›

Khóa luận Xác định thực nghiệm hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ phố kế PGNAA

pdf 49 trang thiennha21 15/04/2022 3680
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Xác định thực nghiệm hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ phố kế PGNAA", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_xac_dinh_thuc_nghiem_hieu_suat_ghi_tuyet_doi_cua_h.pdf

Nội dung text: Khóa luận Xác định thực nghiệm hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ phố kế PGNAA

  1. 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 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2017
  2. 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 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. PHẠM NGỌC SƠN KHĨA 2013 - 2018
  3. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
  4. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
  5. 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 cĩ cơ hội được cắp sách đến lớp và được may mắn đến hơm nay để viết ra những lời này. Cảm ơn ba mẹ đã và luơn đồng hành cùng em trên mọi bước đường em đi. Để hồn thành được khĩa 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 hồn thành khĩa luận tốt nghiệp. Các Thầy Cơ 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 lịng 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 mĩc 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 khĩa 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 khĩa luận. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Lạt, tháng 12 năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Đài Trinh i
  6. 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 lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt 5 1.2.1 Kênh ngang số 2 tại lị 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 dịng nơtron 6 1.2.4 Hệ phổ kế dùng đầu dị HPGe 8 1.3 Đầu dị Germanium siêu tinh khiết 10 1.3.1 Giới thiệu về đầu dị HPGe 10 1.3.2 Cơ chế hoạt động của đầu dị 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 dị 16 1.6.4 Đường cong hiệu suất 17 1.7 Cơ chế tương tác của gamma với mơi trường vật chất 17 1.7.1 Hấp thụ quang điện 18 ii
  7. 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 iii
  8. 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 iv
  9. 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 35 36 Cl(n,) Cl, 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 tốn sai số hiệu suất ghi 34 v
  10. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ mặt cắt của lị 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 tồn bức xạ bên ngồi KS2. 8 Hình 4. Hệ thiết bị dẫn dịng nơtron tại KS2. 8 Hình 5. Hệ phổ kế dung đầu dị HPGe và các khối điện tử 9 Hình 6. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dị-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 lị phản ứng nghiên cứu Đà Lạt 22 Hình 14. Các nguồn gamma chuẩn 23 Hình 15. Đường chuẩn năng lượng của đầu dị 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 phơng 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 phơng 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 dị 38.5 cm 33 vi
  11. LỜI MỞ ĐẦU Từ những năm 1940 đến nay, khoa học và cơng 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, đĩng gĩp vào sự phát triển của nền kinh tế xã hội của Quốc tế nĩi chung và đối với nhiều Quốc gia nĩi riêng trong đĩ cĩ 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 đĩ 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 hĩa, buồng tỷ lệ, ống đêm Geiger Muller, ống đếm tia lửa, detector nhấp nháy, detector tinh thể Tren-ren-cốp, detector bán dẫn, Cĩ thể nĩi 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 khĩa luận này, chúng tơi tập trung nghiên cứu xác định hiệu suất ghi của hệ phổ kế PGNAA tại lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Hiệu suất ghi là một thơng số cĩ ý nghĩa quan trọng trong hệ phổ kế gamma. Mỗi hệ phổ kế cĩ 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, gĩc khối đo và thời gian chết của hệ đo, ngồi ra hiệu suất ghi cịn 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 thơng qua các nguồn