Hệ phổ kế bao gồm: buồng chì, detector HPGe GEM 15P4, nguồn cung cấp cao thế, khối tiền khuếch đại nhạy điện tích, khối khuếch đại tuyến tính, khối phân tích biên độ đa kênh (MCA), khối biến đổi tương tự – số (ADC) và lưu trữ dữ liệu, máy tính (PC) với phần mềm ghi nhận và xử lý phổ Maestro – 32. Sơ đồ hệ phổ kế được trình bày trong phụ lục 1. Ngoài ra, để khảo sát những đặc trưng của detector, bộ nguồn chuẩn Spectrum Techniques LLCgồm133
Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 22Na, 54Mn và 65Znđã được sử dụng.
2.3.1.1. Cấu trúc của detector HPGe GEM 15P4
Năm 2007, PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM đã được trang bị một hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4 với các thông số kỹ thuật danh định như sau:
+ Hiệu suất tương đối 15% so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 3 inch x 3 inch.
+ Độ phân giải năng lượng tại đỉnh 1332 keV của đồng vị 60
Co là 1,80 keV. + Tỉ số P/C tại đỉnh 1332 keV của đồng vị 60Co là 46:1.
+ Dải năng lượng cho phép 5 keV – 4 MeV + Phần mềm ghi nhận và xử lý phổ Maestro – 32.
Phần chính của detector là tinh thể Ge siêu tinh khiết có đường kính ngoài 51,2 mm, chiều cao 45 mm, ở giữa có một hốc hình trụ đường kính 11 mm và chiều cao 33,5 mm. Tín hiệu được lấy ra từ một điện cực bằng đồng đặt ở trong hốc của tinh thể. Mặt trên và mặt
bên của tinh thể được bao phủ bởi lớp Li khuếch tán 0,7 mm được gọi là lớp Ge bất hoạt. Đây cũng là lớp n+ được nối với cực dương của nguồn điện. Mặt trong hốc tinh thể là lớp boron được cấy ion với bề dày 0,3 μm. Đây là lớp p+ được nối với cực âm của nguồn điện. Mặt trên cùng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu, trong đó lớp trên là kapton 0,1 mm và lớp dưới là mylar được kim loại hóa với bề dày 0,06 mm. Tinh thể Ge được đặt trong một hộp kín bằng nhôm và ghép cách điện với que tản nhiệt bằng đồng. Que tản nhiệt sẽ dẫn nhiệt từ tinh thể Ge đến bình chứa nitơ lỏng với nhiệt độ –1960 C (77 K) nhằm giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu do dao động nhiệt trong tinh thể Ge và các linh kiện điện tử của tiền khuếch đại.
Hộp kín bằng nhôm có bề dày 0,76 mm để đảm bảo tránh sự hấp thụ photon năng lượng thấp và che chắn bức xạ hồng ngoại từ bên ngoài vào tinh thể Ge. Các điện cực cách điện với nhau bởi lớp teflon và có một khoảng chân không trong tinh thể. Toàn bộ hộp kín này được đặt trong một vỏ nhôm có đường kính 70 mm và dày 1,3 mm. Khoảng chân không giữa mặt trên tinh thể và mặt dưới vỏ nhôm là 3 mm giúp tránh các va chạm vào bề mặt tinh thể khi lắp ráp detector. Detector được đặt trong một buồng chì để giảm phông gamma từ môi trường.
Hình 2.2. Cấu trúc bên trong của detector HPGe [35].
2.3.1.2. Cấu trúc của buồng chì
Detector được đặt trong buồng chì nhằm mục đích che chắn, giảm phông phóng xạ do các vật liệu xung quanh và tia vũ trụ gây nên, từ đó cải thiện được kết quả phân tích phổ gamma. Điều này rất quan trọng do mục đích của hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM là đo đạc các loại mẫu môi trường có hoạt độ thấp. Cấu trúc của buồng chì được trình bày trong hình 2.4.
Hình 2.4. Mặt cắt dọc buồng chì che chắn phông phóng xạ tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM (đơn vị mm) [28].
Dưới đáy buồng chì có một lỗ tròn đường kính 115 mm để đặt detector. Buồng chì có dạng hình trụ với đường kính ngoài 602 mm và cao 519,3 mm. Phần nắp buồng chì dày 50 mm, thành dày 78 mm và đáy dày 60,5 mm. Mặt trong của buồng chì là một lớp đồng dày 1,5 mm có tác dụng hấp thụ các tia X phát ra từ chì. Giữa thân và nắp buồng chì là một lớp sắt dày 9,3 mm làm giá đỡ và di chuyển nắp buồng chì khi thực hiện việc đo đạc mẫu. Tất cả các kích thước được khảo sát bằng thước cuộn và thước kẹp.
2.3.1.3. Những hạn chế của buồng chì hiện tại
Mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì dựa trên các tiêu chí sau: tốc độ đếm tổng của toàn dải năng lượng gamma từ 100 keV đến 2000 keV tính trong thời gian 1 s, tốc độ đếm tổng tốt thường dưới 1 s-1 [19]. Tốc độ đếm theo đỉnh năng lượng là diện tích đỉnh năng lượng gamma quan tâm trong 1 s, tốc độ đếm này càng nhỏ càng tốt. Tỉ số trong ngoài là tỷ lệ diện tích đỉnh năng lượng quan tâm trong và ngoài buồng chì, tỉ số này càng nhỏ càng tốt [19].
Năm 2010, tác giả Phạm Nguyễn Thành Vinh đã thực hiện việc đánh giá mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM [29]. Các bước tiến hành thí nghiệm như sau:
+ Đo phông trong buồng chì: đóng nắp buồng chì và tiến hành đo đạc. Phông trong buồng chì được đo trong 1 ngày (86400 s).
