Tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra: xác định sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng (FWHM) vào thời gian hình thành xung, kết qu[r]
(1)Xác định đặc trưng hệ phổ kế gamma
bán dẫn Be5030
Lê Đức Thiện
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao
Mã số: 60 44 05
Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Văn Loát
Năm bảo vệ: 2012
Abstract: Tổng quan dạng đêtectơ bán dẫn Ge, tìm hiểu sơ đồ nguyên lý
hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-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 BEGe-Canberra nói riêng hệ phổ kế gamma nói chung Tiến hành đánh giá số thông số đặc trưng hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra: xác định phụ thuộc độ phân giải lượng (FWHM) vào thời gian hình thành xung, kết nhận với thời gian hình thành xung 4μs độ phân giải lượng tốt nhất; 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 BEGe- Canberra: nuôi 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thơ 20, chỉnh tinh 0,9, thời gian hình thành xung 4μs; khảo sát phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma; khảo sát phụ thuộc hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ; xây dựng đường cong hiệu suất ghi cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali 02 mẫu đất đá
Keywords: Vật lý hạt nhân; Hệ phổ kế gamma bán dẫn; Bức xạ Gamma; Gamma bán
dẫn
Content MỞ ĐẦU
(2)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
Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xác định đặc trưng hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 ”, tác giả giao nhiệm vụ sau:
Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, ngun lí hoạt động hệ phổ kế gamma bán dẫn dải lượng rộng – Canberra xác định chế độ làm việc hệ
Xác định thực nghiệm độ phân giải lượng đêtectơ
Xây dựng đường chuẩn lượng đường cong hiệu suất ghi Khảo sát phụ thuộc hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ
Xây dựng đường cong hiệu suất ghi mẫu chuẩn, áp dụng phân tích số mẫu đất đá Xác định hoạt độ phóng xạ riêng 238
U, 232Th, 40K
Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ 10 bảng biểu, hoàn chỉnh dựa 12 tài liệu tham khảo
Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm ba chương Chương Tổng quan đêtectơ bán dẫn Gecmani
Chương Phương pháp thực nghiệm Chương Kết thực nghiệm
CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI 1.1 Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
1.1.1 Những tiến khoa học lĩnh vực chế tạo Đêtectơ xạ tia gamma tia X
(3)bằng vật liệu bán dẫn Si đo vùng lượng thấp số nguyên tử silicon thấp Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ keV vạch lượng 1332 keV đồng vị phóng xạ 60Co ) tốt 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy NaI (T1) Đặc biệt từ năm
1980 người ta chế tạo thành công đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính chất tốt so với hệ đêtectơ bán dẫn trước nâng cao đáng kể độ xác phương pháp phân tích hạt nhân Tùy thuộc vào mục đích sử dụng miền lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo đêtectơ HPGe số cấu hình theo hãng Canberra Ultra LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge HPGe, XtRa, REGe, Well [6]
1.1.2 Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani Đêtectơ Gecmani
Đêtectơ Gecmani [6] điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N vùng bên ( I ) 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
Đêtectơ Gecmani lƣợng siêu thấp ( Ultra- LEGe )
Đêtectơ ULEGe [1] hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính đêtectơ Ge xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả phân giải, dạng đỉnh tỷ số đỉnh mà ta nghĩ đạt đêtectơ Ge có số nguyên tử ( Z=32) phủ dải rộng lượng lớn đêtectơ photon thị trường Đêtectơ ULEGe có khả phân giải bé 150 eV (FWHM) 5,9 keV
Đêtectơ Gecmani lƣợng thấp
Đêtectơ Gecmani lượng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả hình học hình học đêtectơ Ge với ưu điểm so với đêtectơ tinh thể mỏng (planar) đồng trục thông thường có nhiều ứng dụng Đêtectơ LEGe chế tạo với tiếp xúc phía trước mỏng Tiếp xúc phía sau bé diện tích tồn phần điện dung đêtectơ bé điện dung đêtectơ planar có kích thước
