Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma

bán dẫn Be5030

Lê Đức Thiện

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao

Mã số: 60 44 05

Người hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Văn Loát

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về các dạng đêtectơ bán dẫn Ge, tìm hiểu sơ đồ nguyên lý của

hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra được làm lạnh bằng điện. Thông qua việc

ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá

trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ

phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra nói riêng và hệ phổ kế gamma nói chung.

Tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –

Canberra: xác định sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng (FWHM) vào thời gian

hình thành xung, kết quả nhận được với thời gian hình thành xung là 4μs độ phân giải

năng lượng là tốt nhất; tìm hiểu quá trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm

việc thích hợp kết quả chỉ ra rằng chế độ làm việc thích hợp của hệ phổ kế gamma bán

dẫn BEGe- Canberra: thế nuôi là 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thô là 20, chỉnh

tinh là 0,9, thời gian hình thành xung là 4μs; khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải

năng lượng vào năng lượng của bức xạ gamma; khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất

ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ; xây dựng được đường cong hiệu suất ghi

đối với cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali

trong 02 mẫu đất đá.

Keywords: Vật lý hạt nhân; Hệ phổ kế gamma bán dẫn; Bức xạ Gamma; Gamma bán

dẫn

Content

MỞ ĐẦU

Phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu cơ bản

cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và hiệu

suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ kế gamma. Cùng với sự tiến

bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ có tinh thể ngày càng lớn,

cho phép tăng hiệu suất ghi của đetectơ và mở rộng dải năng lượng đo được về phía năng

lượng lớn. Cùng với tự mở rộng dải đo về phía năng lượng lớn, các đêtectơ có cửa sổ bằng

2

cacbon màng mỏng cho phép mở rộng dải về phía năng lượng thấp để ghi nhận các tia gamma

mềm và tia X.

Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại

học Quốc gia Hà Nội được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng, làm

lạnh bằng điện do hãng Canberra chế tạo. Hệ phổ kế được nghiệm thu chính thức vào tháng

11 năm 2011. Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách có hệ thống là cần thiết

để phục vụ cho việc vận hành và bảo dưỡng .

Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xác định các đặc trưng của

hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 ”, tác giả được giao những nhiệm vụ sau:

Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, nguyên lí hoạt động của hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng

lượng rộng – Canberra và xác định chế độ làm việc của hệ.

Xác định bằng thực nghiệm độ phân giải năng lượng của đêtectơ.

Xây dựng đường chuẩn năng lượng và đường cong hiệu suất ghi. Khảo sát sự phụ

thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ.

Xây dựng đường cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn, áp dụng phân tích một số mẫu

đất đá. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của 238

U, 232

Th, 40

K

Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ và 10 bảng biểu, được hoàn chỉnh dựa trên

12 tài liệu tham khảo.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm ba chương

Chương 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani

Chương 2. Phương pháp thực nghiệm

Chương 3. Kết quả thực nghiệm.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI

1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani

1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma và tia X

Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công đêtectơ Ge

(Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để

chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng như các loại đetectơ phát hiện các

hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại đêtectơ này phải chế tạo dưới dạng tinh thể .

Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn như silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại

đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma có độ phân giải cao này. Các đêtectơ làm bằng vật

liệu bán dẫn Ge cho phép đo được một dải năng lượng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm

3

bằng vật liệu bán dẫn Si chỉ đo được ở vùng năng lượng thấp vì số nguyên tử của silicon thấp.

Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ 5 keV tại vạch năng lượng 1332 keV của

đồng vị phóng xạ 60

Co ) và tốt hơn 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy NaI (T1). Đặc biệt từ năm

1980 người ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính

chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn trước đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác

trong các phương pháp phân tích hạt nhân. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng

lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng

Canberra như Ultra LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6].

1.1.2. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani

Đêtectơ Gecmani

Đêtectơ Gecmani [6] là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng bên

trong ( I ) là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ. Khi photon tương tác

với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ trống và electron) và dưới

tác dụng của thế ngược chúng di chuyển tới cực P và N. Lượng điện tích này tỉ lệ với năng

lượng của các photon tới và được chuyển thành các xung điện đưa vào bộ khuếch đại nhạy

điện tích.

