Tia X đặc trưng phát ra từ tương tác quang điện của tia gamma với vật chất xung quanh detector tạo ra một đỉnh phổ nằm ở vùng năng lượng tia X. Đối với vật liệu xung quanh detedor có nguyên tử số Z lớn, tia X mang năng lượng cao do đó khả năng thoát ra khỏi bề mặt vật liệu để đi đến detector càng cao. Vì vậy cần tránh bố trí các vật liệu này xung quanh detector. Mặt khác, vật liệu Z cao như chì rất hiệu quả trong che chắn phông. Do đó cấu hình buồng che chắn phù hợp bao gồm các lớp vật liệu nhẹ đặt bên trong lớp che chắn chính làm từ vật liệu Z cao. Lớp vật liệu nhẹ sẽ hấp thụ các tia X phát ra từ lớp che chắn chính đồng thời chỉ tạo ra các tia X năng lượng thấp dễ dàng bị hấp thụ, hoặc tạo ra các đỉnh phổ trong miền năng lượng rất thấp do đó không ảnh hưởng đến các đỉnh phổ quan tâm.
Thông thường vật liệu che chắn được chọn là chì, sắt, đồng, thuỷ ngân, bê tông. Đó là những vật liệu nặng (Z lớn) có tiết diện lớn đối với hiệu ứng hấp thụ quang điện.
+ Bê tông thường có độ phóng xạ cao vì có hàm lượng U, Th cỡ ppm.
+ Thuỷ ngân là chất lỏng, cần phải có bình đặc biệt để đựng, không thuận tiện. + Sắt, đồng có tiết diện lớn đối với các phản ứng (n, n’γ), (n, γ).
Các đồng vị tạo thành trong các phản ứng gây ra bởi neutron của tia vũ trụ phát ra bức xạ gamma, tạo thành phông đối với detector được thống kê dưới đây.
Bảng 2.2. Các phản ứng của neutron với detector [5]. γ E (keV) Từ phản ứng Eγ (keV) Từ phản ứng 186 65Cu(n,γ)66Cu 1412,1 63Cu(n, n’γ)63Cu 278,3 63Cu(n,γ)64Cu 1481,7 65Cu(n, n’γ)65Cu 669,6 63Cu(n, n’γ)63Cu 1547,0 63Cu(n, n’γ)63Cu 962,1 65Cu(n, n’γ)65Cu 122,1 57Fe(n, n’γ)57Fe 1115,5 65Cu(n, n’γ)65Cu 846,8 56Fe(n, n’γ)56Fe 1327,0 63Cu(n, n’γ)63Cu 368,0 199Hg(n,γ)200Hg
Còn lại chỉ có chì. Chì thông thường bao gồm 53% là Pb208, 24% Pb206, 22% Pb207 và 1% Pb214. Chì tương tác với n, có thể xảy ra các phản ứng sau đây:
207Pb (n, n’γ) 207Pbcho bức xạ gamma năng lượng 569,2 keV; 1063,6 keV
206Pb (n, n’γ) 206
208Pb (n, n’γ) 208
Pb cho bức xạ gamma năng lượng 2614,0 keV.
Tiết diện các phản ứng này nhỏ nên bức xạ gamma từ các phản ứng trên không gây nên phông của detector.
Nhược điểm lớn nhất khi dùng chì để giảm phông là sự tồn tại đồng vị phóng xạ 210
Pb với chu kỳ bán rãT1/2 = 22,3 năm. Tia gamma 46,5 keV từ 210Pb dễ dàng bị chặn đứng bởi lớp vật liệu lót bên trong để khử các tia X chì lớp K. Tuy nhiên, 210Bi là con cháu của 210Pb phát ra tia β−với năng lượng là 1161 keV. Các hạt β- này sẽ tạo thành bức xạ hãm Bremsstrahlung và bức xạ tia X đặc trưng của chì như: 74,97 keV (PbKα1), 72,80 keV
(PbKα2), 84,94 keV (PbKβ1), 87,40 keV (PbKβ2). Bức xạ hãm từ các tia beta này dẫn đến sự gia tăng đáng kể dải phông liên tục lên tới vài trăm keV.
Quá trình tinh chế không làm tách rời 210Pb từ đồng vị bền. Vì 210Pb có chu kỳ bán rã là 22,3 năm, nên chì cổ có hàm lượng 210Pb thấp hơn đáng kể so với chì trẻ. Để tránh210
Pb, cần dùng loại chì cổ.
Hình 2.1. Sơ đồ phân rã của 210
Pb.
