Hệ phổ kế gamma

Hệ phổ kế gamma tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh bao gồm các phần chính như sau: buồng chì, detector HPGe GC1518, nguồn cung cấp cao thế, tiền khuếch đại nhạy điện tích, khuếch đại, khối phân tích biên độ đa kênh, khối xử lý và lưu trữ số liệu [39]. Ảnh chụp hệ phổ kế gamma phông thấp hiện đang hoạt động được trình bày trong phụ lục 2. Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe.

2.3.2.Cấu trúc của buồng chì và detector HPGe GC1518 2.3.2.1. Buồng chì

Để giảm bớt phổ phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố xung quanh detector làm ảnh hưởng đến kết quả phân tích phổ gamma đo được, điều tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp. Thực vậy, với tấm chì có bề dày 10 g/cm2 sẽ làm giảm bớt một nửa cường độ chùm photon có năng lượng 1000 keV hoặc tấm chì có bề dày 100 g/cm2 (tương đương 8,8 cm) thì cường độ chùm photon có năng lượng 1000 keV giảm đi 1000 lần. Do đó tấm chì có bề dày 10 cm thường được sử dụng để che chắn các bức xạ phông. Chì được sử dụng để che chắn phải là chì “cổ” bởi vì chì “trẻ” thường chứa 210Pb (T½= 21 năm) được tạo ra từ quá trình phân rã của 238U, trong khi đó chì “cổ” hoạt độ phóng xạ của 210Pb giảm đi đáng kể. Buồng chì được chế tạo tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh đáp ứng tốt đối với các yêu cầu trên [20]. Cấu trúc của buồng chì được trình bày trên hình 2.2a và 2.2b. Trên hình này detector HPGe GC1518 là một ống hình trụ bán kính 3,81 cm với chiều cao nằm bên trong buồng chì là 8,40 cm. Buồng chì có dạng hình trụ với bán kính ngoài 25 cm, cao

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe. Detector HPGe (1); Tiền khuếch đại (2); Nguồn cung cấp cao thế (3); Bộ khuếch đại (4); Khối phân tích biên độ đa kênh (5); Khối xử lý và lưu trữ số liệu (6).

Preamp HPGe

Detector Amp MCA

High Voltage

1 2 4 5

Hình 2.2a. Mặt cắt dọc của buồng chì, kích thước tính bằng cm. Sắt Chì Detector Thiếc Paraffin Đồng

Hình 2.2b. Mặt cắt dọc của buồng chì được mô hình hoá bằng chương trình MCNP4C2. Các chữ số chỉ thị số thứ tự thẻ mặt được mô tả trong input của chương trình MCNP4C2.

50 cm, bán kính trong 15 cm, cao 30 cm. Bề dày tấm chì ở các mặt trên, mặt dưới và mặt bên hình trụ bằng 10 cm. Ở mặt dưới của nắp buồng chì có một lớp thiếc dày 0,3 cm và một lớp đồng dày 0,1 cm. Mặt trên của đáy buồng chì có lót một lớp đồng dày 0,8 cm. Mặt trong của thành buồng chì có một lớp thiếc dày 0,8 cm, một lớp paraffin dày 6,25 cm nửa dưới và 4,75 cm nửa trên, và một lớp đồng dày 0,6 cm kể từ bên ngoài vào. Buồng chì dùng để che chắn có thể chứa các đồng vị phóng xạ phát ra các tia X đặc trưng hoặc tia β bị hãm và phát ra bức xạ bremsstrahlung (chẳng hạn 210Pb phát ra tia X có năng lượng 46,5 keV ...) cho nên việc lót thêm các lớp thiếc, đồng là rất cần thiết. Ngoài ra các neutron có nguồn gốc từ vũ trụ hoặc do sự phá vỡ các hạt nhân nặng (chẳng hạn 1 kg chì có thể tạo ra 0,11 neutron/phút) là nguyên nhân gây ra phản ứng (n, γ), do đó trong buồng chì còn lót thêm một lớp paraffin dùng để hấp thụ các neutron này. Thực vậy, lớp thiếc có bề dày 1 mm có thể hấp thụ đến 95% các tia X của chì và lớp đồng có bề dày 1,5 mm thêm vào có thể hấp thụ đến 98% các tia X của chì trong dải năng lượng từ 75 - 85 keV [37]. Với cấu trúc gồm các lớp thiếc, đồng và paraffin được lót thêm vào đã làm giảm đáng kể các tia X trong dải năng lượng 70 - 90 keV [18].