Đêtectơ Gecmani năng lƣợng siêu thấp ( Ultra- LEGe )

Đêtectơ ULEGe [1] của hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính của đêtectơ Ge xuống tới

vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải, dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên nền khi mà ta nghĩ là

không thể đạt được đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử ( Z=32) và do đó phủ một dải rộng

năng lượng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào trên thị trường. Đêtectơ ULEGe có khả năng

phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM) tại 5,9 keV.

Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp

Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới trong hình

học đêtectơ Ge với những ưu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản mỏng (planar) hoặc

đồng trục thông thường có nhiều ứng dụng. Đêtectơ LEGe được chế tạo với tiếp xúc phía

trước mỏng. Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần và do đó điện dung của đêtectơ bé

hơn điện dung của đêtectơ planar có cùng kích thước.

Đêtectơ Gecmani đồng trục

Đêtectơ đồng trục thông thường hay được xem như đêtectơ Ge tinh khiết [1] ,về cơ

bản đầu dò là Ge hình trụ với tiếp xúc loại N trên mặt ngoài tiếp xúc loại P trên mặt của giếng

4

đồng trục. Gecmani có mức tạp chất thực cỡ 1010

nguyên tử / cm3 sao cho với điện áp ngược

thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua

vùng hoạt này. Dải năng lượng sử dụng của đêtectơ Ge đồng trục là 50 keV đến hơn 10 MeV .

Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc

Đêtectơ điện cực ngược ( REGe ) [1] khác với các đêtectơ đồng trục thông thường

khác đó là điện cực của đêtectơ REGe ngược với đêtectơ đồng trục thông thường trong đó

điện cực loại P, ( B được nuôi cấy ion ) bên ngoài và tiếp xúc loại N ( khuếch tán Li ) bên

trong. Ưu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ.

Đêtectơ Ge dải rộng XtRa

Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] là một đetectơ Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ

mỏng duy nhất trên mặt trước mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Các đêtectơ đồng

trục thông thường có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày giữa 0,5 và 1,5 mm. Lớp

chết này dừng hầu hết các photon có năng lượng dưới 40 keV.

Đêtectơ giếng Gecmani

Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho các mẫu nhỏ gần như được bao

quanh bằng vật liệu đêtectơ hoạt. Đêtectơ giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất

5mm độ dày đêtectơ hoạt tại đáy của giếng. Đêtectơ giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết

cao có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng .

1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ

Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu suất ghi ứng

với đỉnh hấp thụ toàn phần. Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần thường được gọi là

hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức sau:

( )abs

r m

NE

AI t (1.1)

1.3. Độ phân giải năng lƣợng

Thăng giáng của các nguồn có thể được xác định bởi biểu thức[10]

2 2 2 2 2

I P E C (1.3)

Trong đó η là tổng thăng giáng năng lượng được đo bằng phổ kế.

I thăng giáng năng lượng do độ rộng mức năng lượng.

5

P thăng giáng trong việc tạo cặp điện tử lỗ trống trong đêtectơ [10].

2.355 /P F E

(1.4)

trong đó : E là năng lượng bức xạ gamma, F là hệ số Fano phản ánh mức độ gián đoạn của sự

truyền năng lượng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là năng lượng cần thiết để

tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.

C thăng giáng do sự ghi nhận các điện tích trong đetectơ [10].

.C C E (C là hệ số tỷ lệ onsC c t ). (1.5 )

e thăng giáng do nhiễu điện tử trong việc xử lí các xung [10].

e A ( A là hằng số tỷ lệ ) ( 1.6 )

Trong các trường hợp có thể bỏ qua thăng giáng do độ rộng mức năng lượng [10]:

Suy ra 2 2 2 2 2 2 2 2

P C E P E C E A ( 1.7 )

2 2 2 2P E C E A (1.8)

1.4. Tỉ số bề rộng đỉnh

Bên cạnh việc xác định FWHM của đỉnh phổ, thì bề rộng của đỉnh phổ còn được đo

bằng thông số khác là FWTM, là bề rộng tại 1/10 chiều cao. Người ta đưa ra tỉ số

FWTM/FWHM để làm thông số đánh giá hình dạng của phổ [8]. Đối với đỉnh Gauss lí tưởng

thì tỉ số này là 1,82 còn trong thực tế tỉ số này nhỏ hơn 1,9.

chƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra

Chất lượng của một hệ phổ kế được đánh giá bởi các thông số: Hiệu suất ghi, độ phân

giải năng lượng (FWHM), dải năng lượng có thể ghi nhận, tỷ số đỉnh trên phông, độ tuyến

