Nghiên cứu khả năng ứng dụng của aasi (advanced alpha spectrometric simulation)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ




LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC




Đề tài:














SVTH:
LÂM THU VĂN
GVHD:
ThS. LÊ CÔNG HẢO

TP.Hồ Chí Minh, 2010





Lời cảm ơn


Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, em được sự giúp đỡ rất nhiều từ các giáo viên
trong bộ môn và các bạn cùng khóa học. Em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu
sắc đến:
Quý thầy cô khoa Vật lý, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân, đã
tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành hữu ích.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Công Hảo – giảng viên trường Đại Học
Khoa Học Tự Nhiên, đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình và thầy phản biện đã
dành thời gian quí báu đọc và đóng góp ý kiến cho luận văn được hoàn thành tốt
hơn.
Những người thân trong gia đình luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập.
Xin cảm ơn các bạn cùng lớp luôn đồng hành với mình trong thời gian học tập tại
trường cũng như trong quá trình làm luận văn.
Ngoài ra, em cũng xin cám ơn những người góp sức xây dựng thành công chương

trình AASI này.
Sau cùng, em xin chúc sức khỏe, bình an và may mắn đến tất cả các quý thầy cô, gia
đình và các bạn.


Sinh viên thực hiện

Lời nói đầu

Hiện nay, phương pháp Monte Carlo được ứng dụng rộng rãi trong việc mô hình hóa các thiết
bị và mô phỏng các quá trình phức tạp trong hầu hết mọi lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật. Do đó,
ngành vật lý hạt nhân cũng không ngoại lệ, nó được chứng minh là công cụ thích hợp để mô tả sự
vận chuyển của hạt alpha, beta, quá trình tia gamma truyền trong vật chất, thậm chí với các dạng
hình học phức tạp.
Rất nhiều các bộ mã máy tính được phát triển nhằm phục vụ cho công việc mô phổng như các
ứng dụng trong phép đo đạc, trong ngành vật lý hạt cơ bản và trong các lĩnh vực công nghiệp. Cấp
độ tinh vi khác nhau giữa các bộ mã, kể cả các bộ mã đơn giản nhất đều dựa trên hiện tượng tán xạ
của Rutherford và Compton, sự hấp thụ quang điện, sự chuyển động chậm dần của các hạt mang
điện, khi đó kết quả thu được mới có thể chấp nhận.
Phép đo đạc phổ alpha là một phương pháp phân tích được sử dụng rộng rãi trong việc khảo
sát hoạt độ phóng xạ trong môi trường. Hoạt độ của các mẫu thấp đòi hỏi thời gian đo dài và khoảng
cách giữa nguồn và mẫu (SDD) nhỏ. Tuy nhiên, SDD nhỏ có thể gây ra hiện tượng trùng phùng, tức
là sự phát hạt alpha nào đó với một hạt phát ra tiếp theo từ hạt nhân con cháu xảy ra gần như đồng
thời. Ngoài ra, công tác thiết kế kỹ thuật chuẩn bị mẫu một cách cẩn thận là điều cần thiết, bởi vì
các hạt alpha mất dần năng lượng khi chúng truyền đi trong vật chất. Sự mất năng lượng sẽ dẫn đến
sự suy giảm phẩm chất phổ thông qua sự mở rộng đỉnh. Do đó, hiệu ứng chồng chập phổ sẽ tăng khi
SDD giảm.
Việc mô phổng được sử dụng để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các hiện tượng khác nhau lên
chất lượng phổ. Kết quả là các yếu tố quan trọng nhất được chọn ra và sự thiết lập các phép đo được
xem là tối ưu. Không chỉ thế, các tính chất chưa được biết của nguồn, chẳng hạn như mật độ nguồn

