Trong các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến bức xạ gamma, việc ghi đo bức xạ và tìm được chính xác các đỉnh năng lượng của mẫu đo là điều hết sức quan trọng, vì nó là bước khởi đầu cho việc phân tích mẫu. Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu cần mức độ tin cậy cao của số liệu thu được việc đó cần sự phát triển của thiết bị ghi đo bức xạ. Do đó hệ phổ kế trùng phùng ghi nhận bức xạ gamma ra đời. Khác với hệ phổ kế truyền thống sử dụng một đầu dò. Hệ phổ kế này cho số liệu có độ tin cậy cao hơn nên đáp ứng được các nghiên cứu về số liệu hạt nhân.Việc xác định năng lượng chính xác của phổ gamma là rất quan trọng đối với một hệ ghi nhận bức xạ gamma. Nhưng số liệu ghi đo bức xạ tìm được thường khó xác định năng lượng chính xác. Do đó cần tìm một hàm để có thể giúp chúng ta tìm được đỉnh năng lượng của phổ sau ghi đo và xác định được năng lượng của phổ cần phân tích.
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MUC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH vi LỜI MỞ ĐẦU viii CHƯƠNG I HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.1 Hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận xạ gamma 1.1.1 Đầu dò 1.1.2 Các khối điện tử khác hệ phổ kế sử dụng đầu dò .3 1.1.3 Tương tác xạ với đầu dò 1.2 Hệ phổ kế trùng phùng 1.3 Hệ phổ kế đối trùng phùng CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM ĐO TRÙNG PHÙNG GAMMA-GAMMA .8 2.1 Mục đích thí nghiệm 2.2 Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt kênh ngang số 2.3 Bố trí thí nghiệm 10 2.4 Hệ phổ kế trùng phùng gamma – gamma 12 2.5 Nguyên tắc hoạt động hệ phổ kế trùng phùng sử dụng khối biến đổi thời gian thành biên độ TAC 14 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HÀM CHUẨN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PHỔ KẾ TRÙNG PHÙNG GAMMA GAMMA, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Phần mềm gacasd 21 iii 3.2 Xây dựng hàm chuẩn lượng tuyệt đối 24 3.3 Xây dựng hàm chuẩn lượng tương đối 27 3.3.1 Xây dựng hàm chuẩn lượng tương đối theo code số liệu đầu dò A 27 3.3.2 Xây dựng hàm chuẩn lượng tương đối theo code số liệu đầu dò B 29 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 iv LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc phát triển theo hướng nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân giới đạt nhiều thành tựu to lớn Do phương pháp để ghi đo xạ dần trở nên tiên tiến Lĩnh vực hạt nhân Việt Nam năm gần đẩy mạnh phát triển nghiên cứu ứng dụng công nghệ hạt nhân mục đích hòa bình Trong nghiên cứu ứng dụng liên quan đến xạ gamma, việc ghi đo xạ tìm xác đỉnh lượng mẫu đo điều quan trọng, bước khởi đầu cho việc phân tích mẫu Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu cần mức độ tin cậy cao số liệu thu việc cần phát triển thiết bị ghi đo xạ Do hệ phổ kế trùng phùng ghi nhận xạ gamma đời Khác với hệ phổ kế truyền thống sử dụng đầu dò Hệ phổ kế cho số liệu có độ tin cậy cao nên đáp ứng nghiên cứu số liệu hạt nhân Việc xác định lượng xác phổ gamma quan trọng hệ ghi nhận xạ gamma Nhưng số liệu ghi đo xạ tìm thường khó xác định lượng xác Do cần tìm hàm để giúp tìm đỉnh lượng phổ sau ghi đo xác định lượng phổ cần phân tích Vì lí đó, đề tài “xây dựng hàm chuẩn lượng cho hệ phổ kế trùng phùng gamma-gamma” lựa chọn để thực khóa luận viii CHƯƠNG I HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.1 Hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận xạ gamma Hệ phố kế đơn đầu dò ghi nhận xạ gamma hệ phổ kế sử dụng đầu dò để ghi nhận xạ Đây hệ phổ kế sử dụng rộng rãi ứng dụng nghiên cứu khác thuận tiện Hệ phổ kế đơn ghi nhận xạ gamma có cấu tạo đơn giản