Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BE5030

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



Lê Đức Thiện



Xác định các đặc trƣng của hệ phổ kế
gamma bán dẫn Be5030



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





Hà Nội – Năm 2012

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 2


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


Lê Đức Thiện


Xác định các đặc trƣng của hệ phổ kế
gamma bán dẫn Be5030

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân
và năng lƣợng cao
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI VĂN LOÁT



Hà Nội – Năm 2012
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 3



MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT 8
MỞ ĐẦU 9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI 10
1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani 10
1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia
gamma và tia X 10
1.1.2. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani 12
1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ 15
1.3. Độ phân giải năng lƣợng 16
1.4. Tỉ số bề rộng đỉnh 17
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18
2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra 18
2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng của hệ phổ kế gamma bán dẫn
BEGe – Canberra 19
2.2.1. Đêtectơ BEGe 19
2.2.2. Buồng chì 20
2.2.3. Khối tiền khuếch đại 20
2.2.4. Khối khuếch đại phổ 21
2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D 21
2.2.6. Khối phân tích đa kênh 22
2.3. Đƣờng chuẩn năng lƣợng 22
2.4. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi 23
2.5. Phƣơng pháp hiệu chỉnh chồng chập xung 25
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 4

2.6. Hiệu ứng cộng đỉnh 26
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 27
3.1. Xác định chế độ làm việc của hệ phổ kế BEGe – Canberra 27
3.2. Đƣờng chuẩn năng lƣợng 30
3.3. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lƣợng vào năng lƣợng bức xạ
gamma. 32

3.4. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi. 35
3.5. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách 40
3.6. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi, phân tích mẫu đất đá. 42
3.7. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của U, Th, K trong mẫu đất đá. 45
KẾT LUẬN 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHỤ LỤC 52


















Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Độ phân giải năng lƣợng tại vạch 661.66 keV ứng với thời gian hình
thành của xung 28
Bảng 3.2. Số liệu các tia gamma đƣợc chọn để chuẩn năng lƣợng và vị trí cực đại
(kênh) tƣơng ứng 30
Bảng 3.3. Độ phân giải năng lƣợng ( FWHM ) η đêtectơ BEGe –Canberra 32
Bảng 3.4. Các thông số của nguồn chuẩn dùng trong luận văn 34
Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức
xạ gamma đƣợc chọn để tính hiệu suất ghi của đêtectơ ở khoảng cách 8cm 35
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức
xạ gamma đƣợc chọn để tính hiệu suất ghi của đêtectơ ở khoảng cách 9
cm 37
Bảng 3.7. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trƣng
cho các đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn 43
Bảng 3.8.a. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong
dãy Uran, Thori và kali trong mẫu đất đá BN 47
Bảng 3.8b. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy
Uran, Thori và kali trong mẫu đất đá BT 47
Bảng 3.8c. Hàm lƣợng U,Th,K trong 02 mẫu đất đá phân tích 48




Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1a. Sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đetectơ bán dẫn BEGe – Canberra
18
Hình 2. 1b. Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra 19

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng của năng lƣợng tại một nửa
chiều cao của đỉnh (FWHM ) và độ rộng năng lƣợng tại 1/10 chiều cao của đỉnh
(FWTM), tỉ số ( FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn
137
Cs ở khoảng cách từ nguồn tới đetectơ 8cm 29
Hình 3.2. Dạng phổ gamma tại đỉnh năng lƣợng 661,66 keV của nguồn
137
Cs đƣợc
ghi nhận bởi hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra với thời gian hình thành
xung 1 μs 30
Hình 3.3. Dạng phổ gamma tại đỉnh năng lƣợng 661,66 keV của nguồn
137
Cs đƣợc
ghi nhận bởi hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra với thời gian hình thành
xung 4 μs 30
Hình 3.4. Dạng phổ của nguồn
60
Co đƣợc ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn
BEGe- Canberra, ở khoảng cách 8cm 31
Hình 3.5. Đƣờng chuẩn năng lƣợng đetectơ BEGe – Canberra 33

Hình 3.6. Độ phân giải năng lƣợng phụ thuộc vào năng lƣợng của bức xạ
gamma 34
Hình 3.7. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách giữa nguồn
và đêtectơ của nguồn
54
Mn đƣợc ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn
Canberra 36
Hình 3.8. Đồ thị đƣờng cong hiệu suất ghi đƣợc ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma
bán dẫn Canberra ở khoảng cách cách nguồn là 8 cm 39

Hình 3.9. Đồ thị đƣờng cong hiệu suất ghi đƣợc ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma
bán dẫn Canberra ở khoảng cách cách nguồn là 9 cm 41
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 7

Hình 3.10. Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU khối lƣợng 99g đƣợc đo trên hệ phổ kế
gamma BE5030 với thời gian đo 74349 s 44
Hình 3.11. Đƣờng cong hiệu suất ghi đƣợc ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn
với mẫu chuẩn RGU1 đƣợc đặt trên nắp đêtectơ 46
Hình 3.12a. Phổ gamma của mẫu đất đá BN đƣợc đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn
BE5030 thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQGHN thời gian đo 55253s 47
Hình 3.12b. Phổ gamma của mẫu đất đá BT đƣợc đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn
BE5030 thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, thời
gian đo 230031s 48
Hình P1.Buồng chì vỏ ngoài bằng thép cacbon phông thấp dày 9,5mm 5 1
Hình P2.Lớp che chắn bên trong bằng đồng dày 1,6mm và đêtectơ 51












Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
ε
abs
: Hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần
N: Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
A: Hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo
t
m
: Thời gian đo
I
γ
: Hệ số phân nhánh của bức xạ gamma năng lƣợng E còn gọi là xác suất phát
bức xạ gamma.
σ: Sai số hiệu suất ghi
E: Năng lƣợng bức xạ gamma
F: Hệ số Fano phản ánh mức độ gián đoạn của sự truyền năng lƣợng bức xạ ion hóa
cho các cặp phần tử tải điện
ω: Năng lƣợng cần thiết để tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.
n: Tốc độ đếm đã trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc
trƣng năng lƣợng E
γ
.
Ultra- LEGe: Đêtectơ Gecmani năng lƣợng siêu thấp
LEGe: Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp
REGe :Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc
XtRa: Đêtectơ Ge đồng trục dải rộng
BEGe: Đêtectơ dải năng lƣợng rộng
FWHM: Độ rộng nửa chiều cao của đỉnh phổ hay Độ phân giải năng lƣợng

FWTM: Độ rộng tại 1/10 chiều cao của đỉnh phổ
ADC: Bộ biến đổi tƣơng tự số
MCA:Máy phân tích biên độ nhiều kênh

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 9

MỞ ĐẦU
Phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các nghiên
cứu cơ bản cũng nhƣ ứng dụng của khoa học và công nghệ hạt nhân. Độ phân giải
năng lƣợng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trƣng quan trọng nhất của phổ
kế gamma. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế gamma dải rộng
với đêtectơ có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của đetectơ và
mở rộng dải năng lƣợng đo đƣợc về phía năng lƣợng lớn. Cùng với tự mở rộng dải
đo về phía năng lƣợng lớn, các đêtectơ có cửa sổ bằng cacbon màng mỏng cho phép
mở rộng dải về phía năng lƣợng thấp để ghi nhận các tia gamma mềm và tia X.
Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đƣợc trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải
năng lƣợng rộng, làm lạnh bằng điện do hãng Canberra chế tạo. Hệ phổ kế đƣợc
nghiệm thu chính thức vào tháng 11 năm 2011. Xác định các đặc trƣng cơ bản của
hệ phổ kế một cách có hệ thống là cần thiết để phục vụ cho việc vận hành và bảo
dƣỡng .
Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xác định các đặc
trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 ”, tác giả đƣợc giao những nhiệm vụ
sau:
Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, nguyên lí hoạt động của hệ phổ kế gamma bán dẫn
dải năng lƣợng rộng – Canberra và xác định chế độ làm việc của hệ.
Xác định bằng thực nghiệm độ phân giải năng lƣợng của đêtectơ.
Xây dựng đƣờng chuẩn năng lƣợng và đƣờng cong hiệu suất ghi. Khảo sát sự
phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ.

Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn, áp dụng phân tích
một số mẫu đất đá. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của
238
U,
232
Th,
40
K
Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ và 10 bảng biểu, đƣợc hoàn
chỉnh dựa trên 12 tài liệu tham khảo.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng
Chƣơng 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani
Chƣơng 2. Phƣơng pháp thực nghiệm
Chƣơng 3. Kết quả thực nghiệm.

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 10

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN
GECMANI
1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma
và tia X
Nhờ sự phát triển của thiết bị ghi đo ngày nay phép đo phổ đã có những tiến
bộ đáng kể. Giai đoạn đầu các đầu dò còn khá thô sơ và chỉ có thể dùng để xác định
sự hiện diện của bức xạ. Ở giai đoạn thứ hai các đầu dò có thể đo đƣợc cƣờng độ
bức xạ nhƣng thông tin về năng lƣợng cung cấp đƣợc còn rất hạn chế. Ngày nay các
đầu dò hiện đại có độ phân giải tốt hiệu suất ghi cao cho phép đo đƣợc chính xác
cƣòng độ và năng lƣợng của bức xạ. Sau đây là các mốc thời gian đáng chú ý trong
suốt quá trình phát triển và ứng dụng đetectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma

[10]
Năm 1895, Rơnghen đã thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện
chứa khí. Tia X có thể đƣợc đo bằng phƣơng pháp huỳnh quang vì chúng có khả
năng làm phát quang một số vật liệu. Phổ kế quang học ứng dụng hiện tƣợng tán sắc
ánh sáng có thể đƣợc dùng để đo bƣớc sóng tia X nhƣng cũng chỉ đo đƣợc bƣớc
sóng tia X lớn hơn 0,1nm. Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể
tinh khiết tự nhiên, Bragg đã đo đƣợc tia X có bƣớc sóng bé hơn và nhận thấy rằng
phổ tia X có cấu trúc vạch phân rõ trên nền phông liên tục.
Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tƣợng phóng xạ tự nhiên khi tình
cờ đặt các mẫu quặng phóng xạ uranium gần kính ảnh.
Năm 1900, Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không
những phát ra các tia α và β có thể bị lệch trong từ trƣờng mà còn phát ra một loại
bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh đƣợc gọi là tia gamma. Cùng với những
nghiên cứu đầu tiên về tia X và tia gamma, các thiết bị ghi bức xạ tia X và tia
gamma cũng phát triển theo.
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 11

Năm 1908, Rutherford và Geiger đã phát minh ra ống đếm chứa khí cho
phép đo cƣờng độ của chùm tia X và tia gamma, đây là tiến bộ nhảy vọt so với kỹ
thuật xử lý bằng kính ảnh trƣớc đó.
Năm 1948, Hofstadter đã chế tạo ra đêtectơ nhấp nháy NaI(T1) có khả năng
đo đƣợc phổ gamma với dải năng lƣợng rộng hơn. Tinh thể chất nhấp nháy đƣợc
chế tạo có kích thƣớc ngày càng lớn cho nên có khả năng hấp thụ các tia gamma có
năng lƣợng cao thậm chí lên tới 1 MeV. Các đặc trƣng cơ bản của đêtectơ nhấp
nháy là có hiệu suất ghi và độ phân giải tƣơng đối cao
( FWHM cỡ 45 keV tại vạch năng lƣợng 662 keV của đồng vị phóng xạ
137
Cs), tinh
thể nhấp nháy có tính chất vật lý và hóa học ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng.