6

tính và ổn định của ADC…Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra gồm: buồng chì,

đêtectơ bán dẫn Ge giải năng lượng rộng (BEGe), các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch

đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC) , máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn

nuôi cao áp

Hình 2. 1b. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra

1. Đêtectơ BEGe 5. Khuếch đại tuyến tính

2. Nguồn nuôi cao áp 6. Máy phân tích biên độ nhiều kênh

3. Tiền khuếch đại 7. Máy tính

4. Máy phát xung chuẩn

2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –

Canberra

2.2.1. Đêtectơ BEGe

Có dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV[6]. Độ phân giải năng lượng ở vùng năng

lượng thấp của BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của đêtectơ Ge năng lượng

thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng

lượng của đêtectơ đối xứng trục chất lượng tốt.

Quan trọng nhất là BEGe có hình dạng ngắn và to giúp tăng hiệu suất ghi dưới 1 MeV

cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình. Hình dạng đêtectơ được chọn cho hiệu suất ghi tối ưu

đối với các mẫu thực tế trong dải năng lượng là quan trọng nhất để phân tích phổ gamma.

Trong luận văn này sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải năng lượng rộng ( BEGe )

model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đường kính 80.5mm, diện tích 5000 mm2,

chiều dày 31mm, làm lạnh bằng điện cần 24 giờ để làm lạnh đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K

xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90K, đetectơ do hãng Canberra sản xuất .

1

2

3 5 6 7

4

7

2.2.2. Buồng chì

Để giảm bớt phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố xung quanh

đêtectơ làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo được, điều tất yếu là phải có vật

liệu che chắn thích hợp. Với đêtectơ BEGe dạng thẳng đứng sử dụng buồng chì có vỏ ngoài

làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9,5 mm, phần chì phông thấp dày 10cm, lớp

che chắn bên trong làm bằng kẽm có phông phóng xạ dày 1mm và đồng tinh khiết dày 1,6

mm, trọng lượng 950 kg.

2.2.3. Khối tiền khuếch đại

Tiền khuyếch đại được nối trực tiếp với đêtectơ. Khả năng tốc độ đếm >~ 30000 số

đếm / s (60

Co ), lối vào cao thế cung cấp cho đêtectơ từ 0 đến ± 5 kV DC, lối ra cấm cao thế

±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại <0,005% với dải nhiệt độ 0 đến +500C. Nhiệm vụ của nó là

khuếch đại sơ bộ tín hiệu từ đêtectơ. Khối tiền khuếch đại quyết định độ phân giải năng lượng

của phổ kế. Các phổ kế sử dụng đêtectơ Ge thường được sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện

tích.

2.2.4. Khối khuếch đại phổ

Có hệ số khuếch đại thô điều chỉnh được bằng chuyển mạch có 8 vị trí X5; 10; 20; 50;

100; 200; 500; 1000. Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh được bằng chiết áp nhiều vòng chính

xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0,5 – 1,5 của thang khuếch đại tương ứng. Thời gian hình

thành xung điều chỉnh được bằng núm chuyển mạch, có 6 vị trí 0,5; 1; 2; 4; 6;12 μs có nhiệm

vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại ( thông qua biên độ nhỏ hơn 1 V) lên đến

khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý một cách dễ dàng và chính xác

2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D

Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đêtectơ có mức điện áp trên 6 kV và

cường độ dòng trên 30μA. Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V tới ±6000 V. Với

các đêtectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung bình trong khoảng từ ±3 V tới

± 600V và phải đảm bảo độ ổn định.

2.2.6. Khối phân tích đa kênh

Gồm có bộ biến đổi tương tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA). Bộ biến đổi tương tự

số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số. Phương pháp phổ biến nhất

là phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V0 được so sánh với điện áp tăng tuyến tính

Vr cho đến khi Vr = V0 thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng khoảng

8

cách thời gian cần thiết để Vr = V0.Trong thời gian cổng được mở các xung đồng hồ tần số

cao được đi qua cổng và được đếm bởi bộ đếm địa chỉ.

