TRùNG PHùNG GAMMA Sử DụNG ĐầU Dị BáN DẫN HPGe

- ANALOG SIGNAL: PHA

TRùNG PHùNG GAMMA Sử DụNG ĐầU Dị BáN DẫN HPGe

Để thuận tiện cho việc khảo sát tác dụng hạ thấp nền Compton, làm tăng tỉ số đỉnh trên Compton của một hệ phổ kế trùng phùng gamma thì các nguồn 60Co và 22Na đã được sử dụng trong các thí nghiệm được trình bày trong chương 3 này.

3.1 Đặc điểm của đồng vị phĩng xạ 60Co và 22Na

Hạt nhân 60Co cĩ chu kì bán rã 5,272 năm. 60Co hạt nhân phân rã 

, tạo thành 60Ni ở trạng thái kích thích, hạt nhân này phát ra bức xạ gamma 1173 keV và 1332 keV để trở về trạng thái cơ bản. Như vậy, trong phổ năng lượng của nguồn 60Co sẽ cĩ hai đỉnh 1173 keV và 1332 keV. Sơ đồ phân rã của hạt nhân 60Co được giới thiệu trên hình 3.1.

Hình 3.1 : Sơ đồ phân rã của 60Co.

Hạt nhân 22Na cĩ chu kì bán rã là 2,605 năm. 22Na là hạt nhân phân rã 

, tạo thành 22Ne ở trạng thái kích thích, hạt nhân này phát ra bức xạ gamma 1274 keV để trở về trạng thái cơ bản. Pozitron phát ra từ 22Na bị hủy ngay trong nguồn và tạo ra hai lượng tử gamma 511 keV. Như vậy, trong phổ năng lượng của nguồn 22Na sẽ cĩ hai đỉnh 1274 keV và 511 keV. Sơ đồ phân rã của hạt nhân 22Na được giới thiệu trên hình 3.2.

Hình 3.2: Sơ đồ phân rã của 22Na.

3.2 Thí nghiệm 1: Ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co, 22Na bằng hệ phổ kế bán dẫn đơn tinh thể 3.2.1 Mục đích thí nghiệm

- Ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co và nguồn 22Na, tìm các tham số đặc trưng của phổ. - Tính tỉ số P/C đối với phổ năng lượng của nguồn 60Co.

3.2.2 Bố trí thí nghiệm - Sơ đồ hệ đo

GC1518 AMP 572 ADC 7072 INTERFACE NI7811R PC

GC1518 AMP 572 ADC 7072 INTERFACE NI7811R PC

Hình 3.3 : Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma sử dụng một đầu dị HPGe, loại GC1518.

- Nguyên tắc hoạt động

Đầu dị bán dẫn loại GC1518 được ghép nối với khuếch đại phổ AMP 572. Tín hiệu ở lối ra của đầu dị bán dẫn được khối khuếch đại phổ AMP 572 khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC 7072 phân tích biên độ đỉnh xung. Card thu nhận dữ liệu Interface - NI7811R sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ơ nhớ. Dữ liệu này được truyền vào máy tính PC để xử lý và được lưu lại thành các file số liệu. Số lượng xung cĩ cùng giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà đầu dị hấp thụ được.

- Các tham số của hệ phổ kế gamma

Cao thế đơi HV 660 Kênh A : 1750 V.

Khuếch đại phổ AMP 572A - Gain : 3,75

- Coarse Gain : 100 - Shapping time : 3s - Input : NEG

- Output : UNI

ADC 7072

- DEADTIME/LEVEL : 0/200 - RANGE/MODE : 8k/COIN - RANGE/MODE : 8k/COIN - ANALOG SIGNAL : PHA 3.2.3 Thí nghiệm và kết quả

- Bố trí và lắp đặt hệ phổ kế gamma như hình 3.3. - Lên cao thế (1750V) và chuẩn hệđo.

- Lần lượt đặt nguồn 60Co ( hoạt độ 2,65Ci) và 22Na ( hoạt độ 0,0056Ci) vào vị trí đặt mẫu. - Khởi động chương trình đo (chương trình thu nhận số liệu dùng PCI7811R) và thu nhận số

liệu.

- Xử lý : tính tốn, vẽ phổ và tìm các tham số bằng chương trình OriginPro 7.5. - Kết quả

 Với nguồn 60Co

+ Hình ảnh phổ năng lượng.

Hình 3.4 : Phổ năng lượng của nguồn 60Co ( hoạt độ 2,65Ci) được ghi bằng phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể với thời gian đo 27 phút 32 giây.

+ Các tham số thu được gồm : diện tích đỉnh, độ phân giải, độ cao đỉnh, tỉ số P/C được trình bày ở bảng 3.1.

Bảng 3.1 : Các tham số thu được đối với phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ

2,65Ci) được ghi bằng phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể với thời gian đo 27 phút 32 giây.

