TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN THỊ ĐÀI TRINH XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM HIỆU SUẤT GHI TUYỆT ĐỐI CỦA HỆ PHỐ KẾ PGNAA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2017
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
NGUYỄN THỊ ĐÀI TRINH
XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM HIỆU SUẤT GHI TUYỆT ĐỐI CỦA HỆ PHỐ
KẾ PGNAA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN
LÂM ĐỒNG, 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN
NGUYỄN THỊ ĐÀI TRINH - 1310556
XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM HIỆU SUẤT GHI TUYỆT ĐỐI CỦA HỆ PHỐ
KẾ PGNAA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. PHẠM NGỌC SƠN
KHÓA 2013 - 2018
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
i
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đối với ba mẹ em. Cảm ơn ba mẹ
đã dành cho em những gì tốt đẹp nhất để em có cơ hội được cắp sách đến lớp và
được may mắn đến hôm nay để viết ra những lời này. Cảm ơn ba mẹ đã và luôn
đồng hành cùng em trên mọi bước đường em đi.
Để hoàn thành được khóa luận này em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu
nhà trường, Ban lãnh đạo Khoa kỹ Thuật Hạt Nhân – Trường Đại học Đà Lạt đã tạo
điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp. Các Thầy Cô trong Khoa và Trường đã tận tình truyền đạt
kiến thức và giúp đỡ em trong suốt 4 năm học.
Đặc biệt, em xin thể hiện lòng biết ơn đến TS. Phạm Ngọc Sơn, cảm ơn thầy
đã tạo điều kiện cho em thực tập và làm quen hiểu biết hơn về một số thiết bị, máy
móc tại Viện nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Cảm ơn thầy đã bỏ thời gian quý báu của
mình để hướng dẫn em trong suốt khoảng thời gian thực hiện khóa luận này.
Cuối cùng em xin cảm ơn các bạn yêu quý nhất của em, cảm ơn các bạn đã
giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Lạt, tháng 12 năm 2017
Sinh viên
Nguyễn Thị Đài Trinh
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3
1.1 Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới .................... 3
1.2 Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt .......................................... 5
1.2.1 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ................................... 5
1.2.2 Chùm nơtron phin lọc nhiệt tại KS2 ........................................................ 6
1.2.3 Hệ che chắn dẫn dòng nơtron .................................................................. 6
1.2.4 Hệ phổ kế dùng đầu dò HPGe ................................................................. 8
1.3 Đầu dò Germanium siêu tinh khiết ................................................................... 10
1.3.1 Giới thiệu về đầu dò HPGe ................................................................... 10
1.3.2 Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma ................................. 10
1.3.3 Buồng chì ............................................................................................. 10
1.3.4 Bình làm lạnh ....................................................................................... 11
1.4 Phổ biên độ xung ............................................................................................. 12
1.5 Độ phân giải năng lượng .................................................................................. 13
1.6 Hiệu suất đo ..................................................................................................... 14
1.6.1 Định nghĩa hiệu suất ............................................................................. 14
1.6.2 Các hình thức hiệu suất ......................................................................... 15
1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò .............................. 16
1.6.4 Đường cong hiệu suất ........................................................................... 17
1.7 Cơ chế tương tác của gamma với môi trường vật chất ...................................... 17
1.7.1 Hấp thụ quang điện ............................................................................... 18
iii
1.7.2 Tán xạ Compton ................................................................................... 19
1.7.3 Hiệu ứng tạo cặp ................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 22
2.1 Bố trí thí nghiệm .............................................................................................. 22
2.1.1 Vị trí chiếu mẫu .................................................................................... 22
2.1.2 Chuẩn bị mẫu ....................................................................................... 22
2.1.3 Chiếu mẫu ............................................................................................ 24
2.2 Hiệu chuẩn hệ phổ kế đo gamma tức thời ......................................................... 24
2.2.1 Chuẩn năng lượng ................................................................................ 24
2.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi .............................................................................. 26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 29
3.1 Xử lý phổ gamma tức thời ................................................................................ 29
3.2 Xử lý số liệu và kết quả .................................................................................... 30
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 38
iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PGNAA: Prompt gamma neutron activation analysis
HPGe: High Purity Germanium
FWHM: Full Width at Half Maximum
KS2: Kênh số 2
BGO: Bismuth Germanate (Bi4Ge3O12)
ADC: Analog to Digital Converter
MCA: Multi channel Analysis
HV: Hight Voltage
c/s/g: counts/seconds/gam
IAEA: International Atomic Energy Agency
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới ............. 3
Bảng 2. Đặc trưng của các nguồn gamma chuẩn .................................................... 23
Bảng 3. Các giá trị năng lượng và xác suất phát tia gamma từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl, sử dụng để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối. ..................................... 27
Bảng 4. Giá trị hiệu suất theo năng lượng .............................................................. 32
Bảng 5. Kết quả số liệu trong tính toán sai số hiệu suất ghi.................................... 34
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. Sơ đồ mặt cắt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt .............................................. 5
Hình 2. Sơ đồ hệ che chắn chuẩn trực bên trong KS2. ................................................ 7
Hình 3. Mặt cắt hệ thống che chắn bảo đảm an toàn bức xạ bên ngoài KS2. ............... 8
Hình 4. Hệ thiết bị dẫn dòng nơtron tại KS2. .............................................................. 8
Hình 5. Hệ phổ kế dung đầu dò HPGe và các khối điện tử .......................................... 9
Hình 6. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò-buồng chì (kích thước tính theo cm) .................. 11
Hình 7. Bình làm lạnh ................................................................................................ 11
Hình 8. Phân bố độ cao xung của gamma theo năng lượng nguồn 60Co ...................... 13
Hình 9. Độ phân giải năng lượng của detector ............................................................ 13
Hình 10. So sánh độ phân giải của detector................................................................. 14
Hình 11. Hiệu ứng quang điện .................................................................................... 19
Hình 12. Sơ đồ tán xạ Compton .................................................................................. 20
Hình 13. Cấu hình hệ PGNAA tại kênh 2 lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt .................. 22
Hình 14. Các nguồn gamma chuẩn ............................................................................. 23
Hình 15. Đường chuẩn năng lượng của đầu dò HPGe ................................................. 25
Hình 16. Diện tích đỉnh 517 keV (màu đỏ) ................................................................. 29
Hình 17. Diện tích đỉnh 1951 keV (màu đỏ) và diện tích đỉnh 1959 keV (màu xanh) .. 30
Hình 18. Phổ gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl thu được trong vùng năng
lượng từ 0-8000 keV với thời gian đo 4182 giây. ........................................................ 30
Hình 19. Phổ phông gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl thu được trong vùng
năng lượng từ 0-8000 keV với thời gian đo 62466 giây. ............................................. 31
Hình 20. Phổ gamma tức thời của mẫu Clo và phổ phông gamma thu được trong
vùng năng lượng từ 0-8000 keV. ................................................................................ 31
Hình 21. Kết quả đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm ....... 33
1
LỜI MỞ ĐẦU
Từ những năm 1940 đến nay, khoa học và công nghệ hạt nhân đã được
nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào thực tiễn ở nhiều nước trên thế giới, và đã
đạt được nhiều thành tựu to lớn, đóng góp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hội
của Quốc tế nói chung và đối với nhiều Quốc gia nói riêng trong đó có Việt Nam.