Hiện nay đêtectơ nhấp nháy vẫn còn đang đƣợc sử dụng khá phổ biến vì chúng đơn
giản và dễ vận hành, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng ,giá thành rẻ.
Năm 1960, một thế hệ phổ kế gamma mới đƣợc nghiên cứu chế tạo dựa theo
cơ chế nhiễu xạ chùm tia gamma trên tinh thể của Bragg, gọi là hệ phổ kế tinh thể.
Loại phổ kế gamma này có độ phân giải rất cao ( FWHM cỡ 1 eV tại vạch năng
lƣợng 100 keV) ở vùng năng lƣợng thấp. Nhƣợc điểm cơ bản của loại phổ kế
gamma này là hiệu suất ghi rất thấp, do đó chỉ dùng để đo một số ít nguồn phóng xạ
tia gamma có cƣờng độ lớn và nhờ có độ chính xác cao nên chúng đƣợc dùng để
chuẩn các hệ phổ kế gamma khác trong suốt một thời gian dài của kỷ nguyên ứng
dụng đêtectơ nhấp nháy.
Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công
đêtectơ Ge (Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng
vật liệu bán dẫn để chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng nhƣ
các loại đetectơ phát hiện các hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại
đêtectơ này phải chế tạo dƣới dạng tinh thể . Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn nhƣ
silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại đêtectơ ghi nhận bức xạ tia
X và tia gamma có độ phân giải cao này. Các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Ge
cho phép đo đƣợc một dải năng lƣợng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm bằng vật
liệu bán dẫn Si chỉ đo đƣợc ở vùng năng lƣợng thấp vì số nguyên tử của silicon
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 12

thấp. Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ 5 keV tại vạch năng lƣợng
1332 keV của đồng vị phóng xạ
60
Co ) và tốt hơn 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy
NaI (T1). Việc nâng cao độ phân giải có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lịch sử
chế tạo phổ kế gamma ở cả hai mặt nghiên cứu gamma đơn năng có mặt trong phổ.
Đặc biệt từ năm 1980 ngƣời ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn
gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn

trƣớc đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phƣơng pháp phân tích hạt
nhân. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lƣợng tia gamma quan tâm,
ngƣời ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng Canberra nhƣ Ultra
LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6].
1.1.2. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
Đêtectơ Gecmani
Đêtectơ Gecmani [6] là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng
bên trong ( I ) là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ. Khi
photon tƣơng tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ
trống và electron) và dƣới tác dụng của thế ngƣợc chúng di chuyển tới cực P và N.
Lƣợng điện tích này tỉ lệ với năng lƣợng của các photon tới và đƣợc chuyển thành
các xung điện đƣa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích.
Vì Gecmani có độ rộng vùng cấm thấp cho nên các đêtectơ phải đƣợc làm
lạnh để làm giảm nhiệt của việc phát sinh các hạt tải điện tới một mức có thể chấp
nhận đƣợc, nếu không việc rò rỉ tiếng ồn có thể làm phá hủy độ phân giải năng
lƣợng của đêtectơ. Nitơ lỏng, có nhiệt độ 77
0
K là nguyên liệu phổ biến để làm lạnh
cho các đêtectơ. Các đêtectơ thƣờng đƣợc gắn vào một buồng chân không đƣợc kết
nối hoặc chèn vào hệ thống làm mát LN
2
, khi đó các bề mặt rất nhạy của đetectơ sẽ
đƣợc bảo vệ trƣớc độ ẩm và những chất gây ô nhiễm khác.
Khi năng lƣợng bức xạ gamma bay vào vật chất nó sẽ tạo nên electron tự do
– lỗ trống thông qua ba quá trình tƣơng tác hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và
tạo cặp [3]. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các
electron chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống. Nhƣ vậy thông qua các hiệu
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 13