Trong nghiên cứu thiết kế hệ phổ kế gamma phông siêu thấp của hãng Canberra cho thấy với 0,5 mm cadmium ngăn chặn khoảng 70% các tia của X chì, 1 mm thiếc sẽ ngăn chặn 95% các tia X của chì. Với một lớp đồng dày 1,5 mm thêm vào, tổng sự suy giảm các tia X phát ra từ các vật liệu che chắn khoảng 98,5% [62]. Nếu quan tâm đến môi trường và tránh sự độc hại, chúng ta nên sử dụng thiếc thay cho cadmium. Thuận lợi hơn nữa, thiếc là một kim loại kết tinh cao, dễ uốn, dễ dát mỏng và không độc hại.
Như vậy kết cấu hệ giảm phông thường là chì, thiếc và đồng theo thứ tự từ ngoài vào trong. Chì là loại vật liệu có Z cao (Z = 82), chính điều này đã giúp nó hấp thụ tia gamma trong môi trường và làm giảm phông cho detector. Khi nguyên tử chì có trong các vật liệu che chắn xung quanh detector hấp thụ gamma, phát ra từ nguồn đo hay từ các nguồn xung
quanh, nó sẽ phát ra tia X đặc trưng có năng lượng khoảng 70 – 85 keV. Các tia X này có thể được ghi nhận bởi detector và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Trong thực tế, người ta thường sử dụng thêm một số lớp vật liệu lót bên trong buồng chì để che chắn các tia X này. Có thể đặt kế tiếp lớp chì là một lớp thiếc, lớp này hấp thụ gần như toàn bộ tia X do chì phát ra. Sau đó, thiếc phát ra tia X đặc trưng của nó có năng lượng khoảng 25 – 28 keV và được lớp đồng kế tiếp lớp thiếc hấp thụ. Cuối cùng, các tia X do đồng phát ra có năng lượng thấp khoảng 8 – 9 keV nên không gây ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector. Có thể chỉ dùng một lớp Al mỏng là hấp thụ hết. Cấu hình buồng giảm phông có thể thiết kế theo hình trụ hoặc hình lăng trụ chữ nhật.
Chất lượng vật liệu che chắn: các vật liệu che chắn chủ yếu là chì, thiếc, đồng, các vật liệu này phải đảm bảo sạch phóng xạ tự nhiên, không có các đồng vị phóng xạ nhân tạo như
137Cs, 60Co. Độ sạch phóng xạ tự nhiên rất quan trọng vì thứ nhất chúng có nhiều đỉnh gamma trên toàn phổ, các đỉnh này trùng với các đỉnh cần quan tâm khi phân tích phóng xạ môi trường, thứ hai U và Th trong tự nhiên có phân bố rộng rãi và thường tập trung vào các mỏ chì vì chì là đồng vị bền của hai chuỗi phân rã này. Thông thường nếu chọn được chì cổ thì có độ sạch U và Th hơn. Thiếc và đồng sạch 99,99% có thể có rất ít các đồng vị phóng xạ tự nhiên nhưng do giá đắt, nguyên tử số Z và hệ số suy giảm năng lượng gamma tuyến tính thấp hơn chì nên chỉ dùng vào việc lót bên trong để giảm phông thứ cấp do tán xạ Compton và tán xạ nhiều lần.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn trong việc nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM bằng phương pháp giảm phông thụ động. Vì điều kiện phòng thí nghiệm chưa cho phép nên các phương pháp giảm phông tích cực như sử dụng các tấm chắn cản muon và sử dụng sơ đồ phản trùng phùng hay đưa hệ phổ kế hoạt động trong phòng thí nghiệm sâu dưới mặt đất là những phương pháp đòi hỏi kỹ thuật cao và kinh phí trang bị cơ sở thiết bị, dụng cụ tốn kém nên chưa được đề cập đến trong luận văn.
Từ biểu thức về sự suy giảm của cường độ chùm tia gamma khi truyền qua vật chất I = I0.e−µxcho thấy cường độ của bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chứ không bị hấp thụ hoàn toàn. Nghĩa là cần có bề dày các lớp vật liệu che chắn dày vô hạn thì cường độ bức xạ gamma mới tiến đến 0. Nhưng điều này không thể thực hiện được vì không gian buồng chì là hữu hạn và chi phí cho những vật liệu làm các lớp che chắn cho hệ phổ kế gamma rất tốn kém. Cho nên các tiêu chí để lựa chọn các lớp vật liệu che chắn cần thiết phải là:
+ Vật liệu rẻ
+ Có nguyên tử số Z cao để hấp thụ tốt các bức xạ gamma + Sạch phóng xạ
+ Dễ gia công + Phổ biến, dễ tìm + Không độc hại
+ Đảm bảo hiệu quả che chắn tốt ở một bề dày thích hợp. Điều này đã có những nghiên cứu xác nhận.
Trên cơ sở các nhận định nêu trên cho thấy chì, thiếc, đồng theo thứ tự từ ngoài vào trong đều thỏa mãn những yêu cầu này.