Chương 2 THỰ C NGHI Ệ M
2.2.3.Hệ phổ kế gamma
Hình 2.4. Phổ kế gamma phơng thấp. 2.2.3.1. Cấu tạo
Hệ phổ kế gamma phơng thấp bao gồm detector germanium siêu tinh khiết để thu nhận các bức xạ photon, gamma phát ra từ mẫu vật cần đo rồi chuyển chúng thành các tín hiệu điện để cĩ thể xử lý được bằng các thiết bị điện tử. Tín hiệu điện từ detector được khuếch đại sơ bộ qua tiền khuếch đại và được đưa vào bộ khuếch
đại tuyến tính. Sau khi tín hiệu được khuyếch đại, chúng được đưa qua bộ phận
phân tích đa kênh rồi được đưa ra trên màn hình máy tính ở dạng phổ năng lượng gamma.
Hình 2.5. Sơ đồ hệ phổ kế gamma phơng thấp.
Tồn bộ quá trình từ thu nhận tín hiệu đến khi hiển thị trên màn hình được điều khiển bằng chương trình Accuspect-A của hãng Canberra. Sau đây là một vài đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế: detector HP Ge Model GC-1518, Canberra USA cĩ các thơng số danh định là: hiệu suất tương đối 15%; độ phân giải năng lượng 1,8 keV; tỉ số đỉnh/compton: 45/1 tại vạch năng lượng 1332 keV của đồng vị Co60. Detector cĩ đường kính 5,34 cm; chiều cao 3,20 cm; thể tích 71,1 cm3. Detector
được nuơi bằng nitơ lỏng (-196oC) và được đặt trong buồng chì giảm phơng.
+ Buồng chì được thiết kế theo kích thước buồng chì của hãng Canberra USA và Ortec USA. Chì được dùng là chì thỏi của Liên Xơ. Các phép đo hoạt độ phĩng xạ riêng của mẫu chì này tại trung tâm phân tích và mơi trường thuộc Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cho thấy hoạt độ các đồng vị 238U, 232Th, 40K của mẫu chì này giống các mẫu chì tốt, cĩ thể tạo nên buồng chì phơng thấp. Buồng chì cĩ dạng hình trụ với đường kính trong Din= 30 cm, đường kính ngồi Dout = 50 cm, chiều cao trong hin = 30 cm, chiều cao ngồi hout= 50 cm. Chì cĩ bề dày d = 10 cm. Buồng chì được cấu tạo bởi 17 tấm chì, mỗi tấm dày cỡ 3 cm đặt chồng khít lên nhau và tựa vào nhau khơng cần khung sắt chịu lực. Các mặt trên và dưới của mỗi
tấm được gia cơng thành 2 bậc và hai tấm liền nhau được đặt khít lên nhau để tránh các bức xạ phơng vào buồng chì theo phương nằm ngang. Dưới đáy buồng chì cĩ một nút chì di động cĩ dạng hình trụ, nửa trên cĩ đường kính ngồi 14 cm và nửa dưới cĩ đường kính ngồi 10 cm. Phía trong nút chì là một hình trụ rỗng cĩ đường kính bằng đường kính ngồi của detector (khoảng 7 cm). Như vậy nút chì giúp thao tác dễ dàng khi lắp detector và đảm bảo độ khít. Dưới đáy dewar chứa nitơ lỏng cĩ lĩt 6 cm chì để giảm phơng gamma từ mặt đất hướng lên. Buồng chì được mở từ nắp bằng cách đẩy nắp này chuyển động trên một hệ bánh xe. Trong buồng chì cĩ lĩt một lớp thiếc sạch phĩng xạ dày 10 mm, ba lớp đồng lá dày 2 mm dọc theo thành và các mặt dưới, mặt trên (hình 2.5.)
+ Bình nitơ lỏng gồm những bộ phận chính như: nơi chứa detector, nắp chụp, vịng kim loại, đường hút chân khơng, đầu nối thiết bị điện tử, vịng đệm, ống bơm nitơ, ống miệng, dewar, lớp cách nhiệt, ống đỡ, thanh làm lạnh, phần cách nhiệt. Bình nitơ lỏng cĩ tác dụng làm lạnh detector nhằm hạn chế tối đa dao động nhiệt của các tâm dao động trong tinh thể chất bán dẫn, làm tăng điện trở suất của chất bán dẫn; từ đĩ hạn chế được các tác động gây nhiễu, giảm tiếng ồn và tạo ra khả năng làm việc tốt nhất cho detector.
+ Dây đất: đây là một yếu tố quan trọng làm giảm nhiễu điện từ của bên ngồi vào hệ phổ kế. Dây đất tốt cĩ điện trở dưới 0,25.
2.2.3.2. Phơng ngồi buồng chì
Sơ đồ phịng thí nghiệm và các vị trí khảo sát phơng ngồi buồng chì được thể hiện trong hình 2.6.
Phịng thí nghiệm cĩ kích thước khoảng 4 m x 4 m cĩ hai tường gạch và hai tường gỗ. Dùng hệ phổ kế ổn định xác định phơng ngồi buồng chì đối với hai điểm đo (vị trí 1: cạnh hai tường gạch, vị trí 2: cạnh hai tường gỗ).