Khoa học và kỹ thuật hạt nhân ở Việt Nam vẫn đang được quan tâm và ưu tiên phát
triển một cách mạnh mẽ; đặc biệt là đã và đang đẩy mạnh phát triển các hướng
nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hạt nhân. Một trong những hướng nghiên cứu quan
trọng là việc xử lý phổ gamma ghi nhận được để từ đó suy ra các đối tượng cần
quan tâm. Nhìn lại các giai đoạn phát triển của các phương pháp ghi nhận trong vật
lý hạt nhân và các hạt cơ bản, chúng ta thấy sự ra đời và phát triển của các loại
detector: các buồng bọt, buồng Strimơ, các buồng ion hóa, buồng tỷ lệ, ống đêm
Geiger Muller, ống đếm tia lửa, detector nhấp nháy, detector tinh thể Tren-ren-cốp,
detector bán dẫn, … Có thể nói detector bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) là đỉnh cao
của việc ghi nhận bức xạ với ưu điểm nổi bật về khả năng phân giải. Trong khóa
luận này, chúng tôi tập trung nghiên cứu xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế
PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Hiệu suất ghi là một thông số có ý nghĩa quan trọng trong hệ phổ kế gamma.
Mỗi hệ phổ kế có một hiệu suất ghi khác nhau, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu
trúc hình học của hệ đo, kích thước và hình học mẫu, góc khối đo và thời gian chết
của hệ đo, ngoài ra hiệu suất ghi còn phụ thuộc vào năng lượng của nguồn bức xạ.
Do vậy, việc xác định chính xác đường chuẩn hiệu suất ghi theo năng lượng là rất
cần thiết. Trong thực nghiệm vấn đề này được thực hiện thông qua các nguồn chuẩn
phát gamma, chương trình máy tính chuyên dụng, các phần mềm tính toán. Dựa trên
kết quả tìm được, chúng ta sử dụng cho các tính toán liên quan như xác định cường
độ chùm tia gamma trong phân tích mẫu môi trường, xác định cường độ tia gamma
tức thời của các nguyên tố, các thông số phổ của hệ đo: hoạt độ, tốc độ, tiết diện,
thông lượng nơtron,…của các kênh ngang, Cột nhiệt, Bẫy nơtron trong lò phản ứng
hạt nhân Đà Lạt,…
Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, có năng lượng hoàn toàn
xác định được đặc trưng cho mỗi nguyên tố, phổ gamma ghi nhận được cho ta biết
các thông tin về thời gian đo mẫu, các thông số của mỗi đỉnh phổ gamma như số
đếm, số kênh, độ phân giải năng lượng của đỉnh, diện tích đỉnh, sai số diện tích
đỉnh, phân bố dạng Gauss của đỉnh,…những thông tin đó giúp ta trong việc tính
2
toán xử lý số liệu cần quan tâm, phổ gamma trong thực nghiệm trên hệ PGNAA tại
KS2 của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được thu nhận và xử lý bằng phần mềm
Gienie 2000. Ngoài ra, phần mềm Peakfit cũng được sử dụng trong khóa luận để
tách các đỉnh chập.
Bố cục của khóa luận này bao gồm có ba phần đó là giới thiệu lý thuyết, thực
nghiệm và kết luận.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ phổ kế gamma, detector HPGe, lý
thuyết về hiệu suất, lý thuyết về tương tác của gamma với vật chất.
Chương 2: Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma: Chuẩn năng lượng và trình bày về
phương pháp tính toán việc chuẩn hiệu suất ghi.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới
Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với
những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Phương pháp PGNAA có
những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh,
mẫu phân tích không bị phá hủy và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều
nguyên tố. Có thể tự động hóa được toàn bộ quy trình phân tích. Do đó, hệ phân
tích PGNAA luôn được quan tâm nâng cấp nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác
của hệ đo. Dưới đây là đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế
giới và trong nước [10,11].
Bảng 1. Các đặc điểm chính của một số hệ phân tích PGNAA trên thế giới
Hệ phân tích Đặc điểm
SNU-KAERI
(Hàn Quốc)
- Nguồn nơtron nhiệt
- Thông lương chùm nơtron: 8.2x107 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2x2 cm2
- Tỉ số Cadmium R = 266 (đối với Au)
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 2020 c/s/g
- Hệ phổ kế: hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
JEARI
(Nhật Bản)
- Nguồn nơtron nhiệt dẫn dòng bằng phản xạ gương Ni
- Thông lượng chùm nơtron: 2.4x107 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2x2 cm2
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh
1332 keV của Co60
- Nguồn nơtron lạnh
- Thông lượng chùm nơtron: 1.1x108 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2x2 cm2
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 23.8%, độ phân giải (FWHM) 1.75 keV tại đỉnh
1332 keV của Co60
4
NIST (Mỹ)
- Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc (sapphire)
- Thông lượng chùm nơtron: 3.0x108 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn
- Tỉ số Cadmium R = 166 (đối với Au)
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 890 c/s/g
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt
Compton
- Nguồn nơtron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương
- Thông lượng chùm nơtron: 9.5x108 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2 cm hoặc nhỏ hơn
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 7700 c/s/g
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ triệt
Compton
BARC
(Ấn Độ)
- Nguồn nơtron nhiệt: phản xạ gương
- Thông lượng chùm nơtron: 1.4x107 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2.5x10 cm2
- Tỉ số Cadmium R = 3.4x104 (đối với In)
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
- Nguồn nơtron nhiệt: graphit
- Thông lượng chùm nơtron: 1.6x106 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 2.5x3.5 cm2
- Tỉ số Cadmium R = 3.4x104 (đối với In)
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
BUDAPEST
(Hungary)
- Nguồn nơtron lạnh: phản xạ gương
- Thông lượng chùm: 5.0x107 n.cm-2.s-1
- Kích thước chùm: 1x1 cm2 hoặc 2x2 cm2
- Độ nhạy tại Ti (1382 keV): 750 c/s/g
- Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và hệ điện tử
triệt Compton
5
NIR (Đà Lạt)
- Kênh nơtron số 2:
- Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 80 cm Si + 6 cm Bi
- Thông lượng chùm nơtron: 1.6x106 n.cm-2.s-1
- Đương kính chùm: 3 cm
- Tỉ số Cadmium R = 420 (đối với Au)
- Hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết
HPGe 70%, độ phân giải (FWHM) 2 keV tại đỉnh 1332
keV của Co60
1.2 Hệ thiết bị PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
1.2.1 Kênh ngang số 2 tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt là loại lò bể bơi, làm chậm và tải nhiệt bằng
nước nhẹ, công suất nhiệt của lò là 500 kW. Sơ đồ mặt cắt của vùng hoạt và vị trí
các kênh nơtron của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được đưa ra trong Hình 1 [2, 5, 6].
Hình 1. Sơ đồ mặt cắt của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đích
nghiên cứu, trong đó có 3 kênh xuyên tâm ( No.1, No.2 và No.4) và 1 kênh tiếp
tuyến (No.3). Trong thực nghiệm này, chúng tôi thực hành thí nghiệm trên kênh
ngang số 2.
Đến nay toàn bộ hệ thống thiết bị PGNAA đã được lắp đặt hoàn chỉnh và
đưa vào ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và phát triển phương pháp PGNAA. Bên
6
cạnh đó, hiện nay, tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, kênh ngang số 1 đang đóng
chưa được đưa vào khai thác sử dụng, kênh ngang số 3 sử dụng đo số liệu hạt nhân
trong phản ứng gamma nối từng và kênh ngang số 4 được chuyên dụng cho
PGNAA và đo tiết diện truyền qua.
1.2.2 Chùm nơtron phin lọc nhiệt tại KS2
Để tạo chùm nơtron nhiệt, một tổ hợp 2 loại phin lọc nơtron bao gồm phin
lọc đơn tinh thể Si có chiều dài 80 cm và đơn tinh thể Bismuth có chiều dài 6 cm.
Thành phần đơn tinh thể Si có chức năng chính là cho phép thành phần nơtron nhiệt
truyền qua với tỉ số truyền qua cao và năng lượng nơtron nhiệt vẫn bảo toàn theo
phân bố Maxell. Bên cạnh đó, phin lọc Si với tổng chiều dài tương đối lớn nên cũng
có tác dụng hạn chế đáng kể phông bức xạ gamma từ vùng hoạt của lò phản ứng.
