Luận văn thạc sĩ khảo sát phổ kế năng lượng thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC SƯ PH¹M TP Hå CHÝ MINH - Nguyễn Văn Kim Trường KHảO SáT PHổ Kế NĂNG LƯợNG - THờI GIAN Sử SụNG ĐầU Dò BáN DẫN HPGe Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao M· sè: 60 44 05 LUËN V¡N TH¹C SÜ vËt lý NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC PGS TS : ĐINH Sü HIỊN Thµnh Hå ChÝ Minh - 2010 Më ĐầU Phương pháp ghi phổ lượng xạ gamma sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) phương pháp phổ biến để xác định hoạt độ nguồn, cường độ xạ gamma phát nhận diện nguyên tố, khả phân giải tốt đầu dò Tuy nhiên, phổ lượng xạ gamma nguồn phóng xạ hay đồng vị phóng xạ phức tạp đỉnh quang có Compton kèm theo Đặc biệt nguồn phóng xạ hoạt độ thấp, phát nhiều xạ gamma có lượng khác đỉnh lượng có cường độ bé không rõ nét có trường hợp bị che khuất Compton cao ghi nhận hệ phổ kế sử dụng loại đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy, Điều dẫn đến sai số đáng kể phép đo Vấn đề đặt phải xây dựng hệ phổ kế cho phổ lượng ghi nhận có đỉnh lượng rõ nét, Compton thấp tốt độ phân giải tốt Đầu dò bán dẫn HPGe lựa chọn tốt để có khả phân giải tối ưu Phương pháp trùng phùng phương pháp sử dụng tương quan thời gian xạ gamma trùng phùng (các xạ phát gần đồng thời) để ghi phổ lượng gamma có tính chọn lọc nghĩa ghi nhận xạ gamma trùng phùng loại bỏ xạ gamma tán xạ Compton Kết thu phổ lượng với đỉnh lượng gamma đặc trưng rõ nét Compton hạ thấp Các nhà khoa học đà nghiên cứu xây dựng hệ phổ kế trùng phùng thu phổ lượng xạ gamma tốt Tuy nhiên, việc hiểu biết vận hành hệ phổ kế trùng phùng đặc biệt hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để thu phổ lượng xạ gamma nguồn phóng xạ đồng vị phóng xạ xa lạ chưa phổ biến rộng nghiên cứu hạt nhân nước ta Để giải vấn đề trên, tác giả định nghiên cứu đề tài: khảo sát phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe để phục vụ cho luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao, Khóa 18 (2007 - 2010) Trường Đại Học Sư Phạm T.P Hồ Chí Minh Mục tiêu đặt luận văn là: - Tìm hiểu đặc trưng chung nguyên tắc hoạt động khối điện tử hệ phổ kế - Tìm hiểu thực kết nối khối điện tử hệ phổ kế - Tiến hành thao tác khối điện tử lên cao cho đầu dò, chọn thông số khối điện tư vµ lµm thÝ nghiƯm víi ngn chn nh­ 60Co vµ 22Na - Xư lý sè liƯu, ghi nhËn phỉ lượng so sánh với phổ lượng ghi nhận hệ phổ kế thông thường (hệ phổ kế lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe) Tõ ®ã, chøng tá ­u ®iĨm cđa hƯ phỉ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe là: đỉnh quang rõ Compton thấp tỷ số đỉnh Compton tăng lên Cấu trúc luận văn gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống phổ kế lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe Chương 2: Kỹ thuật trùng phùng hệ thống xử lý xung thời gian Chương 3: Thực nghiệm Do thời gian kiến thức hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý quý Thầy, Cô bạn đồng nghiệp để luận văn ngày hoàn thiện Chương 1: Tổng quan hệ thống phổ kế lượng, thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước [8] Năm 1958, Hooenboom A.M đà đưa phác thảo hệ phổ kế trùng phùng cộng biên độ đầu dò nhấp nháy Từ năm 1981, Viện Liên Hợp Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna đưa vấn đề ghi nhận xử lý số liệu máy tính hệ đo cộng biên độ xung trùng phùng với sơ đồ hệ đo hình 1.1 E ADC T