Bảng 2.4. So sánh các giá trị phơng ngồi buồng chì trong phịng phổ kế gamma. Hạt nhân E (keV) N1/h (vị trí 1) N2/h (vị trí 2) N2/N1 U238 185 408,8 32,5 282,5 9,7 0,69 Th232 238 2700,1 32,4 1870,4 20,6 0,69 U238 296 846,5 21,1 594,1 13,7 0,70 U238 352 1525,1 18,3 1063,8 14,9 0,70 Annhilation 511 770,6 20,8 486,4 2,6 0,63 Th232 583 1274,4 17,8 586,9 12,0 0,67 Cs137 661 667,1 26,7 393,4 9,0 0,59 Th232 911 940,11 15,0 634,6 9,5 0,68 K40 1461 4340,2 30,4 2960,6 20,7 0,68 Trung bình 0,69
Kết quả đo được trình bày trên bảng 2.4. đối với các đỉnh năng lượng của các nhân 238U (185 keV, 352 keV, 609 keV), 232Th (238 keV, 583 keV), 137Cs (661 keV), 40K (1461 keV) và đỉnh 511 keV. Các đỉnh nêu trên thường được sử dụng trong các phép đo đạc năng lượng sau này.
Bảng 2.4. trình bày các diện tích đỉnh trong thời gian một giờ (các số đếm). Ta nhận thấy rằng số đếm của các đỉnh ở vị trí 2 đều nhỏ hơn vị trí 1 với hệ số N2/N1 trùng nhau trong phạm vi sai số đối với các đỉnh của 238U, 232Th và 40K. Giá trị trung bình của chúng là 0,69 0,01 keV. Các đỉnh 661 keV của 137Cs và đỉnh 511 keV cho các hệ số khơng trùng với giá trị nêu trên do 238U, 232Th và 40K cĩ cùng nguồn phơng thiên nhiên cịn 137Cs cĩ nguồn phơng thiên nhiên và nguồn phơng từ phịng thí nghiệm khác nhau.
Ta nhận thấy phơng ở vị trí 2 bằng 69% phơng ở vị trí 1 do detector đứng xa tường gạch, do đĩ việc chọn vị trí 2 để đặt buồng chì và detector là hợp lý.
2.2.3.3. Phơng trong buồng chì
Phơng trong buồng chì là một đặc trưng quan trọng của hệ phổ kế gamma phơng thấp và được đo định kỳ để đánh giá độ sạch phĩng xạ và sự ổn định của phổ phơng gamma bên trong buồng chì. Bảng 2.5. trình bày kết quả đo phơng trong buồng chì theo các lần khác nhau, ta thấy phơng trong buồng chì rất sạch và ổn định, đặc biệt là sau khi lĩt thêm một lớp thiếc vào tháng 1/1999 và lớp farafin vào tháng 5/1999. Sau khi lĩt thiếc và đồng, các tia X đã giảm hẳn và nền phơng vùng năng lượng thấp hầu như chỉ cịn đỉnh 63,3 keV và 93 keV. Riêng việc lĩt farafin đã
làm đỉnh 511 keV giảm 40%, điều này cũng gĩp phần hạn chế tán xạ compton ở
miền năng lượng gamma thấp. Ngồi ra, thiếc, farafin và đồng khơng làm giảm các đỉnh 63,3 keV và 93 keV. Điều này cĩ thể giải thích là các đỉnh này xuất phát từ phơng uranium và thorium trong vật liệu cấu trúc của detector cũng như các vật liệu lĩt thêm trong buồng chì. Nhờ kết cấu mới này, phơng buồng chì giảm rõ rệt trong vùng năng lượng thấp. Chất lượng phơng buồng chì này cho phép đo các mẫu phĩng xạ mơi trường vì hoạt độ các đồng vị phĩng xạ tự nhiên và nhân tạo trong các mẫu mơi trường là rất thấp.
Bảng 2.5. So sánh các giá trị phơng trong buồng chì theo các lần đo khác nhau Ngày đo 4/96 12/96 8/97 1/98 5/98 2/99 5/99 5/2003 Tỷ số N0/Ntb TG đo (h) 8,03 70 71 99 88,6 99 99 99 E (keV) N/h N/h N/h N/h N/h N/h N/h N/h 185 27,61 29,31 33,22 28,81 29,71 26,9 26,91 26,61 9,61 238 21,91 13,42 13,91 13,02 13,42 9,35 9,22 9,21 139,11 296 2,23 1,31 1,78 1,35 1,63 1,31 1,30 1,31 364,21 352 3,97 2,11 2,84 4,03 3,06 2,84 2,82 2,81 394,11 511 39,01 39,21 39,32 38,31 39,12 36,3 22,13 22,11 12,44 583 4,51 4,12 3,72 4,03 4,39 3,14 3,72 3,72 195,81 609 4,97 2,12 3,13 2,94 3,24 1,67 2,01 2,01 316,21 661 0 0 0 0 0 0 0 0 911 0 0,61 0,92 1,16 0,73 0,93 0,91 0,91 1001 2,93 1,68 1,38 2,63 2,18 2,15 1,01 1,01 12,31 1461 6,49 7,10 6,08 6,65 6,57 4,11 4,11 4,11 452,7 Tổng/sec 0,952 0,985 0,963 0,970 0,961 0,919 0,909 0,909 165 Ghi chú: N/h là diện tích đỉnh trong một giờ, N0/Ntb là tỷ số diện tích đỉnh trong và ngồi buồng chì lấy giá trị phơng tại vị trí 2 của bảng 2.4.