Phin lọc Bismuth có chức năng giảm thiểu thành phần bức xạ gamma từ vùng hoạt
lò phản ứng và phông gamma do tương tác của nơtron với các vật liệu cấu trúc kênh
và hệ dẫn dòng. Ngoài ra phin lọc Bismuth còn có tác dụng hạn chế các đỉnh năng
lượng 54 keV, 148 keV và thành phần nơtron nhanh. Thông lượng nơtron nhiệt đạt
1.6x106 n.cm-2.s-1 và tỉ số Cadmium R = 420 (đối với Au) [6].
1.2.3 Hệ che chắn dẫn dòng nơtron
• Che chắn chuẩn trực bên trong KS2
Sau khi truyền qua bộ phin lọc nơtron, dòng nơtron sẽ được chuẩn trực đến
vị trí chiếu mẫu qua hệ thống các ống chuẩn trực với đường kính chùm là 3 cm.
Hệ chuẩn trực nơtron gồm các chuẩn trực có kích thước: đường kính ngoài
12 cm và đường kính trong là 3 cm. Các lớp chuẩn trực được chế tạo từ vật liệu Pb,
tổng chiều dài là 30 cm và 5 lớp chuẩn trực chế tạo từ vật liệu Borated +
Hydrogenated Concrete (SWX chứa 5% Boron) tổng chiều dài là 60 cm (Hình 2). Ở
vị trí cách lối ra của kênh khoảng 30 cm là khối chuẩn trực bằng thép không rỉ có
chức năng che chắn gamma và bảo đảm kín nước chủ động cả khi kênh mở cũng
như kênh đóng.
Hệ che chắn chuẩn trực bên trong được mổ tả trên hình 2 [2].
7
Hình 2. Sơ đồ hệ che chắn chuẩn trực bên trong KS2.
• Che chắn chuẩn trực bên ngoài KS2
Dòng nơtron và gamma sau khi truyền qua các khối chuẩn trực và kín nước
bên trong kênh sẽ truyền qua hệ che chắn bảo đảm an toàn bức xạ bên ngoài kênh
và dừng lại tại khối chắn dòng. Hệ có tổng chiều dài 2.4 m và được thiết kế lắp đặt
trên một hệ giá đỡ bằng thép có các bánh xe di chuyển được dọc theo chiều của
kênh [6].
Hình 3. Mặt cắt h
Hình 4. H
1.2.4 Hệ phổ kế dùng đ
Hệ phổ kế gamma
detector bán dẫn siêu tinh khi
đối 70%, độ phân giải (FWHM) 2 keV t
chì lắp hai vành khuyên chì
chắn. Cao thế 3106D 06
bởi các khối điện tử: khối khuếch đại Amplifier
8
t hệ thống che chắn bảo đảm an toàn bức xạ
Hệ thiết bị dẫn dòng nơtron tại KS2.
dùng đầu dò HPGe
gamma tại KS2 của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
n siêu tinh khiết HPGe GR7023 đồng trục loại n, hiệu suất ghi tương
i (FWHM) 2 keV tại đỉnh 1332 keV của Co60.
p hai vành khuyên chì để che chắn phông gamma tán xạ từ các v
6 kV và những tín hiệu từ đầu dò sẽ được ghi nh
khối khuếch đại Amplifier 2026, bộ biến đổi tín hi
bên ngoài KS2.
n Đà Lạt sử dụng
hiệu suất ghi tương
Phía sau buồng
các vật liệu che
c ghi nhận và xử lí
i tín hiệu số Multi-
9
port II được tích hợp bởi ADC16K và MCA, sử dụng phần mềm điều khiển Genie
2000, tất cả đều do hãng Canberra (Mỹ) sản xuất [14].
Hình 5. Hệ phổ kế dung đầu dò HPGe và các khối điện tử
Đầu dò thu nhận tín hiệu từ các điện tích sinh ra khi bức xạ gamma tương tác
với tinh thể của detector và biến thành xung điện, các tín hiệu ở lối ra đầu dò có
biên độ rất bé, do đó cần khuếch đại sơ bộ bằng tiền khuếch đại (Pre. Amp). Tín
hiệu ở lối ra tiền khuếch đại được đưa vào khối khuếch đại chính (Amplifer) để
khuếch đại tín hiệu đủ lớn về biên độ và hình thành xung chuẩn. Sau đó tín hiệu
được biến đổi từ dạng tương tự sang dạng số qua bộ ADC (Anolog to Digital
Converter) và được xử lý qua khối phân tích biên độ đa kênh (MCA). Tín hiệu sau
khi được xử lý và được hiển thị qua máy tính (PC) là thông tin về phổ bức xạ
gamma cần đo.
HPGe Pre. Amp Amp ADC-MDC
HV
PC
10
1.3 Đầu dò Germanium siêu tinh khiết
1.3.1 Giới thiệu về đầu dò HPGe
Detector HPGe là một trong những detector dùng ghi nhận gamma phổ biến
nhất hiện nay cho việc nghiên cứu cơ bản hay trong vật lý ứng dụng, vì chúng có ưu
điểm là có độ phân giải cao. Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể ghi nhận
với độ phân giải lên tới 0.1% [7, 13].
1.3.2 Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma
Việc ghi nhận phổ gamma được thực hiện thông qua các tương tác mà trong
đó một phần hoặc toàn bộ năng lượng của tia gamma tới được truyền cho electron.
Nhờ điện trường của cao thế, chính các electron này tiếp tục gây ion hóa tạo ra các
xung điện ở lối ra của detector. Cho nên để ghi nhận phổ gamma thì detector phải
thực hiện hai chức năng [7, 13]:
• Biến đổi năng lượng tia gamma thành năng lượng các electron. Do đó nó
hoạt động như bộ chuyển đổi trung bình mà tại đó các tia gamma có xác suất tương
tác trung bình sinh ra một hay nhiều electron nhanh.
• Hoạt động như một thiết bị ghi nhận chuyển đổi electron nhanh thành những
tín hiệu điện.
1.3.3 Buồng chì
Chúng ta biết rằng tương tác của tia gamma với chì tạo ra các tia X có năng
lượng trong khoảng 74-85 KeV. Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu
dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu, để hạn chế điều này người ta thường bổ sung
thêm lớp vật liệu bên trong buồng chì các lớp đồng và thiếc có bề dày tương ứng là
1.5 mm và 1 mm. Qua khảo sát cho thấy một lớp thiếc dày 1 mm có thể hấp thụ
được khoảng 95% các tia X từ chì. Và sự có mặt của 1.5 mm đồng đã làm tăng khả
năng hấp thụ lên tới 98.5% đối với các tia X của chì [7, 13].
11
Hình 6. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò-buồng chì (kích thước tính theo cm)
1.3.4 Bình làm lạnh
Hình 7. Bình làm lạnh
Có tác dụng giảm nhiệt từ detector, thiết kế đặc biệt chống tạp âm cũng như
tránh sự suy giảm photon có năng lượng thấp. Bình làm lạnh gồm bình chân không
trong đó có đặt detector và bình Dewar. Buồng detector và bình Dewar được nối cố
định với nhau [7, 13].
12
1.4 Phổ biên độ xung
Phổ tia gamma hình thành từ quá trình phân bố năng lượng của tia gamma
khi đi vào detector. Mỗi tương tác của tia gamma khi đi vào detector gây ra sự ion
hóa quang điện và tạo nên các phần tử tải điện. Chính quá trình này tạo nên các đỉnh
trong phổ tia gamma đặc trưng.
Tương tác của tia gamma gây ra trên detector tạo ra xung điện có biên độ tỉ
lệ thuận với năng lượng tương ứng với tương tác đó. Do đó, nghiên cứu phân bố độ
cao xung vi phân là phương pháp tốt nhất để ghi nhận thông tin của xung tín hiệu
búc xạ gamma [7, 13].