Đêtectơ Gecmani đồng trục
(4)đồng trục Gecmani có mức tạp chất thực cỡ 1010
nguyên tử / cm3 cho với điện áp ngược thích hợp, thể tích toàn thể điện cực làm nghèo điện trường mở rộng qua vùng hoạt Dải lượng sử dụng đêtectơ Ge đồng trục 50 keV đến 10 MeV
Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc
Đêtectơ điện cực ngược ( REGe ) [1] khác với đêtectơ đồng trục thơng thường khác điện cực đêtectơ REGe ngược với đêtectơ đồng trục thơng thường điện cực loại P, ( B nuôi cấy ion ) bên tiếp xúc loại N ( khuếch tán Li ) bên Ưu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ chống hỏng hóc xạ
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] đetectơ Ge đồng trục có tiếp xúc cửa sổ mỏng mặt trước mở rộng dải lượng xuống tới keV Các đêtectơ đồng trục thông thường có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày 0,5 1,5 mm Lớp chết dừng hầu hết photon có lượng 40 keV
Đêtectơ giếng Gecmani
Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho mẫu nhỏ gần bao quanh vật liệu đêtectơ hoạt Đêtectơ giếng chế tạo lỗ cụt để lại 5mm độ dày đêtectơ hoạt đáy giếng Đêtectơ giếng chế tạo từ Ge có độ tinh khiết cao vận chuyển bảo quản nhiệt độ phịng mà khơng bị hỏng
1.2 Hiệu suất ghi đêtectơ
Trong tốn 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 công thức sau:
abs
( )
r m
N
E
AI t
(1.1)1.3 Độ phân giải lƣợng
Thăng giáng nguồn xác định biểu thức[10] 2 2
I P E C
(1.3) (5)P
thăng giáng việc tạo cặp điện tử lỗ trống đêtectơ [10]
2.355 /
P F E
(1.4)
trong : E lượng xạ gamma, F hệ số Fano phản ánh mức độ gián đoạn truyền lượng xạ ion hóa cho cặp phần tử tải điện, ω lượng cần thiết để tạo cặp điện tử lỗ trống
C thăng giáng ghi nhận điện tích đetectơ [10]
C C E (Clà hệ số tỷ lệ Cconst) (1.5 ) e thăng giáng nhiễu điện tử việc xử lí xung [10]
e A ( A số tỷ lệ ) ( 1.6 )
Trong trường hợp bỏ qua thăng giáng độ rộng mức lượng [10]:
Suy 2 2 2 2
P C E P E C E A
( 1.7 ) P E C E2 2A2 (1.8)
1.4 Tỉ số bề rộng đỉnh
Bên cạnh việc xác định FWHM đỉnh phổ, bề rộng đỉnh phổ cịn đo thơng số khác FWTM, bề rộng 1/10 chiều cao Người ta đưa tỉ số FWTM/FWHM để làm thông số đánh giá hình dạng phổ [8] Đối với đỉnh Gauss lí tưởng tỉ số 1,82 cịn thực tế tỉ số nhỏ 1,9
chƢƠNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra
(6)tính ổn định ADC…Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra gồm: buồng chì, đêtectơ bán dẫn Ge giải lượng rộng (BEGe), hệ điện tử tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, biến đổi tương tự số (ADC) , máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn
ni cao áp
Hình 1b Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra
Đêtectơ BEGe Khuếch đại tuyến tính
Nguồn ni cao áp Máy phân tích biên độ nhiều kênh Tiền khuếch đại Máy tính
Máy phát xung chuẩn
2.2 Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra
2.2.1 Đêtectơ BEGe
Có dải lượng rộng từ keV tới MeV[6] Độ phân giải lượng vùng lượng thấp BEGe tương đương với độ phân giải lượng đêtectơ Ge lượng thấp, độ phân giải lượng vùng lượng cao tương đương với độ phân giải lượng đêtectơ đối xứng trục chất lượng tốt
Quan trọng BEGe có hình dạng ngắn to giúp tăng hiệu suất ghi MeV cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình Hình dạng đêtectơ chọn cho hiệu suất ghi tối ưu mẫu thực tế dải lượng quan trọng để phân tích phổ gamma
Trong luận văn sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải lượng rộng ( BEGe ) model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đường kính 80.5mm, diện tích 5000 mm2, chiều dày 31mm, làm lạnh điện cần 24 để làm lạnh đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K xuống nhiệt độ làm việc hệ 90K, đetectơ hãng Canberra sản xuất
1
2
3
(7)2.2.2 Buồng chì
Để giảm bớt phơng đồng vị phóng xạ tự nhiên nhân tạo phân bố xung quanh đêtectơ làm ảnh hưởng tới kết phân tích phổ gamma đo được, điều tất yếu phải có vật liệu che chắn thích hợp Với đêtectơ BEGe dạng thẳng đứng sử dụng buồng chì có vỏ ngồi làm thép cacbon phơng phóng xạ thấp dày 9,5 mm, phần chì phơng thấp dày 10cm, lớp che chắn bên làm kẽm có phơng phóng xạ dày 1mm đồng tinh khiết dày 1,6 mm, trọng lượng 950 kg