gồm khối hình 1.1 Tiền khuếch đại Đầu dò AMP ADC MC D Máy tính Cao (HV) Hình 1.1 Sơ đồ hệ phổ kế đơn đầu dò ghi nhận xạ gamma 1.1.1 Đầu dò Có loại đầu dò thường sử dụng để ghi đo xạ gamma đầu dò nhấp nháy đầu dò bán dẫn Căn vào mục đích nghiên cứu vào ưu nhược điểm loại đầu dò, người ta sử dụng loại đầu dò vào cơng việc khác Đầu dò nhấp nháy hoạt động ghi đo tín hiệu điện tạo thành tia xạ đập vào tinh thể chất nhấp nháy Các chất nhấp nháy sử dụng tinh thể nhấp nháy vô hay hữu cơ, dang lỏng rắn khí Đầu dò nhấp nháy có ưu điểm cường độ nhấp nháy biên độ lối tỉ lệ thuận với lượng hạt xạ Hiệu suất ghi lớn, hoạt động không cần làm lạnh nên đầu dò sử dụng tinh thể nhấp nháy rắn có độ hiệu dụng cao tia gamma, hệ đo sử dụng đầu dò nhỏ gọn nên người ta thường dùng để đo xạ gamma trường hợp xác định nhanh có mặt xạ gamma để làm phổ kế đối trùng phùng hệ phổ kế đối trùng phùng giảm phơng Compton [4] Hình 1.2 Hệ phổ kế gamma xách tay sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Đầu dò bán dẫn đầu dò hoạt động dựa trình hình thành hạt tải điện chất rắn Ưu điểm đầu dò có biên độ tín hiệu lớn có độ phân giải tốt Hiện nay, đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe sử dụng rộng rãi tốn ghi đo xạ ưu điểm nỗi bật Đầu dò khơng cần phải bảo quản liên tục Nitơ lỏng đầu dò Ge(Li), đồng thời độ phân giải lượng hiệu suất ghi cao hẳn đầu dò bán dẫn có thể tích Hình 1.3 Cấu tạo đầu dò bán dẫn HPGe hệ thống làm lạnh khí Nitơ 1.1.2 Các khối điện tử khác hệ phổ kế sử dụng đầu dò Khối tiền khuếch đại: Do tín hiệu đầu đầu dò bé đặc biệt đầu dò bán dẫn nên cần thêm tiền khuếch nâng tín hiệu nhỏ từ ngõ đầu dò thành tín hiệu đủ lớn để xử lí tầng khuếch đại phổ Ngồi tiền khuếch đại đóng vai trò mạch phối hợp trở kháng nhằm đảm bảo tải cho khối Ở khối khuếch đại phổ, tín hiệu khuếch đại biên độ đưa tín hiệu qua ngưỡng phân tích nhằm lựa chọn tín hiệu có biên độ đủ lớn để chuyển đổi tín hiệu ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) phân tích biên độ xung Bộ xử lí đa kênh MCA có nhiệm vụ thu nhận liệu sau ADC biên đổi xong xếp vào ô nhớ Giá trị lượng lượng tử gamma mà đầu dò hấp thụ số lượng xung có biên độ tổng hợp hệ ghi đo xạ Sử dụng khối hiển thị máy tính dùng để lưu trữ hiển thị liệu xạ ghi nhận 1.1.3 Tương tác xạ với đầu dò Tín hiệu gamma ghi nhận đầu dò trình tương tác gamma với vật chất bao gồm hiệu ứng tương tác sau: - Hiệu ứng quang điện: đầu dò hấp thụ hồn tồn lương gamma đến vật chất Hình 1.4 Phân bố lượng đỉnh hấp thụ quang điện - Hiệu ứng Compton: đầu dò hấp thụ phần lượng tia gamma hiệu ứng Compton xảy tia gamma tán xạ với electron nằm chủ yếu quỹ đạo nguyên tử Do góc tán xạ khác nên hình thành dải lượng tương ứng Nếu tượng tán xạ xảy nhiều lần đến tia gamma bị hấp thụ hồn tồn phần lượng đóng góp vào đỉnh quang điện Hình 1.5 Phân bố nặng lượng hiệu ứng Compton - Bên cạnh có hình thành đỉnh đơn đỉnh đơi Khi lượng tự gamma có lượng lớn, lớn 1022 keV Quá trình va chạm hình thành nên electron positron Electron nhanh chóng bị hấp thụ Còn positron bị hủy tạo photon có lượng 511 keV Trong phổ xuất đỉnh có lượng 511 keV, Eγ-511 keV (đỉnh thoát đơn) Eγ -1024 keV (đỉnh thoát đơi) Hình 1.6 Phân bố lượng đỉnh đơn đỉnh đơi 1.2 Hệ phổ kế trùng phùng Hệ phổ kế trùng phùng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò ghi nhận xạ Hệ phổ kế hoạt động dựa nguyên tắc xạ gamma phát từ mẫu đến đầu dò khoảng thời gian ∆t thiết lập trước hệ đo trùng phùng ghi nhận xạ gamma Các xạ gamma từ mẫu ngược chiều cách khoảng thời gian định hay gọi gamma trùng phùng chuyển dời nối tầng liên tiếp gamma khoảng thời gian nhỏ Sự dịch chuyển liên tiếp thể hình 1.7 [2] γ4 Trùng phùng γ5 γ6 Trùng phùng γ1 γ γ2 Hình 1.7 Sơ đồ minh họa phân rã nối tầng Khi chuyển dời xảy ra, tia gamma ngược hướng định luật bảo tồn xung lượng, ta đặt đầu dò đối xứng Còn mẫu đặt o bia chứa mẫu, bia mẫu đặt nghiêng góc 45 so với mặt phẳng qua đầu dò để chùm neutron kích hoạt mẫu xung trùng phùng đến đầu dò Sơ đồ đặt mẫu thể hình 1.8 Chùm Neutron Trùng phùng γ1 γ2 Đầu dò A Đầu dò B Bia chứa mẫu Cl36 Hình Sơ đồ đặt mẫu phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng Thực chất, hệ phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng (SACP) phương pháp trùng phùng γ- γ kết hợp với việc lưu trữ xử lý số liệu theo phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng Trong phương pháp này, ghi nhận xạ không xảy có xạ đến đầu dò xạ đến đầu dò khơng khoảng thời gian ∆t định trước phương pháp thường sử dụng thực nghiên cứu chuyên sâu nghiên cứu cần đo đạc yêu cầu giảm phông từ môi trường Hệ phổ kế trùng phùng đơn giản hệ phổ kế sử dụng đầu dò ghi nhận xạ hệ phổ kế cộng biên độ xung trùng phùng SACP Một hệ phổ kế cộng biên độ xung trùng phùng sử dụng khối biến đổi thời gian thành biên độ TAC trình bày đơn giản hình 1.9 [5] AMP A ADC A Det A I N FFT A CFD A T E TAC HV R PC Det B F FFT B CFD B DELAY A C AMP B ADC B E Hình 1.9 Sơ đồ hệ đo SACP VNCHN Nguyên tắc hoạt động hệ đo: tín hiệu xác định thời điểm xạ gamma đến đầu dò lối hai khối gạt ngưỡng đưa đến hai lối vào (START STOP) khối biến đổi thời gian thành biên độ Đường tín hiệu đưa vào lối STOP TAC làm trễ nhằm nâng cao biên độ tín hiệu lối TAC với kiện xuất đồng thời hai đầu dò Khi khối giao diện nhận tín hiệu Valid Convert từ TAC khối giao diện gửi tín hiệu đến Gate ADC phép ADC thu nhận biến đổi tín hiệu lối vào ADC thành giá trị code biên độ lối Sau ADC biến đổi xong tín hiệu, thiết bị giao diện đọc số liệu lưu trữ chúng vào nhớ tập tin đĩa cứng Sau máy tính ghi xong số liệu, ADC trở trạng thái chờ tín hiệu Valid Convert Các ADC không làm việc chưa có tín hiệu tác động vào Gate cho dù có xung đến lối vào ADC Trong tập tin số liệu, số liệu ghi thành bốn cột Cột cột code biên độ hai xung tới từ đầu dò A đầu dò B tương ứng (Hình 2.5) 1.3 Hệ phổ kế đối trùng phùng [5] Cấu tạo hệ phổ kế đối trùng phùng giảm phông Compton trình bày đơn giản hình 1.10 Ở hệ phổ kế gồm đầu dò thường dầu dò bán dẫn siêu tinh khiết báo quanh đầu dò, thường đầu dò nhấp nháy, hệ thống điện tử điều khiển trình ghi đo xạ AC: khối cộng xung; LG: khối khóa tuyến tính; MCA: khối phân tích biên độ Hình 1.10 Hệ phổ kế đối trùng giảm phơng Compton Nguyên tắc hoạt động hệ đo hình 1.10 lượng tử gamma tán xạ Compton khỏi đầu dò đầu dò phụ bao quanh ghi nhận Xung điện từ đầu dò bao quanh khố khơng cho phép ghi nhận xung từ đầu dò khoảng thời gian tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian hệ Nếu từ đầu dò xung quanh khơng có xung ra, xung từ đầu dò ghi (được coi tương ứng với hấp thụ hồn tồn) Như vậy, khóa tuyến tính hoạt động chế độ thường mở để có xung từ đầu dò bao quanh, khóa tuyến tính đóng lại, khơng cho xung từ đầu dò tới hệ phân tích Để nâng cao khả giảm phơng phổ cần ý đến hai vấn đề quan trọng sau: - Hệ đầu dò bao quanh có hiệu suất ghi cao tốt - Hệ cần che chắn kỹ phơng gamma cao dẫn tới giảm khả ghi đo kiện có ích trùng phùng ngẫu nhiên Đồng thời phải tăng độ phân giải thời gian hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên đuôi xung xấp xỉ 250 ns, độ rộng xung thay đổi từ ≤ µs đến ≥ µs cách điều chỉnh phân cầu nối PWB Trở kháng lối Z0< Ω Lối VAL.ST: TAC 566 cung cấp tín hiệu logic dương chuẩn NIM mặt sau, biên độ thường +5 V, có mặt tăng đuôi xung ≤ 50 ns Trở kháng lối Z0