Số xung có biên độ nằm giữa giá trị H1 và H2 có thể thu được bằng cách lấy
tích phân trong khoảng giới hạn từ H1 đến H2, nghĩa là chúng ta tính diện tích trong
miền giới hạn này, số xung có biên độ trong khoảng giữa H1 và H2 bằng:
2
1
H
H
dNN dH
dH (1.1)
Sự tỉ lệ giữa biên độ xung và năng lượng cho phép biến đổi đơn vị của trục
hoành từ đơn vị của biên độ thành đơn vị của năng lượng (thường dùng là keV hoặc
MeV), đơn vị của trục tung thành đơn vị của nghịch đảo năng lượng. Phương trình
lúc này được viết lại như sau:
2
1
E
E
dNN dE
dE (1.2)
Phổ độ cao xung lúc này được gọi là phổ năng lượng gamma.Ví dụ như trong Hình
9 dưới đây:
13
Hình 8. Phân bố độ cao xung của gamma theo năng lượng nguồn 60Co
1.5 Độ phân giải năng lượng
Độ phân giải năng lượng của detector được định nghĩa là tỉ số giữa FWHM
(bề rộng phân bố tại tọa độ bằng nửa độ cao cực đại tại vị trí đỉnh Ho ) trên Ho. Độ
phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên diễn tả theo %.
Hình 9. Độ phân giải năng lượng của detector
Độ phân giải năng lượng là đặc trưng quan trọng của detector germanium
siêu tinh khiết. Một hệ đo có thể được đánh giá cao khi mà độ phân giải của chúng
được cho là rất tốt. Vậy thì độ phân giải năng lượng như thế nào là tốt ?
14
Hình 10. So sánh độ phân giải của detector.
Ta thấy trên Hình 10 mặc dù số xung được ghi nhận trong cả hai trường hợp
là như nhau, diện tích mỗi đỉnh là bằng nhau, cả hai đều có sự phân bố xung quanh
giá trị trung bình H0, nhưng bề rộng của đường cong trong trường hợp rộng hơn thì
xấu, vì thế bề rộng hàm đáp ứng càng nhỏ thì phép đo càng chính xác [7, 13].
Detector có độ phân giải càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai
bức xạ có năng lượng gần nhau.
Độ phân giải năng lượng của detector không tốt có thể do một số nguyên
nhân gây ra sự thăng giáng trong đáp ứng của detector: Thứ nhất do sự dịch chuyển
đặc trưng hoạt động của detector trong quá trình ghi nhận bức xạ. Thứ hai do những
nguồn nhiễu bên trong bản thân detector và hệ thống dụng cụ đo. Thứ ba là do thăng
giáng thống kê từ chính bản chất rời rạc của tín hiệu đo. Trong hầu hết các detector
được sử dụng, thăng giáng thống kê là nguồn thăng giáng quan trọng trong tín hiệu
và đưa đến giới hạn đo của detector.
1.6 Hiệu suất đo
1.6.1 Định nghĩa hiệu suất
Hiệu suất ghi của đầu dò được xác định như là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion
hóa phát ra từ nguồn bức xạ đối với số xung tín hiệu ghi nhận được bởi đầu dò. Một
photon tới tương tác với vật liệu đầu dò theo ba cơ chế: hấp thụ quang điện, tán xạ
Compton và hiệu ứng tạo cặp. Trong ba cơ chế này thì hấp thụ quang điện hấp thụ
toàn bộ năng lượng của photon tới trong thể tích của đầu dò [7, 13].
Trong nhiều thí nghiệm, điều mà chúng ta cần biết chính là các đặc trưng của
tia gamma cũng như các đặc trưng của nguồn bức xạ. Các đặc trưng này có thể là
năng lượng tia gamma hay hoạt độ của nguồn, trong khi đó thông tin thu được là
15
các số đếm ghi nhận được từ phổ lượng. Để có thể suy ngược từ các số đếm này ra
hoạt độ nguồn ta cần phải biết hiệu suất của hệ phổ kế.
1.6.2 Các hình thức hiệu suất
Hiệu suất tuyệt đối (εabs ): Được định nghĩa là tỉ số giữa số xung ghi nhận
được và số bức xạ được phát ra bởi nguồn. Hiệu suất này không những phụ thuộc
vào tính chất của detector mà còn phụ thuộc vào bố trí hình học như khoảng cách
giữa nguồn và detector.
Soá ñeám ghi nhaän
Soá photon phaùt ra töø nguoànabs (1.3)
Hiệu suất nội (εint ): được định nghĩa là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được
và số các lượng tử bức xạ đến đầu dò.
Soá ñeám ghi nhaän
Soá photon tôùi detectorabs (1.4)
Đối với nguồn đẳng hướng, hai loại hiệu suất này liên hệ với nhau một cách
đơn giản như sau:
int
4abs (1.5)
Với Ω là góc khối của đầu dò được nhìn từ vị trí nguồn.
Ngoài ra hiệu suất đếm còn được phân loại theo bản chất của bức xạ được
ghi nhận, nó được chia thành hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng.
Hiệu suất tổng (εt ): được định nghĩa như là xác suất của một bức xạ phát ra
từ nguồn mất bất kì năng lượng khác không của nó trong thể tích hoạt động của
detector.
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (εp) (full energy peak efficiency): được
định nghĩa là xác suất của một bức xạ phát ra từ nguồn mất mát toàn bộ năng lượng
của nó trong thể tích hoạt động của detector. Sau đây là công thức xác định hiệu
suất đỉnh đối với nguồn điểm.
( )f
p
w
SE
A K t (1.6)
16
Trong đó:
εP(E): là hiệu suất đỉnh tại năng lượng E của hệ đo ứng với cấu hình detector-
nguồn đang khảo sát.
S: là diện tích đỉnh đã trừ phông xác định từ phần mềm xử lý phổ
f: là xác suất phát tia gamma tại năng lượng E
t: là thời gian sống của phép đo
1/ 2
ln2
0
wtTA A e : là hoạt độ riêng của nguồn phóng xạ (Bq)
Kw: là hệ số hiệu chỉnh sự phân rã phóng xạ trong khoảng tw
1/ 2
ln2expw wK t
T (1.7)
tw: là thời gian từ lúc ban đầu đến khi đo
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng có mối quan hệ với
nhau bởi tỉ số đỉnh trên tổng P/T:
p
tPT
(1.8)
Tỉ số này không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn tới detector vì thế có
thể loại bỏ được hiệu ứng khoảng cách. Trong thực nghiệm người ta sử dụng các
hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, bởi vì nó sẽ loại bỏ được các hiện tượng gây
ra do các hiệu ứng nhiễu chẳng hạn như tán xạ từ các vật thể xung quanh hay nhiễu
loạn. Từ đó giá trị của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có thể được thu thập và
ứng dụng cho các điều kiện khác nhau trong phòng thí nghiệm. Mà ở đó hiệu suất
tổng có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khác đó [7, 13].
1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò là [7, 13]:
• Năng lượng của gamma tới
• Vật liệu cấu tạo của detector
• Kích thước của detector
• Khoảng cách từ vật liệu phóng xạ tới đầu dò
17
• Đồng vị phóng xạ và kiểu bức xạ được đo (gamma)
• Tán xạ ngược của bức xạ từ môi trường xung quanh tới đầu dò
• Sự hấp thụ bức xạ (bởi không khí, chất liệu bao quanh phần nhạy của đầu dò,
bản thân vật liệu phóng xạ bao gồm matrix và mật độ)
• Trùng phùng ngẫu nhiên-Trùng phùng thực.
1.6.4 Đường cong hiệu suất
Khi sử dụng nguồn chuẩn để đo hiệu suất detector ở nhiều mức năng lượng
thì cần phải làm khớp thành một đường cong từ các điểm này để có thể mô tả hiệu
suất toàn vùng năng lượng quan tâm. Và đối với mỗi loại cấu hình detector chúng ta
lại có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau [7, 13].