2.3. Đƣờng chuẩn năng lƣợng

Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại đỉnh hấp thụ

toàn phần vào năng lượng của vạch bức xạ gamma tương ứng. Để xây dựng đường chuẩn

năng lượng bằng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch

gamma đã biết trước năng lượng. Nguồn chuẩn năng lượng là nguồn đã biết trước năng lượng

của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn.. Độ chính xác của việc xây dựng đường chuẩn năng

lượng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định vị trí cực đại của đỉnh được chọn làm chuẩn

để xây dựng đường chuẩn. Tốt nhất là chọn nguồn chuẩn năng lượng là các nguồn gamma

đơn năng. Các đỉnh được chọn xây dựng đường chuẩn năng lượng có giá trị phân bố đều

trong vùng năng lượng gamma quan tâm là tốt nhất. Trên thực tế, nếu không có nguồn chuẩn

gamma đơn năng, có thể sử dụng nguồn gamma phức tạp có nhiều thành phần. Trong các

vạch gamma của nguồn phức tạp, chọn vạch phổ có năng lượng lớn nhất, những vạch có

cường độ mạnh và ở xa các vạch khác.

2.4. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi

Để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích, theo phương

pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với vạch hấp thụ toàn phần của bức

xạ gamma đặc trưng. Vì vậy, ngoài xây dựng đường chuẩn năng lượng, trước khi đưa hệ phổ

kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định được hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với các năng

lượng gamma trong dải năng lượng làm việc của đêtectơ. Đường cong hiệu suất ghi là đường

cong mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng bức xạ gamma. Có thể xác định

hiệu suất ghi của đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm.

Với đêtectơ thông dụng do hãng Canberra (2000), Genie 2000 có thể sử dụng hàm

khớp sau [6]

5

0

0

ln ln /

i

i

i

a E E

(2.1)

trong đó: ε là hiệu suất ghi của đêtectơ

E là năng lượng tia gamma

E0=1 keV

ai là các hệ số làm khớp.

9

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1. Xác định chế độ làm việc của hệ phổ kế BEGe – Canberra

Theo khuyến cáo của hãng, thế làm việc của đetectơ là 4000 V, trong thực nghiệm của

luận văn, thế luôn được giữ cố định ở mức 4000 V. Để chọn chế độ đo và ghi nhận phổ ban

đầu tiến hành xác định hệ số khuếch đại. Hệ số khuếch đại được chọn sao cho đêtectơ có thể

ghi nhận được các vạch gamma từ 3 keV tới 3 MeV. Kết quả thực nghiệm chọn được hệ số

khuếch đại với chỉnh thô: 20 và chỉnh tinh là: 0,9.

Bảng 3.1. Độ phân giải năng lượng tại vạch 661,66 keV ứng với thời gian hình thành của

xung.

Bảng 3.1 đưa ra giá trị độ phân giải năng lượng tại vạch 661,66 keV ứng với thời gian

hình thành xung tương ứng.

Thời gian hình thành

xung (μs)

FWHM(keV) FWTM (keV) FWTM/FWHM

1 2,374

7,337 3,091

2 1,755

3,785 2,157

4 1,352

2,574 1,904

6 1,358

2,457 1,809

12 1,494

2,886 1,932

10

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

FWHM

FWTM

FWTM/FWHMD

o r

on

g

Thoi gian hinh thanh xung (s)

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng của năng lượng tại một nửa chiều cao

của đỉnh (FWHM ) và độ rộng năng lượng tại 1/10 chiều cao của đỉnh (FWTM), tỉ số (

FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn 137

Cs ở khoảng cách từ

nguồn tới đêtectơ 8cm.

Trong thực nghiệm tiếp theo của khóa luận chọn chế độ làm việc của hệ phổ kế gamma

bán dẫn BEGe - Canberra: Cao thế đặt vào nuôi đetectơ là 4000 V, hệ số khuếch đại với chỉnh

tinh (fine): 0,9 và chỉnh thô, (coarse): 20, thời gian hình thành xung là 4μs.

3.2. Đƣờng chuẩn năng lƣợng

Do đêtectơ BEGe là đêtectơ dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV, nên để xây

dựng đường chuẩn năng lượng trong luận văn đã chọn các nguồn chuẩn 241

Am, 109

Cd, 57

Co,

137Cs,

54Mn,

60Co,

22Na,

133Ba.

Để xác định chính xác vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần được chọn chuẩn năng lượng, phổ

bức xạ gamma của các nguồn chuẩn được đo trong thời gian thích hợp để số đếm ứng với

kênh cực đại của đỉnh không nhỏ hơn 104 xung.

Bảng 3.2. Số liệu các tia gamma được chọn để chuẩn năng lượng và vị trí cực đại (kênh)

tương ứng.