ứng tƣơng tác, bức xạ gamma đã tạo ra hàng loạt các electron và các lỗ trống trong
tinh thể bán dẫn. Dƣới tác dụng của điện trƣờng các electron chuyển động về cực
dƣơng, các lỗ trống chuyển động về cực âm, kết quả ta có một xung dòng ở lối ra.
Một số đêtectơ Ge do hãng Canberra đã chế tạo ra: đêtectơ Ultra- LEGe,
đêtectơ năng lƣợng thấp (LEGe), đêtectơ giếng Gecmani, đêtectơ phân cực ngƣợc,
đêtectơ đồng trục khoảng rộng (XtRa), đêtectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe), đêtectơ
dải năng lƣợng rộng ( BEGe).
Đêtectơ Gecmani năng lƣợng siêu thấp ( Ultra- LEGe )
Đêtectơ ULEGe [1] của hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính của đêtectơ Ge
xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải, dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên
nền khi mà ta nghĩ là không thể đạt đƣợc đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử (
Z=32) và do đó phủ một dải rộng năng lƣợng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào
trên thị trƣờng. Đêtectơ ULEGe có khả năng phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM)
tại 5,9 keV. Do đặc trƣng năng lƣợng thấp của ULEGe, Canberra cung cấp sự chọn
lựa cửa sổ cryostat màng polymer. Cửa sổ Polymer này là một màng nhiều lớp đƣợc
đỡ bằng cấu trúc xƣơng Silic. Màng đƣợc mở rộng ra trên các xƣơng Silic cỡ
100μm, có độ dày 0,3mm và hoạt động nhƣ một Collimator.
Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp
Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới
trong hình học đêtectơ Ge với những ƣu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản
mỏng (planar) hoặc đồng trục thông thƣờng có nhiều ứng dụng. Đêtectơ LEGe đƣợc
chế tạo với tiếp xúc phía trƣớc mỏng. Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần
và do đó điện dung của đêtectơ bé hơn điện dung của đêtectơ planar có cùng kích
thƣớc. Vì tạp âm của tiền khuếch đại là hàm số của tụ đêtectơ, cho nên LEGe cố
gắng làm cho tạp âm thấp hơn và do đó khả năng phân giải tốt hơn tại năng lƣợng
thấp và vừa so với bất kỳ hình học đêtectơ nào khác. Không giống các đêtectơ
planar rãnh, có ít gecmani chết ngoài vùng hoạt. Thực tế là bề mặt tụ điện tích hơn
là cách điện , điều này dẫn đến ít xung thời gian tăng dài với đặc trƣng tần số và tỷ
số đỉnh trên nền đƣợc cải thiện. Đêtectơ LEGe có vùng hoạt từ 50 mm
2

tới 38 cm
2

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 14

và với độ dày từ 5 tới 25mm. Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lƣợng
gamma trung bình, LEGe có thể thay thế một đêtectơ đồng trục dung tích lớn đắt
tiền. Lợi dụng ƣu điểm đáp ứng năng lƣợng thấp của đetectơ cửa sổ mỏng cơ bản
này, LEGe thƣờng đƣợc trang bị với cửa sổ Be mỏng. Đối với bài toán đo bức xạ
gamma hoặc tia X có năng lƣợng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể đƣợc trang bị
với một cửa sổ nhôm 0,5 mm thông thƣờng.

Đêtectơ Gecmani đồng trục
Đêtectơ đồng trục thông thƣờng hay đƣợc xem nhƣ đêtectơ Ge tinh khiết [1]
,về cơ bản đầu dò là Ge hình trụ với tiếp xúc loại N trên mặt ngoài tiếp xúc loại P
trên mặt của giếng đồng trục. Gecmani có mức tạp chất thực cỡ 10
10
nguyên tử /
cm
3
sao cho với điện áp ngƣợc thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực đƣợc
làm nghèo và điện trƣờng mở rộng qua vùng hoạt này. Tƣơng tác của photon trong
vùng này tạo nên các phần tử mang điện bị quét bằng điện trƣờng tới các điện cực
tụ của nó, ở đây một tiền khuếch đại nhạy điện tích biến đổi điện tích này thành
xung thế tỷ lệ với năng lƣợng bị mất trong đầu dò. Dải năng lƣợng sử dụng của
đêtectơ Ge đồng trục là 50 keV đến hơn 10 MeV .
Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc
Đêtectơ điện cực ngƣợc ( REGe ) [1] khác với các đêtectơ đồng trục thông
thƣờng khác đó là điện cực của đêtectơ REGe ngƣợc với đêtectơ đồng trục thông

thƣờng trong đó điện cực loại P, ( B đƣợc nuôi cấy ion ) bên ngoài và tiếp xúc loại
N ( khuếch tán Li ) bên trong. Ƣu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ và
chống hỏng hóc do bức xạ.
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] là một đetectơ Ge đồng trục có một tiếp xúc
cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trƣớc mở rộng dải năng lƣợng xuống tới 3 keV. Các
đêtectơ đồng trục thông thƣờng có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày giữa
0,5 và 1,5 mm. Lớp chết này dừng hầu hết các photon có năng lƣợng dƣới 40 keV.
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 15

Đêtectơ giếng Gecmani
Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho các mẫu nhỏ gần nhƣ đƣợc
bao quanh bằng vật liệu đêtectơ hoạt. Đêtectơ giếng đƣợc chế tạo bằng một lỗ cụt
để lại ít nhất 5mm độ dày đêtectơ hoạt tại đáy của giếng. Đêtectơ giếng đƣợc chế
tạo từ Ge có độ tinh khiết cao có thể đƣợc vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ
phòng mà không bị hỏng .
Đêtectơ dải năng lƣợng rộng (BEGe) đƣợc trình bày trong phần 2 của khóa
luận này.
1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ
Khi photon đi vào đêtectơ, tƣơng tác với vật liệu đầu dò theo một trong các
hiệu ứng sau: Hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton , tán xạ Thomson, hiệu ứng tạo
cặp. Trong đó hiệu ứng quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lƣợng toàn phần của
photon cho đêtectơ còn các hiệu ứng khác chỉ chuyển một phần năng lƣợng của
photon cho đêtectơ.
Trong thực tế điều cần xác định là các đặc trƣng của tia gamma cũng nhƣ các
đặc trƣng của nguồn cần quan tâm. Các đặc trƣng này có thể là năng lƣợng của tia
gamma hay hoạt độ của nguồn, trong khi đó cái mà ta thu đƣợc chỉ là số đếm ghi
nhận từ đầu dò. Để có thể xác định đƣợc hoạt độ của nguồn từ số đếm cần phải biết
hiệu suất ghi của đêtectơ.