chuẩn phát gamma, chương trình máy tính chuyên dụng, các phần mềm tính tốn. Dựa trên kết quả tìm được, chúng ta sử dụng cho các tính tốn liên quan như xác định cường độ chùm tia gamma trong phân tích mẫu mơi trường, xác định cường độ tia gamma tức thời của các nguyên tố, các thơng số phổ của hệ đo: hoạt độ, tốc độ, tiết diện, thơng lượng nơtron, của các kênh ngang, Cột nhiệt, Bẫy nơtron trong lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Phổ năng lượng bức xạ gamma là phổ gián đoạn, cĩ năng lượng hồn tồn xác định được đặc trưng cho mỗi nguyên tố, phổ gamma ghi nhận được cho ta biết các thơng tin về thời gian đo mẫu, các thơng 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 thơng tin đĩ giúp ta trong việc tính 1
  12. tốn xử lý số liệu cần quan tâm, phổ gamma trong thực nghiệm trên hệ PGNAA tại KS2 của lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt được thu nhận và xử lý bằng phần mềm Gienie 2000. Ngồi ra, phần mềm Peakfit cũng được sử dụng trong khĩa luận để tách các đỉnh chập. Bố cục của khĩa luận này bao gồm cĩ ba phần đĩ 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 tốn việc chuẩn hiệu suất ghi. Chương 3: Kết quả và thảo luận. 2
  13. 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 cĩ những ưu điểm rất cơ bản như độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích khơng bị phá hủy và cĩ thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Cĩ thể tự động hĩa được tồn bộ quy trình phân tích. Do đĩ, hệ phân tích PGNAA luơn 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 - Nguồn nơtron nhiệt - Thơng lương chùm nơtron: 8.2x107 n.cm-2.s-1 2 SNU-KAERI - Kích thước chùm: 2x2 cm (Hàn Quốc) - 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 - Nguồn nơtron nhiệt dẫn dịng bằng phản xạ gương Ni - Thơng 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 JEARI 1332 keV của Co60 (Nhật Bản) - Nguồn nơtron lạnh - Thơng 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 3
  14. - Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc (sapphire) - Thơng 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 NIST (Mỹ) - Nguồn nơtron lạnh: Phin lọc (Be, Bi) và phản xạ gương - Thơng 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 - Nguồn nơtron nhiệt: phản xạ gương - Thơng 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) BARC - Hệ phổ kế: Hệ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe (Ấn Độ) - Nguồn nơtron nhiệt: graphit - Thơng 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 - Nguồn nơtron lạnh: phản xạ gương - Thơng lượng chùm: 5.0x107 n.cm-2.s-1 2 2 BUDAPEST - Kích thước chùm: 1x1 cm hoặc 2x2 cm (Hungary) - 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 4
  15. - Kênh nơtron số 2: - Nguồn nơtron nhiệt: phin lọc 80 cm Si + 6 cm Bi - Thơng lượng chùm nơtron: 1.6x106 n.cm-2.s-1 - Đương kính chùm: 3 cm NIR (Đà Lạt) - 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 lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt 1.2.1 Kênh ngang số 2 tại lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt là loại lị bể bơi, làm chậm và tải nhiệt bằng nước nhẹ, cơng suất nhiệt của lị là 500 kW. Sơ đồ mặt cắt của vùng hoạt và vị trí các kênh nơtron của lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt được đưa ra trong Hình 1 [2, 5, 6]. Hình 1. Sơ đồ mặt cắt của lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt cĩ 4 kênh nơtron phục vụ cho các mục đích nghiên cứu, trong đĩ cĩ 3 kênh xuyên tâm ( No.1, No.2 và No.4) và 1 kênh tiếp tuyến (No.3). Trong thực nghiệm này, chúng tơi thực hành thí nghiệm trên kênh ngang số 2. Đến nay tồn bộ hệ thống thiết bị PGNAA đã được lắp đặt hồn chỉnh và đưa vào ứng dụng để đo số liệu hạt nhân và phát triển phương pháp PGNAA. Bên 5