Năng lượng 1173 (keV) 1332 (keV)

Diện tích đỉnh 677297± 6425 622980 ± 4537 Độ phân giải (FWHM) 3,251 ± 0,011 3,251 ± 0,013 Độ cao đỉnh 130541 114509 Tỉ số đỉnh/Compton (P/C) 13,793  Nguồn 22Na + Hình ảnh phổ năng lượng.

Hình 3.5 : Phổ năng lượng của nguồn 22Na ( hoạt độ 0,0056 Ci) được ghi bằng phổ kế

gamma bán dẫn đơn tinh thể với thời gian đo 52 phút 35 giây.

+ Các tham số thu được gồm : diện tích đỉnh, độ phân giải, độ cao đỉnh, tỉ số P/C được trình bày ở bảng 3.2.

Bảng 3.2 : Các tham số thu được đối với phổ năng lượng của nguồn 22Na ( hoạt độ 0,0056Ci) được ghi bằng phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể với thời gian đo 52 phút 35 giây.

Năng lượng 511 (keV) 1274 (keV) Diện tích đỉnh 7779 ± 130 2483 ± 51

Độ phân giải (FWHM) 3,251 ± 0,035 3,251 ± 0,033

Độ cao đỉnh 1306,3 444,7

3.3 Thí nghiệm 2 : Ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co, 22Na bằng hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng đầu dị bán dẫn HPGe (Trùng phùng bằng khối 414A)

Với thí nghiệm 2, các bức xạ gamma được ghi nhận là các bức xạ gamma đi vào hai đầu dị lệch nhau một khoảng thời gian nhỏ hơn khoảng thời gian định trước của hệ đo (gọi là cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng). Phương pháp trùng phùng này cịn được gọi là trùng phùng thường.

3.3.1 Mục đích thí nghiệm

- Ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co và nguồn 22Na, tìm các tham số đặc trưng của phổ. - Tính tỉ số P/C đối với phổ năng lượng của nguồn 60Co.

3.3.2 Bố trí thí nghiệm - Sơ đồ hệ đo

Hình 3.6 : Sơ đồ khối của hệ phổ kế trùng phùng gamma sử dụng hai đầu dị bán dẫn HPGe loại GC1518 và Inter Technique (Trùng phùng bằng khối 414A).

- Nguyên tắc hoạt động : xem mục 2.4

- Các tham số của hệ được cài đặt như mục 2.3. Chú ý rằng : trong thí nghiệm này, thời gian trễ đặt trên khối Delay (thời gian trễ ngồi) (nằm giữa khối CFD 584 và khối COIN 414A) là 40 ns và thời gian phân giải  của hệ (thời gian trễ trong) đặt trên khối COIN 414A là 60 ns.

3.3.3 Thí nghiệm và kết quả

- Lên cao thế ( 1750 V và 2500 V) và chuẩn hệđo.

- Lần lượt đặt nguồn 60Co ( hoạt độ 2,65Ci) và 22Na ( hoạt độ 0,0056Ci) vào vị trí đặt mẫu. - Khởi động chương trình đo (chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R) và thu nhận số liệu. - Chuẩn năng lượng cho từng kênh đo.

- Xử lý : tính tốn, vẽ phổ và tìm các tham số bằng chương trình OriginPro 7.5 - Kết quả

 Nguồn 60Co

+ Hình ảnh phổ năng lượng.

Hình 3.7 : Phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65 Ci) được ghi bằng phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dị bán dẫn HPGe loại GC1518 và Inter Technique với thời gian đo 58 phút.

+ Các tham số thu được gồm : diện tích đỉnh, độ phân giải, độ cao đỉnh, tỉ số P/C được trình bày ở bảng 3.3.

Bảng 3.3 : Các tham số thu được đối với phổ năng lượng của nguồn 60Co (hoạt độ 2,65Ci) được ghi bằng phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dị bán dẫn HPGe loại GC1518 và Inter Technique với thời gian đo 58 phút.

Năng lượng 1173 (keV) 1332 (keV) Diện tích đỉnh 12485 ± 1025 9743 ± 777 Độ phân giải 2,321 ± 0,132 2,322 ± 0,151 Độ cao đỉnh 5455 4687 Tỉ số đỉnh/Compton 40,06  Nguồn 22Na + Hình ảnh phổ năng lượng.

Hình 3.8 : Phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056 Ci) được ghi bằng phổ kế

trùng phùng gamma sử dụng đầu dị bán dẫn HPGe loại GC1518 và Inter Technique với thời gian đo 21 giờ 17 phút.

+ Các tham số thu được gồm : diện tích đỉnh, độ phân giải, độ cao đỉnh, tỉ số P/C được trình bày ở bảng 3.4.

