Con cháu của uran và thori bao gồm rất nhiều đồng vị. Khơng phải tất cả các đồng vị này đều phân rã gamma. Tuy nhiên những đồng vị phát gamma là con cháu của uran và thori thường cĩ sơ đồ phân rã rất phức tạp. Chẳng hạn phổ gamma của đồng vị 214Bi cĩ thể cĩ tới vài trăm đỉnh mặc dù đa số các đỉnh này cĩ cường độ rất nhỏ, Vì vậy khi đo phổ của các đồng vị này luơn gặp phải sai số gây ra do hiện tượng trùng phùng tổng và chồng chập đỉnh. Vì vậy khi đo và phân tích phổ, cần phải chọn lựa đỉnh phân tích một cách kỹ lưỡng để giảm sai số xuống mức thấp nhất.
Nhìn vào sơ đồ phân rã gamma của đồng vị 235
U ta thấy cĩ rất nhiều đỉnh, và một cách định tính cĩ thể thấy rằng hiệu ứng trùng phùng tổng cĩ thể gây ra sai số tương đối lớn. Chẳng hạn nhiều tài liệu khuyên khơng nên dùng các đỉnh cĩ năng lượng tại 143.76 keV và 163.33 keV bởi vì sai số do trùng phùng tổng với đỉnh cĩ năng lượng 19.6 keV cĩ thể đĩng vai trị quan trọng : đỉnh 143.76 keV sẽ bị mất số đếm cịn đỉnh 163.33 keV lại cĩ thêm số đếm. Tuy nhiên, cường độ phát của đỉnh 19.6 keV khá nhỏ và do năng lượng của đỉnh này rất thấp nên đa số bức xạ gamma với năng lượng này sẽ bị hấp thụ trong chính mẫu hoặc trong vỏ của hộp đựng mẫu, thậm chí ngay trong vỏ của detector. Vì vậy hiệu ứng trùng phùng tổng đơi khi lại khơng gây ra sai số lớn như ta tưởng.
2.3. Hệ phổ kế gammar bán dẫn.
Hoạt độ đồng vị phĩng xạ được xác định trên cơ sở đo cường độ của các tia gamma. Hiện nay việc đo phổ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế nhiều kênh với các detector bán dẫn (Ge) [7;13].
Hình 2.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC của Bộ mơn Vật lý hạt nhân – Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN.
Một hệ phổ kế gamma bao gồm: detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, các hệ điện tử như tiền khuyếch đại, khuyếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuơi áp… Ngồi ra, cịn cĩ thể cĩ các bộ phận như máy phát xung chuẩn…
Hình 2.1 trình bày sơ đồ hệ đo phổ gamma bán dẫn siêu tinh khiết HPGe tại Bộ mơn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
Trong luận văn này, đã sử dụng hệ phổ kế gamma với detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết (HPGe) làm lạnh bằng điện do hãng ORTEC chế tạo.
Khi bức xạ gamma bay vào đầu dị, do tương tác của gamma với vật chất, các cặp điện tích trong đầu dị sẽ được hình thành. Số lượng cặp điện tích này tỉ lệ với năng lượng của tia gamma bị mất đi trong đầu dị. Các khối điện tử cĩ nhiệm vụ xử lý các xung, sau đĩ hiển thị trên máy tính dưới dạng phân bố của tia gamma được ghi nhận theo năng lượng.
Hình 2.2. Buồng chì ORTEC trong hệ phổ kế gamma phơng thấp ORTEC
Detector được đặt trong buồng chì do hãng ORTEC sản xuất [13]. Hình ảnh cho buồng chì sử dụng trong luận văn này được cho ở hình 2.2
Đặc trƣng kỹ thuật của buồng chì nhƣ sau:
- Chì là loại chì phơng thấp
- Vật liệu để lĩt buồng đo bằng thiếc siêu sạch và đồng 1mm khơng oxy để loại trừ bức xạ tia X do chì phát ra.
- Khe hở của nắp đậy cĩ thể điều chỉnh đối với tất cả các chế độ che chắn
Đặc tính:
- Trọng lượng khoảng 1200 kg
- Đường kính buồng chì: sâu 16 in đường kính 11 in - Chân dài 27 in 27 in
- Chiều cao chân bàn cĩ thể điều chỉnh được từ 25 in 27 in - Đường kính trong của lỗ cắm chân bàn với buồng chì 4,5 in.
Phần mền ghi nhâ ̣n và xƣ̉ lý phở MAESTRO 2.2
Phở gamma đươ ̣c thu nhâ ̣n bằng phần mềm MAESTRO . Phần mềm này có thể giao tiếp với bảng ma ̣ch MCA kể cả trong trường hợp bảng ma ̣ch này được đă ̣t ở máy tính khác khi phần mềm MC server được tải xuống và chạy . Sau khi phần mềm này được thiết lâ ̣p chính xác , trạng thái của bang mạch cĩ thể được t ruy nhâ ̣p thơng qua các biểu tượng đă ̣t ngay trên desktop.