Detector Fast Amplifier Fast Discriminator Spect Amplifier Single Chanel Analyzer Fast Coincidence Slow Coincidence Linear Gate 1 I N T E R F A C E T E ADC Detector: đầu dò Fast Amplifier: khối khuếch đại nhanh Fast Discriminator: khèi ph©n biƯt ng­ìng nhanh Spect Amplifier: khối khuếch đại phổ Single Chanel Analyzer: máy phân tích đơn kênh Fast Coincidence: khối trùng phùng nhanh Slow Coincidence: khèi trïng phïng chËm Linear Gate: cổng tuyến tính Hình 1.1 Sơ đồ hệ đo cộng biên độ xung trùng phùng Sau năm 2003, Cộng Hòa Séc thiết lập hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng có sơ đồ khối hình 1.2 Ge (Li ) Preamplifier Timing Amplifier Active Amplifier Constant Fraction Discrimin Timing Discriminator Amplifier Analog to Digital Convert Gate Time to Pulse –Height Convert Delay Shaper Analog to Digital Convert Shaper Gate Timing Discriminator Constant Fraction Discrimin Dual Sum Amplifier Timing Amplifier Active Amplifier HPGe Slow Coincidence Unit Preamplifier Interface PC Gate Amplifier Analog to Digital Convert Preamplifier: khối tiền khuếch đại Constant Fraction Discrimin: khối Amplifer: khối khuếch đại phân biệt ngưỡng không đổi Active Amplifier: khối khuếch đại chủ động Time to Pulse – Height Convert: khèi Dual Sum Amplifier: khối khuếch đại tổng biến đổi thời gian thành xung ®«i Analog to Digital Convert: khèi biÕn Timing Discriminator: khèi phân biệt ngưỡng đổi tương tự thành số thời gian Slow Coincidence Unit: khèi trïng Shaper: khèi t¹o d¹ng xung phùng chậm Timing Amplifier: khối khuếch đại thời gian Interface: card thu nhận liệu (card Delay: khối làm chậm giao diện) Hình 1.2 Hệ đo trùng phùng dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước [8] Năm 1984, Đại Học Tổng Hợp Hà Nội đà thử nghiệm hệ đo cộng biên độ xung trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI Năm 1999, Trung Tâm Vật Lý Hạt Nhân thuộc Viện Khoa Học Công Nghệ Quốc Gia ®· nhËn mét hƯ thiÕt bÞ ®Ĩ thiÕt lËp mét hệ đo theo phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng Trong thời gian gần đây, Trung Tâm Hạt Nhân Thành phố Hồ Chí Minh đà thiết lập sử dụng hệ đo trùng phùng sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI Năm 2005, với hợp tác Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội, khuôn khổ đề tài cấp bộ, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đà xây dựng thành công hệ phổ kế cộng biên độ xung trùng phùng So với hệ đo Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Dubna vào năm trước hệ đo Đà Lạt có ưu điểm vượt trội hiệu suất ghi cao hơn, tốc độ làm việc hệ điện tử nhanh gấp nhiều lần, không sử dụng đường dây trễ tập trung, độ tuyến tính độ ổn định tốt nhiều 1.2 Đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (High Purity Germanium - HPGe) 1.2.1 Cấu tạo đầu dò bán dẫn HPGe Đầu dò bán dẫn chế tạo từ tinh thể bán dẫn dạng nguyên tố Ge, Si (được sử dụng rộng rÃi nhất) tinh thể bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại n Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể mà đầu dò bán dẫn có hình dạng cấu trúc khác Chẳng hạn, đầu dò Si (Li) phẳng rÃnh có tác dụng làm giảm dòng rò tăng khả phân giải lượng Hình 1.3 cho thấy cấu trúc dải lượng loại đầu dò bán dÉn [2] LEGe ULEGe CGe XtRa Well REGe Ký hiÖu Vùng hoạt Tiếp xúc n Tiếp xúc p Mặt thụ động Loại đầu dò Ge lượng cực thấp ULEGe Ge lượng thấp LEGe Ge đồng trục CGe Đầu dò Ge điện cực đảo REGe