(hoặc bề dày nguồn), hay các tính chất của hạt phát ra từ nguồn, đều có thể được xác định được.
Điều này quan trọng đối với mẫu được xử lí bằng phương pháp hóa phóng xạ.
Có nhiều bộ chương trình mô phổng Monte Carlo, như bộ chương trình TRIM, dãy phần mềm
GEANT, hay bộ MCNP, đều thích hợp trong việc mô phổng tính chất của hạt alpha trong môi
trường. Bộ mã Monte Carlo mới hiện nay là AASI (Advance Alpha-spectrometric Simulation),
được xây dựng để mô phổng phổ năng lượng của hạt alpha. Đây là một bộ chương trình mô phổng
được thiết kế toàn diện trong đó bao gồm tất cả các quá trình chủ yếu ảnh hưởng lên phổ năng
lượng. Các loại mẫu khác nhau (hạt son khí, mẫu dày, mẫu không đồng nhất, …) đều mô phổng
được. Hiện tượng trùng phùng được tính toán bằng cách sử dụng dữ liệu phân rã của từng hạt nhân
được lưu trong một tệp hồ sơ đã chuẩn bị sẵn bằng ngôn ngữ kí hiệu mở rộng, XML. Bộ mã không

những được sử dụng trong việc mô phổng phổ năng lượng của hạt alpha phát ra từ mẫu môi trường,
mà nó còn được sử dung trong nhiều ứng dụng khác. Thời gian chạy điển hình trên máy tính
Pentium 1.6Ghz thay đổi từ vài giây tới 2 phút, phụ thuộc vào mức độ phức tạp của vấn đề đang mô
phổng. Bộ mã chương trình được viết theo ngôn ngữ lập trình Fortran 95.
Tuy nhiên ở nước ta hiện, phần mềm này chưa được phổ biến. Vì thế trong bài luận văn này,
em xin trình bày hai vấn đề, thứ nhất là giới thiệu về cách sử dụng phần mềm AASI; thứ hai là so
sánh phổ thu được từ mô phổng với phổ thu được từ thực nghiệm đo đạc, kiểm tra xem hai kết quả
này khớp với nhau ở mức độ nào, từ đó có thể khai thác sử dụng cũng như mở rộng khả năng ứng
dụng của phần mềm trong mô phổng phổ alpha.
Với những điều đã nói ở trên, luận văn sẽ có nội dung như sau:
 Chương 1: Tổng quan về hạt alpha
 Chương 2: Giới thiệu về hệ đo Alpha Analyst
 Chương 3: Giới thiệu về phần mềm mô phổng AASI
 Chương 4: Các kết quả thực nghiệm mô phổng và sự so sánh


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HẠT ALPHA [1], [2], [3], [4]

1.1 Khái niệm hạt alpha

Hạt Alpha hay tia alpha là một dạng của phóng xạ. Đó là hạt ion hóa cao và khả năng đâm
xuyên thấp. Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau thành một hạt giống hệt hạt
nhân nguyên tử hellium, do đó, hạt alpha có thể được viết là He
2+
.
Hạt alpha xuất hiện trong phân rã của hạt nhân phóng xạ như là uranium, radium, … trong một
quá trình gọi là phân rã alpha. Sự phân rã làm hạt nhân ở trạng thái kích thích và trở về trạng thái cơ
bản bằng cách phát tia gamma.
1.2 Sự phân rã alpha
Xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số
N
Z
quá thấp. Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu
A
Z
X
chuyển thành hạt nhân
4
2
Y
A
Z


và phát ra hạt alpha.
4 4
2 2
A A
Z Z
X Y He




 

Về quan hệ khối lượng, phân rã alpha thỏa mãn điền kiện sau đây:
2
m c e
M M m m Q

   

trong đó
, ,
m c e
M M m và m

tương ứng là khối lượng các nguyên tử mẹ, nguyên tử con, hạt nhân
alpha và hạt electron.
Q
là khối lượng tương đương với năng lượng tổng cộng giải phóng khi phân
rã, bằng tổng động năng của hạt nhân con và hạt alpha. Hai hạt electron quỹ đạo bị mất đi khi hạt
nhân mẹ phân rã ra hạt nhân con có số nguyên tử thấp hơn.
Hạt alpha phát ra với năng lượng cố định và suất ra cố định. Ví dụ như quá trình phân rã của
226 222 4
88 86 2
Ra Rn He

 
, gồm hai nhánh phát alpha, nhánh thứ nhất với hạt alpha năng lượng 4,602

MeV, suất ra 5,5% và nhánh thứ hai với hạt alpha năng lượng 4,785 MeV, suất ra 94,4%. Hạt nhân
222
86
Rn
sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục phân rã gamma để
chuyển về trạng thái cơ bản. Hạt nhân
222
86
Rn
sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản.