2.2.3 Khối tiền khuếch đại
Tiền khuyếch đại nối trực tiếp với đêtectơ Khả tốc độ đếm >~ 30000 số đếm / s (60
Co ), lối vào cao cung cấp cho đêtectơ từ đến ± kV DC, lối cấm cao ±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại <0,005% với dải nhiệt độ đến +500C Nhiệm vụ khuếch đại sơ tín hiệu từ đêtectơ Khối tiền khuếch đại định độ phân giải lượng phổ kế Các phổ kế sử dụng đêtectơ Ge thường sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích
2.2.4 Khối khuếch đại phổ
Có hệ số khuếch đại thơ điều chỉnh chuyển mạch có vị trí X5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000 Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh chiết áp nhiều vịng xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0,5 – 1,5 thang khuếch đại tương ứng Thời gian hình thành xung điều chỉnh núm chuyển mạch, có vị trí 0,5; 1; 2; 4; 6;12 μs có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung từ tiền khuếch đại ( thông qua biên độ nhỏ V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để xử lý cách dễ dàng xác
2.2.5 Khối cao Canberra model 3106D
Là khối cao phù hợp với tất loại đêtectơ có mức điện áp kV cường độ dòng 30μA Điện lối thay đổi liên tục từ ± 30 V tới ±6000 V Với đêtectơ dùng thấp, có lối thứ với điện trung bình khoảng từ ±3 V tới ± 600V phải đảm bảo độ ổn định
2.2.6 Khối phân tích đa kênh
Gồm có biến đổi tương tự số phân tích đa kênh (MCA) Bộ biến đổi tương tự số biến đổi xung lối khối khuyếch đại phổ thành giá trị số Phương pháp phổ biến phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V0 so sánh với điện áp tăng tuyến tính
(8)cách thời gian cần thiết để Vr = V0.Trong thời gian cổng mở xung đồng hồ tần số
cao qua cổng đếm đếm địa
2.3 Đƣờng chuẩn lƣợng
Đường chuẩn lượng đồ thị mô tả phụ thuộc vị trí cực đại đỉnh hấp thụ tồn phần vào lượng vạch xạ gamma tương ứng Để xây dựng đường chuẩn lượng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ tồn phần vạch gamma biết trước lượng Nguồn chuẩn lượng nguồn biết trước lượng xạ gamma phát từ nguồn Độ xác việc xây dựng đường chuẩn lượng phụ thuộc vào độ xác xác định vị trí cực đại đỉnh chọn làm chuẩn để xây dựng đường chuẩn Tốt chọn nguồn chuẩn lượng nguồn gamma đơn Các đỉnh chọn xây dựng đường chuẩn lượng có giá trị phân bố vùng lượng gamma quan tâm tốt Trên thực tế, khơng có nguồn chuẩn gamma đơn năng, sử dụng nguồn gamma phức tạp có nhiều thành phần Trong vạch gamma nguồn phức tạp, chọn vạch phổ có lượng lớn nhất, vạch có cường độ mạnh xa vạch khác
2.4 Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi
Để xác định hàm lượng ngun 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 [6]
5
0
ln
ln
/
i
i i
a
E E
(2.1)trong đó: ε hiệu suất ghi đêtectơ E lượng tia gamma E0=1 keV
(9)CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1 Xác định chế độ làm việc hệ phổ kế BEGe – Canberra
Theo khuyến cáo hãng, làm việc đetectơ 4000 V, thực nghiệm luận văn, giữ cố định mức 4000 V Để chọn chế độ đo ghi nhận phổ ban đầu tiến hành xác định hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại chọn cho đêtectơ ghi nhận vạch gamma từ keV tới MeV Kết thực nghiệm chọn hệ số khuếch đại với chỉnh thô: 20 chỉnh tinh là: 0,9
Bảng 3.1 Độ phân giải lượng vạch 661,66 keV ứng với thời gian hình thành xung
Bảng 3.1 đưa giá trị độ phân giải lượng vạch 661,66 keV ứng với thời gian hình thành xung tương ứng
Thời gian hình thành xung (μs)
FWHM(keV) FWTM (keV) FWTM/FWHM
1 2,374 7,337 3,091
2 1,755 3,785 2,157
4 1,352 2,574 1,904
6 1,358 2,457 1,809
(10)0 2 4 6 8 10 12 14 0
2 4 6 8 10
FWHM FWTM FWTM/FWHM
D
o
r
o
n
g
Thoi gian hinh xung (s)
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ rộng lượng nửa chiều cao
của đỉnh (FWHM ) độ rộng lượng 1/10 chiều cao đỉnh (FWTM), tỉ số ( FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn 137
Cs ở khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ 8cm.