đầu dò dải réng XtRa E ( KeV) Ge giÕng Well 10 100 1000 10000 Hình 1.3 Cấu trúc dải lượng loại đầu dò bán dẫn HPGe Dưới số loại đầu dò bán dẫn HPGe thông dụng 1.2.1.1 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trơc lo¹i p ~ 600 μm HPGe lo¹i p Bøc xạ Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m Hình Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p Đầu dò bán dẫn HPGe dạng đồng trục loại p có cấu tạo điốt - bán dẫn loại p với lớp tiếp xúc dày loại n mặt hình trụ lớp tiếp xúc mỏng loại p mặt tinh thể Ge Cấu trúc thông thường đầu dò đồng trục hay đồng trục khép kín lớp tiếp xúc dày đặt bề mặt khối trụ bán dẫn loại p lớp tiếp xúc mỏng đặt mặt khối trụ hình 1.4 Các lớp tiếp xúc hình thành vật liệu bán dẫn loại p để tạo nên lớp chuyển tiếp điốt gần với lớp tiếp xúc mặt Việc hình thành lớp chuyển tiếp gần lớp tiếp xúc mặt tạo điện trường bên tinh thể độ phân giải tốt Lớp tiếp xúc mặt dày từ 600 đến 1000 m Nó tùy thuộc vào nhà sản xuất kích thước tinh thể Thông thường, độ dày lớp tiếp xúc tăng theo kích thước đầu dò Lớp tiếp xúc không hình thành tín hiệu từ xạ gamma mà hấp thụ gọi lớp chết Lớp tiếp xúc mặt dày khoảng 0,3 m Lớp tiếp xúc mặt hấp thụ hoàn toàn lượng tử lượng thấp hiệu suất đầu dò tăng đến lượng lượng tử đạt giá trị cực đại khoảng 120 keV 1.2.1.2 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n Đối với đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n lớp tiếp xúc bị đảo ngược lại Nghĩa lớp tiếp xúc mỏng đặt mặt lớp tiếp xúc dày đặt mặt 0.3m HPGe loại n Bức xạ Lớp tiếp xúc dày ~ 600 m Lớp tiếp xúc mỏng ~ 0.3 m Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại n Đối với đầu dò loại hiệu suất lượng tử có lượng thấp cải thiện bề dày lớp chết giảm Tuy nhiên, khả phân giải không tốt đầu dò bán dẫn HPGe loại p 1.2.1.3 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p với lớp tiếp xúc mỏng mặt trước có cấu trúc tương tự đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p, khác chỗ mặt trước đầu dò phủ lớp mỏng bán dẫn loại n hình 1.6 ~ 600 μm HPGe lo¹i p Bøc x¹ Líp tiÕp xóc dày ~ 600 m Lớp tiếp xúc mặt trước ~ 10 μm Líp tiÕp xóc máng ~ 0.3 μm H×nh 1.6 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục loại p víi líp tiÕp xóc máng mỈt tr­íc Víi líp tiÕp xúc làm cho đầu dò tăng độ nhạy với lượng tử lượng thấp hầu hết đầu dò bán dẫn loại n, giữ khả phân giải tốt đầu dò bán dẫn loại p Hiệu suất lượng thấp ứng với đầu dò thích hợp với ứng dụng với lượng thấp khoảng 30 keV Lợi khác đầu dò loại hiệu suất cao giá trị lượng cao đầu dò tích tinh thể lớn bán kính cực đại lớn cm, kết hợp với khả phân giải dạng đỉnh phổ tuyệt vời 1.2.1.4 Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa [2] Đầu dò XtRa đầu dò Ge đồng trục có tiếp xúc cửa sổ mỏng mặt trước có tác dụng mở rộng dải lượng xuống tới keV Đối với đầu dò đồng trục Ge thông thường có lớp tiếp xúc khuếch tán Li với độ dày từ 0,5 đến 1,5 mm Lớp chết dừng hầu hết lượng 40 keV Đầu dò loại cho tất ưu điểm đầu dò đồng trục chuẩn thông thường hiệu suất cao, khả phân giải tốt Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục XtRa trình bày hình 1.7 Cửa sỉ Be ( 0,5 mm) ~ TiÕp xóc n TiÕp xúc p ~ Hình 1.7 Cấu hình đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục dải rộng XtRa 1.2.1.5 Đầu dò bán dẫn HPGe giếng [2] Đầu dò bán dẫn HPGe giÕng cung cÊp hiƯu st cao cho mÉu nhá gÇn bao quanh vật liệu đầu dò Đầu dò bán dẫn