Đối với detector đồng trục, có nhiều mô hình khớp trong khoảng năng lượng
từ 50 keV đến 2 MeV. Tuy nhiên, đa thức tuyến tính thể hiện mối tương quan giữa
logarit của hiệu suất và logarit năng lượng thường được sử dụng.
0
log (log )N
ii
i
a E (1.9)
Với ε, E, ai lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng đỉnh, hệ số
tổ hợp tuyến tính của hàm làm khớp.
1.7 Cơ chế tương tác của gamma với môi trường vật chất
Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn nhỏ hơn 10-8 cm tương
ứng với năng lượng từ 0.05 MeV → 100 MeV. Tia gamma không bị lệch trong điện
trường và từ trường có khả năng xuyên sâu lớn, gây nguy hiểm cho con người.
Bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên gọi là
lượng tử gamma. Công thức liên hệ giữa năng lượng và bước sóng của lượng tử
gamma có dạng [1, 13]:
2 hcE (1.10)
Trong đó:
E là năng lượng (MeV, eV)
h là hằng số Planck (h = 6.625×10-34J.s)
c là vận tốc ánh sáng (m/s)
18
λ là bước sóng điện từ (m)
Cơ chế phổ biến tạo ra bức xạ gamma là sự chuyển dời trạng thái của hạt
nhân. Khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao chuyển
về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát
ra lượng tử có mức năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nó chuyển
đổi và có dạng vạch phổ:
i kh E E (1.11)
Trong đó:
υ là tần số sóng điện từ
Ei là năng lượng liên kết của electron ở lớp điện tử thứ i
Ek là năng lượng liên kết của electron ở lớp điện tử thứ k
Bức xạ gamma khi tương tác với vật chất có tính chất cơ bản là tương tác với
môi trường vật chất theo các quá trình hấp thụ hạt tán xạ và theo quy luật suy giảm
hàm mũ, được thể hiện trong công thức:
0 exp( )I I d (1.12)
Ở đây:
Io là cường độ chùm gamma ban đầu
I là cường độ chùm gamma sau khi đi qua lớp vật chất có bề dày d
μ là hệ số suy giảm tuyến tính và có thứ nguyên cm-1
Trong thực tế để ghi nhận bức xạ gamma người ta chủ yếu dựa trên ba hiệu
ứng của bức xạ gamma với vật chất sau: Hiệu ứng quang điện; Tán xạ Compton;
Hiệu ứng tạo cặp.
1.7.1 Hấp thụ quang điện
Hiện tượng hấp thụ quang điện xảy ra do tương tác giữa photon với một
trong những electron liên kết trong một nguyên tử [1].
Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng tia gamma tới lớn hơn năng
lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma
19
biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo và tách ra
khỏi nguyên tử với động năng Ee. Electron này được gọi là quang electron. Quang
electron nhận được động năng Ee theo công thức sau:
e lkE E (1.13)
Ở đây:
E là năng lượng của lượng tử gamma tới
εlk là năng lượng liên kết của electron trên lớp i
Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó
trở nên giảm dần ở vùng năng lượng cao.
Hình 11. Hiệu ứng quang điện
1.7.2 Tán xạ Compton
Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị hơn nhiều so với năng lượng liên kết
của các electron lớp K trong nguyên tử thì bắt đầu hiệu ứng tán xạ Compton. Khi đó
có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ
gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ này gọi là tán
xạ Compton, là tán xạ đàn hồi của gamma với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài
cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một
phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử [1].
Khi tán xạ Compton xảy ra trong đầu dò, các electron tán xạ thường bị mất
hết động năng trong đầu dò và đầu dò sẽ tạo ra xung điện tương ứng với phần năng
lượng tia photon truyền cho electron. Tán xạ Compton trong đầu dò tạo ra phổ với
các xung trải dài trong khoảng từ 0 đến năng lượng cực đại của electron tán xạ.
20
Hình 12. Sơ đồ tán xạ Compton
1.7.3 Hiệu ứng tạo cặp
Khác với hấp thụ quang điện và tán xạ Compton, sự tạo cặp là kết quả do
tương tác giữa tia gamma với hạt nhân nguyên tử. Quá trình này diễn ra trong
trường Coulomb của hạt nhân, kết quả là sự biến đổi từ một photon thành một cặp
electron-positron [1].
Để hiện tượng tạo cặp xảy ra, thì năng lượng γ ≥ 2mec2 = 1.022 MeV. Trong
thực nghiệm bằng chứng của sự tạo cặp chỉ được thấy trong phổ gamma khi năng
lượng của tia gamma lớn hơn 1.022 MeV. Hiệu ứng tạo cặp chỉ chiếm ưu thế ở
vùng năng lượng cao. Electron và positron tạo thành có động năng Ee theo công
thức (1.14).
1022 ( )eE E keV (1.14)
Với Ee là tổng động năng của electron và positron
Eγ là năng lượng của tia gamma tới.
Khi năng lượng của positron giảm xuống gần bằng năng lượng nhiệt, nó sẽ
gặp electron và cả hai bị hủy, giải phóng ra hai photon hủy 511 keV. Trong thực tế
thì năng lượng của hai photon hủy có giá trị nhỏ hơn vì phải tốn một phần năng
lượng để giải phóng electron ra khỏi liên kết nguyên tử. Tuy nhiên phần năng lượng
này chỉ cỡ eV.
Nếu hai photon hủy bị tán xạ nhiều lần trong detector và kết thúc bằng hấp
thụ quang điện thì trên phổ được đỉnh quang điện toàn phần của hai tia gamma. Nếu
một trong hai photon hủy thoát ra khỏi detector thì có thể xuất hiện trên phổ một
21
đỉnh thoát đơn, đỉnh này có năng lượng bằng đỉnh năng lượng toàn phần trừ 511
keV. Nếu cả hai photon hủy đều thoát ra khỏi detector thì trên phổ xuất hiện một
đỉnh thoát đôi có năng lượng bằng đỉnh hấp thụ toàn phần trừ 1022 keV. Hiệu ứng
tạo cặp xảy ra trong các vật liệu xung quanh detector sẽ tạo ra hai photon hủy. Do
hai photon này có hướng ngược nhau nên chỉ có một photon hủy lọt vào detector tạo
đỉnh 511 keV.
22
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Bố trí thí nghiệm
2.1.1 Vị trí chiếu mẫu
Hệ PGNAA được lắp đặt tại kênh ngang số 2 lò phản ứng hạt nhân nghiên
cứu Đà Lạt. Dòng nơtron từ lò phản ứng được dẫn qua hệ thống phin lọc nơtron tại
kênh số 2, sau khi qua phin lọc ta thu được dòng nơtron thuần nhiệt. Thông lượng
tại vị trí chiếu mẫu 1.6x106 n.cm-2 .s-1, tỉ số Cd (Au) là 420. Các tia gamma tức thời
phát ra từ mẫu sẽ được ghi nhận bởi hệ phổ kế gamma thông qua phần mềm thu
nhận phổ Genie-2000. Các mẫu được đặt tại khoảng cách 38.5 cm đến detector và
lệch một góc 45° so với detector và hướng dòng nơtron (như mô tả trong Hình 13).
Các tia gamma tức thời sẽ được ghi nhận với đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe
70%, độ phân giải (FWHM) 2 keV tại đỉnh 1332 keV của Co60.
Hình 13. Cấu hình hệ PGNAA tại kênh 2 lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt
2.1.2 Chuẩn bị mẫu
Sử dụng 7 nguồn chuẩn có hoạt độ và ngày sản xuất được cung cấp bởi nhà
sản xuất để xác định hiệu chuẩn hiệu suất ghi ở vùng năng lượng thấp. Và đồng thời
sử dụng phản ứng 35Cl(n,)36Cl làm nguồn chuẩn thứ cấp để chuẩn năng lượng và
23
hiệu suất ghi cho hệ phổ kế gamma ở vùng năng lượng cao. Mẫu NH4Cl dạng bột
được nén thành dạng hình trụ có đường kính 2 cm và dày 0.5 cm.