(1.1)
(1.2)

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã của
226
88
Ra
[9]
Hiện nay người ta đã biết hơn 200 hạt nhân phân rã alpha. Phân rã alpha chủ yếu xảy ra với các
hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev với Z>83. Chẳng hạn thallium (Z=81) không có
đồng vị nào phát alpha, chì (Z=82) có hai đồng vị phát alpha, còn polonium (Z=84) có không ít hơn
hai mươi mốt đồng vị phát alpha,…
Ngoài ra có một nhóm nhỏ các hạt nhân trong vùng đất hiếm cũng phân rã alpha với A=140
đến 160, hạt nhân nhẹ nhất là
142
58
Ce
chứa 84 neutron. Một trường hợp đặc biệt là hạt nhân nhẹ
8
4
Be

cũng phát alpha với thời gian bán rã 3.10
-6
s.
1.3 Các đặc trưng chính của phân rã alpha
Có ba đặc trưng chính là thời gian bán rã T
1/2
của hạt nhân trước phân rã, động năng E và
quãng chạy R của hạt alpha.
Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dãy rất rộng. Chẳng hạn
204
82

Pb
có T
1/2
=1,4.10
7
năm,
215
86
Rn
có T
1/2
=10
-6
s.
Năng lượng các hạt bay ra chỉ thay đổi trong một dãy hẹp. Đối với các hạt nhân nặng thì năng
lượng các hạt alpha thay đổi từ 4 MeV đến 9 MeV, còn đối với nhóm đất hiếm từ 2 MeV đến 4,5
MeV.
Quãng chạy của hạt alpha rất ngắn do nó bị hấp thụ rất mạnh trong vật chất.

1.4 Sự liên hệ giữa thời gian bán rã T
1/2
, động năng E và quãng chạy R
1.4.1 Thời gian bán rã T
1/2
và động năng E
Có sự phụ thuộc rất mạnh của thời gian bán rã T
1/2
vào động năng E của hạt alpha, đây là tính
chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha. Chẳng hạn nếu giảm 1% năng lượng thì có thể

làm tăng thời gian bán rã lên một bậc. Nếu giảm 10% năng lượng thì thời gian bán rã thay đổi từ hai
đến ba bậc. Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Geiger-Nuttal như sau:
1/2
lg
D
T C
E
 

trong đó C và D là các hằng số không phụ thuộc vào số khối A mà chỉ phụ thuộc vào điện tích Z. Ví
dụ nếu E tính theo MeV thì:
Với Z=84 ta có C=-50,15 và D=128,8
Với Z=90 ta có C=-51,94 và D=139,4
1.4.2 Quãng chạy R và động lượng E
Trong phép gần đúng đầu tiên có thể sử dụng công thức liên hệ giữa quãng chạy của hạt alpha
trong không khí (tính theo cm) và năng lượng của nó (tính theo MeV) trong miền năng lượng 4-9
MeV hay quãng chạy trong không khí 3-7 cm như sau:
3/2
0,318
KK
R E


Trong môi trường với khối lượng hạt nhân A thì quãng chạy hạt alpha được tính theo công
thức:
1/3
0,56
KK
R R A


Nhờ hai công thức này có thể tính được quãng chạy khi đo được năng lượng hay ngược lại đối
với hạt alpha.
1.5 Điều kiện về năng lượng đối với phân rã alpha
Xét quá trình phân rã:
4 4
2 2
A A
Z Z
X Y He



 

Điều kiện để xảy ra phân rã alpha là:
, -4, -2 , , ,
- 0
lk A Z lk lk A Z
E E E E

   