HPGe giếng chế tạo lỗ cụt để lại 5mm độ dày đầu dò hoạt đáy giếng Do đó, hình học đếm gần Cấu hình đầu dò bán dẫn Đường kính giếng ~ ~ HPGe giếng trình bày hình 1.8 Đầu dò bán dẫn HPGe giếng chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao Do đó, vận chuyển bảo quản nhiệt độ phòng mà không bị hỏng Vỏ chứa đầu dò giếng chế tạo nhôm với độ dày 0,5 mm lận cận giếng Độ sâu giếng chuẩn 40 mm cho tất đầu dò 1.2.2 Nguyên tắc hoạt động đầu dò bán dẫn HPGe Khi xạ gamma tương tác với đầu dò xạ gamma truyền lượng cho đầu dò làm xuất điện tích Dưới thiên áp hai cực đầu dò, điện tích tụ điện cực tạo (tín hiệu) Thế xử lý khối điện tử khác để hình thành xung Phần lượng truyền cho đầu dò thực theo hiệu ứng tương tác sau: - Đầu dò hấp thụ hoàn toàn lượng lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện - Đầu dò hấp thụ phần lượng lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton - Khi lượng lượng tử gamma lớn 1500 keV (theo lý thuyết 1022 keV) trình tạo cặp xuất sinh cặp electron - pozitron Năng lượng electron nhanh chóng bị hấp thụ đầu dò (vì quÃng chạy hạt tích điện ngắn); pozitron nhanh chóng bị hủy cặp tạo hai lượng tử gamma 511 keV Nếu hai lượng tử gamma bị hấp thụ trình tương đương với hấp thụ quang điện Nếu hai lượng tử gamma bay phần lượng hấp thụ tạo nên đỉnh thoát đơn Nếu hai lượng tử gamma bay tạo nên đỉnh thoát kép 1.2.3 Ưu điểm đầu dò HPGe - Không phải bảo quản liên tục Nitơ lỏng - Độ phân giải lượng hiệu suất ghi hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có thể tích Về bản, ưu điểm khả phân giải thuộc lượng nhỏ lượng cần để tạo nên phần tử mang điện tín hiệu lớn loại đầu dò khác có lượng photon tới Tại eV/ cặp điện tử - lỗ trống Số phần tử mang điện sinh đầu dò bán dẫn Ge cao cỡ đến hai bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy đầu dò chứa khí tương ứng 1.3 Thiết bị điện tử để xử lý tín hiệu từ đầu dò hạt nhân 1.3.1 Những khối tiền khuếch đại (Preamplifier) Khối tiền khuếch đại có chức nhận khuếch đại tín hiệu từ đầu dò mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu/nhiễu Vì vậy, khối tiền khuếch đại nằm gần đầu dò tốt để phát mạch lối vào thiết kế phù hợp với đặc tính loại đầu dò Có ba loại tiền khuếch đại bản: tiền khuếch đại nhạy dòng, tiền khuếch đại nhạy tiền khuếch ®¹i nh¹y ®iƯn tÝch Số đếm 1173 Năng lượng (keV) Hình 3.40 Đỉnh quang 1173 keV nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique vµ khèi TAC 566 víi thêi gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ c¸c xung trïng phïng) Số đếm 1332 Năng lượng (keV) Hình 3.41 Đỉnh quang 1332 keV nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique 60 Bảng 566 3.5 Các thamgian số thu từ phổ(dùng năngphương lượng nguồn độ xung 2,65 Ci) ghi khối TAC với thời đo 113 phút pháp cộng Co biên(hoạt độ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dÉn HPGe GC 1518, Inter-Technique vµ khèi trïngphỉ phïng) TAC 566 với thời gian đo 113 phút (dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng) Năng lượng (keV) 1173 (keV) 1332 (keV) DiƯn tÝch ®Ønh 2300± 132 3626 65 Độ phân giải FWHM 2,84 0,09 2,84 0,05 Độ cao đỉnh 1562 804 Tỷ số đỉnh/Compton 4542 Đối với 22Na hoạt độ 0,0056 Ci, thời gian ®o 13 giê 28 Số đếm 511 1274 Năng lượng (keV) Số đếm 511 Năng lượng (keV) Hình 3.42 Phổ lượng nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, InterTechnique khối TAC 566 với thời gian đo 13 