  16. cạnh đĩ, hiện nay, tại lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt, kênh ngang số 1 đang đĩng 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 cĩ chiều dài 80 cm và đơn tinh thể Bismuth cĩ chiều dài 6 cm. Thành phần đơn tinh thể Si cĩ 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 tồn theo phân bố Maxell. Bên cạnh đĩ, phin lọc Si với tổng chiều dài tương đối lớn nên cũng cĩ tác dụng hạn chế đáng kể phơng bức xạ gamma từ vùng hoạt của lị phản ứng. Phin lọc Bismuth cĩ chức năng giảm thiểu thành phần bức xạ gamma từ vùng hoạt lị phản ứng và phơng gamma do tương tác của nơtron với các vật liệu cấu trúc kênh và hệ dẫn dịng. Ngồi ra phin lọc Bismuth cịn cĩ tác dụng hạn chế các đỉnh năng lượng 54 keV, 148 keV và thành phần nơtron nhanh. Thơng 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 dịng nơtron • Che chắn chuẩn trực bên trong KS2 Sau khi truyền qua bộ phin lọc nơtron, dịng 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 cĩ kích thước: đường kính ngồi 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 khơng rỉ cĩ chức năng che chắn gamma và bảo đảm kín nước chủ động cả khi kênh mở cũng như kênh đĩng. Hệ che chắn chuẩn trực bên trong được mổ tả trên hình 2 [2]. 6
  17. Hình 2. Sơ đồ hệ che chắn chuẩn trực bên trong KS2. • Che chắn chuẩn trực bên ngồi KS2 Dịng 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 tồn bức xạ bên ngồi kênh và dừng lại tại khối chắn dịng. Hệ cĩ tổng chiều dài 2.4 m và được thiết kế lắp đặt trên một hệ giá đỡ bằng thép cĩ các bánh xe di chuyển được dọc theo chiều của kênh [6]. 7
  18. Hình 3. Mặt cắt hệ thống che chắn bảo đảm an tồn bức xạ bên ngồi KS2. Hình 4. Hệ thiết bị dẫn dịng nơtron tại KS2. 1.2.4 Hệ phổ kế dùng đầu dị HPGe Hệ phổ kế gamma tại KS2 của Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt sử dụng detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe GR7023 đồng trục loại n, hiệu suất ghi tương đối 70%, độ phân giải (FWHM) 2 keV tại đỉnh 1332 keV của Co60. Phía sau buồng chì lắp hai vành khuyên chì để che chắn phơng gamma tán xạ từ các vật liệu che chắn. Cao thế 3106D 06 kV và những tín hiệu từ đầu dị sẽ được ghi nhận và xử lí bởi các khối điện tử: khối khuếch đại Amplifier 2026, bộ biến đổi tín hiệu số Multi- 8
  19. 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]. HPGe Pre. Amp Amp ADC-MDC PC HV Hình 5. Hệ phổ kế dung đầu dị HPGe và các khối điện tử Đầu dị 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 dị cĩ biên độ rất bé, do đĩ 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 đĩ 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 thơng tin về phổ bức xạ gamma cần đo. 9
  20. 1.3 Đầu dị Germanium siêu tinh khiết 1.3.1 Giới thiệu về đầu dị 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 cĩ ưu điểm là cĩ độ phân giải cao. Năng lượng của tia gamma hoặc beta cĩ thể ghi nhận với độ phân giải lên tới 0.1% [7, 13]. 1.3.2 Cơ chế hoạt động của đầu dị để ghi nhận gamma Việc ghi nhận phổ gamma được thực hiện thơng qua các tương tác mà trong đĩ một phần hoặc tồn 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 hĩa 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 đĩ nĩ hoạt động như bộ chuyển đổi trung bình mà tại đĩ các tia gamma cĩ 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 cĩ năng lượng trong khoảng 74-85 KeV. Các tia X này của chì cĩ thể được ghi nhận bởi đầu dị 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 cĩ bề dày tương ứng là 1.5 mm và 1 mm. Qua khảo sát cho thấy một lớp thiếc dày 1 mm cĩ thể hấp thụ được khoảng 95% các tia X từ chì. Và sự cĩ 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]. 10
  21. Hình 6. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dị-buồng chì (kích thước tính theo cm) 1.3.4 Bình làm lạnh Hình 7. Bình làm lạnh Cĩ tác dụng giảm nhiệt từ detector, thiết kế đặc biệt chống tạp âm cũng như tránh sự suy giảm photon cĩ năng lượng thấp. Bình làm lạnh gồm bình chân khơng trong đĩ cĩ đặt detector và bình Dewar. Buồng detector và bình Dewar được nối cố định với nhau [7, 13]. 11
  22. 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 hĩa 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 cĩ biên độ tỉ lệ thuận với năng lượng tương ứng với tương tác đĩ. Do đĩ, nghiên cứu phân bố độ cao xung vi phân là phương pháp tốt nhất để ghi nhận thơng tin của xung tín hiệu búc xạ gamma [7, 13]. Số xung cĩ biên độ nằm giữa giá trị H1 và H2 cĩ 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 cĩ biên độ trong khoảng giữa H1 và H2 bằng: H2 dN N dH (1.1) dH H1 Sự tỉ lệ giữa biên độ xung và năng lượng cho phép biến đổi đơn vị của trục hồnh 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: E2 dN N dE (1.2) dE E1 Phổ độ cao xung lúc này được gọi là phổ năng lượng gamma.Ví dụ như trong Hình 9 dưới đây: 12