MAESTRO là phần mềm có giao diê ̣n than thiê ̣n với người sử du ̣ng . Màn hình của phần mềm MAESTRO giúp cho việc theo dõi thí nghiệm một cách dễ dàng. Phở gamma thu nhâ ̣n đượ c từ phở kế được quan sát on -line trong suớt quá trình làm thí nghiệm.
Ngồi chức năng thu nhận phổ on -line, phần mềm MAESTRO còn có đầy đủ các chức năng khác của một phần mềm phân tích phổ gamma off -line, bao gờm : xây dựng các đường chuẩn cho hệ phổ kế (năng lượng, phân giải, hiê ̣u suất ghi ), tìm đỉnh tự động và phân tích phổ gamma tự động , phân tích từng đỉnh cho người làm thí nghiệm tùy chọn.
Viê ̣c tính diê ̣n tích đỉnh trong phần mềm MAESTR O được thực hiê ̣n bằng phương pháp làm khớp phi tuyến với hàm hưởng ứng khác nhau . Hàm được chúng tơi lựa cho ̣n thường có da ̣ng gauss . Phương pháp làm khớp phi tuyến dùng trong phần mềm MAESTRO cũng cho phép tách các đỉnh châ ̣ p trong trường hợp cần thiết. Do vâ ̣y , cĩ thể xem việc sử dụng phần mềm MAESTRO để phân tích phổ gamma thu đươ ̣c từ phản ứng ha ̣t nhân mà chúng tơi đang nghiên cứu cho kết quả
khá tin cậy.
Detector và hê ̣ che làm lạnh
Detector được làm lạnh bằng điện, theo một quy trình nghiêm ngặt sau: 1. Bật hệ làm lạnh
Detector bán dẫn GE-ORTEC Model GEM40P4 được làm lạnh bằng điện. Theo khuyến cáo của hãng ORTEC, detector nên được làm lạnh liên tục ngay cả khi khơng làm việc [13]. Quy trình vận hành hệ làm lạnh như sau:
Bật bộ ổn áp, sau một vài phút bật bộ lưu điện, tiếp theo bật bộ làm lạnh X- Cooler. Để làm lạnh từ nhiệt độ phịng cỡ 300K xuống nhiệt độ làm việc của detector (dưới 120K) phải mất 24 tiếng .
Sau 24 tiếng đồng hồ kể từ khi bật hệ làm lạnh nếu nhiệt độ của detector đảm bảo yêu cầu mới được cho hệ làm việc. Chú ý ngay cả khi nhiệt độ của detector đã đảm bảo yêu cầu cũng tuyệt đối khơng được cho hệ làm việc sớm hơn 24 tiếng kể từ khi bật hệ làm lạnh.
Để kiểm tra chế độ nhiệt đầu tiên kích mục Maestro for windows. Khi chương trình Maestro – chương trình ghi nhận và phân tích phổ xuất hiện ấn vào nút Buffer để chọn detector 0001-MCB129. Sau đĩ kích mục Acquire. Sau khi cửa sổ Acquire xuất hiện chọn mục properties for MCB 129. Sau khi cửa sổ mục properties for MCB 129 xuất hiện chọn mục status. Cửa sổ status xuất hiện chọn mục Liver detector temperature, khi đĩ nhiệt độ của detector được hiển thị. Nếu như nhiệt độ đảm bảo yêu cầu mới cho hệ phổ kế làm việc
2. Chọn chế độ làm việc và đo đạc
Ban đầu chọn chế độ làm việc đặt hệ số khuếch đại. Cụ thể đặt fine (chỉnh tinh): 0,245 và coarse (chỉnh thơ): 4. Đặt mặt tăng xung là 12 s. Sau đĩ bật cao thế nuơi detector 2300 V . Đối với chương trình phân tích phổ MAESTRO 32 cao thế chỉ được bật khi nhiệt độ của detector nhỏ hơn 120 K. Vì một lý do nào đĩ nhiệt độ của detector cao hơn 120 K cao thế tự động được ngắt.
Sau khi chọn chế độ làm việc tiến hành chuẩn năng lượng và chuẩn đường cong hiệu suất ghi theo hướng dẫn. Tiến hành đo đạc phổ các mẫu theo kế hoạch.
3. Tắt hệ làm lạnh
Vì một lý do nào đĩ hệ phổ kế khơng được sử dụng trong thời gian dài, cĩ thể tắt hệ làm lạnh. Khi tắt hệ làm lạnh, chú ý chỉ được tắt bật bộ làm lạnh X-Cooler, tuyệt đối khơng tắt bộ lưu điện. Trong trường hợp mất điện hệ làm lạnh khơng làm việc phải sau 24 h sau mới được cho hệ làm lạnh trở lại. Tuyệt đối khơng được cho hệ làm lạnh làm việc lại trước 24 h kể từ khi mất điện [7,13]
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Xác định một vài thơng số của hệ phổ kế gamma bán dẫn.