Trong thực nghiệm khóa luận chọn chế độ làm việc hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra: Cao đặt vào nuôi đetectơ 4000 V, hệ số khuếch đại với chỉnh tinh (fine): 0,9 chỉnh thơ, (coarse): 20, thời gian hình thành xung 4μs
3.2 Đƣờng chuẩn lƣợng
Do đêtectơ BEGe đêtectơ dải lượng rộng từ keV tới MeV, nên để xây dựng đường chuẩn lượng luận văn chọn nguồn chuẩn 241
Am, 109Cd, 57Co,
137
Cs, 54Mn, 60Co, 22Na, 133Ba
Để xác định xác vị trí đỉnh hấp thụ tồn phần chọn chuẩn lượng, phổ xạ gamma nguồn chuẩn đo thời gian thích hợp để số đếm ứng với kênh cực đại đỉnh không nhỏ 104
xung
Bảng 3.2. Số liệu tia gamma chọn để chuẩn lượng vị trí cực đại (kênh) tương ứng
(11)E (keV) I(%) ( kênh )
241
Am 59,541 25,9 174
109
Cd 88,04 3,61 262
57
Co
122,06 85,6 366
136,47 10,68 409
137
Cs 661,66 85,1 2004
54
Mn 834,85 99,976 2529
60
Co
1173,2 99,974 3557
1332,5 99,986 4040
22
Na 1274,53 99,944 3864
(12)
0 1000 2000 3000 4000
500 1000
N
a
n
g
l
u
o
n
g
g
a
mma
E(ke
V)
So kenh So lieu
Duong khop
Hình 3.5 Đường chuẩn lượng đêtectơ BEGe – Canberra
3.3 Sự phụ thuộc độ phân giải lƣợng vào lƣợng xạ gamma
Để nghiên cứu phụ thuộc độ phân giải lượng ( FWHM ) vào lượng xạ gamma sử dụng nguồn chuẩn 241
Am, 109Cd, 57Co , 137Cs, 54Mn, 60Co,
22
Na, 133Ba, Các nguồn đặt cách đêtectơ cm Phổ gamma nguồn chuẩn đo cho diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần xạ gamma đặc trưng chọn có sai số thống kê nhở 1%
Từ số liệu thực nghiệm thu được, sử dụng phần mềm Origin xây dựng đường cong mô tả phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma (Hình 3.6)
Độ phân giải lượng tuyệt đối tăng theo lượng xạ gamma theo hàm số có dạng:
8
1.0995 10 0.00185 1.40298
E E E
(13)200 400 600 800 1000 1200 1400 1
2 3 4
F
W
H
M
(k
e
V
)
Nang luong gamma E(keV)
Diem thuc nghiemDuong khop
Hình 3.6.Độ phân giải lượng phụ thuộc vào lượng xạ gamma 3.4 Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi
Trong luận văn sử dụng nguồn chuẩn gamma IAEA cung cấp Các nguồn chuẩn thông số đặc trưng hoạt độ phóng xạ, chu kỳ bán rã, ngày sản xuất đưa Bảng 3.4
Trong Bảng 3.4 đưa hoạt độ nguồn chuẩn thời điểm xác định hiệu suất ghi.Các nguồn chuẩn cách đêtectơ 8cm 9cm Phổ gamma nguồn chuẩn đo thời gian đủ lớn để sai số thống kê đỉnh hấp thụ toàn phần nhỏ % Kết thực nghiệm cho bảng 3.5 3.6 tương ứng