2.3.2.2. Detector HPGe GC1518

Sơ đồ cấu trúc của detector HPGe GC1518 được trình bày trên các hình 2.3a, 2.3b, 2.3c, và 2.3d. Đây là detector germanium siêu tinh khiết có dạng hình trụ đồng trục. Detector có các thông số danh định như sau: hiệu suất tương đối 15% so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 7,62 cm × 7,62 cm, độ phân giải năng lượng 1,8 keV tại vạch năng lượng 1332 keV của đồng vị 60Co và tỉ số

đỉnh/Compton bằng 45:1 cũng tại vạch năng lượng 1332 keV của đồng vị 60Co.

Các thông số về cấu trúc hình học và thành phần vật liệu của detector do nhà sản xuất cung cấp [39]. Phần chính của detector HPGe GC1518 là tinh thể

germanium siêu tinh khiết (mức độ tạp chất thuần vào khoảng 1010 nguyên tử/cm3) có đường kính ngoài 54 mm, chiều cao 32 mm, ở giữa có một hốc hình trụ đường kính 7 mm và chiều cao 17 mm. Tín hiệu lấy ra từ một điện cực bằng đồng đặt ở trong hốc của tinh thể. Mặt trên và mặt bên tinh thể có một lớp lithium khuếch tán ngoài cùng với bề dày tương đương 0,35 mm Ge được gọi là lớp germanium bất hoạt. Đó là lớp n+ được nối với cực dương của nguồn điện. Mặt trong hốc của tinh thể có một lớp boron được cấy ion với bề dày tương đương 3.10−3 mm Ge. Đây là lớp p+ được nối với cực âm của nguồn điện. Mặt trên cùng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu gồm lớp trên làm bằng kapton với bề dày 0,1 mm và lớp dưới làm bằng mylar được kim loại hóa với bề dày 8,5.10−3 mm. Tinh thể germanium đặt trong một hộp kín bằng nhôm và ghép cách điện với que tản nhiệt bằng đồng nhưng vẫn đảm bảo sự tản nhiệt tốt. Que tản nhiệt sẽ dẫn nhiệt từ tinh thể germanium đến bình chứa nitrogen lỏng 1960C

− (77K) nhằm giảm

tối thiểu ảnh hưởng nhiễu do dao động nhiệt trong tinh thể germanium và các linh kiện điện tử của tiền khuếch đại như trong hình 2.4. Hộp kín bằng nhôm có bề dày 2,7 mm (chỗ dày nhất), 0,76 mm (chỗ mỏng nhất) để đảm bảo tránh được sự hấp thụ các photon có năng lượng thấp và che chắn bức xạ hồng ngoại từ bên ngoài vào tinh thể germanium. Các điện cực cách điện với nhau bằng teflon và có một khoảng chân không ở dưới tinh thể. Toàn bộ hộp kín này được đặt trong một vỏ bằng nhôm có đường kính 76,2 mm và bề dày 1,5 mm. Khoảng chân không giữa mặt trên tinh thể germanium với mặt dưới của vỏ nhôm là 5 mm để tránh các va chạm vào bề mặt tinh thể germanium khi lắp ráp detector. Detector HPGe GC1518 được đặt trong buồng chì để giảm phông gamma từ môi trường.

Hình 2.3a. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC1518, kích thước tính bằng mm. Tinh thể Ge Cực dương n Cực âm p Lõi đồng lấy tín hiệu ra Hộp kín bằng nhôm Vỏ detector bằng nhôm

Hình 2.3b. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC1518 được mô hình hoá bằng chương trình MCNP4C2. Các chữ số chỉ thị số thứ tự thẻ mặt được mô tả trong input của chương trình MCNP4C2.

Hình 2.3c. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC1518 và thông tin về vật liệu và kích thước hình học được nhà sản xuất Canberra Industries, Inc. cung cấp.

Hình 2.3d. Mặt cắt dọc của detector HPGe cùng chủng loại với detector HPGe GC1518 được chụp cắt lớp bằng kỹ thuật CAT (computerized axial tomography).

Nguồn: Mark Dowdall (2000) [94]

Hình 2.4. Cấu tạo của bình chứa nitrogen lỏng và cách ghép nối với detector HPGe GC1518 đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh.

Nguồn: Canberra Industries Inc., http://www.canberra.com/default.asp

Đầu nối dây dẫn cao áp, tín hiệu ... Buồng chứa tiền khuếch đại

Lỗ nạp/xả nitrogen lỏng Rây phân tử Cổ bình có lớp vật liệu cách nhiệt Chân không Que tản nhiệt Bình chứa nitrogen lỏng Đệm làm kín chống thoát LN2 Ống cách nhiệt Vỏ detector Bệ đỡ tinh thể germanium

2.3.3.Cấu trúc của các nguồn phóng xạ

Trong thực nghiệm chúng tôi đã sử dụng các nguồn phóng xạ được sản xuất từ các hãng khác nhau, do đó cấu trúc hình học và thành phần vật liệu của chúng cũng rất đa dạng. Có loại là nguồn phóng xạ chuẩn, hình học nguồn điểm thường dùng để hiệu chuẩn (calibration) hệ phổ kế gamma; có loại là nguồn hỗn hợp, hình học nguồn rộng, trong đó chất phóng xạ được trộn đều với vật liệu nền như bột đá vôi, bột zirconium silicate ...