+ Đo phông ngoài buồng chì: do điều kiện không thể dịch chuyển detector ra khỏi buồng chì. Tác giả Phạm Nguyễn Thành Vinh đã tiến hành mở nắp buồng chì và đo đạc. Phông ngoài buồng chì được đo trong 1,5 ngày (129600 s).
+ Kết quả được lưu lại dưới dạng phổ và được trình bày trong phụ lục 3. + Sau khi xử lý thu được kết quả như bảng 2.3.
Bảng 2.3. Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện trong phép đo phông đối với hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM.
Năng lượng gamma (keV) Nguồn phát Tốc độ đếm (10-3 s-1) N1/N2 N2/N3 N1 N2 N3 85,0 Pb X 444,3 31,8 27,5 13,97 1,16 92,5 234Th 470,1 28,8 8,6 16,32 3,34 186,2 226Ra 222,6 24,6 20,2 9,05 1,21 209,3 228Ac (232Th) 157,5 - - - - 238,6 212Pb (232Th) 224,1 22,8 8,7 9,83 2,62 270,2 228Ac(232Th) 108,8 - - - - 277,4 208 Tl (232Th) 82,2 - - - - 295,2 214Pb (226Ra) 112,9 - - - - 300,1 212 Pb (232Th) 91,6 - - - - 327,6 228Ac (232Th) 66,9 - - - - 338,3 228Ac(232Th) 77,3 - - - - 351,9 214Pb (226Ra) 110,0 - - - - 463,0 228Ac (232Th) 42,0 - - - - 511,0 Hủy cặp 96,0 30,0 11,2 3,20 2,68 562,3 228Ac (232Th) 18,4 - - - - 583,1 208Tl (232Th) 71,2 7,4 1,8 9,62 4,11 609,3 214Bi (226Ra) 66,7 6,2 2,1 10,76 2,95 661,6 137Cs 3,25 0,24 2,1 13,54 0,11
727,2 212Bi (232Th) 28,3 - - - - 768,4 214Bi (226Ra) 24,6 - - - - 794,7 228Ac (232Th) 18,8 - - - - 835,5 228Ac(232Th) 9,5 - - - - 860,4 208Tl (232Th) 19,9 - - - - 911,1 228Ac (232Th) 44,8 - - - - 934,1 214Bi (226Ra) 12,3 - - - - 969,1 228Ac (232Th) 33,9 - - - - 1120,3 214Bi (226Ra) 23,8 2,4 0,5 9,92 4,80 1155,2 214Bi (226Ra) 6,4 - - - - 1460,8 40K 113,3 15,3 1,6 7,41 9,56 1588,0 228Ac (232Th) 4,9 - - - - 1764,5 214Bi (226Ra) 13,9 - - - - Tốc độ đếm tổng (s-1 ) 20,05 3,06 1,13 6,55 2,71
Trong đó: N1 là tốc độ đếm ngoài buồng chì, N2 là tốc độ đếm trong buồng chì, N3 là tốc độ đếm phông trong buồng chì của hệ đo gamma tại Phòng An toàn Bức xạ, TTHN TP.HCM. Số liệu được đo vào lúc 11:53 ngày 21/03/2005. Thời gian đo là 333333s.
Bảng 2.3 cho thấy buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM đã cải thiện đáng kể phông phóng xạ của môi trường xung quanh detector. Tốc độ đếm tổng được cải thiện hơn 6 lần khi đậy nắp buồng chì. Tuy nhiên, tốc độ đếm trong vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 200 keV) là tương đối cao ngay cả khi đã được che chắn bằng buồng chì. Như vậy, việc che chắn của buồng chì trong vùng năng lượng thấp là không tốt, gây khó khăn trong quá trình đo đạc, nghiên cứu các bức xạ gamma mềm có năng lượng tương đối thấp, chẳng hạn như trong nghiên cứu tính toán hoạt độ của 238U sử dụng đỉnh 63,3 keV [3], [41], [45].
Tốc độ đếm phông tổng trong trạng thái che chắn của buồng chì là 3,06 s-1là tương đối cao so với giá trị danh định khoảng 1 s-1 [19], cao gấp 2,71 lần so với tốc độ đếm phông tổng trong cùng trạng thái của buồng chì tại TTHN TP.HCM. Tại đỉnh năng lượng 661,66 keV của 137Cs, tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại TTHN TP.HCM lớn hơn tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. Ngoài ra, tốc độ đếm phông ở tất cả các đỉnh năng lượng khác ứng với hệ phổ kế tại TTHN TP.HCM đều cho kết quả tốt hơn hẳn tốc độ đếm phông đối với hệ phổ kế tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. Từ
đó có thể kết luận, phông phóng xạ môi trường xung quanh detector tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM đã được cải thiện rất nhiều khi thực hiện che chắn bằng buồng chì, nhưng vẫn chưa đủ tốt khi so sánh với một hệ che chắn tương tự tại TTHN TP.HCM. Vấn đề này có thể được lý giải như sau: kết cấu che chắn phông của buồng chì chưa tốt; việc che chắn phông chỉ được thực hiện bên trên và xung quanh detector, khe hở giữa cổ detector và thành buồng chì vẫn còn khá lớn, nghĩa là sự che chắn chưa đủ tốt tại phần này; chất liệu chì dùng để chế tạo buồng chì có thể chứa nhiều tạp chất, đặc biệt là nguồn gốc không rõ ràng.
Phông phóng xạ cao như vậy sẽ gây khó khăn trong việc nghiên cứu các mẫu có hoạt độ phóng xạ thấp, chẳng hạn như các mẫu môi trường.