(14)Nguồn E ( keV ) Hệ số phân nhánh
Iγ (%)
Diện tích đỉnh hấp thụ toàn
phần S
Thời gian đo tm(s)
Hiệu suất ghi ε
241
Am 59,541±2% 35,90±4% 578820±0,14% 196,65 0,0275±0,0012
109
Cd 88,04±5% 3,61±10% 10199±1,1% 759,33 0,0471±0,0052
57
Co
122,061±4% 85,60±17% 16017±0,81% 152,27 0,0458±0,0081
136,474±5% 10,68±8% 1893±2,54% 152,27 0,0434±0,0042
137
Cs 661,657±3% 85,10±2% 11929±0,92% 65,38 0,0062±0,0002
54
Mn 834,848±3% 99,97±1% 11100±0,96% 378,67 0,0077±0,0001
60
Co 1173,237±4% 99,97±7% 11646±0,98% 142,26 0,0032±0,0002
1332,501±5% 99,98±4% 10472±0,99% 142,26 0,0029±0,0001
133
Ba 53,161±1% 2,19±22% 3380±2,67% 161,50 0,0308±0,0068
356,017±2% 62,05±19% 33612±0,56% 161,50 0,0108±0,0021
22
Na 1274,520±2% 99,94±14% 15610±0,81% 229,48 0,0039±0,0054
Hàm số mô tả phụ thuộc hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần vào lượng xạ gamma có dạng:
ln 18.09434 7.6589ln E1.07169(ln ) ^ 0.01168(ln ) ^ 0.00321(ln ) ^ 4E E E
(15)100 1000 1E-3
0.01 0.1 1
H
ie
u
s
u
a
t
g
h
i
Nang luong gamma E(keV)
Diem thuc nghiem Duong lam khop
Hình 3.7. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi ghi nhận hệ phổ kế gamma bán dẫn Canberra khoảng cách cách nguồn cm
Nhận xét đƣờng 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 không thay đổi
(16)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
3.5 Sự phụ thuộc hiệu suất ghi vào khoảng cách
Để nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ, đỉnh 834,848 keV 54Mn chọn để nghiên cứu Với khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ
thay đổi, thời gian ghi nhận phổ thay đổi tương ứng để cho diện tích đỉnh hấp thụ
toàn phần xác định với sai số nhỏ 1%
0 50 100 150 200 250
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009
Hi
Öu
suÊ
t g
hi
Khoảng cách từ nguồn tới đầu dò (mm)etect
3.6 Xõy dng ng cong hiệu suất ghi, phân tích mẫu đất đá
Để xác định hoạt độ riêng đồng vị phóng xạ có mẫu đất đá thực nghiệm xác định tốc độ đếm tạ đỉnh hấp thụ toàn phần vạch gamma đặc trưng, biết hiệu suất ghi tuyệt đối đỉnh hấp thụ toàn phần suy hoạt độ A đồng vị phóng xạ nghiên cứu có mẫu phân tích theo cơng thức:
.