  23. 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 khơng 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 cĩ 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 ? 13
  24. 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 cĩ 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 cĩ độ phân giải càng nhỏ thì càng cĩ khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ cĩ năng lượng gần nhau. Độ phân giải năng lượng của detector khơng tốt cĩ 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 dị được xác định như là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hĩa phát ra từ nguồn bức xạ đối với số xung tín hiệu ghi nhận được bởi đầu dị. Một photon tới tương tác với vật liệu đầu dị 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 tồn bộ năng lượng của photon tới trong thể tích của đầu dị [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 cĩ thể là năng lượng tia gamma hay hoạt độ của nguồn, trong khi đĩ thơng tin thu được là 14
  25. các số đếm ghi nhận được từ phổ lượng. Để cĩ 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 khơng những phụ thuộc vào tính chất của detector mà cịn phụ thuộc vào bố trí hình học như khoảng cách giữa nguồn và detector. Số đếm ghi nhận  (1.3) abs Số photon phát ra từ nguồn 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 dị. Số đếm ghi nhận  (1.4) abs Số photon tới detector Đối với nguồn đẳng hướng, hai loại hiệu suất này liên hệ với nhau một cách đơn giản như sau:    (1.5) abs 4 int Với Ω là gĩc khối của đầu dị được nhìn từ vị trí nguồn. Ngồi ra hiệu suất đếm cịn được phân loại theo bản chất của bức xạ được ghi nhận, nĩ được chia thành hiệu suất đỉnh năng lượng tồn 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 khơng của nĩ trong thể tích hoạt động của detector. Hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần (εp) (full energy peak efficiency): được định nghĩa là xác suất của một bức xạ phát ra từ nguồn mất mát tồn bộ năng lượng của nĩ trong thể tích hoạt động của detector. Sau đây là cơng thức xác định hiệu suất đỉnh đối với nguồn điểm. S  p ()E (1.6) Af Kw t 15
  26. Trong đĩ: 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 phơng 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 ln2 tw T1/ 2 A A0 e : là hoạt độ riêng của nguồn phĩng xạ (Bq) Kw: là hệ số hiệu chỉnh sự phân rã phĩng xạ trong khoảng tw ln2 Kw exp t w (1.7) T1/ 2 tw: là thời gian từ lúc ban đầu đến khi đo Hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần và hiệu suất tổng cĩ mối quan hệ với nhau bởi tỉ số đỉnh trên tổng P/T:  p P (1.8) T  t Tỉ số này khơng phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn tới detector vì thế cĩ thể loại bỏ được hiệu ứng khoảng cách. Trong thực nghiệm người ta sử dụng các hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần, bởi vì nĩ 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 đĩ giá trị của hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần cĩ thể được thu thập và ứng dụng cho các điều kiện khác nhau trong phịng thí nghiệm. Mà ở đĩ hiệu suất tổng cĩ thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khác đĩ [7, 13]. 1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dị Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dị là [7, 13]: • Năng lượng của gamma tới • Vật liệu cấu tạo của detector • Kích thước của detector • Khoảng cách từ vật liệu phĩng xạ tới đầu dị 16