Nguồn Năng lượng của đỉnh Hệ số phân nhánh Vị trí cực đại

11

E (keV) I(%) ( kênh )

241Am 59,541 25,9 174

109Cd 88,04 3,61 262

57Co

122,06 85,6 366

136,47 10,68 409

137Cs 661,66 85,1 2004

54Mn 834,85 99,976 2529

60Co

1173,2 99,974 3557

1332,5 99,986 4040

22Na 1274,53 99,944 3864

Chương trình Genie 2000 đường chuẩn năng lượng được xử lý tự động. Với mỗi đỉnh

năng lượng được chọn, nhập số liệu năng lượng bức xạ gamma, chương trình xử lí phổ xác

định vị trí cực đại, từ tập hợp các số liệu về năng lượng và vị trí cực đại thu được sau khi phân

tích phổ gamma của các nguồn chuẩn. Sử dụng phần mềm Origin xây dựng đường chuẩn

năng lượng (Hình 3.5) của hệ phổ kế gamma với detecto BeGe.

12

0 1000 2000 3000 4000

0

500

1000

Na

ng

lu

on

g g

am

ma

E(k

eV

)

So kenh

So lieu do

Duong khop

Hình 3.5. Đường chuẩn năng lượng đêtectơ BEGe – Canberra

3.3. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lƣợng vào năng lƣợng bức xạ gamma.

Để nghiên cứu sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng ( FWHM ) vào năng lượng

của bức xạ gamma tôi đã sử dụng các nguồn chuẩn 241

Am, 109

Cd, 57

Co , 137

Cs, 54

Mn, 60

Co,

22Na,

133Ba, .Các nguồn được đặt cách đêtectơ 8 cm. Phổ gamma của các nguồn chuẩn được

đo sao cho diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các bức xạ gamma đặc trưng được chọn có

sai số thống kê nhở hơn 1%.

Từ số liệu thực nghiệm thu được, sử dụng phần mềm Origin xây dựng đường cong

mô tả sự phụ thuộc độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma (Hình 3.6)

Độ phân giải năng lượng tuyệt đối tăng theo năng lượng bức xạ gamma theo hàm số

có dạng:

8 21.0995 10 0.00185 1.40298E E E

13

200 400 600 800 1000 1200 1400

1

2

3

4

FW

HM

(ke

V)

Nang luong gamma E(keV)

Diem thuc nghiem

Duong khop

Hình 3.6. Độ phân giải năng lượng phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma.

3.4. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi.

Trong luận văn này sử dụng các nguồn chuẩn gamma do IAEA cung cấp. Các nguồn

chuẩn và thông số đặc trưng của nó như hoạt độ phóng xạ, chu kỳ bán rã, ngày sản xuất được

đưa ra trong Bảng 3.4.

Trong Bảng 3.4 cũng đưa ra hoạt độ của nguồn chuẩn tại thời điểm xác định hiệu suất

ghi.Các nguồn chuẩn được cách đêtectơ 8cm và 9cm. Phổ gamma của các nguồn chuẩn được

đo trong thời gian đủ lớn để sai số thống kê tại các đỉnh hấp thụ toàn phần nhỏ hơn 3 %. Kết

quả thực nghiệm được cho ở bảng 3.5 và 3.6 tương ứng.

Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma

được chọn để tính hiệu suất ghi của đêtectơ ở khoảng cách 8cm.

14

Nguồn E ( keV ) Hệ số phân

nhánh

Iγ (%)

Diện tích đỉnh

hấp thụ toàn

phần S

Thời gian

đo tm(s)

Hiệu suất ghi

ε

241Am 59,541±2% 35,90±4% 578820±0,14% 196,65 0,0275±0,0012

109Cd 88,04±5% 3,61±10% 10199±1,1% 759,33 0,0471±0,0052

57Co

122,061±4% 85,60±17% 16017±0,81% 152,27 0,0458±0,0081

136,474±5% 10,68±8% 1893±2,54% 152,27 0,0434±0,0042

137Cs 661,657±3% 85,10±2% 11929±0,92% 65,38 0,0062±0,0002

54Mn 834,848±3% 99,97±1% 11100±0,96% 378,67 0,0077±0,0001

60Co 1173,237±4% 99,97±7% 11646±0,98% 142,26 0,0032±0,0002

1332,501±5% 99,98±4% 10472±0,99% 142,26 0,0029±0,0001

133Ba 53,161±1% 2,19±22% 3380±2,67% 161,50 0,0308±0,0068

356,017±2% 62,05±19% 33612±0,56% 161,50 0,0108±0,0021

22Na 1274,520±2% 99,94±14% 15610±0,81% 229,48 0,0039±0,0054

Hàm số mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần vào năng lượng

của bức xạ gamma có dạng:

ln 18.09434 7.6589ln 1.07169(ln ) ^ 2 0.01168(ln ) ^3 0.00321(ln ) ^ 4E E E E

2 0.99692R

15

100 1000

1E-3

0.01

0.1

1H

ieu

su

at

gh

i

Nang luong gamma E(keV)