2.3.3.1. Nguồn 137Cs của hãng Nuclear Services & Supplies - Rost GmbH

Nguồn phóng xạ 137Cs của hãng Nuclear Services & Supplies - Rost GmbH đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh có dạng điểm đường kính 2 mm đặt trong một hốc hình giếng (giống như collimator) của một giá đỡ bằng thép không gỉ dạng hình trụ được trình bày trong hình 2.6. Trên giá đỡ này đầu đặt nguồn phóng xạ có dạng hình trụ chuẩn, đầu còn lại được vát phẳng ở hai mặt đối diện nhằm thuận tiện trong việc lắp đặt nguồn để tiến hành thực nghiệm đo đạc. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 137Cs được trình bày trong hình 2.5. Chu kì bán rã, hoạt độ, ngày sản xuất, năng lượng các tia gamma của nguồn 137Cs được trình bày trong phụ lục 1. 0,6617 11/2− 0,2835 1/2+ 0,0000 137Ba 3/2+ β- 94,40 % β- 5,60 % 137Cs 7/2+ 30,04 năm 1,1576

Hình 2.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 137Cs.

Đường gạch ngang đậm: trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ hoặc hạt nhân con. Đường gạch ngang nhạt: trạng thái kích thích của hạt nhân con. Cột số bên trái: spin và độ chẵn lẻ. Cột số bên phải: năng lượng tính bằng MeV.

2.3.3.2. Nguồn 60Co của hãng An Eckert & Ziegler, Co.

Nguồn phóng xạ 60Co của hãng An Eckert & Ziegler, Co. đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh có dạng viên hình trụ đường kính 5 mm và chiều cao 3,18 mm được chế tạo bằng cách cho bay hơi muối kim loại cobalt và đọng lại trên một đĩa tròn làm bằng nhựa epoxy có đường kính 25,4 mm và bề dày 6,35 mm được trình bày trong hình 2.7. Bề dày cửa sổ của kiểu nguồn này là 2,77 mm và mặt trên cùng được dán kín bằng một lớp decal. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 60Co được trình bày trong hình 2.8. Chu kì bán rã, hoạt độ, ngày sản xuất, năng lượng các tia gamma của nguồn 60Co được trình bày trong phụ lục 1.

Hình 2.6. Cấu trúc của nguồn 137Cs của hãng Nuclear Services & Supplies - Rost GmbH.

Nguồn 137Cs 2 mm 10 mm 8 mm 31 mm 62 mm Ống trụ bằng thép không gỉ

Hình 2.7. Cấu trúc của nguồn 60Co của hãng An Eckert & Ziegler, Co.

Nguồn: An Eckert & Ziegler, Co. [26]

Hình 2.8. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 60Co.

60Co 5+ 5,2714 năm 0,8348 2,5058 4+ 2,1588 2+ 0,0000 60Ni 0+ 1,3325 2+ β- 99,92 % β- 0,02 % β- 0,06 %

2.3.3.3. Nguồn 131I của Viện NCHN Đà Lạt

Nguồn phóng xạ 131I được sản xuất tại Viện NCHN Đà Lạt và đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh là dung dịch NaI với hàm lượng không đáng kể chứa các nhân phóng xạ 131I, chứa trong hộp đựng mẫu dạng Marinelli làm bằng nhựa polyethylene được trình bày trong hình 2.9. Phần thể tích dung dịch chứa trong hộp là 500 ml. Kiểu nguồn phóng xạ này có thể đặt áp sát vào mặt trên và mặt bên của detector, do đó tốc độ đếm cao, thời gian đo ngắn, giảm bớt sự suy giảm photon trong không khí (đặc biệt đối với các photon có năng lượng nhỏ hơn 10 keV) và thường được sử dụng đối với các mẫu phóng xạ hoạt độ thấp. Tuy nhiên cũng cần phải lưu ý đến các hiệu ứng tự hấp thụ, hiệu ứng mật độ, hiệu ứng thành phần hoá học của vật liệu do nguồn có kích thước hình học lớn. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 131I được trình bày trong hình 2.10. Chu kì bán rã, hoạt độ, ngày sản xuất, năng lượng các tia gamma của nguồn 131I được trình bày trong phụ lục 1. 36 mm 35 mm 22 mm 38,1 mm 39,1 mm 57 mm 58 mm 67 mm 66 mm 103 mm Dung dịch chứa 131I Hộp Marinelli bằng nhựa PE

Hình 2.9. Nguồn phóng xạ 131I dạng dung dịch của Viện NCHN Đà Lạt chứa trong hộp đựng mẫu dạng Marinelli.