  27. • Đồng vị phĩng xạ và kiểu bức xạ được đo (gamma) • Tán xạ ngược của bức xạ từ mơi trường xung quanh tới đầu dị • Sự hấp thụ bức xạ (bởi khơng khí, chất liệu bao quanh phần nhạy của đầu dị, bản thân vật liệu phĩng 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 cĩ thể mơ tả hiệu suất tồn vùng năng lượng quan tâm. Và đối với mỗi loại cấu hình detector chúng ta lại cĩ những dạng đường cong hiệu suất khác nhau [7, 13]. Đối với detector đồng trục, cĩ nhiều mơ 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. N i log  ai (log E ) (1.9) i 0 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 mơi trường vật chất Bức xạ gamma là sĩng điện từ cĩ bước sĩng rất ngắn nhỏ hơn 10-8 cm tương ứng với năng lượng từ 0.05 MeV → 100 MeV. Tia gamma khơng bị lệch trong điện trường và từ trường cĩ khả năng xuyên sâu lớn, gây nguy hiểm cho con người. Bức xạ này ngồi tính chất sĩng cịn được hình dung như dịng hạt nên gọi là lượng tử gamma. Cơng thức liên hệ giữa năng lượng và bước sĩng của lượng tử gamma cĩ dạng [1, 13]: 2 hc E (1.10)  Trong đĩ: 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) 17
  28. λ là bước sĩng 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 cĩ mức năng lượng cao chuyển về trạng thái cĩ mức năng lượng thấp hơn và dần chuyển về trạng thái cơ bản phát ra lượng tử cĩ mức năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nĩ chuyển đổi và cĩ dạng vạch phổ: h Ei E k (1.11) Trong đĩ: υ là tần số sĩng 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 cĩ tính chất cơ bản là tương tác với mơi trường vật chất theo các quá trình hấp thụ hạt tán xạ và theo quy luật suy giảm hàm mũ, được thể hiện trong cơng thức: I I0 exp(  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 cĩ bề dày d μ là hệ số suy giảm tuyến tính và cĩ 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 18
  29. biến mất và năng lượng gamma được truyền tồn 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 cơng thức sau: EEe  lk (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 trị của nĩ 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 đĩ cĩ thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron cĩ 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 ngồi cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng cịn electron được giải phĩng ra khỏi nguyên tử [1]. Khi tán xạ Compton xảy ra trong đầu dị, các electron tán xạ thường bị mất hết động năng trong đầu dị và đầu dị sẽ tạo ra xung điện tương ứng với phần năng lượng tia photon truyền cho electron. Tán xạ Compton trong đầu dị tạo ra phổ với các xung trải dài trong khoảng từ 0 đến năng lượng cực đại của electron tán xạ. 19
  30. 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]. 2 Để hiện tượng tạo cặp xảy ra, thì năng lượng γ ≥ 2mec = 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 cĩ động năng Ee theo cơng thức (1.14). Ee E 1022 ( 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, nĩ sẽ gặp electron và cả hai bị hủy, giải phĩng ra hai photon hủy 511 keV. Trong thực tế thì năng lượng của hai photon hủy cĩ giá trị nhỏ hơn vì phải tốn một phần năng lượng để giải phĩng 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 tồn phần của hai tia gamma. Nếu một trong hai photon hủy thốt ra khỏi detector thì cĩ thể xuất hiện trên phổ một 20
  31. đỉnh thốt đơn, đỉnh này cĩ năng lượng bằng đỉnh năng lượng tồn phần trừ 511 keV. Nếu cả hai photon hủy đều thốt ra khỏi detector thì trên phổ xuất hiện một đỉnh thốt đơi cĩ năng lượng bằng đỉnh hấp thụ tồn 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 cĩ hướng ngược nhau nên chỉ cĩ một photon hủy lọt vào detector tạo đỉnh 511 keV. 21
  32. 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 lị phản ứng hạt nhân nghiên cứu Đà Lạt. Dịng nơtron từ lị phản ứng được dẫn qua hệ thống phin lọc nơtron tại kênh số 2, sau khi qua phin lọc ta thu được dịng nơtron thuần nhiệt. Thơng 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 thơng qua phần mềm thu nhận phổ Genie-2000. Các mẫu được đặt tại khoảng cách 38.5 cm đến detector và lệch một gĩc 45° so với detector và hướng dịng nơtron (như mơ tả trong Hình 13). Các tia gamma tức thời sẽ được ghi nhận với đầu dị 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 lị phản ứng nghiên cứu Đà Lạt 2.1.2 Chuẩn bị mẫu Sử dụng 7 nguồn chuẩn cĩ 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 22