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng) Hình 3.43 Đỉnh quang 511 keV nguồn 22 Na (hoạt độ 0,0056 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique khèi TAC 566 víi thêi gian ®o 13 giê 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phïng) Số đếm 1274 Năng lượng (keV) 22 H×nh 3.44 Đỉnh quang 1274 keV nguồn Na (hoạt độ 0,0056 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique khối TAC 566 với thời gian đo 13 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng) Bảng 3.6 Các tham số thu từ phổ lượng nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe GC 1518, Inter-Technique khối TAC 566 với thời gian đo 13 28 phút (dùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng) Năng lượng (keV) 511 (keV) 1274 (keV) Diện tích đỉnh 9374 101 300 13 Độ phân giải FWHM 2,84 0,03 2,84 0,09 Độ cao đỉnh 1882 101 3.5 So sánh phổ lượng từ phổ kế lượng thường phổ lượng từ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe 3.5.1 So sánh phổ lượng từ phổ kế lượng sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe phổ lượng từ phổ kế lượng - thời gian (sử dụng phương pháp trùng phïng th­êng) 13000 12000 11000 10000 1173 9000 Sè So ®Õmdem 8000 1332 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 800 1000 1200 1400 Năng lượng ( keV) Nang luong (keV) Hình 3.45 Phổ lượng nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế lượng thường dùng đầu dò bán dẫn HPGe (1) phổ kế lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thông thường (2) Từ hình 3.45, bảng 3.1 bảng 3.3 ta nhận thấy với phổ kế lượng - thời gian phổ lượng thu có Compton hạ thấp đáng kể Cụ thể, tỷ số đỉnh Compton phổ lượng thu phổ kế lượng thường dùng đầu dò bán dẫn HPGe 13,5 phổ lượng thu phổ kế lượng - thời gian đạt 38,3 Tuy nhiên, thời gian đo hệ phổ kế lượng - thời gian lâu đo hệ phổ kế lượng thông thường dùng đầu dò bán dẫn HPGe hệ phổ kế đà loại bỏ kiện không trùng phùng kiện trùng phùng ngẫu nhiên 3.5.2 So sánh phổ lượng từ phổ kế lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thường phổ lượng từ phổ kế lượng - thời gian sử dụng phương pháp cộng biên ®é c¸c xung trïng phïng Sè ®Õm 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 800 1173 1332 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Năng lượng ( keV) Hình 3.46 Phổ lượng nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế lượng - thời gian dùng hai đầu dò bán dẫn HPGe sử dụng phương pháp trùng phùng thông thường (2) phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng (3) Từ hình 3.46, bảng 3.3 bảng 3.5 ta có nhận xét: ghi phổ lượng nguồn 60Co với thời gian đo cấu hình hệ đo sử dụng hai phương pháp khác với phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng cho phổ lượng có Compton gần không đỉnh quang rõ Compton thấp Do đó, tỷ số đỉnh Compton đạt giá trị lớn Cụ thể, tỷ số đỉnh Compton phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng đạt 4542, với phương pháp trùng phùng thông thường đạt 38,3 Như vậy, tỷ số đỉnh Compton ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng lớn tỷ số đỉnh Compton ghi phổ kế lượng - thời gian sử dụng phương pháp trùng phùng thường 118,6 lần Điều cho thấy ưu điểm lớn phương pháp cộng biên ®é c¸c xung trïng phïng ghi nhËn b»ng hƯ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe việc phổ biến hệ phổ kế cần thiết Kết luận Qua trình khảo sát tiến hành thí nghiệm hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt, tác giả đà tìm hiểu nắm vấn đề sau: - Nắm nguyên tắc an toàn xạ làm việc với nguồn phóng xạ - Tìm hiểu biết nguyên tắc hoạt động chức khối điện tử hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe - Biết cách kết nối khối điện tử hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe - Biết cách lên cao cho đầu dò bán dẫn, khởi động chọn thông số thích hợp cho khối điện tử - Tìm hiểu nắm cách sử dụng phần mềm thu nhận số liệu phần mềm xử lý số liệu Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt - Tìm hiểu nắm phương pháp trùng phùng phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng để hạ thấp Compton phổ lượng ghi nhận - Sự cần thiết việc khảo sát hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe Vì hệ phổ kế có ưu điểm sau: + Ghi phổ lượng có tính chọn lọc dựa vào tương quan thời gian xạ gamma trùng phùng (chỉ ghi nhận xạ gamma trùng phùng) Kết Compton hạ thấp làm đỉnh quang rõ nét Compton + Với số liệu ghi nhận hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe xử lý phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng phổ lượng cải thiện Cụ thể Compton hạ thấp nhiều so với phương pháp trùng phùng thông thường + Ngoài việc ghi nhận phổ lượng, hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe ghi nhận phổ thời gian xạ gamma trùng phùng Tuy nhiên, phân giải lượng phổ thời gian không tốt Vì tác giả quan tâm đến việc ghi nhận lượng (tức đòi hỏi phân giải lượng phải tốt) Trong đó, lượng thời gian cần có thỏa hiệp nghĩa phân giải lượng tốt phân giải thời gian tồi ngược lại Từ đó, thấy cần thiết việc khảo sát hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe việc kết nối, vận hành chọn thông số cho hệ đo quan trọng Qua luận văn này, tác giả hy vọng đóng góp phần vào việc phổ biến cách sử dụng hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe cho người nghiên cứu lĩnh vực hạt nhân hay ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào lĩnh vực khác Cuối cùng, tác giả chân thành cảm ơn PGS TS Đinh Sỹ Hiền, cán phòng Vật Lý Điện Tử Hạt Nhân - Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt đà giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn TàI LIệU THAM KHảO [1] Nguyễn Xuân Hải cộng (12/2006), Nghiên cứu thiết kế chế tạo card thu nhận số liệu cho hệ phổ kế cộng biên độ xung trùng phùng, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp sở năm 2006, Đà Lạt [2] Đinh Sỹ Hiền (2005), Điện tử hạt nhân: Đầu dò bán dẫn xử lý tín hiệu, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh [3] Phạm Đình Khang Nguyễn Xuân Hải (2007), Hướng dẫn cho người bắt đầu xử lý số liệu với Origin, Đà Lạt [4] Nguyễn Xuân Kiên (2006), Một số kết nghiên cứu phân rà gamma nối tầng hạt nhân Cl36 phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng, Hà Nội [5] Trương Văn Minh (2008), Phản ứng 35Cl(n,2)36Cl số vấn đề liên quan đến mật độ mức 36 Cl, Đà Lạt [6] Nguyễn Hoàng Xuân Phúc (2009), Mét sè vÊn ®Ị vỊ hƯ thèng xư lý thời gian hệ đo cộng biên độ xung trùng phùng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Đà Lạt [7] Vương Hữu Tấn cộng (12/2009), Nghiên cứu phát triển hệ thống phổ kế hạt nhân đo chùm nơtron phục vụ nghiên cứu chuyển dời gamma nối tầng, đo đạc số liệu hạt nhân ứng dụng liên quan, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp năm 2007 - 2009, Đà Lạt [8] Vương Hữu Tấn cộng (12/2006), Nghiên cứu cường độ chuyển