2.3.3.4. Các nguồn 241Am, 60Co, 137Cs, 54Mn, 22Na, và 88Y của hãng North American Scientific, Inc.

Các nguồn phóng xạ 241Am, 60Co, 137Cs, 54Mn, 22Na, và 88Y của hãng North American Scientific, Inc đặt tại Viện NCHN Đà Lạt có dạng giọt hình cầu đường kính 1 mm được chế tạo bằng cách cho bay hơi muối của các kim loại này và đọng lại trên một đĩa tròn làm bằng nhựa polyacrylic có đường kính 25,4 mm và bề dày 3 mm được trình bày trong hình 2.11. Sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ 137Cs và 60Co được trình bày trong hình 2.6 và 2.8 tương ứng. Sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ 54Mn, 22Na, 88Y và 241Am được trình bày trong hình 2.12a, 2.12b, 2.12c và 2.12d tương ứng. Chu kì bán rã, hoạt độ, ngày sản xuất, năng lượng các tia gamma của nguồn 241Am, 60Co, 137Cs, 54Mn, 22Na và 88Y được trình bày trong phụ lục 1.

131I 7/2+ 8,0207 ngày 0,9708 β- 2,10 % β- 0,65 % β- 7,27 % 5/2+ 5/2+ 7/2− 131Xe 3/2+ 7/2+ 9/2− 3/2+ 11/2− 0,2645 0,7229 0,6669 0,0000 0,6370 0,3411 0,4048 0,1639 0,0802 1/2+ β- 89,90 % β- 0,05 % β- 0,48 %

Hình 2.10. Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 131I.

Hình 2.11. Cấu trúc của các nguồn 241Am, 60Co, 137Cs, 54Mn, 22Na và 88Y của hãng North American Scientific, Inc.

Nguồn: North American Sci. Inc., http://www.nasmedical.com/page?id=1582

0,8348 0,0000 EC 100.00 % 54Cr 54Mn 3+ 312,12 ngày 1,3771 2+ 0+ (a) β+ 89,84 % EC 10,10 % β+ 0,06 % 22Na 3+ 2,6088 năm 2,8420 1,2746 2+ 0,0000 22Ne 0+ (b) EC 0,03 % EC 94,40 % β+ 0,21 % EC 5,30 % 88Y 4− 106,5 ngày 3,6226 3,5847 5− 3,2186 2+ 0,0000 88Sr 0+ 2,7341 3− 1,8361 2+ EC 0,07 % (c)

Hình 2.12. Sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ 54Mn (a), 22Na (b), 88Y (c) (xem trang 49) và 241Am (d).

(d) 241Am 5/2− 432,2 năm α α α α α α α α 237Np

2.3.3.5. Nguồn 232Th và 238U của Viện KHKT Hạt nhân Hà Nội

Nguồn phóng xạ 232Th và 238U gồm 500 g hỗn hợp bột đá vôi với chất phóng xạ, thành phần chủ yếu gồm 71,33% CaCO3, 24,84% MgCO3 và phần còn lại 3,83% là các chất khác [76] chứa trong hộp dạng tựa Marinelli được trình bày trong hình 2.13. Đây là các mẫu chuẩn được pha chế tại Viện KHKT Hạt nhân Hà Nội và đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh với thành phần và hàm lượng được trình bày trong bảng 2.1. Theo bảng 2.1 mẫu 238U chứa 238U với hàm lượng (1,05 ± 0,01).10-4 g/g và 232Th với hàm lượng (1,9 ± 0,8).10-6 g/g. Mẫu

232Th chứa 232Th với hàm lượng (1,29 ± 0,02).10-4 g/g và 238U với hàm lượng (9,8 ± 0,6).10-6 g/g. Như vậy mẫu 238U chủ yếu chứa các hạt nhân trong dãy 238U, mẫu

232Th chủ yếu chứa các hạt nhân trong dãy 232Th. Tuy nhiên dãy 232Th cũng có đóng góp đáng kể vào phổ gamma của mẫu 238U và ngược lại, dãy 238U cũng có đóng góp đáng kể vào phổ gamma của 232Th. Chu kì bán rã của các đồng vị phóng xạ 238U và 232Th được trình bày trong phụ lục 1.

Hình 2.13. Các nguồn phóng xạ 238U và 232Th với vật liệu nền là bột đá vôi

Tính toán bề dày lớp germanium bất hoạt