1.4.3.1. Khối điện tử
Bản thân detector, mạch điện RC với một diode, cũng như chuỗi điện tử, bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC và bộ nhớ hay PC, có thể bị ảnh hưởng bởi sự phát tần số vô tuyến, các bộ chuyển đổi, tiếng ồn, tạp âm và ảnh hưởng của các hiệu ứng microphone, chủ yếu là do sự dao động cơ học từ tường và sàn nhà. Tất cả chúng có thể phát các tín hiệu tạp nhiễu khó tách rời khỏi các tín hiệu thật trong phổ. Vùng ảnh hưởng chính là phổ năng lượng thấp và thường đóng góp một phần nhỏ vào phông. Nhưng nếu các nguồn phông khác bị xóa bỏ những tín hiệu tạp nhiễu này có thể bị phát hiện. Để tránh các
ảnh hưởng của tần số vô tuyến, sự che chắn Faraday là cần thiết cũng như sự chắn của các dây. Cách đơn giản để tránh các dao động là đặt detector và lớp chắn trên một bề mặt chống dao động. Bình dewar nên được đặt trên một bề mặt cô lập khác để tránh sự truyền các dao động tạo ra do sự sôi của nitơ lỏng.
1.4.3.2. Bức xạ gamma của môi trường
Phông của một hệ phổ kế gamma còn do các nhân phóng xạ nguyên thủy và nhân tạo đã đóng góp từ không gian xung quanh detector. Có thể dùng phương pháp bảo vệ thụ động để ngăn cản các bức xạ này. Cách thực hiện bảo vệ thụ động là dùng một tổ hợp các vật liệu có nguyên tử số Z giảm dần tính từ ngoài vào đến detector như là chì cổ, thiếc, đồng, nhôm … Lớp vật liệu ngoài cùng có Z lớn nhất sẽ hấp thụ các bức xạ của môi trường bên ngoài, còn các tia X thứ cấp do tương tác của tia gamma môi trường với vật liệu có Z lớn nhất sẽ được lớp vật liệu có nguyên tử số Z nhỏ hơn kế tiếp bên trong hấp thụ, quá trình cứ tiếp tục cho đến khi bức xạ tia X đặc trưng của vật liệu cuối cùng không xuyên vào được detector hoặc đã bị suy giảm đến cường độ nhỏ không đáng kể.
Radon là một trong các nguồn chính của phông phóng xạ môi trường, ngay cả với các detector được che chắn rất tốt. Các đồng vị 222
Rn (T1/2 = 3,8 ngày), 220Rn (T1/2 = 54 s) và
219
Rn (T1/2 = 4 s) cùng với bụi thông thường là các nhân tố chính của sự khuếch tán. Khi khí radon lọt vào không gian trống giữa các lớp vật liệu che chắn và tinh detector, các con cháu của nó tích tụ dần và làm dày đặc không gian này. Dải hoạt độ tự nhiên của các đồng vị này là từ dưới 0,04 Bql-1đến hơn 4 Bql-1
. Trong đó, sự đóng góp vào phông chủ yếu là do 222
Rn, là một con cháu của 238U, phụ thuộc vào số lượng của uranium hoặc 226Ra trong các vật liệu.
Để giảm bớt ảnh hưởng của radon lên các phổ là làm thông khí vùng đo gần detector bằng cách đưa vào một khí sạch phóng xạ. Một giải pháp tốt là sử dụng khí nitơ được làm bay hơi từ bình dewar. Vì radon nặng hơn không khí, sự làm sạch hiệu quả hơn nếu khí nitơ được đưa vào từ nắp của buồng đo và được thông hơi tại đáy và cần bịt kín hệ thống thỏa đáng để duy trì một áp suấtdương.
1.4.3.3. Phóng xạ từ vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn
Phổ phông gây ra bởi vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn xung quanh detector chủ yếu là do các tia gamma của những đồng vị thuộc các họ phóng xạ nguyên thủy
238
U, 232Th, 235U cũng như 40
K và một vài đồng vị phóng xạ nhân tạo như 60
Co, 137Cs … Sự lựa chọn nghiêm ngặt các vật liệu sạch phóng xạ, có hoạt độ phóng xạ thấp làm vật liệu cấu
trúc detector và các vật liệu che chắn xung quanh detector có thể làm giảm mạnh phông phóng xạ này.
1.4.3.4. Bức xạ vũ trụ và neutron
Tại mức mặt biển, bức xạ vũ trụ chủ yếu là các muon (75%), các tia gamma và các electron, chỉ có 0,1% là proton.
Các hạt tích điện năng lượng cao có thể chạm thể tích hoạt động của tinh thể detector, phát một xung tức thời với phân bố năng lượng liên tục. Các electron với năng lượng trên 10 MeV, các muon với năng lượng trên 100 MeV và các proton với năng lượng trên 1 GeV, rất thường xuyên có mặt trong bức xạ vũ trụ ở bề mặt Trái Đất. Chúng gây ra một tín hiệu khoảng 6 – 7 MeV đối với mỗi centimet chúng đi trong tinh thể detector. Bên cạnh các đỉnh hấp thụ toàn phần chúng còn gây ra sự tăng phông trong phổ năng lượng thấp.
