CHƯƠNG 2 : THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.3.Hệ phổ kế gamma
2.3.1. Hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe, phông thấp
Để đo phổ gamma của các mẫu nghiên cứu, Luận văn đã sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe do hãng Canberra sản xuất. Hệ được đặt tại Viện Hóa học – Mơi trường Qn sự/Bộ tư lệnh Hóa học và Viện Y học phóng xạ và U bướu Quân đội/Cục Quân y.
Cấu trúc hệ phổ kế gamma bao gồm có: Detector bán dẫn Germani siêu tinh khiết HPGe, buồng chì phơng thấp, các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự sớ (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn
ni cao áp… Ngồi ra, cịn có thể có các bộ phận khác như máy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để hiệu chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm trong trường hợp tốc độ đếm lớn, bộ khuếch đại phổ… Hệ làm việc ở nhiệt độ Nitrogen lỏng. Hệ phổ kế được ghép nới với máy tính thơng qua card ghép nối, việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng Genie 2000.
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma HPGe
1. Detector bán dẫn HPGe 5. Khuếch đại tuyến tính
2. Nguồn ni cao áp 6. Máy phân tích biên độ nhiều kênh 3. Tiền khuếch đại
4. Máy phát xung chuẩn
7. Máy tính
Hình 2.3. Hệ phổ kế gamma HPGe tại Viện Hóa học - Mơi trường Qn sự 2.3.1.1. Detector của hệ phổ kế gamma HPGE
Đây là detector thuộc loại bán dẫn Germani siêu tinh khiết. Ưu điểm của các loại detector loại này là: mật độ vật chất trong detector lớn hơn rất nhiều so với các
loại detector khác nên hiệu suất tương tác của bức xạ với vật chất cũng lớn hơn. Năng lượng cần để tạo ra một cặp ion trong detector bán dẫn nhỏ hơn một bậc so với detector chứa khí. Tớc độ thu thập điện tích và độ phân giải năng lượng trong detector bán dẫn cũng nhanh hơn nhiều.
Do Germani có khe vùng nhạy tương đới thấp nên detector phải được làm mát để giảm nhiệt sinh ra từ các phần tử mang điện (do đó tỷ lệ nghịch với dòng rò) đến mức chấp nhận được. Ngồi ra dịng rị còn gây nhiễu phá hủy độ phân giải năng lượng của detector. Nitrogen lỏng ở nhiệt độ 77 K thường được dùng để làm mát các detector này. Detector được đặt trên một bình chân khơng có gắn bình LN2 bên trong. Hình 2.4 mơ tả sơ đồ cấu tạo của bộ làm lạnh. Bề mặt của detector rất nhạy nên được bảo vệ khỏi độ ẩm và các chất ô nhiễm khác.
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của bợ làm lạnh
Một bộ làm lạnh gồm có buồng chân khơng, trong buồng chân khơng chứa detector và một bình (bình hai thành chân khơng - cách điện) chứa chất làm lạnh Nitrogen lỏng. Detector được đặt ở một hốc cách điện với cột làm lạnh bằng đồng nhưng lại
có sự trao đổi nhiệt với cột này. Cột làm lạnh truyền nhiệt từ detector sang Nitrogen lỏng. Bên ngoài detector là chân không và nắp mỏng để tránh làm suy giảm các photon năng lượng thấp.
2.3.1.2. Các thông số của hệ phổ kế gamma HPGe
Luận văn sử dụng detector bán dẫn Germani đồng trục (HPGe) model GC1518 do hãng Canberra sản xuất.
- Đường kính tinh thể 52 mm, - Chiều dày tinh thể 34,5 mm,
- Phân giải năng lượng 1,8 keV tại đỉnh năng lượng 1,33 MeV của đồng vị
60Co
- Tỷ số Đỉnh/Compton là 44:1 - Hằng sớ thời gian 4 µs
- Detector được làm lạnh bằng Nitrogen lỏng, thời gian làm lạnh 6 giờ từ nhiệt độ phịng 300 K x́ng nhiệt độ làm việc của hệ là 90 K
- Thế làm việc của detector là 3500 V - Bề dày vỏ hốc chứa detector: 1 mm
- Cửa sổ (end-cap) có đường kính 76 mm, bề dày 1,5 mm - Bề mặt detector được đặt cách cửa sổ 5 mm
- Buồng chì có vỏ ngồi làm bằng thép cacbon phơng phóng xạ thấp dày 9,5 mm, phần chì phơng thấp dày 10 cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm dày 1 mm và đồng tinh khiết dày 1,6 mm, khối lượng 950 kg.
