Trong phân tích urani bằng phương pháp đo phổ gamma, việc nhận diện các đồng vị căn cứ vào năng lượng của các đỉnh gamma đặc trưng. Hàm lượng nguyên tố dựa trên cơ sở đo cường độ của các tia gamma. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, và sự phát triển mạnh của các hệ phổ kế gamma với đetectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết với độ phân giải năng lượng cao, phương pháp phân tích urani dựa trên cơ sở đo bức xạ gamma phát ra từ phân rã phóng xạ tự nhiên được sử dụng rất phổ biến.
2.4.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn
Các mẫu nghiên cứu được đo trên 02 hệ phổ kế gamma bán dẫn gecmani siêu tinh khiết: (1) Phổ kế giải năng lượng rộng (BEGe) của hãng Canberra, Mỹ, và (2) phổ kế với đêtectơ bản mỏng HPGe planar (GLP-10180/07) của hãng ORTEC, Mỹ.
Cấu trúc hệ phổ kế gamma bao gồm:đetectơ bán dẫn BEGe, buồng chì phông thấp, các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp… Hệ phổ kế được ghép nối với máy tính, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng như Genie 2000 (Canberra) hoặc GammaVision (ORTEC). Hình 2.1 là sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma .
31
Đetectơ giải rộng BE5030 với tinh thể bán dẫn bản mỏng loại CP-5F/RDC do hãng Canberra cung cấp, có đường kính 80.5 mm, dày 31 mm, diện tích hiệu dụng là 5000 mm2, độ phân giải năng lượng tại các mức 5.9 keV, 122 keV và 1332 keV lần lượt là 0.5 keV, 0.75 keV và 2.2 keV. Hệ phổ kế có thể ghi nhận bức xạ gamma trong dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV. Độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng thấp của đetectơ BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của đetectơ Ge năng lượng thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng lượng của đetectơ đối xứng trục chất lượng tốt.. Khi bức xạ gamma bay vào đầu dò, do tương tác của bức xạ gamma với vật chất, các cặp điện tích trong đầu dò sẽ được hình thành. Số lượng cặp điện tích này tỷ lệ với năng lượng của tia gamma bị hao phí trong đầu dò. Các khối điện tử có nhiệm vụ xử lý các xung này và sau đó hiển thị trên máy tính dưới dạng phân bố của tia gamma được ghi nhận theo năng lượng của chúng. Phần mềm Genie 2000 (CANBERRA) được sử dụng để ghi nhận, lưu trữ và phân tích phổ (hình 2.2).
Hình 2.2. Detetor bán dẫn HPGe model GLP-10180/07 (ORTEC) tinh thể mỏng tại Viện Đồng vị phóng xạ Hungari.
Đêtectơ HPGe bản mỏng model GLP-10180/07 của hãng ORTEC, Mỹ với vùng hoạt của tinh thể có đường kính 10 mm, diện tích 80 mm2, chiều sâu 7mm. Phân giải năng lượng 180 eV tại đỉnh 5.9 keV và 485 eV tại đỉnh 122 keV, kích thước vỏ nhôm là 70 mm, bề dày cửa số Be 0.13 mm (hình 2.3). Phần mềm GammVision được sử dụng đề ghi nhận lưu trữ và phân tích phổ gamma.
Một số thông số kỹ thuật đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra:
Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE5030 :
Đetectơ BE5030 với tinh thể bán dẫn bản mỏng loại CP-5F/RDC do hãng Canberra cung cấp, có đường kính 80.5 mm, dày 31 mm, diện tích hiệu dụng là 5000 mm2, độ phân giải năng lượng tại các mức 5.9 keV, 122 keV và 1332 keV lần lượt là 0.5 keV, 0.75 keV và 2.2 keV. Hệ phổ kế có thể ghi nhận bức xạ gamma trong dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV. Độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng thấp của đetectơ BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của đetectơ Ge năng lượng thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng lượng của đetectơ đối xứng trục chất lượng tốt.
33
Quan trọng nhất là đetectơ BEGe có hình dạng mỏng và to bản, giúp tăng hiệu suất ghi dưới 1 MeV cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình. Hình dạng đetectơ được chọn sao cho cho hiệu suất ghi tối ưu đối với các bức xạ năng lượng thấp của mẫu thực tế để phân tích phổ gamma. BEGe có phông nền thấp hơn so với đetectơ đối xứng trục điển hình vì nó còn có độ phân giải tốt với bức xạ năng lượng cao, phông có nguồn gốc vũ trụ xuyên vào phòng thí nghiệm trên mặt đất và năng lượng gamma từ các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên ví dụ như 40K và 208Tl.
Đetectơ BEGe và hệ thống khuếch đại thường được tối ưu hóa cho mức năng lượng thấp hơn 40000 MeV/s. Độ phân giải được xác định với thời gian hình thành xung trong khoảng từ 4 ÷ 6 μs.