Diem thuc nghiem

Duong lam khop

Hình 3.7. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn

Canberra ở khoảng cách cách nguồn là 8 cm .

Nhận xét đƣờng cong hiệu suất :

Trong vùng năng lượng thấp hệ số suy giảm khối phụ thuộc mạnh vào năng lượng, khi

năng lượng gamma tăng hệ số hấp thụ giảm. Vì vậy khi năng lượng bức xạ gamma tăng xác

suất bức xạ gamma đi qua cửa sổ đêtectơ tăng. Vì vậy hiệu suất ghi tăng rất nhanh khi năng

lượng tăng.

Khi năng lượng bức xạ gamma đủ lớn, xác suất để bức xạ gamma đi vào đêtectơ

bằng 1. Khi đó hiệu suất ghi tuyệt đối chỉ còn phụ thuộc vào xác suất hấp thụ quang điện và

xác suất tán xạ Compton nhiều lần gamma cuối cùng kết thúc trong đêtectơ. Khi năng lượng

bức xạ gamma chưa quá lớn xác suất bị hấp thụ quang điện chiếm ưu thế coi như nó sẽ bị hấp

thụ toàn bộ năng lượng. Khi đó năng lượng tăng hiệu suất ghi không thay đổi.

Phần giảm của hiệu suất ghi theo năng lượng được giải thích là do kích thước đêtectơ

là hữu hạn và khi năng lượng bức xạ gamma tăng xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm

16

dần và hiện tượng tán xạ Compton nhiều lần chiếm ưu thế, xác suất để tia gamma bay ra khỏi

đêtectơ tăng dẫn tới hiệu suất ghi giảm khi năng lượng tăng.

3.5. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách

Để nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ,

đỉnh 834,848 keV của 54

Mn được chọn để nghiên cứu. Với khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ

thay đổi, thời gian ghi nhận phổ được thay đổi tương ứng để sao cho diện tích đỉnh hấp thụ

toàn phần được xác định với sai số nhỏ hơn 1%.

0 50 100 150 200 250

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

HiÖ

u s

uÊt

gh

i

Kho¶ng c¸ch tõ nguån tíi ®Çu dß (mm)etectơ

3.6. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi, phân tích mẫu đất đá.

Để xác định hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu đất đá trong thực

nghiệm xác định tốc độ đếm tạ đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch gamma đặc trưng, biết hiệu

suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần suy ra hoạt độ A của đồng vị phóng xạ nghiên

cứu có trong mẫu phân tích theo công thức:

. abs

nA

I

Hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ Uran, Thori, Kali có trong mẫu đất

đá thường rất nhỏ, vì vậy mẫu đất đá phân tích cần có khối lượng đủ lớn . Hình học đo mẫu

17

môi trường nói chung, mẫu đất đá nói riêng khác so với nguồn điểm . Vì vậy cần phải xây

dựng đường cong hiệu suất ghi phù hợp với hình học đo mẫu môi trường. Thường đường

cong hiệu suất ghi được xác định bằng cách sử dụng mẫu chuẩn phóng xạ, có thành phần nền

giống mẫu phân tích .Theo khuyến cáo của IAEA với mẫu đất đá ,mẫu chuẩn tương ứng là

mẫu RGU. Đây là mẫu chứa các đồng vị phóng xạ trong dãy 238

U và 235

U ở trạng thái cân

bằng. Hoạt độ phóng xạ riêng của 238

U là : 4940 ± 10 Bq/kg và của 235

U là : 228 ± 2 Bq/kg .

Để đảm bảo đồng nhất hình học đo giữa mẫu chuẩn và mẫu phân tích , mẫu chuẩn và

mẫu phân tích được đựng trong hộp hình trụ plastic có đường kính trong 10cm. Mẫu chuẩn và

mẫu phân tích được đầm nén sao cho chiều cao của mẫu phân tích và mẫu chuẩn xấp xỉ nhau.

Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được nhốt ít nhất trong vòng 20 ngày trước khi đo để thiết lập

trạng thái cân bằng phóng xạ. Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được đặt ngay sát đêtectơ . Khối

lượng mẫu chuẫn là 99 gam.

. Đường cong hiệu suất ghi đối với hình học đo mẫu phân tích đất đá được đưa ra trên

hình 3.10. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng có dạng:

ln 43,19419 27,16359ln 6,41001(ln ) ^ 2 0,63866(ln ) ^3 0,02338ln( ) ^ 4E E E E

2 0.99511R

Trong đó: R là hệ số làm khớp.

Bảng 3.7. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng cho các

đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn .

Nguồn E ( keV) Hoạt độ

phóng xạ

A (Bq)

Hệ số phân

nhánh

Iγ (%)

Diện tích

đỉnh hấp thụ

toàn phần

S

Hiệu suất ghi

ε

210Pb 46,53 446.4772 4,25 135130 0,0956±0,0071

234Th 63,29 446.4772 4,80 1.45E+05 0,1181±0,00866

234Th 143,74 20,60664 10,96 21576 0,1285±0,0088

235U 163,35 20,60664 5,08 6466 0,0831±0,0061

18

Hình 3.11. Đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn với mẫu

chuẩn RGU1 được đặt trên nắp đêtectơ.

3.7. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của U, Th, K trong mẫu đất đá.

Hoạt độ phóng xạ của Thori và Uran được xác định dựa vào các vạch gamma của các

đồng vị phóng xạ trong dãy. Các mẫu đất đá sau khi gia công nghiền nhỏ được nhốt trong 20

ngày để thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ giữa Rađi và sản phẩm con cháu của Rađi. Sau

khi nhốt, mẫu được đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết dải rộng BEGe-BE 5030

do hãng Canberra cung cấp với cấu hình đo giống như đo mẫu chuẩn RGU. Sử dung phần

mềm Genie 2000- 3.0 để phân tích phổ gamma. Việc tính toán hoạt độ của các đồng vị phóng

xạ được thực hiện bằng phần mềm đi kèm với hệ đo.

Kết quả phân tích

214Pb 242,2 446.4772 7,258 1.35E+05 0,0436±0,0043

234Th 295,22 446.4772 19,3 3.11E+05 0,0509±0,0035

214Pb 609,31 446.4772 45,49 364768 0,0242±0,0015

214Bi

806,17 446.4772 1,22 7650 0,0189±0,0002

234Pa 2204,21 446.4772 5,08 14674 0,0089±0,0006

214Bi

1120,28 446.4772 15,12 70820 0,0143±0,0009

1238,11 446.4772 5,79 25200 0,0132±0,0009

1764,49 446.4772 15,4 14674 0,0111±0,0076

100 1000

1E-3

0.01

0.1

1

Hie

u s

ua

t g

hi

Nang luong gamma E(keV)

Diem thuc nghiem

Duong khop

19

Căn cứ vào tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông, và đường cong hiệu

suất ghi đã xác định được hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị phóng xạ Uran, Thori và Kali.

Kết quả được cho ở Bảng số 3.8a

Bảng 3.8.a. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy Uran,

Thori và kali trong mẫu đất đá BN

Đồng vị phóng xạ Hoạt độ riêng (Bq/Kg) Ghi chú

214Pb 10.28±1,26 Dãy

238U

214Bi 10.64±1,38 Dãy

238U

228Ac 21.05±2,53 Dãy

232Th

212Pb 21.82±2,62 Dãy

232Th

208Tl 23.87±2,86 Dãy

232Th

40K 15,2±1,2

40K

Trên Hình 3.12b đưa ra phổ gamma mẫu đất đá có ký hiệu BT, hoạt độ riêng của một

số đồng vị phát bức xạ gamma cường độ mạnh trong dãy 238

U, 232

Th và vạch gamma của 40

K.

Bảng số 3.8b là kết quả xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ trong

hai dãy phóng xạ tự nhiên và Kali.