Bảng 3.4 : Các tham số thu được đối với phổ năng lượng của nguồn 22Na (hoạt độ 0,0056Ci) được ghi bằng phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng một đầu dị bán dẫn HPGe loại GC1518 với thời gian đo 21 giờ 17 phút.

Năng lượng 511 (keV) 1274 (keV) Diện tích đỉnh 11628 ± 149 398 ± 15

Độ phân giải FWHM 2,323 ± 0,112 2,323 ± 0,135

Độ cao đỉnh 2557,5 92,712

3.4 Thí nghiệm 3 : Ghi phổ năng lượng của nguồn 60Co bằng hệ phổ kế trùng phùng gamma, sử dụng đầu dị bán dẫn HPGe kết hợp với phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

Về cơ bản, sơ đồ hệ đo, nguồn đo, thời gian đo và các thao tác tiến hành giống như thí nghiệm 2 nhưng trong quá trình xử lý số liệu, ta cĩ kết hợp thêm với phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nhằm mục đích chỉ giữ lại các xung trùng phùng, đĩ là các xung vừa là xung cĩ thời gian lệch nhau phải nằm trong cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng, vừa là xung cĩ tổng biên độ của chúng cĩ giá trị nằm trong đỉnh tổng. Vì vậy, ta cĩ thể loại bỏ tất cả các xung cịn lại nên nền phơng gần như được loại bỏ hồn tồn (Nĩi cách khác là cho phép loại gần như hồn tồn các xung ứng với hiện tượng tán

xạ Compton ở trong các đầu dị). Phương pháp trùng phùng này cịn được gọi là trùng phùng sự kiện - sự kiện và xử lý dưới dạng số theo phương pháp tổng biên độ các xung trùng phùng, thường được sử dụng để ghi phổ năng lượng của các gamma nối tầng.

3.4.1 Giới thiệu về phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng (SACP - Summation of the Amplitudes of Coinciding Pulse)

Cơ sở của phương pháp SACP là ở chỗ đầu bán dẫn HPGe biến đổi tuyến tính năng lượng bức xạ gamma thành biên độ tín hiệu đo, tổng năng lượng E1 và E2 của hai dịch chuyển gamma liên tiếp E1 + E2 = Ei - Ef được xác định chỉ bởi các năng lượng Ei và Ef của mức phân rã (i) và mức tạo thành sau dịch chuyển nối tầng hai gamma (f), nĩ khơng phụ thuộc vào năng lượng của trạng thái kích thích trung gian. Khi đĩ, các trường hợp ghi dịch chuyển nối tầng mà xảy ra sự hấp thụ đồng thời tồn bộ năng lượng hai tia gamma ở cả hai đầu dị sẽ dẫn đến xuất hiện các đỉnh trong phổ tổng biên độ các xung trùng phùng. Sự hấp thụ khơng hồn tồn năng lượng dù là của một trong các lượng tử gamma sẽ làm dịch chuyển đỉnh tổng biên độ về miền năng lượng thấp hơn và tạo nên phân bố liên tục tương ứng. Vì vậy ta cĩ thể dễ dàng tách ra từ tập hợp các trùng phùng  -  chỉ những trường hợp khi mà tồn bộ năng lượng của dịch chuyển nối tầng bị hấp thụ hồn tồn trong hai đầu dị. Mặc dù cường độ bức xạ của những trường hợp trùng phùng như vậy là nhỏ (thường chỉ xảy ra khơng lớn hơn 10 sự kiện trong 106

phân rã) nhưng bù lại, ta cĩ thể loại trừ phơng liên quan với sự hấp thụ khơng hồn tồn năng lượng bức xạ gamma.

Ngồi việc nghiên cứu các đặc trưng trung bình, phương pháp SACP cịn cho phép tách ra từ tập hợp các trùng phùng  -  một số lớn các dịch chuyển nối tầng hai gamma mạnh nhất, xác định được cường độ và năng lượng của các dịch chuyển nối tầng. Hơn nữa phương pháp cĩ ưu việt là chỉ ghi các dịch chuyển nối tầng hai gamma liên tiếp, khơng phụ thuộc vào năng lượng của mức trung gian và phương pháp cũng cho phép loại đi một số rất lớn các sự kiện phơng bao gồm cả trường hợp hấp thụ khơng hồn tồn các tia gamma ở hai đầu dị.

Nguyên lý của phương pháp này như sau : giả sử tồn tại sơ đồ phân rã như hình 3.9. Trong nghiên cứu thực nghiệm rõ ràng là cĩ khả năng tồn tại trùng phùng giữa A và B cịn khả năng trùng phùng giữa A và C hoặc giữa B và C là rất khĩ cĩ thể xảy ra.

Hình 3.9 : Ví dụ minh họa về sơ đồ phân rã gamma.