Không phải bất kỳ hạt nào, đặc biệt là photon và nơtron khi đi vào đêtectơ
đều tƣơng tác với nó, hơn nữa nếu tƣơng tác đã xảy ra thì tín hiệu cũng chỉ ghi nhận
đƣợc khi độ lớn của nó vƣợt ngƣỡng nhạy của hệ ghi. Xác suất ghi có thể phụ thuộc
vào loại bức xạ, năng lƣợng của nó, kích thƣớc hình học của đêtectơ, dạng hình học
của các nguồn bức xạ, mức phân biệt của thiết bị ghi nhận (mức nhạy ).
Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thƣờng quan tâm tới hiệu
suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần. Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn
phần thƣờng đƣợc gọi là hiệu suất ghi tuyệt đối, đƣợc xác định theo công thức sau:

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 16


()
abs
rm
N
E
AI t


(1.1)
Trong đó : ε
abs
là hiệu suất ghi tuyệt đối
N là diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo

t
m

là thời gian đo
I
γ
là hệ số phân nhánh của bức xạ gamma năng lƣợng E còn gọi là xác
suất phát bức xạ gamma.
Từ công thức ( 1.1) và công thức truyền sai số, xác định sai số hiệu suất ghi [5] :

2
22
I
AN
A I N







   
  

   

   


(1.2)
1.3. Độ phân giải năng lƣợng
Trong trƣờng hợp lí tƣởng mỗi tia gamma có năng lƣợng giống nhau sẽ cho

cùng số kênh trên phổ gamma. Nhƣng thực tế các đỉnh phổ trải rộng trên một số
kênh, với ƣu thế tại một kênh trung tâm, mà chúng ta có thể xác định ứng với năng
lƣợng của tia gamma, nguyên nhân là do có thăng giáng trong quá trình phát hiện và
ghi nhận, gây ra các sự kiện giống nhau nhƣ số đếm trên các kênh phổ khác nhau.
Thăng giáng của các nguồn có thể đƣợc xác định bởi biểu thức[10]

2 2 2 2 2
I P E C
    
   
(1.3)
Trong đó η là tổng thăng giáng năng lƣợng đƣợc đo bằng phổ kế.

I

thăng giáng năng lƣợng do độ rộng mức năng lƣợng.

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

2.355 /
P
FE



(1.4)
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 17

trong đó : E là năng lƣợng bức xạ gamma, F là hệ số Fano phản ánh mức độ gián
đoạn của sự truyền năng lƣợng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là
năng lƣợng cần thiết để tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.

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

.
C
CE


(
C
là hệ số tỷ lệ
onsC c t
). (1.5 )

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

e
A


( A là hằng số tỷ lệ ) ( 1.6 )
Trong các trƣờng hợp có thể bỏ qua thăng giáng do độ rộng mức năng lƣợng

[10]:
Suy ra
2 2 2 2 2 2 2 2
P C E
P E C E A
   
     
( 1.7 )

2 2 2 2
P E C E A

  
(1.8)
Thăng giáng về năng lƣợng của một tia gamma để lại trong hạt nhân nên phổ
thƣờng có độ rộng hữu hạn ∆E. Nếu độ rộng ∆E càng nhỏ, tức là đỉnh càng hẹp thì
càng có thể phát hiện những đỉnh nằm cạnh nhau. Nhƣng nếu độ rộng ∆E càng lớn,
các đỉnh lân cận nhau không thể tách rời thì chúng đƣợc xem nhƣ một đỉnh. Nhƣ
vậy chính độ rộng đỉnh quy định khả năng phân giải của thiết bị đo phổ.
1.4. Tỉ số bề rộng đỉnh
Bên cạnh việc xác định FWHM của đỉnh phổ, thì bề rộng của đỉnh phổ còn
đƣợc đo bằng thông số khác là FWTM, là bề rộng tại 1/10 chiều cao. Ngƣời ta đƣa
ra tỉ số FWTM/FWHM để làm thông số đánh giá hình dạng của phổ [8]. Đối với
đỉnh Gauss lí tƣởng thì tỉ số này là 1,82 còn trong thực tế tỉ số này nhỏ hơn 1,9. Tại
các vùng năng lƣợng cao, dạng của phổ ít bị ảnh hƣởng của độ ồn điện tử, nhƣng lại
chịu ảnh hƣởng của quá trình thu nhận điện tích ( ví dụ nhƣ các bẫy điện tử hoặc
vùng điện trƣờng yếu…) dẫn tới sự bất đối xứng của phổ và hình thành các đuôi.
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 18

CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra
Hình 2.1a là sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ BEGe do hãng
Canberra cung cấp đƣợc đặt tại bộ môn vật lý hạt nhân, khoa vật lý trƣờng Đại học
Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Hình 2.1b là sơ đồ khối của hệ phổ kế
trên.


Hình 2. 1a. Sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ bán dẫn BEGe -
Canberra
Chất lƣợng của một hệ phổ kế đƣợc đánh giá bởi các thông số: Hiệu suất ghi,
độ phân giải năng lƣợng (FWHM), dải năng lƣợng có thể ghi nhận, tỷ số đỉnh trên
phông, độ tuyến tính và ổn định của ADC…Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra gồm: buồng chì, đêtectơ bán dẫn Ge giải năng lƣợng rộng (BEGe), các hệ
điện tử nhƣ tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tƣơng tự số (ADC) , máy
phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp… Ngoài ra, còn có thể có
các bộ phận khác nhƣ máy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để
hiệu chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm trong trƣờng hợp tốc độ đếm lớn, bộ
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 19

khuếch đại phổ… Hệ phổ kế đƣợc ghép nối với máy tính thông qua card ghép nối,
việc ghi nhận và xử lý phổ đƣợc thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng nhƣ
Genie 2000, Gamma Vision