Hình 14. Các nguồn gamma chuẩn
Bảng 2. Đặc trưng của các nguồn gamma chuẩn
Nguồn
phóng xạ
Năng lượng
E (keV) Chu kì bán rã T1/2
Xác suất
phát %
Hoạt độ ban
đầu A0 (Bq)
Cd-109 88.00 462 Ngày 3.70 37000
Co-57 122.06 272 Ngày 85.60 37000
136.47 272 Ngày 10.68 37000
Ba-133
276.40 10.5 Năm 7.16 37000
302.85 10.5 Năm 18.34 37000
356.01 10.5 Năm 62.05 37000
383.85 10.5 Năm 8.94 37000
Cs-137 661.66 30.1 Năm 85.10 9250
Zn-65 1115.54 245 Ngày 50.04 37000
Co-60 1173.20 5.27 Năm 99.85 37000
Na-22 1274.50 2.6 Năm 99.94 37000
Co-60 1332.50 5.27 Năm 99.98 37000
24
2.1.3 Chiếu mẫu
• Hệ phổ kế ở trạng thái sẵn sàng, phần mềm ghi nhận phổ “Gamma
Acquisition & Analysis” đã được chuẩn năng lượng, độ phân giải và ở trạng thái
sẵn sàng đo.
• Đặt mẫu vào vị trí chiếu chính xác, góc nhìn giữa mẫu đối với dòng nơtron
và detector đều là 45° ( như Hình 13).
• Nhấn “Start” trên giao diện đo của phần mềm “Gamma Acquisition &
Analysis” để bắt đầu thu nhận phổ.
• Sau khoảng thời gian chiếu và đo thích hợp, nhấn vào nốt “Stop” để chương
trình hoàn tất quá trình thu nhận phổ, sau đó lưu phổ của mẫu đã được đo với tên
tương ứng mẫu được chiếu.
• Sau khi đã lưu phổ, nhấn lệnh “Clear” để xóa các dữ liệu của mẫu đã đo
trước đó. Sau đó lấy mẫu từ vị trí chiếu và bỏ vào container chì. Và thực hiện tương
tự các bước đã nêu ở trên đối với các mẫu tiếp theo.
Lưu ý: thao tác đặt mẫu gỡ mẫu phải nhanh và chính xác vì hoạt độ ngay lúc vừa
kết thúc chiếu tương đối lớn đối với một số mẫu địa chất.
2.2 Hiệu chuẩn hệ phổ kế đo gamma tức thời
2.2.1 Chuẩn năng lượng
Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma bao gồm việc chuẩn năng lượng là tìm mối
quan hệ giữa số kênh và năng lượng, và cuối cùng quan trọng nhất là chuẩn hiệu
suất ghi là tìm mối quan hệ giữa số đếm mà hệ phổ kế ghi nhận được với tốc độ
phát tia gamma từ nguồn phóng xạ chuẩn ở dạng điểm theo khoảng cách đo thực tế.
Mục đích của chuẩn năng lượng là tìm mối quan hệ giữa vị trí đỉnh (số kênh)
trong phổ và năng lượng gamma tương ứng để biết chính xác giá trị năng lượng tại
đỉnh hấp thụ toàn phần trên phổ gamma tức thời. Chuẩn năng lượng là công việc đòi
hỏi phải quan tâm đặc biệt vì năng lượng gamma tức thời có thể từ vài chục keV
đến cỡ 11 MeV.
Việc chuẩn năng lượng hệ phổ kế gamma được tiến hành như sau:
• Đo phổ gamma của mẫu chứa Cl, ở đây được tiến hành cho mẫu NH4Cl từ đó
có được phổ gamma các đỉnh năng lượng của Cl.
25
• Vào chức năng định chuẩn năng lượng, máy tính sẽ hiển thị một bảng để
chúng ta nhập số năng lượng ở số kênh tương ứng. Chọn một vài đỉnh năng lượng
cần định chuẩn rồi khớp hàm đa thức bậc 2 để tìm ra mối quan hệ giữa số kênh và
năng lượng.
Hàm bậc nhất biểu diễn sự phụ thuộc năng lượng theo kênh thường có dạng:
Trong đó: a,b lần lượt là các hệ số làm khớp và K là số kênh tương ứng với
năng lượng E.
Tiến hành đo phổ gamma của một số nguồn chuẩn sẽ thu được bảng số liệu
thực nghiệm dưới dạng số kênh K ứng với năng lượng E. Dựa vào bảng số liệu thu
được, dùng phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu để xây dựng đường chuẩn
năng lượng. Chuẩn năng lượng được tiến hành trực tiếp trên máy tính của hệ phổ kế
nhờ phần mềm thu nhận và xử lý phổ Genie 2000.
Hình 15. Đường chuẩn năng lượng của đầu dò HPGe
26
2.2.2 Chuẩn hiệu suất ghi
Do đặc trưng của phương pháp PGNAA là đo các tia gamma tức thời ở năng
lượng cao lên đến 8 MeV cho nên cần thiết xác định thực nghiệm đường chuẩn hiệu
suất ghi trên toàn dải năng lượng từ 0 đến 8 MeV. Trong thực nghiệm này, tại vùng
năng lượng thấp từ 88-1332.5 keV, các nguồn chuẩn có trong Bảng 2 được sử dụng
để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
Hiệu suất ghi tuyệt đối tại năng lượng E được tính theo biểu thức sau [3, 4, 8]:
0
P
mt
Nt
A e I (2.2)
Trong đó:
NP: diện tích đỉnh (đã trừ phông) của bức xạ gamma tại năng lượng E của các nguồn
chuẩn
tm: thời gian đo (s)
A0: hoạt độ lúc mới chế tạo (Bq)
λ: hằng số phân rã (s-1)
t: thời gian trôi qua từ lúc chế tạo tới lúc đo (s)
Iγ: xác suất phát tia gamma tại năng lượng E (%)
Sau khi thu được các số liệu thực nghiệm giữa E và , ta xây dựng được hàm
tương quan giữa hiệu suất và năng lượng trong vùng năng lượng thấp theo dạng sau:
50 1 5log log ... (log )a a E a E (2.3)
Công thức tính hiệu suất tuyệt đối đỉnh năng lượng toàn phần tại năng lượng
E được mô tả như sau:
P
mm
NtK
AI (2.4)
Trong đó:
NP : diện tích đỉnh γ quan tâm
tm : thời gian đo (s)
A : hoạt độ của đồng vị (Bq)
27
Km: hệ số hiệu chỉnh
I là xác suất phát tia gamma tại năng lượng E (%)
Trong miền năng lượng cao, để xây dựng hàm tương quan giữa hiệu suất và
năng lượng, các tia gamma năng lượng cao từ phản ứng hạt nhân 35Cl(n,)36Cl đã
được sử dụng. Hiệu suất được xác định bằng phương pháp tương đối theo biểu thức
sau:
x
chuaån
P
P
xx
chuaån
NN
II
(2.5)
Trong đó:
NPx: diện tích đỉnh γ quan tâm
NPchuẩn: diện tích đỉnh được chọn làm chuẩn. Ở đây ta chọn diện tích của đỉnh
1164.9 keV của 35Cl làm chuẩn vì nó có diện tích đỉnh lớn và không bị chập với
đỉnh khác, cũng như không bị nhiễu bởi phổ phông
Ix: xác suất phát gamma tại đỉnh năng lượng quan tâm
Ichuẩn: xác suất phát gamma tại đỉnh 1164.9 keV của 35Cl
Bảng 3. Các giá trị năng lượng và xác suất phát tia gamma từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl, sử dụng để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối.