  33. hiệu suất ghi cho hệ phổ kế gamma ở vùng năng lượng cao. Mẫu NH4Cl dạng bột được nén thành dạng hình trụ cĩ 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 Năng lượng Xác suất Hoạt độ ban Chu kì bán rã T1/2 phĩng xạ E (keV) phát % đầu A0 (Bq) Cd-109 88.00 462 Ngày 3.70 37000 122.06 272 Ngày 85.60 37000 Co-57 136.47 272 Ngày 10.68 37000 276.40 10.5 Năm 7.16 37000 302.85 10.5 Năm 18.34 37000 Ba-133 356.01 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 23
  34. 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, gĩc nhìn giữa mẫu đối với dịng 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 hồn tất quá trình thu nhận phổ, sau đĩ lưu phổ của mẫu đã được đo với tên tương ứng mẫu được chiếu. • Sau khi đã lưu phổ, nhấn lệnh “Clear” để xĩa các dữ liệu của mẫu đã đo trước đĩ. Sau đĩ 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 phĩng 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 tồn phần trên phổ gamma tức thời. Chuẩn năng lượng là cơng việc địi hỏi phải quan tâm đặc biệt vì năng lượng gamma tức thời cĩ 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 đĩ cĩ được phổ gamma các đỉnh năng lượng của Cl. 24
  35. • 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 cĩ dạng: Trong đĩ: 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 dị HPGe 25
  36. 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 tồn 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 cĩ trong Bảng 2 được sử dụng để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ PGNAA tại lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Hiệu suất ghi tuyệt đối tại năng lượng E được tính theo biểu thức sau [3, 4, 8]: NP tm  t (2.2) A0 e I Trong đĩ: NP: diện tích đỉnh (đã trừ phơng) 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 trơi 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: log a a log E a (log E )5 0 1 5 (2.3) Cơng thức tính hiệu suất tuyệt đối đỉnh năng lượng tồn phần tại năng lượng E được mơ tả như sau: NP tm  Km (2.4) AI Trong đĩ: NP : diện tích đỉnh γ quan tâm tm : thời gian đo (s) A : hoạt độ của đồng vị (Bq) 26
  37. 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: N Px N Pchuẩn  x (2.5) I x I chuẩn Trong đĩ: 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 nĩ cĩ diện tích đỉnh lớn và khơng bị chập với đỉnh khác, cũng như khơng bị nhiễu bởi phổ phơng Ix: xác suất phát gamma tại đỉnh năng lượng quan tâm 35 Ichuẩn: xác suất phát gamma tại đỉnh 1164.9 keV của Cl 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 Xác suất Năng lượng Xác suất Năng lượng Xác suất E (keV) phát % E (keV) phát % E (keV) 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 27
  38. Hiệu suất ghi tương đối ở miền năng lượng cao được chuẩn hĩa 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 tồn dải năng lượng từ 0 đến 8 MeV. Việc làm khớp đường cong hiệu suất và tính tốn sai số hiệu suất được thực hiện bằng chương trình Excel. Sai số hiệu suất ghi: 2  2  2 (2.6) eff A Np 28
  39. 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, cĩ 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) 29
  40. 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 105 Clo 104 103 Counts 102 101 0 2000 4000 6000 8000 Energy (keV) 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
  41. 106 Background 105 104 Counts 103 102 0 2000 4000 6000 8000 Energy (keV) Hình 19. Phổ phơng 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. 106 Clo Background 105 104 Counts 103 102 101 0 2000 4000 6000 8000 Energy (keV) Hình 20. Phổ gamma tức thời của mẫu Clo và phổ phơng gamma thu được trong vùng năng lượng từ 0-8000 keV. 31
