Chương 5 Các ứng dụng
5.3.1 Đo phông thấp
Trong nhiều phép đo, cần một hệ thống đo có tốc độ đếm phông thật thấp. Sự phát triển của các hệ thống như vậy đã tiến bộ rất nhiều, các hệ đo này vô cùng quan trọng trong các phép đo phóng xạ môi trường và nghiên cứu vật lí hạt nhân. Trước đây ta đã thảo luận các phương pháp thụ động để giảm phông cho các đầu dò. Trong phần này ta sẽ trình bày các phương pháp che chắn bổ sung, sử dụng các vật liệu đặc biệt trong kết cấu của hệ đo và dưới nền để có thể giảm thêm bức xạ phông.
Ba nguồn bức xạ phông cần được quan tâm: - Bức xạ từ các vật liệu xung quanh,
- Bức xạ tạo ra từ các tương tác của các tia vũ trụ trong vật liệu gần đầu dò, - Bức xạ phát ra từ các vật liệu trong đầu dò.
Như đã thảo luận trong phần 2.4.6, bước đầu tiên để giảm phông là che chắn đầu dò khỏi bức xạ môi trường là bằng một hộp chì dày khoảng 5 hay 10 cm xung quanh đầu dò.
khi bị các tia vũ trụ đập vào. Kích thước, độ dày và phần trong lớp che chắn phải được lựa chọn phù hợp để làm cực tiểu đóng góp của các phôton thứ cấp vào phổ phông.
Để che chắn các nguồn ngoài và giảm phông tán xạ, có thể sử dụng phương pháp che chắn chủ động. Phương pháp này dựa vào việc sử dụng các đầu dò nhấp nháy, đểbọc các đầu dò bán dẫn và hệ đo hoạt động theo nguyên tắc đối trùng. Khi các đầu dò làm nhiệm vụ che chắn có tín hiệu, hệ điện tử sẽ cấm không cho phân tích xung từ đầu dò bán dẫn chính trong thời điểm đó. Hiệu quả của che chắn chủ động rất cao, để nâng cao hiệu suất che chắn, các đầu dò nhấp nháy phải có dày và có tỉ trọng cao.Cácđầu dò hiệnđạicó thể sửdụng từtámđến 10đầu dò nhấp nháyđểche chắn chođầu dò chính.
trong 25 vật liệu thường được sử dụng trong các hệ đo được trình bày dưới đây. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên quan sát được trong các vật liệu này gồm40K, 235U,234Pam từ chuỗi
238
U,228Ac,212Pb và208Tl từ chuỗi232Th. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo là60Co và137Cs. Trong các nghiên cứu của mình, Brodzinski và cộng sự thấy rằng nhôm là nguồn gốc của các hoạt độ tự nhiên, ví dụ các tụ điện, điện trở, transitor trường và các vòng cao su chữ O. Đinh vít bằng thép không rỉ có chứa 60Co. Khả năng thay thế các vật liệu có hoạt độ thấp đang được nghiên cứu là đồng đỏ, đồng thau cho các đinh vít và indi dùng để hàn chân không. Với một hệ đo dùng đầu dò Ge bất kì, giảm tốc độ đếm phông có thể giảm khoảng 100 lần trên hầu hết các khoảng năng lượngkhi sửdụng các vật liệu hoạt độ thấp và che chắn chủ động. Tiền khuyếch đại cũng là một nguồn bức xạ, do đó tiền khuếch đại nên đặt cách ly xa với tinh thể.
Thiết bị rây phân tử được sử dụng để duy trì lớp chân không trong máy làm lạnh cũng có chứa chất phóng xạ. Brodzinski và cộng sự (1985) đã phát hiện thấy40K,208Tl và214Bi trong vật liệu chế tạo thiết bị này. Có thay thiết bị này bằng thiết bị hấp thụ khí khác như than hoạt tính, hoặc đặt thiết bị này tại một điểm mà có thể che chắn ngăn không cho phóng xạ đến tinh thê. Các đồng vị phóng xạ môi trường như226Ra, 222Rn được thải vào khí quyển cũng đóng góp vào tốc độ đếm của phông. Phương pháp chung để giảm thành phần phông này dẫn khí N2thoát ra khỏi bình nitơ lỏng vào một buồng ngoài đầu dò. Do đó con cháu của 222Rn sẽ bị loại trước khi đến gần bề mặt đầu dò, phông sẽ phân rã với chu kì bán huỷ của các đồng vị con cháu. Nếu sử dụng che chắn chủ động, phải xem xét đến thực tế là các vật liệu trong hệ có thể chứa các đồng vị phóng xạ.
Vật liệu hàn có thể chứa210Pb và các đồng vị con cháu phát α là 201Bi và 210Po, do đó trong phổ phông sẽ xuất hiện các tia gamma 46.5, 803 keV và các tia X của Pb. Kết quả nghiên cứu của Brodzinski và cộng sự (1987) đã xác định được các hạt anpha có năng lượng 5.3MeV có nguồn gốc từ vật liệu hàn. Khi loại vật liệu hàn này, tốc độ đếm phông tại 5 MeV đã giảm khoảng 100 lần đối với hệ đã che dưới nền để loại trừ phông vũ trụ.
Do nhu cầu về các hệ đo phông thấp ngày càng nhiều, các thiết bị của hệ đo phải được chế tạo từ các vật liệu có hoạt độ phóng xạ thấp. Vỏ bọc nhôm được thay bằng magiê hoặc đồng,beryli trong các cửa sổ được thay bằng nhựa hoặc hợp chất, thiết bị lọc phân tử phải được che chắn cách ly hoặc chế tạo bằng vật liệu không phóng xạ, các tiền khuếch đại được bố trí lại để có thể che chắn ngoài hoặc che chắn trong với tinh thể.
Thành phần cuối cùng của phông có thể giảm được là bức xạ thứ cấp, sinh ra từ tương tác của các muon ở trong hoặc gần đầu dò. Các tia vũ trụgồm có hạt nhân, các electron, các phôton và các muon. Các đóng góp từ ba thành phần đầu tiên có thể giảm bằng che chắn chủ động hoặc bị động. Ngược lại, các muon có khả năng đi qua vật chất khá dày, chúng tạo ra các nơtron làm kích hoạt các vật liệu che chắn hay đầu dò. Phương pháp thông thường để giảm các thành phần của phông là đặt hệ đo dưới các mỏ hoặc trong các đường hầm. Để che chắn muon, các hệ đo có thể được đặt ở độ sâu trên 1000 m. Các hệ đo đặt sâu dưới lòng đất vẫn phải che chắn đầu dò khỏi bức xạ từ các nhân phóng xạ trong vỏ quả đất. Một trong những mục đích của các thí nghiệm dưới lòngđất là tìm kiếm sự phân rã beta kép (double-beta decay).
Hình 5.10 minh hoạ cho việc giảm phông với một đầu dò HpGe có thể tích 135 cm3. Kết quả cho thấy có thể giảm được cỡ 103lần trên hầu hết cáckhoảng năng lượng.