Năng lượng
E (keV)
Xác suất
phát %
Năng lượng
E (keV)
Xác suất
phát %
Năng lượng
E (keV)
Xác suất
phát %
517.10 119.71 1959.30 64.84 5715.20 27.88
786.30 53.83 2676.30 8.37 6110.80 103.66
788.40 84.90 2863.80 29.09 6619.60 39.71
1131.20 9.90 3061.80 17.79 6627.80 23.20
1164.90 140.50 4440.40 5.70 6977.80 11.50
1601.10 19.06 4979.70 19.29 7413.90 51.80
1951.10 100.00 5517.20 8.79 7790.30 41.83
28
Hiệu suất ghi tương đối ở miền năng lượng cao được chuẩn hóa về giá trị
tuyệt đối nhờ số liệu hiệu suất ghi tuyệt đối xác định từ nguồn chuẩn. Kết hợp
những giá trị mới của hiệu suất ở miền năng lượng cao được xác định với những giá
trị hiệu suất tuyệt đối ở vùng năng lượng thấp thu được hiệu suất trên toàn dải năng
lượng từ 0 đến 8 MeV. Việc làm khớp đường cong hiệu suất và tính toán sai số hiệu
suất được thực hiện bằng chương trình Excel.
Sai số hiệu suất ghi:p
2 2 2eff A N (2.6)
29
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Xử lý phổ gamma tức thời
Sau khi tiến hành thu nhận phổ gamma tức thời bằng phần mềm Gienie-
2000, việc xử lý phổ gamma được xử lý đồng thời cũng trên phần mềm Gienie-2000
và bằng phần mềm “Peakfit” để ước lượng chính xác diện tích các đỉnh. Bởi trong
dải năng lượng của Clo, có các đỉnh bị chập như 517 keV, 1951 keV, 1959 keV,…
Phần mềm tối ưu trong việc tách các đỉnh là “Peakfit”.
Hai giao diện trên phần mềm Peakfit minh họa kết quả tách đỉnh của các
đỉnh bị chập.
Hình 16. Diện tích đỉnh 517 keV (màu đỏ)
30
Hình 17. Diện tích đỉnh 1951 keV (màu đỏ) và diện tích đỉnh 1959 keV (màu xanh)
3.2 Xử lý số liệu và kết quả
Hình 18. Phổ gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl thu được trong vùng năng
lượng từ 0-8000 keV với thời gian đo 4182 giây.
0 2000 4000 6000 8000101
102
103
104
105
Coun
ts
Energy (keV)
Clo
31
Hình 19. Phổ phông gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl thu được trong vùng năng lượng từ 0-8000 keV với thời gian đo 62466 giây.
Hình 20. Phổ gamma tức thời của mẫu Clo và phổ phông gamma thu được trong vùng năng lượng từ 0-8000 keV.
0 2000 4000 6000 8000102
103
104
105
106
Cou
nts
Energy (keV)
Background
0 2000 4000 6000 8000101
102
103
104
105
106
Cou
nts
Energy (keV)
Clo Background
32
Hình 20 cho kết quả so sánh giữa phổ gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl của mẫu Clo và phổ phông gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh
ngang số 2 của Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt.
Trong quá trình thu nhận số liệu để xứ lý, các đỉnh gamma từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl gần như không trùng với nền phông, và các đỉnh gamma mạnh được
chọn có trong Bảng 3.
Bảng 4. Giá trị hiệu suất theo năng lượng
Hạt
nhân
Năng
lượng E
(keV)
Diện tích
đỉnh NP
Sai số
diện
tích
đỉnh
Hiệu suất ε log (E) log (ε)
Cd-109 88.03 10369 1.70% 8.157E-04 1.944631 -3.088488
Co-57 122.06 132374 0.20% 8.694E-04 2.086573 -3.060785
136.47 16085 1.00% 8.467E-04 2.135037 -3.072264
Ba-133
276.40 106768 0.20% 5.664E-04 2.441538 -3.246850
302.85 255941 0.20% 5.301E-04 2.481228 -3.275638
356.01 797165 0.10% 4.880E-04 2.551462 -3.311572
383.85 110094 0.30% 4.678E-04 2.584162 -3.329952
Cl-35 517.10 305857 0.20% 3.773E-04 2.713575 -3.423261
Cs-137 661.66 66951 0.30% 3.481E-04 2.820633 -3.458241
Cl-35 786.30 107218 0.20% 2.942E-04 2.895588 -3.531406
788.40 169023 0.20% 2.940E-04 2.896747 -3.531611
Zn-65 1115.54 25264 0.50% 2.571E-04 3.047485 -3.589873
Cl-35 1131.20 17201 1.30% 2.566E-04 3.053539 -3.590731
1164.90 240600 0.20% 2.529E-04 3.066289 -3.597030
Co-60 1173.20 622955 0.10% 2.484E-04 3.069372 -3.604795
Na-22 1274.50 378039 0.20% 2.538E-04 3.105340 -3.595594
Co-60 1332.50 579895 0.10% 2.310E-04 3.124667 -3.636468
Cl-35
1601.10 25207 1.10% 1.953E-04 3.204418 -3.709251
1951.10 117517 0.30% 1.736E-04 3.290280 -3.760549
1959.30 75761 0.50% 1.726E-04 3.292101 -3.763047
2676.30 7563 2.90% 1.335E-04 3.427535 -3.874681
2863.80 27336 0.70% 1.388E-04 3.456943 -3.857658
33
3061.80 13822 1.30% 1.147E-04 3.485977 -3.940255
4440.40 3904 4.10% 1.012E-04 3.647422 -3.995015
4979.70 9424 1.60% 7.215E-05 3.697203 -4.141746
5517.20 3562 5.20% 5.985E-05 3.741719 -4.222944
5715.20 11192 2.00% 5.929E-05 3.757031 -4.227035
6110.80 54872 0.60% 7.818E-05 3.786098 -4.106910
6619.60 13870 1.40% 5.159E-05 3.820832 -4.287473
6627.80 7412 2.50% 4.718E-05 3.821369 -4.326202
6977.80 3948 3.80% 5.070E-05 3.843719 -4.294970
7413.90 16361 1.20% 4.665E-05 3.870047 -4.331169
7790.30 11685 1.20% 4.126E-05 3.891554 -4.384509
Hình 21. Kết quả đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dò 38.5 cm
y = -0.220855x4 + 2.490939x3 - 10.523511x2 + 19.139363x - 15.645527R² = 0.993149
-4.5
-4.3
-4.1
-3.9
-3.7
-3.5
-3.3
-3.1
-2.9
1.5 2 2.5 3 3.5 4
Hiệ
u s
uấ
t g
hi
log
(ε)
Năng lượng log (E)
34
Bảng 5. Kết quả số liệu trong tính toán sai số hiệu suất ghi
Hạt nhân Năng lượng
E (keV) εTN εfit
Độ lệch giữa
εTN và εfit (%)
Cd-109 88.03 8.157E-04 8.658E-04 6.14
Co-57 122.06 8.694E-04 8.233E-04 5.31
136.47 8.467E-04 7.962E-04 5.97
Ba-133
276.40 5.664E-04 5.727E-04 1.11
302.85 5.301E-04 5.439E-04 2.59
356.01 4.880E-04 4.952E-04 1.47
383.85 4.678E-04 4.737E-04 1.26
Cl-35 517.10 3.773E-04 3.965E-04 5.07
Cs-137 661.66 3.481E-04 3.421E-04 1.74
Cl-35 786.30 2.942E-04 3.086E-04 4.90
788.40 2.940E-04 3.081E-04 4.79
Zn-65 1115.54 2.571E-04 2.503E-04 2.63
Cl-35 1131.20 2.566E-04 2.483E-04 3.26
1164.90 2.529E-04 2.439E-04 3.57
Co-60 1173.20 2.484E-04 2.428E-04 2.25
Na-22 1274.50 2.538E-04 2.309E-04 9.00
Co-60 1332.50 2.310E-04 2.247E-04 2.72
Cl-35
1601.10 1.953E-04 2.003E-04 2.54
1951.10 1.736E-04 1.759E-04 1.33
1959.30 1.726E-04 1.754E-04 1.62
2676.30 1.335E-04 1.398E-04 4.77
2863.80 1.388E-04 1.325E-04 4.54
3061.80 1.147E-04 1.254E-04 9.24
4440.40 1.012E-04 8.797E-05 13.04
4979.70 7.215E-05 7.732E-05 7.16
5517.20 5.985E-05 6.823E-05 14.00
5715.20 5.929E-05 6.520E-05 9.98
6110.80 7.818E-05 5.962E-05 23.74
35
6619.60 5.159E-05 5.324E-05 3.20
6627.80 4.718E-05 5.314E-05 12.63
6977.80 5.070E-05 4.921E-05 2.93
7413.90 4.665E-05 4.478E-05 4.01
7790.30 4.126E-05 4.131E-05 0.12
Sai số giữa độ lệch TN và fit :
2k
fit TN
n TN
n(n 1)
=1.28%
Sai số hoạt độ nguồn:
2 2 2 2 2 2 2A Cd 109 Co 57 Ba 133 Cs 137 Zn 65 Co 60 Na 22
1
n
= 2 2 2 2 2 2 213 3 3 3 3 3 3
7 =1.13%
Sai số thống kê (diện tích đỉnh):
p
p
k 2Nn
Nn(n 1)
= 0.30%
Vậy sai số hiệu suất ghi đầu dò:
p
2 2 2eff A N = 2 2 21.28 1.13 0.30 = 1.73%
Số liệu hiệu suất ghi của đầu dò có xu hướng giảm dần theo năng lượng.