  42. Hình 20 cho kết quả so sánh giữa phổ gamma tức thời từ phản ứng 35Cl(n,)36Cl của mẫu Clo và phổ phơng gamma thu được khi đo trực tiếp tại kênh ngang số 2 của Lị 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 khơng trùng với nền phơng, và các đỉnh gamma mạnh được chọn cĩ trong Bảng 3. Bảng 4. Giá trị hiệu suất theo năng lượng Sai số Năng Diện tích diện Hạt lượng E Hiệu suất ε log (E) log (ε) đỉnh N tích nhân (keV) P đỉnh Cd-109 88.03 10369 1.70% 8.157E-04 1.944631 -3.088488 122.06 132374 0.20% 8.694E-04 2.086573 -3.060785 Co-57 136.47 16085 1.00% 8.467E-04 2.135037 -3.072264 276.40 106768 0.20% 5.664E-04 2.441538 -3.246850 302.85 255941 0.20% 5.301E-04 2.481228 -3.275638 Ba-133 356.01 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 786.30 107218 0.20% 2.942E-04 2.895588 -3.531406 Cl-35 788.40 169023 0.20% 2.940E-04 2.896747 -3.531611 Zn-65 1115.54 25264 0.50% 2.571E-04 3.047485 -3.589873 1131.20 17201 1.30% 2.566E-04 3.053539 -3.590731 Cl-35 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 1601.10 25207 1.10% 1.953E-04 3.204418 -3.709251 1951.10 117517 0.30% 1.736E-04 3.290280 -3.760549 Cl-35 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 32
  43. 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 Năng lượng log (E) 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -2.9 -3.1 -3.3 ) ε ( -3.5 g o l i h g -3.7 t ấ u s -3.9 u ệ i H -4.1 -4.3 -4.5 y = -0.220855x4 + 2.490939x3 - 10.523511x2 + 19.139363x - 15.645527 R² = 0.993149 Hình 21. Kết quả đường cong hiệu suất ghi tại vị trí nguồn cách đầu dị 38.5 cm 33
  44. Bảng 5. Kết quả số liệu trong tính tốn sai số hiệu suất ghi Năng lượng Độ lệch giữa Hạt nhân εTN εfit E (keV) εTN và εfit (%) Cd-109 88.03 8.157E-04 8.658E-04 6.14 122.06 8.694E-04 8.233E-04 5.31 Co-57 136.47 8.467E-04 7.962E-04 5.97 276.40 5.664E-04 5.727E-04 1.11 302.85 5.301E-04 5.439E-04 2.59 Ba-133 356.01 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 1.74 786.30 2.942E-04 3.086E-04 4.90 Cl-35 788.40 2.940E-04 3.081E-04 4.79 Zn-65 1115.54 2.571E-04 2.503E-04 2.63 1131.20 2.566E-04 2.483E-04 3.26 Cl-35 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 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 Cl-35 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 34
  45. 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 : 2 k fit TN    n TN =1.28%  n(n 1) Sai số hoạt độ nguồn: 1   2  2  2  2  2  2  2 A n Cd 109 Co 57 Ba 133 Cs 137 Zn 65 Co 60 Na 22 1 = 32 32 32 32 32 32 32 =1.13% 7 Sai số thống kê (diện tích đỉnh): k  2  n Np  = 0.30% Np n(n 1) Vậy sai số hiệu suất ghi đầu dị:   2  2  2 = 1.282 1.132 0.302 = 1.73% eff  A Np Số liệu hiệu suất ghi của đầu dị cĩ xu hướng giảm dần theo năng lượng. Nguyên nhân là do năng lượng càng lớn thì xác suất tia gamma thốt ra khỏi vùng nhạy của đầu dị càng cao, nghĩa là xác suất ghi nhận của đầu dị càng thấp làm cho hiệu suất ghi giảm khi năng lượng tăng. Với đường cong hiệu suất đã được xây dựng, cĩ thể dựa vào đây để tính các bài tốn khác liên quan đến hiệu suất ghi. Một số đỉnh của 35Clo cĩ 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. 35
  46. Kết quả đường cong hiệu suất cho R2 = 0.993149, xấp xỉ 1, sai số tồn đường cong hiệu suất tương đối nhỏ là 1.73%, điều này cho thấy kết quả đo thực nghiệm cĩ sự phù hợp tốt với mơ 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. 36
  47. 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 lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt. Các nội dung chính đã thực hiện hồn thành trong luận văn này được tĩm 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 lị 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 tốn để xác định hàm hiệu suất ghi tuyệt đối của hệ phổ kế. Kết quả quan trọng của khĩa luận này là xác định được hiệu suất ghi tuyệt đối và thiết lập được đường cong hiệu suất trên tồn dải năng lượng từ 0-8 MeV đối với phổ kế PGNAA tại lị 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 cơng luận văn tốt nghiệp này, sinh viên đã nâng cao được kỹ năng và kinh nghiệm quy báu trong cơng 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. 37
  48. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Ngơ Quang Huy, (2006), Cơ sở Vật lý Hạt Nhân, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Phạm Ngọc Sơn, (2011), Phát triển dịng nơtron phin lọc trên kênh ngang số 2 của Lị 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 cĩ 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 lị 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, Khĩa 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. 38
  49. [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. 39