dời gamma nối tầng sơ đồ mức kích thích vùng lượng trung gian hạt nhân 135Sm, 182Ta, 59Ni 239U phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp năm 2005 - 2006, Đà Lạt [9] Canberra (2006), Timing and Coincidence Counting Systems [10] EG & Ortec Catalog (1995), Modular Pulse Processing Electrics and Semiconductor radiation detectors, USA [11] Ortec (2002), Constant-Fraction Discriminator operating and service manual - 584, USA PHơ LơC S¬ ®å kÕt nèi c¸c khèi ®iƯn tư cđa hƯ phỉ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò b¸n dÉn HPGe Detector Interface Detector Detector Interface C ¸ p PC C ¸ p Detector Delay box Nguån In Sơ đồ kết nối khối điện tử (mặt sau) Out riêng Chú ý: Các khối điện tử cung cấp nguồn nuôi Các khối điện tử kết nối hệ phổ kế lượng - thời gian sử đầusốdòsetup bán dẫn lò hạt nhân Lạt.sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe lò Cácdụng thông củaHPGe hệ phổ kếphản năngứng lượng - thờiĐà gian phản ứng hạt nhân Đà Lạt Cao cho hai đầu dò bán dẫn GC 1518 Inter-Technique 1750V 2500 V Khèi TFA 474 (thø nhÊt) Khèi TFA 474 (thø hai) + Coarse Gain: x1 x6 + Fine Gain : 12,5 ns 6,25 ns + Intergrate : Out Out + Diff : 200 ns 200 ns + Input : Inv Non - Inv Khèi CFD 584 (thø nhÊt) Khèi CFD 584 (thø hai) 0,6 0,6 + Mode : SRT SRT + CF Delay : 40 ns 40 ns + Timing Output : nèi víi Start cđa TAC nèi víi Stop cña TAC Khèi TAC 566 + Range : 50 ns + Multiplier: 10 + Mode : Int + TAC Output: nèi víi ADC 8713 Khèi ADC 8713 : Gain/Range 1K - 4K , Deadtime = Khèi Amp 572A (thø nhÊt) Khèi Amp 572A (thø hai) + Gain : 12.26 3.75 + Coarse Gain : 20 100 + Shaping Time: μs μs + Input : POS NEG +UNI : nèi víi ADC 7072 nèi víi ADC 7072 + Threshold: Số liệu thu từ hệ phổ kế lượng - thời gian sử dụng hai đầu dò bán dẫn HPGe (ghi phổ lượng gamma trùng phùng phổ thời gian 60Co) Năng Năng lượng lượng Thời gian Năng lượng Năng lượng Thời gian Năng Năng lượng lượng Thêi gian 1154 1313 928 881 1153 615 1102 1275 866 1155 925 865 827 1021 838 869 577 933 657 1506 1156 1152 1008 0 0 0 0 214 0 0 0 217 0 0 0 1196 550 985 934 1115 1148 927 1183 816 977 436 1152 1143 725 1146 567 663 1315 875 941 1151 651 947 1098 1109 1018 1133 1153 611 912 1152 982 971 1150 1107 1153 1104 1157 1310 956 1153 983 1155 631 852 561 0 0 0 0 178 0 171 0 183 0 157 0 0 1307 839 445 1022 795 804 891 1151 1151 1079 877 1196 1313 944 1583 1314 914 1006 750 1152 996 1100 … 172 173 0 0 0 0 167 0 0 0 426 0 … 843 578 490 1167 965 1050 688 951 1155 1029 724 1129 1154 523 1314 485 1005 724 863 448 810 1310 1312 764 1019 1315 399 338 1313 1017 540 611 949 422 1153 550 331 693 679 956 900 313 1021 1153 1136 … Ph­¬ng pháp cộng biên độ xung trùng phùng Phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng biến tướng phương pháp trùng phùng gamma gamma Phương pháp trùng phùng gamma gamma để nghiên cứu phân rà gamma nối tầng ban đầu sử dụng với đầu dò nhấp nháy, sau đầu dò nhấp nháy thay đầu dò bán dẫn HPGe Phương pháp trùng phùng cộng biên độ đà cải tiến có khác biệt liệu lưu trữ, xử lý máy tính, phương pháp cho phép làm tốt độ phân giải lượng phổ kế lên đến lần mà không làm giảm hiệu suất ghi trùng phùng Cơ sở phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng chỗ đầu dò bán dẫn HPGe biến đổi tuyến tính lượng xạ gamma thành biên độ tín hiệu đo Tổng lượng E1 E2 hai dịch chun gamma liªn tiÕp E1 + E2 = Ei – Ef xác định lượng Ei Ef mức phân rà (i) mức tạo thành sau dịch chuyển nối tầng hai gamma (f), không phụ thuộc vào lượng trạng thái kích thích trung gian Khi đó, trường hợp ghi dịch chuyển nối tầng mà xảy hấp thụ đồng thời toàn lượng hai tia gamma hai đầu dò dẫn đến xuất đỉnh tổng biên độ xung trùng phùng Sự hấp thụ không hoàn toàn lượng dù lượng tử gamma làm dịch chuyển đỉnh tổng biên độ miền lượng thấp tạo nên phân bố liên tục tương ứng Vì vậy, ta dễ dàng tách từ tập hợp trùng phùng gamma gamma trường hợp mà toàn lượng dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hoàn toàn hai đầu dò Về bản, phương pháp trùng phùng cộng biên độ dựa phương pháp trùng phùng gamma gamma phương pháp kinh điển vật lý hạt nhân thực nghiệm Hệ ghi ghi nhận thông tin hai đầu dò có xung đồng thời (chính xác thời điểm xuất hai xung lệch khoảng thời gian nhỏ khoảng thời gian định trước hệ đo - gọi cửa sổ thời gian hệ trùng phùng) Nguyên lý phương pháp sau : A  γ2 B γ  33 C Gi¶ sử tồn sơ đồ phân rà hình bên Trong nghiên cứu thực nghiệm rõ ràng có khả tồn trùng phùng A B, khả trùng phùng A C B C khó xảy Những hạn chế phương pháp trùng phïng nh­ trªn : - HiƯu st ghi trïng phùng thấp - Không có khả xác định thứ bậc chuyển dời - Do trình tán xạ, huỷ cặp chuyển dời có lượng lớn tỷ số diện tích đỉnh diện tích phông nhỏ, nên độ tin cậy giảm Cách dùng Origin Pro 7.5 để chuẩn số liệu, tạo phổ tổng phổ vi phân nối tầng bậc hai Bước : FileImportSimple Single ASCII Chän tËp sè liƯu cÇn më để nhập số liệu vào bảng Bước : Chọn cét sè liƯu thø nhÊt chän StatisticsDescriptive StatisticsFrequency count ®Ĩ më hép tho¹i Count B­íc : Trong hép thoại Count gõ Step size sau bấm OK Bước : Chọn Cột Count(Y vẽ đồ thị b»ng c¸ch chän Plot->Line B­íc : Chän Tools PickPeaks để mở hộp thoại Pick Peak thay đổi tham số hộp thoại để tìm đỉnh phổ Bước : Mở cửa sổ Peak vừa tìm chọn cột PkType gõ giá trị lượng vị trí tương ứng với đỉnh bảng B­íc : Chän cét PkType(YChän ColumnSet as Y B­íc : Chän cét Pkx(XChän ColumnSet as X chuÈn vµo Bước : Vẽ đồ thị hai cột c¸ch chän hai cét PlotScatter B­íc 10 : Chän AnalysisFit Polynominal để khớp xem hàm khớp Bước 11 : Sử dụng hàm chuẩn vừa tìm cho kênh thứ hiệu chỉnh lại giá trị code cột thứ (giá trị để vào cột thứ Bước 12 : Lặp lại bước cho cột thø hai B­íc 13 : Sau ®· cã hai cột số liệu hiệu chỉnh, cộng cặp số liệu hai cột đà hiệu chỉnh sau dùng công cụ thống kê để vẽ phổ tổng Bước 14 : Từ phổ tổng ta lấy giá trị Et đỉnh tổng E giá trị độ cao đỉnh tổng công cụ Green reader Bước 15 : Lọc giá trị E1i E2i với E1i + E2i = Et ± ΔE hai cét ®· hiệu chỉnh ghép giá trị E1i E2i ®· läc thµnh mét cét B­íc 16 : Thèng kê giá trị đà lọc vẽ phổ vi phân nối tầng bậc hai ... nhËn phổ lượng so sánh với phổ lượng ghi nhận hệ phổ kế thông thường (hệ phổ kế lượng sử dụng đầu dò bán dÉn HPGe) Tõ ®ã, chøng tá ­u ®iĨm cđa hƯ phổ kế lượng - thời gian sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe. .. sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 27 phút 32 giây Bảng 3.1 Các tham số thu từ phổ lượng nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế lượng thông thường sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe với thời. .. 3.24 Phổ thời gian nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) ghi phổ kế thời gian sử dụng hai đầu dò bán dẫn HPGe với thời gian đo 113 phút, độ phân giải thời gian 45 ns 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động phổ