Tức là năng lượng liên kết của hạt nhân mẹ
, ,
lk A Z
E
phải nhỏ hơn tổng năng lượng liên kết của hạt
nhân con
, 4, 2

lk A Z
E
 
và hạt alpha
,
lk
E

. Năng lượng liên kết của hạt alpha là 28 MeV nên năng lượng
liên kết riêng trên một nucleon là 7 MeV. Như vậy, để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết
riêng của hạt nhân mẹ phải nhỏ hơn 7 MeV. Điều kiện này không cho phép các hạt nhân nhẹ phân
rã alpha vì năng lượng liên kết riêng của chúng vào cỡ 8 MeV. Còn năng lượng liên kết riêng đối
với các hạt nhân nặng giảm xuống do năng lượng đẩy Coulomb của các proton.
Năng lượng phân rã
E

phân bố cho động năng hạt nhân con
4, 2
A Z
E
 
và động năng hạt alpha
E

:
-4, -2A Z
E E E

  

(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)

Gọi động lượng của hạt nhân mẹ là
,
A Z
p
, hạt nhân con là
4, 2
A Z
p
 
và hạt alpha là
p

, giả thiết
là hạt nhân mẹ đứng yên khi phân rã
,
0
A Z
p

, thì theo định luật bảo toàn động lượng ta có
4, 2

A Z
p p


 

. Từ đó nhận được:
-4, -2
-4, -2
A Z
A Z
m
E E
m




trong đó
m

và
4, 2
A Z
m
 
là khối lượng của hạt alpha và hạt nhân con. Kết hợp hai biểu thức (1.7) và
(1.8) ta được:
-4, -2
-4, -2
A Z
A Z
m

E E
m m


 


Do khối lượng hạt nhân con rất lớn so với khối lượng hạt alpha nên theo công thức (1.9),
E E

 
, tức là hạt alpha mang phần lớn năng lượng tỏa ra khi phân rã.
Ví dụ, năng lượng phân rã alpha
212 208 ''
83 81
( ) ( )Bi ThC TI ThC


 
là
E
 
6,203 MeV. Năng
lượng này phân bố cho hạt alpha theo công thức (1.9) là
E


6,086 MeV và cho hạt nhân con
208 "
81

( )
TI ThC
theo công thức (1.8) là
TI
E

0.117 MeV.


1.6 Cơ chế phân rã alpha
Trong cơ chế phân rã alpha cần tính đến ba yếu tố là trường thế Coulomb quanh hạt nhân, lực
ly tâm và cấu trúc hạt nhân.
I.6.1 Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm
Để giải thích sự phụ thuộc rất mạnh của thời gian bán rã T
1/2
của hạt nhân vào năng lượng hạt
alpha, người ta xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt nhân. Giả thuyết gần đúng nhất là xem
hạt alpha hình thành và tồn tại trong hạt nhân trước khi thoát ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha mang điện
tích dương +2e nên ngoài lực tương tác hạt nhân, nó còn chịu tác dụng của lực Coulomb.
Để giải bài toán tương tác này ta giả sử hạt alpha từ ngoài đi vào hạt nhân. Thế Coulomb do
hạt nhân tương tác lên nó tăng tỉ lệ nghịch với khoảng cách r theo biểu thức:
2
2
Coulomb
Ze
U
r


Hàm này được thể hiện trên hình sau:

(1.8)
(1.9)
(1.10)








Hình 1.2. Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb của hạt alpha
Thế tương tác này tăng dần trong miền ngoài bán kính hạt nhân, tại đó lực hạt nhân bằng
không. Đến biên hạt nhân
r R

thì lực hạt nhân đóng vai trò quan trọng và đường biểu diễn giảm
đột ngột theo đường thẳng đứng. dạng thế bên trong hạt nhân
r R

chưa được biết tường tận, ở đây
giả thuyết nó có dạng hố chữ nhật với thế không đổi bên trong hạt nhân. Chiều cao bờ thế Coulomb
tại
r R
 