Hình 2. 1b. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra
1. Đêtectơ BEGe 5. Khuếch đại tuyến tính
2. Nguồn nuôi cao áp 6. Máy phân tích biên độ nhiều kênh
3. Tiền khuếch đại 7. Máy tính

4. Máy phát xung chuẩn
2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra
2.2.1. Đêtectơ BEGe
Có dải năng lƣợng rộng từ 3 keV tới 3 MeV[6]. Độ phân giải năng lƣợng ở
vùng năng lƣợng thấp của BEGe tƣơng đƣơng với độ phân giải năng lƣợng của
đêtectơ Ge năng lƣợng thấp, độ phân giải năng lƣợng ở vùng năng lƣợng cao tƣơng
đƣơng với độ phân giải năng lƣợng của đêtectơ đối xứng trục chất lƣợng tốt.
Quan trọng nhất là BEGe có hình dạng ngắn và to giúp tăng hiệu suất ghi
dƣới 1 MeV cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình. Hình dạng đêtectơ đƣợc chọn
cho hiệu suất ghi tối ƣu đối với các mẫu thực tế trong dải năng lƣợng là quan trọng
nhất để phân tích phổ gamma. Ngoài ra đêtectơ còn cho hiệu suất ghi cao hơn cho
các mẫu điển hình, BEGe có phông nền thấp hơn so với đêtectơ đối xứng trục điển
hình vì nó có độ phân giải tốt với bức xạ năng lƣợng cao, phông có nguồn gốc vũ
1
2

3
5
6
7

4

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 20

trụ xuyên vào phòng thí nghiệm trên mặt đất và năng lƣợng gamma từ các đồng vị
phóng xạ trong tự nhiên ví dụ nhƣ
40

K và
208
Tl.
Đối với các mẫu thông thƣờng, đêtectơ BEGe có nhiều ứng dụng vƣợt trội,
với phép đo liều lƣợng BEGe cho độ phân giải cao và phông thấp để phân tích dãy
phóng xạ
235
92
U, hiệu suất ghi và độ phân giải năng lƣợng ở mức cao cho toàn bộ các
lần đếm, điều này cũng đúng cho hệ thống phân tích hao mòn nhất là đối với vật
chất có hạt nhân đặc biệt.
Trong luận văn này sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải năng lƣợng rộng
( BEGe ) model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đƣờng kính 80.5mm,
diện tích 5000 mm
2
, chiều dày 31mm, làm lạnh bằng điện cần 24 giờ để làm lạnh
đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90K, đetectơ do
hãng Canberra sản xuất [5]. Phần mềm Genie 2000 đƣợc sử dụng để ghi nhận, lƣu
trữ và phân tích phổ. Khi bức xạ gamma bay vào đầu dò, do tƣơng tác của bức xạ
gamma với vật chất, các cặp điện tích trong đầu dò sẽ đƣợc hình thành. Số lƣợng
cặp điện tích này tỷ lệ với năng lƣợng của tia gamma bị hao phí trong đầu dò. Các
khối điện tử có nhiệm vụ xử lý các xung này và sau đó hiển thị trên máy tính dƣới
dạng phân bố của tia gamma đƣợc ghi nhận theo năng lƣợng của chúng.
2.2.2. Buồng chì
Để giảm bớt phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố
xung quanh đêtectơ làm ảnh hƣởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo đƣợc, điều
tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp. Với đêtectơ BEGe dạng thẳng đứng
sử dụng buồng chì có vỏ ngoài làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9,5
mm, phần chì phông thấp dày 10cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm có
phông phóng xạ dày 1mm và đồng tinh khiết dày 1,6 mm, trọng lƣợng 950 kg.

2.2.3. Khối tiền khuếch đại
Tiền khuyếch đại đƣợc nối trực tiếp với đêtectơ. Khả năng tốc độ đếm >~
30000 số đếm / s (
60
Co ), lối vào cao thế cung cấp cho đêtectơ từ 0 đến ± 5 kV DC,
lối ra cấm cao thế ±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại <0,005% với dải nhiệt độ 0
đến +50
0
C. Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu từ đêtectơ. Khối tiền
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 21

khuếch đại quyết định độ phân giải năng lƣợng của phổ kế. Các phổ kế sử dụng
đêtectơ Ge thƣờng đƣợc sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích. Đặc điểm quan
trọng của loại này là nó không phụ thuộc vào sự biến đổi điện dung của đêtectơ
nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi. Khối tiền khuếch đại thƣờng đƣợc
đặt sát với đêtectơ và làm lạnh để giảm mức ồn nhiệt. Tiếng ồn trong tiền khuyếch
đại nhạy điện tích phụ thuộc vào ba yếu tố: tranzito trƣờng, điện dung lối vào và
điện trở lối ra.
2.2.4. Khối khuếch đại phổ
Có hệ số khuếch đại thô điều chỉnh đƣợc bằng chuyển mạch có 8 vị trí X5;
10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000. Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh đƣợc bằng chiết
áp nhiều vòng chính xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0,5 – 1,5 của thang khuếch đại
tƣơng ứng. Thời gian hình thành xung điều chỉnh đƣợc bằng núm chuyển mạch, có
6 vị trí 0,5; 1; 2; 4; 6;12 μs có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại
( thông qua biên độ nhỏ hơn 1 V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý
một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối này còn có các mạch tạo dạng
xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu / tiếng ồn ( S/ N ) và ngăn ngừa sự chồng chập
xung. Trong các mạch tạo xung thì mạch CR-RC thƣờng hay đƣợc sử dụng nhất.
Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi nhƣ một bộ