Các muon làm tăng phông do bức xạ hãm của các electron δ, được tạo ra khi các muon tác dụng với tinh thể germanium, lớp chắn chì và các vật liệu xung quanh. Các quá trình khác là sự tạo cặp phân rã muon, bức xạ hãm muon và sự ion hóa trực tiếp. Kết quả của những tương tác này là tạo ra phổ liên tục với một đỉnh hủy nhô lên. Ngoài ra, phản ứng giữa các muon với germanium, chì và các vật liệu xung quanh thông qua sự bắt giữ muon dẫn tới hạt nhân Z – 1 bị kích thích cao và mất kích thích bởi sự phát neutron. Các neutron này gây ra các trạng thái gamma bị kích thích trong Ge, Pb, các vật liệu xung quanh và gây ra sự tán xạ neuton không đàn hồi, sự bắt giữ và sự kích hoạt. Tia gamma phát ra theo các tương tác này được phát hiện bởi tinh thể Ge và đóng góp vào phông.
Có thể làm giảm thành phần phông trong detector germanium do các tia vũ trụ tạo ra bằng phương pháp che chắn bảo vệ tích cực như lắp đặt detector germanium trong một phòng thí nghiệm nằm dưới mặt đất. Tuy nhiên, việc xây dựng và vận hành một phòng thí nghiệm dưới mặt đất thì đắt và bất tiện. Một giải pháp che chắn tích cực khác là vận hành phổ kế gamma với một hệ thống phản trùng phùng. Phương pháp này sử dụng các tấm chất dẻo nhấp nháy bao quanh lớp chắn chì rồi sử dụng sơ đồ phản trùng phùng với detector germanium. Kết quả chính của những hệ thống này là loại trừ phông tạo ra bởi muon vũ trụ mà không làm mất các sự kiện từ mẫu. Chất dẻo hoặc chất lỏng nhấp nháy sẽ giảm bớt ảnh hưởng của các muon và các tia gamma thứ cấp và cũng sẽ đáp ứng như một tác nhân làm chậm neutron. Tuy nhiên, di chuyển hệ phổ kế vào một phòng thí nghiệm nằm dưới mặt đất tại độ sâu vừa đủ để giảm dòng muon vũ trụ sẽ có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất.
Hình 1.9. Mặt cắt ngang (a) và mặt cắt dọc (b) của sự che chắn thụ động và chủ động [50]. Dưới đây là một vài thí dụ về phương pháp giảm phông tích cực bằng kỹ thuật phản trùng phùng. Đặt một số detector bảo vệ với hiệu suất gần 100% đối với muon lên trên detector chính và dùng sơ đồ phản trùng phùng để loại trừ các xung xuất hiện đồng thời trong detector chính và một trong các detector bảo vệ. Trong hình 1.10, detector ghi được bao bọc bởi detector bảo vệ, đây là detector nhấp nháy dùng chất nhấp nháy là chất plastic có kích thước lớn, được gia công thành hình giếng, bao bọc detector ghi. Tín hiệu từ hai detector này được đưa vào hệ thống phản trùng phùng. Toàn bộ hệ hai detector được đặt trong lớp chì dày đóng vai trò bảo vệ thụ động. Để tăng hiệu suất ghi, người ta đã nghiên cứu xây dựng hệ detector hoạt động theo kỹ thuật phản trùng phùng kép. Trong kỹ thuật này, hai detector như nhau đóng vai trò vừa là detector bảo vệ, vừa là detector ghi.
Hình 1.11. Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản trùng phùng kép [5].
Các neutron rất nguy hiểm đối với hệ phổ kế phông thấp vì chúng gây ra nhiều phản ứng hạt nhân. Nếu chúng ở trong các lớp chắn thì bên cạnh các phản ứng va chạm không đàn hồi (n,n’), chúng tạo ra sản phẩm các bức xạ gamma bởi các phản ứng (n, )γ và (n, n ' )γ
và đóng góp vào phông. Một vài các neutron tương tác trực tiếp với germanium trong tinh thể và tạo ra các phản ứng không đàn hồi và các đồng vị phóng xạ. Neutron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn paraffin. Phương pháp khác giảm thiểu các ảnh hưởng của neutron thứ cấp là vây quanh detector với một tiết diện vật liệu bắt giữ neutron cao như cadmium, boron hoặc lithium. Trong đó, cadmium và boron có sự bắt tức thời các tia gamma mà sẽ đóng góp vào phông. Tuy nhiên, cadmium có thể gây ra phản ứng 113 114
Cd (n, )γ Cd và sinh ra các lượng tử gamma có năng lượng 558,4 keV và 805,9 keV. Các vật liệu chứa hydrogen làm việc tốt nhất đối với neutron nhiệt, nhưng chúng sau đó tạo ra các tia gamma 2225 keV do sự bắt giữ neutron từ hydrogen.
Như vậy để che chắn bảo vệ thụ động, trong thực tế người ta thường dùng một tổ hợp các vật liệu tính từ ngoài vào đến detector có nguyên tử số Z giảm dần là chì cổ, thiếc, đồng, nhôm … cho đến khi bức xạ tia X đặc trưng của vật liệu cuối cùng không xuyên vào được detector. Việc sử dụng buồng chì và các vật liệu lót bên trong lớp chì để che chắn phông gamma là một cách giảm phông thụ động. Đối với thành phần cứng của tia vũ trụ, chẳng hạn như các hạt muon, thì phương pháp bảo vệ thụ động không thể che chắn được. Khi đó, người ta sử dụng phương pháp giảm phông tích cực để che chắn muon.
Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});