absn
A
I
(17)mơi trường nói chung, mẫu đất đá nói riêng khác so với nguồn điểm Vì cần phải xây dựng đường cong hiệu suất ghi phù hợp với hình học đo mẫu mơi trường Thường đường cong hiệu suất ghi xác định cách sử dụng mẫu chuẩn phóng xạ, có thành phần giống mẫu phân tích Theo khuyến cáo IAEA với mẫu đất đá ,mẫu chuẩn tương ứng mẫu RGU Đây mẫu chứa đồng vị phóng xạ dãy 238
U 235U trạng thái cân Hoạt độ phóng xạ riêng 238
U : 4940 ± 10 Bq/kg 235U : 228 ± Bq/kg Để đảm bảo đồng hình học đo mẫu chuẩn mẫu phân tích , mẫu chuẩn mẫu phân tích đựng hộp hình trụ plastic có đường kính 10cm Mẫu chuẩn mẫu phân tích đầm nén cho chiều cao mẫu phân tích mẫu chuẩn xấp xỉ Mẫu chuẩn mẫu phân tích nhốt vòng 20 ngày trước đo để thiết lập trạng thái cân phóng xạ Mẫu chuẩn mẫu phân tích đặt sát đêtectơ Khối lượng mẫu chuẫn 99 gam
Đường cong hiệu suất ghi hình học đo mẫu phân tích đất đá đưa hình 3.10 Sự phụ thuộc hiệu suất ghi vào lượng có dạng:
ln 43,19419 27,16359ln E6, 41001(ln ) ^ 0, 63866(ln ) ^ 0, 02338ln( ) ^ 4E E E
2
0.99511
R
Trong đó: R hệ số làm khớp
Bảng 3.7. Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ toàn phần xạ gamma đặc trưng cho đồng vị phóng xạ có mẫu chuẩn
Nguồn E ( keV) Hoạt độ
phóng xạ A (Bq)
Hệ số phân nhánh Iγ (%)
Diện tích đỉnh hấp thụ
toàn phần S
Hiệu suất ghi ε
210
Pb 46,53 446.4772 4,25 135130 0,0956±0,0071
234Th
63,29 446.4772 4,80 1.45E+05 0,1181±0,00866
234Th
143,74 20,60664 10,96 21576 0,1285±0,0088
235
(18)Hình 3.11. Đường cong hiệu suất ghi ghi nhận hệ phổ kế gamma bán dẫn với mẫu chuẩn RGU1 đặt nắp đêtectơ
3.7 Xác định hoạt độ phóng xạ riêng U, Th, K mẫu đất đá
Hoạt độ phóng xạ Thori Uran xác định dựa vào vạch gamma đồng vị phóng xạ dãy Các mẫu đất đá sau gia công nghiền nhỏ nhốt 20 ngày để thiết lập trạng thái cân phóng xạ Rađi sản phẩm cháu Rađi Sau nhốt, mẫu đo hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết dải rộng BEGe-BE 5030 hãng Canberra cung cấp với cấu hình đo giống đo mẫu chuẩn RGU Sử dung phần mềm Genie 2000- 3.0 để phân tích phổ gamma Việc tính tốn hoạt độ đồng vị phóng xạ thực phần mềm kèm với hệ đo
Kết phân tích
214
Pb 242,2 446.4772 7,258 1.35E+05 0,0436±0,0043
234Th
295,22 446.4772 19,3 3.11E+05 0,0509±0,0035
214
Pb 609,31 446.4772 45,49 364768 0,0242±0,0015
214
Bi 806,17 446.4772 1,22 7650 0,0189±0,0002
234
Pa 2204,21 446.4772 5,08 14674 0,0089±0,0006
214
Bi
1120,28 446.4772 15,12 70820 0,0143±0,0009
1238,11 446.4772 5,79 25200 0,0132±0,0009
1764,49 446.4772 15,4 14674 0,0111±0,0076
100 1000
1E-3 0.01 0.1 1
H
ie
u
s
u
a
t
g
h
i
Nang luong gamma E(keV)
Diem thuc nghiem (19)Căn vào tốc độ đếm đỉnh hấp thụ tồn phần trừ phơng, đường cong hiệu suất ghi xác định hoạt độ phóng xạ số đồng vị phóng xạ Uran, Thori Kali Kết cho Bảng số 3.8a
Bảng 3.8.a Hoạt độ phóng xạ riêng số đồng vị phóng xạ tự nhiên dãy Uran, Thori kali mẫu đất đá BN
Đồng vị phóng xạ Hoạt độ riêng (Bq/Kg) Ghi
214
Pb 10.28±1,26 Dãy 238U
214
Bi 10.64±1,38 Dãy 238U
228
Ac 21.05±2,53 Dãy 232Th
212
Pb 21.82±2,62 Dãy 232Th
208
Tl 23.87±2,86 Dãy 232Th
40
K 15,2±1,2 40K
Trên Hình 3.12b đưa phổ gamma mẫu đất đá có ký hiệu BT, hoạt độ riêng số đồng vị phát xạ gamma cường độ mạnh dãy 238
U, 232Th vạch gamma 40K Bảng số 3.8b kết xác định hoạt độ phóng xạ riêng số đồng vị phóng xạ hai dãy phóng xạ tự nhiên Kali