Đetectơ sử dụng trong luận văn này là loại detectơ bán dẫn Gecmani giải năng lượng rộng (BEGe) model BE5030, số Seri 12078311, được làm lạnh bằng điện cần 24 giờ, đưa nhiệt độ detector từ nhiệt độ phòng 300 K xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90 K, đetectơ do hãng Canberra sản xuất. Phần mềm Genie 2000 được sử dụng để ghi nhận, lưu trữ và phân tích phổ. Khi bức xạ gamma bay vào đầu dò, do tương tác của bức xạ gamma với vật chất, các cặp điện tích trong đầu dò sẽ được hình thành. Số lượng cặp điện tích này tỷ lệ với năng lượng của tia gamma bị hao phí trong đầu dò. Các khối điện tử có nhiệm vụ xử lý các xung này và sau đó hiển thị trên máy tính dưới dạng phân bố của tia gamma được ghi nhận theo năng lượng của chúng.
Buồng chì:
Để giảm bớt phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố xung quanh detector làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo được, điều tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp. Với detector BEGe dạng thẳng đứng sử dụng buồng chì có vỏ ngoài làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9.5 mm, phần chì phông thấp dày 10cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm có phông phóng xạ dày 1mm và đồng tinh khiết dày 1.6 mm, trọng lượng 950 kg.
Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C:
Tiền khuyếch đại được nối trực tiếp với detector. Khả năng tốc độ đếm> 30000 số đếm / s (60Co ), lối vào cao thế cung cấp cho đetectơ từ 0 đến ± 5 kV DC,
lối ra cấm cao thế ±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại < 0.005 % với dải nhiệt độ 0 đến +500C. Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu từ đetectơ. Khối tiền khuếch đại quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế. Các phổ kế sử dụng detector Ge thường được sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích. Đặc điểm quan trọng của loại này là nó không phụ thuộc vào sự biến đổi điện dung của detector nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi. Khối tiền khuếch đại thường được đặt sát với detector và làm lạnh để giảm mức ồn nhiệt. Tiếng ồn trong tiền khuyếch đại nhạy điện tích phụ thuộc vào ba yếu tố : tranzito trường, điện dung lối vào và điện trở lối ra.
Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026:
Có hệ số khuếch đại thô điều chỉnh được bằng chuyển mạch có 8 vị trí X5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000. Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh được bằng chiết áp nhiều vòng chính xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0.5 ÷ 1.5 của thang khuếch đại tương ứng. Thời gian hình thành xung điều chỉnh được bằng núm chuyển mạch, có 6 vị trí 0.5; 1; 2; 4; 6; 12 μs có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại ( thông qua biên độ nhỏ hơn 1 V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu / tiếng ồn ( S/ N ) và ngăn ngừa sự chồng chập xung. Trong các mạch tạo xung thì mạch CR-RC thường hay được sử dụng nhất. Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi như một bộ lọc chỉ cho tần số thấp qua. Kết hợp hai mạch này ta có thể được xung lối ra có dạng gần Gauss và có tỉ số S/N tối ưu.
Khối cao thế, model Canberra 3106D:
Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đetectơ có mức điện áp trên 6 kV và cường độ dòng trên 30 μA. Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V tới ±6000 V. Với các đetectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung bình trong khoảng từ ±3 V tới ± 600 V và phải đảm bảo độ ổn định. Do vậy khối cao thế thường có các mạch điện tử cho phép điều chỉnh quá trình trôi do thay đổi nhiệt độ hoặc điện áp nguồn nuôi. Do khối tiền khuếch đại chứa tranzito trường nên
35
cao thế đặt trên detector phải được nâng lên hoặc hạ xuống một cách từ từ, tránh tăng hoặc giảm một cách đột ngột dẫn đến có thể làm hỏng tranzito trường.
Khối phân tích đa kênh:
Gồm có bộ biến đổi tương tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA). Bộ biến đổi tương tự số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số. Phương pháp phổ biến nhất là phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V0 được so sánh với điện áp tăng tuyến tính Vr cho đến khi Vr = V0 thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng khoảng cách thời gian cần thiết để Vr = V0.Trong thời gian cổng được mở các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi bộ đếm địa chỉ. Số đếm này tỉ lệ với biên độ xung lối vào V0 và xác định địa chỉ cho xung lối vào trong bộ phân tích đa kênh và tại địa chỉ này bộ nhớ số đếm sẽ tăng thêm một đơn vị. Các tia gamma có năng lượng khác nhau lần lượt được biến đổi như vậy sẽ tạo ra một hình ảnh phân bố biên độ xung (phân bố tia gamma theo năng lượng của chúng ) hay còn gọi là phổ gamma. Số địa chỉ của một bộ phân tích đa kênh 16000 kênh với bề rộng của mỗi kênh tương ứng với năng lượng là 0.5 keV.