 0.002872 0. 043 9 0.003025 0.006376 0.0 044 26 0.001057 0.0 044 88 0. 040 1 0.0363 0.0 247 0.0166 0.03712 0.008369 0.02552 0.001339 0.01869 0.017503 0.0 147 5 A0(bq/kg) 0 .45 7 0 .41 2 0 .49 3 0.3 94 0 .43 4 1.073 1.073