Bảng 3.8b Hoạt độ phóng xạ riêng số đồng vị phóng xạ tự nhiên dãy Uran, Thori kali mẫu đất đá BT
Đồng vị phóng xạ Hoạt độ riêng (Bq/Kg) Ghi
214
Pb 8,68±1,16 Dãy 238U
214
Bi 6,05±1,73 Dãy 238U
228
Ac 11,25± 1,58 Dãy 232Th
212
Pb 10,97±1,54 Dãy 232Th
208
(20)40
K 10,9 ± 1,5 40K
Trong phạm vi sai số đồng vị dãy 238
U 232Th trạng thái cân phóng xạ Kết phù hợp với kết lý thuyết ra[5] Các dãy phóng xạ tự nhiên đất đá nằm trạng thái cân phóng xạ Sử dụng hoạt độ phóng xạ đồng vị bảng tiến hành xác định hàm lượng Uran, Thori kali mẫu Kết cho bảng số 3.8c
Bảng 3.8c Hàm lượng U,Th,K 02 mẫu đất đá phân tích
STT Tên mẫu Màu đất đá U (ppm) Th (ppm) K (%)
1 BN Màu vàng 0,85 5,46 0,055
4 BT Màu vàng 0,60 2,64 0,040
Kết phân tích đối chứng mẫu BN phịng thí nghiệm VILAB Trung tâm phân tích mơi trường Viện Hóa học Quân 0,92 ppm, 5,80 ppm 0,12 % tương ứng với Uran, Thori Kali Kết phân tích đối chứng cho thấy với U, Th kết thu từ Luận văn phù hợp với số liệu phân tích phịng thí nghiệm VILAB Trung tâm phân tích mơi trường Viện Hóa học Quân Tuy nhiên với Kali số liệu sai lệch nhiều mẫu BN hàm lượng Kali thấp, nằm ngưỡng pháp để có số liệu xác cần phải tăng thời gian đo lên nhiều lần
KẾT LUẬN Bản luận văn đạt yêu cầu đặt :
Vê mặt lý thuyết tổng quan dạng đêtectơ bán dẫn Ge Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-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 BEGe-Canberra nói riêng hệ phổ kế gamma nói chung
(21)Đã tiến hành xác định phụ thuộc độ phân giải lượng (FWHM) vào thời gian hình thành xung, kết nhận với thời gian hình thành xung 4μs độ phân giải lượng tốt
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 BEGe- Canberra: nuôi 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thô 20, chỉnh tinh 0,9, thời gian hình thành xung 4μs
Khảo sát phụ thuộc độ phân giải lượng vào lượng xạ gamma
Khảo sát phụ thuộc hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ
Đã xây dựng đường cong hiệu suất ghi cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali 02 mẫu đất đá Kết rằng: Trong phạm vi sai số đồng vị phóng xạ dãy 238
U 232Th trạng thái cân
References Tiếng Việt
[1] Đinh Sỹ Hiền (2005), Điện tử hạt nhân đầu dị bán dẫn xử lý tín hiệu, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh
[2] Ngơ Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật, TP Hồ Chí Minh
[3] Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội [4] Nguyễn Triệu Tú ( 2007 ), Ghi nhận đo lường xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội
[5] Đặng Huy Uyên (2004), Vật lý hạt nhân đại cương, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội
Tiếng Anh
[6] Canberra industries Inc (1999), Germanium detector, User’s Manual 12th Edition, New York
[7] Canberra industries Inc (1999), Model 2026 spectroscopy Amplifier, User’s Manual 12th
(22)[8] Canberra industries Inc (1999), Model 3106D HV Power supply, User’s Manual 12th
Edition, New York
[9] Canberra industries Inc (1999), Genie 2000 spectroscopy System Operations, New York
[10] Glenn F Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, John Wiley & Sons, New York
[11] Klaus Debertin, Richard G Helmer (1988), Gamma-And X-Ray Spectrometry With Semiconductor Detectors, North-Holland, USA
Glenn F Knoll Klaus Debertin, Richard G Helmer