2.3.1.3. Phần mềm Genie 2000
Phổ gamma được ghi nhận, lưu trữ bởi phần mềm Genie 2000 kèm theo hệ đo do hãng Canberra phát hành. Phần mềm này có thể thực hiện nhiều quy trình ghi nhận phổ độc lập cho nhiều detector sử dụng kết nối mạng. Trong Genie 2000 khả năng ghi nhận và phân tích được tích hợp chặt chẽ với giao diện sử dụng trực quan và vận hành đơn giản cho nhiều ứng dụng. Màn hình của phần mềm Genie 2000 giúp cho việc theo dõi thí nghiệm một cách dễ dàng. Phổ thu nhận được từ phổ kế được quan sát online trong śt quá trình đo.
Bên cạnh đó, Genie 2000 còn có đầy đủ chức năng của một phần mềm phân tích phổ offline, bao gồm: xây dựng các đường chuẩn cho hệ phổ kế (năng lượng, phân giải, hiệu suất ghi), tìm đỉnh và phân tích phổ tự động, phân tích từng đỉnh cho người dùng tự chọn. Nếu ḿn người dùng có thể hiệu chỉnh các đỉnh trùng phùng tổng trong phổ. Quy trình chuẩn được đơn giản hóa bằng cách sử dụng các file dữ liệu hạt nhân tích hợp trong phần mềm như: nhân phóng xạ, tỷ số phân nhánh, độ bất định...
2.3.2. Phần mềm phân tích phổ
Mục đích chính của việc phân tích phổ gamma là xác định năng lượng và diện tích các đỉnh phổ làm cơ sở cho việc nhận diện ngun tớ và xác định hoạt độ phóng xạ. Phổ gamma ghi nhận bao gồm một sớ đỉnh hấp thụ tồn phần của vạch bức xạ gamma nằm trên một nền Compton liên tục. Đỉnh này là kết quả tương tác của bức xạ gamma với vật liệu detector. Kết quả của quá trình tương tác là tồn bộ năng lượng của bức xạ gamma được giải phóng trong thể tích của detector. Diện tích đỉnh phổ gamma thường xác định bằng các phần mềm máy tính.
Các phổ gamma sau khi được ghi nhận với các phần mềm Genie 2000 (kèm theo hệ phổ kế Canberra HPGe) có thể chuyển đổi định dạng nhờ phần mềm Cambio và được xử lý bởi một số phần mềm khác nhau. Trong luận văn đã sử dụng một số phần mềm hỗ trợ cho q trình phân tích, nhận diện đồng vị, khớp hàm và tách đỉnh phổ để có được các thơng tin chính xác hơn, cụ thể:
- GammaVision: Là phần mềm chuyên dụng của hãng Ortec, dùng để phân tích biên độ nhiều kênh cho phổ bức xạ gamma. Luận văn đã sử dụng phần mềm này để mở phổ gamma phục vụ mục đích lấy diện tích đỉnh hấp thụ tồn phần của các vạch năng lượng đặc trưng. Trong phần mềm, thư viện tổng hợp các đồng vị phát gamma có sẵn được cập nhật phiên bản mới nhất. Tuy nhiên hệ thống mở cho phép người dùng tự định nghĩa các thư viện khác áp dụng chuyên cho những mẫu đặc biệt, như mẫu nhiên liệu Uranium chẳng hạn, số liệu đưa vào thư viện tự lập cần đảm bảo tính chính xác và càng chi tiết càng tớt. Hình 2.5 là giao diện và phổ gamma của mẫu trên phần phần mềm GammaVision.
Hình 2.5. Phổ gamma của một mẫu RGU trên phần mềm GammaVision 5.10
- FitzPeaks Gamma Analysis: Đây là phần mềm phân tích phổ gamma tự động, có độ tin cậy cao, tách được hầu hết các đỉnh chập, có thể phân tích được hầu hết các dạng phổ ghi nhận bởi các hệ phổ kế của các hãng khác nhau. Phần mềm này có thể sử dụng song song với GammaVision, tuy nhiên vì chỉ có 1 thư viện số liệu chung cho tất cả các đồng vị đã biết đến nên phần mềm này chỉ có thể dùng để xác định sơ bộ định tính cho các loại mẫu đo.
- Các phần mềm tính tốn và xử lý số liệu: Luận văn sử dụng phần mềm Microsoft Excel để tính tốn các giá trị sớ đếm và tỉ số n/I từ số liệu thu được từ các phần mềm phân tích phổ; sử dụng phần mềm Origin 9 pro để khớp hàm chuẩn nội hiệu suất ghi dựa vào các đỉnh năng lượng và giá trị tỉ sớ n/I đã tính từ Excel.