Nguyên nhân là do năng lượng càng lớn thì xác suất tia gamma thoát ra khỏi vùng
nhạy của đầu dò càng cao, nghĩa là xác suất ghi nhận của đầu dò càng thấp làm cho
hiệu suất ghi giảm khi năng lượng tăng. Với đường cong hiệu suất đã được xây
dựng, có thể dựa vào đây để tính các bài toán khác liên quan đến hiệu suất ghi. Một
số đỉnh của 35Clo có sai số độ lệch lớn giữa hiệu suất ghi thực nghiệm và hiệu suất
ghi đã khớp từ hàm như đỉnh 4440.4 keV, 5517.2 keV, 6110.8 keV và 6627.8 keV.
36
Kết quả đường cong hiệu suất cho R2 = 0.993149, xấp xỉ 1, sai số toàn đường cong
hiệu suất tương đối nhỏ là 1.73%, điều này cho thấy kết quả đo thực nghiệm có sự
phù hợp tốt với mô hình của hàm hồi quy và sai số của phép đo thực nghiệm là nhỏ,
điều này đồng nghĩa với độ chính xác của kết quả đo thực nghiệm này là khá tốt.
37
KẾT LUẬN
Với mục tiêu ban đầu và phương pháp nghiên cứu đã trình bày trong phần
đặt vấn đề, luận văn đã đạt được kết quả kỳ vọng là xác định bằng thực nghiệm hiệu
suất ghi tuyệt đối của hệ phổ kế PGNAA tại kênh ngang số 2 của lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt. Các nội dung chính đã thực hiện hoàn thành trong luận văn này được
tóm tắt như sau:
Phần tổng quan giới thiệu cấu tạo cũng như cơ chế ghi nhận phổ gamma của
Detector HPGe, giới thiệu về hệ phổ kế PGNAA ở kênh số 2 của lò phản ứng hạt
nhân Đà Lạt, định nghĩa hiệu suất ghi, đường cong hiệu suất và phổ biên độ xung
được trình bày chi tiết trong Chương 1.
Tiến trình các bước bố trí thí nghiệm, đo thực nghiệm đối với nguồn chuẩn
gamma và phản ứng 35Cl(n,)36Cl xử lý số liệu và tính toán để xác định hàm hiệu
suất ghi tuyệt đối của hệ phổ kế.
Kết quả quan trọng của khóa luận này là xác định được hiệu suất ghi tuyệt
đối và thiết lập được đường cong hiệu suất trên toàn dải năng lượng từ 0-8 MeV đối
với phổ kế PGNAA tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Những ứng dụng của kết qủa
này là cần thiết trong các thực nghiệm phân tích nguyên tố bằng phổ gamma tức
thời sử dụng hệ phổ kế này.
Qua thực hiện thành công luận văn tốt nghiệp này, sinh viên đã nâng cao
được kỹ năng và kinh nghiệm quy báu trong công tác nghiên cứu khoa học thực
nghiệm. Đã tiếp cận với các hệ thống đo và xử lý số liệu phổ bức xạ gamma hiện
đại và chuyên dụng.
38
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Ngô Quang Huy, (2006), Cơ sở Vật lý Hạt Nhân, Nhà xuất bản Khoa học
và Kỹ thuật.
[2] Phạm Ngọc Sơn, (2011), Phát triển dòng nơtron phin lọc trên kênh
ngang số 2 của Lò phản ứng Hạt Nhân Đà Lạt, Báo cáo Tổng kết đề tài nghiên cứu
Khoa học Cấp Bộ năm 2011.
[3] Nguyễn An Sơn, Đặng Lành, Hồ Hữu Thắng, Trần Văn Nguyên, (2015),
Xây dựng hàm hiệu suất tuyệt đối phụ thuộc vào năng lượng từ 1 MeV – 8.5 MeV,
Tạp Chí Khoa Học Đại Học Sư Phạm Tp. Hồ chí Minh, số 2.
[4] Mai Xuân Trung, (2013), Giáo trình xử lý số liệu thực nghiệm, Khoa Kỹ
thuật Hạt Nhân, Trường Đại học Đà Lạt.
[5] Vương Hữu Tấn, (1995), Nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng tương tác
của neutron, gamma và các hạt mang điện được tạo ra trên các thiết bị đã có sẵn ở
Việt Nam, Đề tài cấp nhà nước KC-08-09.
[6] Nguyễn Đình Nguyên, (2013), Phân tích định lượng nguyên tố B trong
các mẫu sinh học và địa chất bằng phương pháp phân tích kích hoạt nơtron -
gamma Tức Thời (PGNAA) tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Luận văn Thạc sĩ,
Trường Đại Học Đà Lạt.
[7] Võ Thị Ngọc Thơ, (2008), Xây dựng chương trình hiệu chỉnh trùng
phùng cho hệ phổ kế gamma, Khóa luận tốt nghiệp Thạc Sĩ, trường Đại Học Khoa
Học Tự Nhiên TP.HCM.
Tiếng Anh
[8] G.L.Molnar, Zs.Revay, T.Belgya, (2002), Wide energy range efficiency
calibration method for Ge detectors, Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A 489, 140-159.
[9] Mayeen Uddin Khandaker, (2011), High purity germanium detector in
gamma-ray spectrometry, International Journal of Fundamental Physical Sciences,
Vol.1, No.2, pp 42-46.
39
[10] Database of prompt gamma rays from slow neutron capture for
elemental analysis, Final report of a coordianted research project, International
atomic energy ( IAEA), Vienna, 2006.
[11] C. YONEZAWA, (1997), Development of a neutron capture prompt
gammaray analysis system and basic studies of element analysis using this system,
JEARImemo 09-030.
[12] Vuong Huu Tan, Nguyen Canh Hai, Tran Tuan Anh, Le Ngoc Chung,
(2000), Measurement of K0 – factors for some elements in Prompt Gamma Neutron
Activation Analysis, IAEA in Australia.
[13] Glenn F.Knoll, (1999), Radiation Detector and Measurement, Third
Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York.
[14] H.D.Choi, R.B.Firestone, R.M.Lindstrom, G.L.Molnár,
S.F.Mughabghab, R.Paviotti-Corcuera, Zs.Révay, A.Trkov, C.M.Zhou, (2014),
Database of prompt gamma rays from slow neutron capture for elemental analysis,
International Atomic Energy Agency, ISBN:92-0-101306-X.
Related Documents