Phổ gamma tự nhiên của các mẫu mơi trường nĩi chung và mẫu lương thực, thực phẩm nĩi riêng rất phức tạp và hoạt độ phĩng xạ rất thấp. Để xác định hoạt độ phĩng xạ riêng của các đồng vị phĩng xạ cần phải sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn cĩ độ phân giải cao, phơng phĩng xạ thấp. Vì độ phân giải năng lượng và phơng phĩng xạ của thiết bị là hai trong số đặc trưng quan trọng của hệ phổ kế gamma. Hệ phổ kế gamma ORTEC của Bộ mơn vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên chính thức được đặt trong buồng chì ORTEC từ tháng 4 năm 2013. Các thơng số làm việc của detector như sau:
- Cao thế chừng 2300 V
- Hệ số khuếch đại 0,98 cụ thể chỉnh tinh bằng 0,245 và chỉnh thơ bằng 4. - Thời gian tăng mặt xung là 12 s
- Đường kính detector là 64,2 mm. - Chiều dài detector là 57,0 mm. - Nắp của detector là 4 mm.
Theo [13] độ phân giải năng lượng nửa chiều cao cho ở đỉnh 122,06 keV của Co57 là 0,95 keV, và tại 1332 keV của Co60 là 1,85 keV. Luận văn đã tiến hành đánh giá độ phân giải năng lượng ở hai đỉnh trên. Đã tiến hành đo phổ gamma của hai nguồn chuẩn Co57 và Co60 do IAEA sản xuất. Các phổ được đo trong thời gian đủ dài. Mẫu chuẩn cĩ hoạt độ riêng H0 là 1μCi, chu kì bán rã T=5,75 năm, hệ số phân nhánh là 99,9856% được sản xuất tháng 7 năm 2010. Nguồn chuẩn đặt cách detector 18 cm. Phổ của mẫu chuẩn Co60 được đo trong 768 s được đưa ra hình 3.1
Hình 3.1. Phổ nguồn chuẩn 60Co được đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC tại Bộ mơn Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội với thời gian đo 762 s.
Từ các phổ nguồn chuẩn dùng chương trình xử lý phổ MAESTRO 32 xác định diện tích hấp thụ tồn phần.
Căn cứ vào diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần tại đỉnh 1332 KeV của Co60 đã tiến hành xác định hiệu suất ghi tương đối tại đỉnh 1332 KeV.
tđ
n n
trong đĩ n là tốc độ đếm tại đỉnh.
n là số bức xạ gamma đi vào detector
Số bức xạ gammar đi vào detector trong một đơn vị thời gian được tính:
nγ= 2 0 2 . . . 4 t H e R I d
là hằng số phân rã của Co60
Br là hệ số phân nhánh của bức xạ 1332 KeV R là bán kính detector
d là khoảng cách từ nguồn đến detector.
Bảng 3.1. Các thơng số cơ bản của phổ kế gammar ORTEC
Các thơng số Lý lịch máy (keV) Đo kiểm tra trước khi
xuất xưởng (keV)
Số liệu trong luận văn (keV)
Độ phân giải năng lượng ở đỉnh 122.06 KeV của Co57
0,95 0,76 0,77
Độ phân giải năng lượng ở đỉnh 1332.5 KeV của Co60
1,85 1,69 1,69
Hiệu suất ghi tương đương
40% 41,7% 41%
3.2. Khảo sát đánh giá mức độ giảm phơng buồng chì
Để làm lạnh detector đặt trong buồng chì, bộ phận làm lạnh cĩ ống dẫn khí vào làm lạnh detector, vì vậy phía dưới buồng chì khơng được che chắn tốt cịn cĩ nhiều khe hở. Để giảm phơng luận văn đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của phơng phĩng xạ do các bức xạ đi từ phía dưới đáy buồng chì, bằng cách đặt lớp chì dày 5 cm dưới đáy với mục đích che chắn trực tiếp các bức xạ phát ra từ vật liệu xây dựng dưới nền nhà. Để xác định hiệu quả của lớp chì che chắn phía dưới đáy buồng chì và của nắp buồng chì luận văn đã tiến hành xác định tốc độ đếm tại các đỉnh hấp thụ tồn phần của các bức xạ gamma được chọn tính hoạt độ của các đồng vị. Củ thể các đỉnh được khảo sát như sau: Vạch 238,632 keV của 212Pb, 1460 KeV của 40K ,
295,224 keV của 214Pb, 351,92 keV của 214Pb, 583,191 keV của 208Tl, 609,31 keV của 214Bi, 911,2 keV của 228Ac, 1764,49 keV của 214Bi và 2614,53 keV của 208Tl Phổ phơng của hệ phổ kế gamma ORTEC được đo trong các trường hợp sau:
(a). Khơng đĩng nắp buồng chì và chưa cĩ chì dưới đáy.