Bảng 3.8b. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy Uran,

Thori và kali trong mẫu đất đá BT

Đồng vị phóng xạ Hoạt độ riêng (Bq/Kg) Ghi chú

214Pb 8,68±1,16 Dãy

238U

214Bi 6,05±1,73 Dãy

238U

228Ac 11,25± 1,58 Dãy

232Th

212Pb 10,97±1,54 Dãy

232Th

208Tl 10,0±1,41 Dãy

232Th

20

40K 10,9 ± 1,5

40K

Trong phạm vi sai số các đồng vị trong dãy 238

U và 232

Th ở trạng thái cân bằng phóng

xạ. Kết quả này phù hợp với kết quả lý thuyết được chỉ ra[5]. Các dãy phóng xạ tự nhiên

trong đất đá nằm ở trạng thái cân bằng phóng xạ. Sử dụng hoạt độ phóng xạ của các đồng vị

trong 2 bảng trên tiến hành xác định hàm lượng của Uran, Thori và kali trong 2 mẫu trên. Kết

quả cho trong bảng số 3.8c

Bảng 3.8c. Hàm lượng U,Th,K trong 02 mẫu đất đá phân tích

STT Tên mẫu Màu đất đá U (ppm) Th (ppm) K (%)

1 BN Màu vàng 0,85 5,46 0,055

4 BT Màu vàng 0,60 2,64 0,040

Kết quả phân tích đối chứng mẫu BN tại phòng thí nghiệm VILAB của Trung tâm

phân tích môi trường Viện Hóa học Quân sự là 0,92 ppm, 5,80 ppm và 0,12 % tương ứng với

Uran, Thori và Kali. Kết quả phân tích đối chứng cho thấy với U, Th kết quả thu được từ

Luận văn phù hợp với số liệu phân tích của phòng thí nghiệm VILAB của Trung tâm phân

tích môi trường Viện Hóa học Quân sự. Tuy nhiên với Kali số liệu sai lệch nhiều là do đối với

mẫu BN hàm lượng Kali thấp, nằm trong ngưỡng pháp hiện vì vậy để có số liệu chính xác cần

phải tăng thời gian đo lên nhiều lần.

KẾT LUẬN

Bản luận văn đã đạt được yêu cầu đặt ra :

Vê mặt lý thuyết đã tổng quan về các dạng đêtectơ bán dẫn Ge. Tìm hiểu sơ đồ

nguyên lý của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra được làm lạnh bằng điện. Thông

qua việc ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá

trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ phổ kế

gamma bán dẫn BEGe-Canberra nói riêng và hệ phổ kế gamma nói chung.

Về mặt thực nghiệm đã tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế

gamma bán dẫn BEGe - Canberra.

21

Đã tiến hành xác định sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng (FWHM) vào thời

gian hình thành xung, kết quả nhận được với thời gian hình thành xung là 4μs độ phân giải

năng lượng là tốt nhất.

Tiến hành tìm hiểu quá trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm việc thích

hợp kết quả chỉ ra rằng chế độ làm việc thích hợp của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-

Canberra: thế nuôi là 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thô là 20, chỉnh tinh là 0,9, thời gian

hình thành xung là 4μs.

Khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng của bức xạ

gamma.

Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ.

Đã xây dựng được đường cong hiệu suất ghi đối với cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng

để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali trong 02 mẫu đất đá. Kết quả chỉ ra rằng: Trong

phạm vi sai số các đồng vị phóng xạ trong dãy 238

U và 232

Th ở trạng thái cân bằng.

References

Tiếng Việt

[1]. Đinh Sỹ Hiền (2005), Điện tử hạt nhân đầu dò bán dẫn và xử lý tín hiệu,

NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh.

[2]. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật, TP Hồ

Chí Minh.

[3]. Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội.

[4]. Nguyễn Triệu Tú ( 2007 ), Ghi nhận và đo lường bức xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà

Nội, Hà Nội.

[5]. Đặng Huy Uyên (2004), Vật lý hạt nhân đại cương, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà

Nội.

Tiếng Anh

[6]. Canberra industries Inc (1999), Germanium detector, User’s Manual 12th Edition, New

York.

[7]. Canberra industries Inc (1999), Model 2026 spectroscopy Amplifier, User’s Manual 12th

Edition, New York .

22

[8]. Canberra industries Inc (1999), Model 3106D HV Power supply, User’s Manual 12th

Edition, New York.

[9]. Canberra industries Inc (1999), Genie 2000 spectroscopy System Operations, New York.

[10]. Glenn F. Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, John Wiley & Sons,

New York.

[11]. Klaus Debertin, Richard G. Helmer (1988), Gamma-And X-Ray Spectrometry With

Semiconductor Detectors, North-Holland, USA.

[12]. http://ie.lbl.gov/toi/radSearch.asp.