Về cơ bản, phương pháp SACP vẫn dựa trên phương pháp trùng phùng  -  là một trong những phương pháp kinh điển của vật lý hạt nhân thực nghiệm. Hệ ghi chỉ thu nhận thơng tin khi cả hai đầu dị cĩ xung ra đồng thời (chính xác hơn là thời điểm xuất hiện của hai xung lệch nhau một khoảng thời gian nhỏ hơn khoảng thời gian định trước của hệ đo - được gọi là cửa sổ thời gian của hệ trùng phùng). Phương pháp SACP chỉ khác phương pháp trùng phùng thường ở cách ghi số liệu và xử lý số liệu. Số liệu thu được là các code biên độ của hai xung tới từ các đầu dị 1 và đầu dị 2 tương ứng viết thành hai cột E1(n) và E2(n) (với n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo). Quá trình xử lý số liệu của phương pháp SACP sẽ được trình bày ở mục 3.4.2.

3.4.2 Xử lý số liệu và vẽ phổ Các giá trị của biên độ xung trùng phùng ghi nhận được ở kênh A Các giá trị của biên độ xung trùng phùng ghi nhận được ở kênh B Các giá trị của biên độ xung trùng phùng ghi nhận được ở kênh A Các giá trị của biên độ xung trùng phùng ghi nhận được ở kênh B

Hình 3.10 : Thơng tin thu được trong một file text của chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R.

Số liệu thu được từ chương trình thu nhận số liệu dùng 7811R của hệ phổ kế trùng phùng gamma là các file text. Số liệu thu được trong một file text gồm cĩ hai cột E1(n) và E2(n) tương ứng với biên độ của các cặp xung trùng phùng. Trong đĩ, các giá trị E1(n) và E2(n) lần lượt là các code biên độ của hai

2 1 0 A B C 3 1 2

xung tới từ các đầu dị 1 và đầu dị 2 tương ứng, n là số thứ tự của các cặp sự kiện trùng phùng tính từ thời điểm bắt đầu đo.

Trước khi xử lý số liệu, ta phải tiến hành nối các file text này lại, ta cĩ thể dùng chương trình Gacasd 2.0 do nhĩm nghiên cứu tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt thiết kế.

Hình 3.11 : Cửa sổ giao diện chính của chương trình Gacasd 2.0.

Bấm nút Merge files, hộp hội thoại Input file type to merge sẽ xuất hiện. Mở thư mục chứa các file số liệu cần nối và chọn tên kiểu file cần nối, xĩa bỏ phần số và chỉ giữ lại phần tên như hình vẽ, sau đĩ bấm nút Open.

Hình 3.12 : Hộp hội thoại chọn tên file và kiểu file để nối.

Hộp hội thoại Input parameters sẽ xuất hiện, trong ơ From gõ thứ tự của file bắt đầu nối, trong ơ To gõ thứ tự của file kết thúc. Sau khi bấm OK, chương trình sẽ nối dữ liệu trong các file lại với nhau.

Hình 3.13 : Hộp hội thoại nhập khoảng các file nối.

Sau khi nối xong, hộp hội thoại Input name of new file sẽ xuất hiện. Trong ơ File name, gõ tên của file chứa dữ liệu sau khi nối (kiểu *.dat (data code)).

Hình 3.14 : Hộp hội thoại nhập tên file chứa các code sau khi nối.

Sau khi tạo file kết nối xong, ta tiến hành chuẩn số liệu, tạo phổ tổng, tạo đỉnh tổng của nguồn

60Co và tiến hành lọc các sự kiện trùng phùng theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng bằng chương trình Gacasd 2.0 hoặc OriginPro 7.5. Trong phần nội dung của đề tài, tác giả đã sử dụng chương trình OrginPro 7.5 để làm cơng cụ để xử lý số liệu, vẽ phổ tổng,…

 Giới thiệu cách dùng chương trình OriginPro 7.5 để chuẩn số liệu, tạo phổ tổng và phổ năng lượng của nguồn 60Co bằng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng

- Bước 1 : Đưa code biên độ của các xung trùng phùng thu được từ nguồn 60Co vào chương trình bằng cách mở file đã kết nối theo đường dẫn sau : File -> Import| -> Simple Single ASCII -> Chọn file đã kết nối ở phần trên.

Hình 3.15 : Cửa sổ data hiển thị các số liệu từ file đã kết nối.

- Bước 2 : Chọn cột số liệu thứ nhất -> chọn Statistics -> Descriptive Statistics -> Frequency count để mở hộp hội thoại Count.

- Bước 3 : Trong hộp hội thoại Count, chọn Step size như hình 3.16 sau đĩ bấm OK.

Hình 3.16 : Hộp thoại Count.

- Bước 4 : Chọn Cột Count (Y và vẽ đồ thị bằng cách chọn Plot -> Line.