(b). Mở nắp buồng chì và dưới đáy buồng chì cĩ lớp chì che chắn dày 5 cm (c). Buồng chì được đậy nắp và dưới đáy cĩ chì che chắn.
Các phổ phơng ứng với 3 trường hợp trên được đo trong thời gian đủ dài để sao cho sai số thống kê tại các đỉnh khảo sát cĩ sai số nhỏ hơn 5%. Phổ phơng gamma của thiết bị được tương ứng với 4 trường hợp trên lần lượt được đưa ra trên các hình từ Hình 3.2 đến Hình 3.4.
Hình 3.2. Phơng trong trường hợp mở nắp trên buồng chì chưa cĩ chì che chắn ở dưới đáy trong thời gian đo 85850 s .
Hình 3.3. Phơng trong trường hợp mở nắp trên buồng chì cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong thời gian 21731 s.
Hình 3.4. Phơng trong trường hợp đĩng nắp trên buồng chì cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong khoảng thời gian 13406 s.
Sử dụng phần mềm phân tích phổ tiến hành xác định diện tích các đỉnh quan tâm từ đĩ xác định được tốc độ đếm tại các đỉnh tương ứng. Trong Bảng số 3.2 đưa ra tốc độ đếm tại các đỉnh đã chọn.
Bảng 3.2. Diện tích đỉnh và tốc độ đếm của phơng trong ba trường hợp (a) Mở nắp trên chưa cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 13406 s. (b): Mở nắp trên cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 85850 s và (c): Đĩng nắp trên cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 96332 s
E (keV) Tốc độ đếm khi mở nắp chưa cĩ chì che chắn dưới đáy Tốc độ đếm khi mở nắp cĩ chì che chắn dưới đáy Tốc độ đếm khi đĩng nắp trên cĩ chì che chắn dưới đáy 238,632 0,1227±0,0146 0,1065±0,002 5,066.10-3±6,44.10-4 295,224 0,0544±0,01156 0,03582±0,0029 1,8997.10-3±4,36. 10-4 351,93 0,10107±5,072.10-3 0,0688±0,0023 3,0934.10-3±4,15. 10-4 583,191 0,0956±8,2.10-3 0,0621±0,0017 1,391.10-3±5,5. 10-4 609,31 0,10234±0,0122 0,0723±0,0017 2,823.10-3±3,53. 10-4 911,20 0,0786±0,0114 0,0487±0,0013 1,474.10-3±4,77. 10-4 1461 0,366±8,653.10-3 0,2806±0,002 4,215.10-3±5,7. 10-4 1764,49 0,0257±3,28.10-3 0,023±0,0016 1,422. 10-3±6,3 . 10-4 2614,533 0,0738±3,95.10-3 0,0599±0,001 3,259.10-3±2,18. 10-4
Từ bảng số 3.2 nhận thấy: Lớp chì che chắn phía dưới cĩ tác dụng giảm phơng bức xạ gamma phát ra dưới sàn nhà bay qua đáy vào bên trong buồng chì đi vào detector.
Khi khơng đậy nắp buồng chì và chưa cĩ chì che chắn và khi đậy nắp buồng chì bên dưới cĩ lớp chì che chắn tốc độ đếm phơng giảm đi từ 18 lần đến 84 lần. Tốc độ giảm mạnh nhất ở đỉnh 1460 keV của 40K. Điều này được giải thích trong
các vật liệu xây dựng xung quanh chứa nhiều kali trong đĩ cĩ 40K. Bảng 3.3 đưa ra mức độ suy giảm tốc độ đếm
Bảng 3.3. Mức độ suy giảm tốc độ đếm trong ba trường hợp (a) Mở nắp trên chưa cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 13406 s. (b): Mở nắp trên cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 85850 s và (c): Đĩng nắp trên cĩ chì che chắn ở dưới đáy đo trong 96332 s
E (keV) Mở nắp chưa cĩ chì Mở nắp cĩ chì Đĩng nắp cĩ chì 238,632 24 21 1 295,224 29 19 1 351,93 33 22 1 583 69 45 1 609,31 36 26 1 911,20 53 33 1 1461 86 67 1 1764,49 18 16 1 2614,533 23 18 1
3.3. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi
3.3.1. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi
Để xây dựng và kiểm tra độ chính xác của đường cong hiệu suất ghi, luận văn đã sử dụng các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp. Mẫu chuẩn được xây dựng từ mẫu