lọc chỉ cho tần số thấp qua. Kết hợp hai mạch này ta có thể đƣợc xung lối ra có
dạng gần Gauss và có tỉ số S/N tối ƣu.
2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D
Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đêtectơ có mức điện áp trên 6
kV và cƣờng độ dòng trên 30μA. Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V
tới ±6000 V. Với các đêtectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung
bình trong khoảng từ ±3 V tới ± 600V và phải đảm bảo độ ổn định. Do vậy khối cao
thế thƣờng có các mạch điện tử cho phép điều chỉnh quá trình trôi do thay đổi nhiệt
độ hoặc điện áp nguồn nuôi. Do khối tiền khuếch đại chứa tranzito trƣờng nên cao
thế đặt trên đêtectơ phải đƣợc nâng lên hoặc hạ xuống một cách từ từ, tránh tăng
hoặc giảm một cách đột ngột dẫn đến có thể làm hỏng tranzito trƣờng.
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 22

2.2.6. Khối phân tích đa kênh
Gồm có bộ biến đổi tƣơng tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA). Bộ biến đổi
tƣơng tự số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số. Phƣơng
pháp phổ biến nhất là phƣơng pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V
0
đƣợc so
sánh với điện áp tăng tuyến tính V
r
cho đến khi V
r
= V
0
thì xuất hiện một xung mở
cổng. Độ rộng của xung này bằng khoảng cách thời gian cần thiết để V
r
= V

0
.Trong
thời gian cổng đƣợc mở các xung đồng hồ tần số cao đƣợc đi qua cổng và đƣợc đếm
bởi bộ đếm địa chỉ. Số đếm này tỉ lệ với biên độ xung lối vào V
0
và xác định địa chỉ
cho xung lối vào trong bộ phân tích đa kênh (MCA) và tại địa chỉ này bộ nhớ số
đếm sẽ tăng thêm một đơn vị. Các tia gamma có năng lƣợng khác nhau lần lƣợt
đƣợc biến đổi nhƣ vậy sẽ tạo ra một hình ảnh phân bố biên độ xung ( phân bố tia
gamma theo năng lƣợng của chúng ) hay còn gọi là phổ gamma. Số địa chỉ của một
bộ phân tích đa kênh 16000 kênh với bề rộng của mỗi kênh tƣơng ứng với năng
lƣợng là 0.5keV.
2.3. Đƣờng chuẩn năng lƣợng
Đƣờng chuẩn năng lƣợng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại đỉnh
hấp thụ toàn phần vào năng lƣợng của vạch bức xạ gamma tƣơng ứng. Để xây dựng
đƣờng chuẩn năng lƣợng bằng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ
toàn phần của vạch gamma đã biết trƣớc năng lƣợng. Nguồn chuẩn năng lƣợng là
nguồn đã biết trƣớc năng lƣợng của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn. Với những
nguồn phức tạp gồm nhiều thành phần thì đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ
gamma có năng lƣợng thấp nằm trên nền Compton liên tục của bức xạ gamma có
năng lƣợng cao. Những bức xạ gamma có năng lƣợng lớn và cƣờng độ mạnh, sẽ
làm sai lệch vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch gamma có năng lƣợng nhỏ và
cƣờng độ yếu. Sự dịch chuyển đỉnh phổ của bức xạ gamma có năng lƣợng nhỏ rất
rõ trong trƣờng hợp bức xạ này có giá trị trùng với biên Compton liên tục của bức
xạ gamma năng lƣợng lớn. Độ chính xác của việc xây dựng đƣờng chuẩn năng
lƣợng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định vị trí cực đại của đỉnh đƣợc chọn
làm chuẩn để xây dựng đƣờng chuẩn. Tốt nhất là chọn nguồn chuẩn năng lƣợng là
các nguồn gamma đơn năng. Các đỉnh đƣợc chọn xây dựng đƣờng chuẩn năng
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 23

lƣợng có giá trị phân bố đều trong vùng năng lƣợng gamma quan tâm là tốt nhất.
Trên thực tế, nếu không có nguồn chuẩn gamma đơn năng, có thể sử dụng nguồn
gamma phức tạp có nhiều thành phần. Trong các vạch gamma của nguồn phức tạp,
chọn vạch phổ có năng lƣợng lớn nhất, những vạch có cƣờng độ mạnh và ở xa các
vạch khác.
Trong chƣơng trình Genie 2000 đƣờng chuẩn năng lƣợng đƣợc xử lý tự
động. Với mỗi đỉnh năng lƣợng đƣợc chọn, nhập số liệu năng lƣợng bức xạ gamma,
sau khi xử lí phổ, vị trí cực đại của đỉnh đƣợc xác định. Từ tập hợp các số liệu thu
đƣợc sau khi phân tích phổ gamma của các nguồn chuẩn, chúng tôi xác định đƣợc
vị trí cực đại của các vạch đƣợc chọn. Từ đó, chƣơng trình xử lý phổ tự động đƣa ra
đƣờng chuẩn năng lƣợng. Với chƣơng trình này cho phép phân tích thành phần phổ
gamma đƣợc ghi nhận bởi hệ phổ kế.
2.4. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi
Để xác định hàm lƣợng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích,
theo phƣơng pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với vạch hấp
thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trƣng. Vì vậy, ngoài xây dựng đƣờng chuẩn
năng lƣợng, trƣớc khi đƣa hệ phổ kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định đƣợc
hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với các năng lƣợng gamma trong dải năng lƣợng làm
việc của đêtectơ. Đƣờng cong hiệu suất ghi là đƣờng cong mô tả sự phụ thuộc của
hiệu suất ghi vào năng lƣợng bức xạ gamma. Có thể xác định hiệu suất ghi của
đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm. Việc tính toán hiệu suất
ghi thƣờng đƣợc sử dụng phƣơng pháp Monte- Carlo dựa trên việc mô hình hóa lịch
sử của các photon. Tuy nhiên phƣơng pháp này đòi hỏi những thông tin chính xác
về kích thƣớc vùng nhạy, vùng chết của tinh thể, hình học nguồn – đêtectơ, thành
phần, mật độ của vật chất đêtectơ, hệ số tắt dần của photon, tiết diện tƣơng tác của
photon với vật chất,…vì thế dễ mắc phải sai số trong tính toán.
Trong thực tế, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm để xác
định hiệu suất ghi là thiết lập một công thức bán thực nghiệm mô tả đƣờng cong
hiệu suất ghi trên toàn bộ vùng năng lƣợng cần quan tâm. Vấn đề này đƣợc giải

Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 24

quyết bằng cách làm khớp các kết quả đo thực nghiệm với các hàm giải tích thích
hợp. Hiệu suất ghi ở từng năng lƣợng cụ thể đƣợc xác định bằng phƣơng pháp nội
suy. Trong thực tế khó có một hàm khớp thỏa mãn cho nhiều loại đêtectơ, nhiều
hình học đo đạc khác nhau trong dải năng lƣợng rộng. Với đêtectơ thông dụng do
hãng Canberra (2000), Genie 2000 có thể sử dụng hàm khớp sau [6]

 
5
0
0
ln ln /
i
i
i
a E E




(2.1)
trong đó: ε là hiệu suất ghi của đêtectơ
E là năng lƣợng tia gamma
E
0
=1 keV
a
i

là các hệ số làm khớp.
Để xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi, ngƣời ta dùng nguồn chuẩn gamma
đã biết trƣớc hoạt độ phóng xạ. Thông qua việc đo phổ của các nguồn chuẩn, ta xác
định đƣợc diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma ứng với năng
lƣợng xác định. Biết cƣờng độ của vạch bức xạ gamma, hoạt độ phóng xạ của
nguồn chuẩn tính đƣợc thông lƣợng của bức xạ gamma quan tâm bay vào đêtectơ.
Từ đó xác định đƣợc hiệu suất ghi của đêtectơ tại năng lƣợng tƣơng ứng với năng
lƣợng của bức xạ gamma đƣợc chọn làm chuẩn. Để xác định chính xác diện tích
đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma đƣợc chọn để xây dựng đƣờng cong
hiệu suất ghi phải có cƣờng độ lớn và ở xa các vạch khác. Vì vậy, các nguồn đƣợc
chọn để xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi là nguồn gamma đơn năng trong trƣờng
hợp không đủ nguồn chuẩn đơn năng có thể dùng nguồn gamma phức tạp nhiều
thành phần. Trong phổ gamma của nguồn phức tạp mà thiết bị ghi nhận đƣợc, chọn
vạch phổ có năng lƣợng lớn nhất hoặc những vạch có cƣờng độ lớn cách xa các
vạch khác.
Ngoài ra, ngày nay đƣờng cong hiệu suất ghi còn đƣợc xác định theo
phƣơng pháp mô phỏng sau đó làm khớp với số liệu hiệu suất ghi của đêtectơ đƣợc
xác định từ thực nghiệm khi sử dụng nguồn gamma đơn năng. Trong luận văn này,
tôi tiến hành xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi tuyệt đối bằng thực nghiệm.
Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 25

2.5. Phƣơng pháp hiệu chỉnh chồng chập xung
Xét bài toán tổng quát nếu có n vạch bức xạ gamma đóng góp vào đỉnh hấp
thụ toàn phần.
Gọi số đếm tại đỉnh tổng là N
t
. Số đếm do vạch bức xạ gamma năng lƣợng
E
1

do đồng vị 1 đóng góp vào đỉnh tổng là N
1
, số đếm do vạch bức xạ gamma có
năng lƣợng E
2
( E
2
≈ E
1
) do đồng vị 2 đóng góp vào đỉnh tổng là N
2
, số đếm do
vạch bức xạ gamma có năng lƣợng E
3
do đồng vị 3 đóng góp vào đỉnh tổng là N
3
, ,
số đếm do vạch bức xạ gamma có năng lƣợng E
n
do đồng vị n đóng góp vào đỉnh
tổng là N
n .

Ta có : N
t
= N
1
+ N
2
+N

3
+N
n
(2.2)

Từ công thức tính hiệu suất ghi tuyệt đối (1.3), gọi
1
A
,
1
I

là hoạt độ và hệ số
phân nhánh của đồng vị 1,
2
A
,
2
I

là hoạt độ và hệ số phân nhánh của đồng vị 2,…

n
A
,
n
I

là hoạt độ và hệ số phân nhánh của đồng vị n. Do
m

t
và
abs

là nhƣ nhau đối
với hai bức xạ nên :

12
1 1 2 2

n
nn
N
NN
A I A I A I
  
  
(2.3)

22
21
11
.
AI
NN
AI




1
11
.
nn
n
AI
NN
AI




Thay vào công thức (2.2) ta có :

1
2
11
1.
t
n
n
n
i
N
N
I
A
AI







(2.4)
Từ thực nghiệm xác định N
t
đối với vạch năng lƣợng, số liệu về hệ số phân
nhánh và hoạt độ xác định đƣợc từ đó ta tính đƣợc N
1
, N
2
,…,N
n
.