10
-12

cm và với
Z

100 là:
2
à
2
r o
Ze
U
r
 
30 MeV
Như đã trình bày trên đây, hạt alpha phân rã từ các hạt nhân nặng có năng lượng từ 4 MeV đến
9 MeV, tức là nhỏ hơn chiều cao hàng rào thế. Theo cơ học cổ điển thì hạt alpha không thể vượt qua
hàng rào thế để ra ngoài, tức là không thể xảy ra quá trình phân rã alpha. Tuy nhiên, trong thế giới
vi mô, theo cơ học lượng tử, hạt alpha có thể xuyên qua hàng rào Coulomb theo cơ chế đường
ngầm.
Để giải bài toán về hiệu ứng đường ngầm của hạt alpha, một lần nữa ta đơn giản hóa bằng cách
tính xác suất hạt alpha có năng lượng E vượt qua bờ thế hình chữ nhật có độ cao U và độ rộng d.
Trạng thái của hạt alpha được mô tả bởi hàm
( )
r

thỏa mãn phương trình Schr
Ö
dinger:
2
2
( ) ( ) ( ) 0

m
r E U r r
 
 
   
 
  


trong đó:
2 2 2
2 2 2
x y z
  
   
  
: toán tử đạo hàm riêng bậc hai theo không gian
m: khối lượng hạt alpha

: hằng số Planck
Giải phương trình Schr
Ö
dinger với rào thế có dạng chữ nhật ta sẽ tìm được hệ số truyền qua
2
2
exp ( )
m
D U E dr
 
  

 
 




R
r
E
α

0

U
rào

U(r)
(1.11)
(1.12)
(1.13)

Nếu hạt alpha trong hạt nhân có vận tốc
v
thì nó đi đến bờ thế trung bình
/
v R
lần trong 1 giây.
Như vậy, hằng số phân rã alpha bằng:
2
2

exp ( )
v v m
D U E dr
R R

 
   
 
 



Vận tốc
v
có thể xác định từ hệ thức bất định Heisenberg giữa động lượng và tọa độ, tức là
v
mR


. Vậy:


Thời gian bán rã
1/2
0,693
T


, do đó nó phụ thuộc rất mạnh vào bán kính hạt nhân R.
Ta thử đánh giá bậc của thời gian bán rã, với

0
U E
 
20 MeV,
d

2.10
-12
cm. Khi đó
84 36
10
D e
 
 
. Hệ số của hàm
20
2
10
D
mR
 

. Do đó:
16 9
1/2
1
10 10
T s

  

năm
Thời gian này là hợp lí vì nó vào cỡ thời gian bán rã của
238
92
U
.
I.6.2 Vai trò của bờ thế li tâm
Trong các tính toán trên ta coi hạt alpha bay ra với momen quỹ đạo
0


. Nếu hạt alpha bay ra
với
0


thì nó phải vượt qua bờ thế li tâm bổ sung ngoài thế Coulomb:
2
2
( 1)
2
lt
U
mr


  

Bờ thế li tâm này không lớn do nó giảm theo hàm
2

1
r
trong lúc bờ thế Coulomb giảm chậm
hơn theo hàm
1
r
, nhưng do độ thay đổi này còn chia cho hằng số Planck trong hàm số mũ nên nó
làm tăng đáng kể thời gian bán rã của hạt alpha. Bảng 1.1 dưới đây sẽ dẫn ra hệ số K suy giảm của
hằng số phân rã

với các giá trị khác nhau của

đối với trường hợp
E

5 MeV và
13
9,6.10
R


cm.
Bảng 1.1. Hệ số suy giảm của hằng số phân rã

với các giá trị
0 5
 

đối với trường hợp
E


5
MeV và
13
9,6.10
R


cm

0 1 2 3 4 5
K 1,0 0,85 0,60 0,35 0,18 0,08


2 2
2
exp ( )
m
U E dr
mR

 
  
 
 



(1.14)
(1.15)

(1.16)


I.6.3 Ảnh hưởng của cấu trúc hạt nhân lên phân rã alpha
Khi tính toán quá trình phân rã alpha, ta đã coi hạt alpha tồn tại trong hạt nhân trước khi phân
rã, và bài toán trên chỉ tính xác suất truyền hạt alpha qua bờ thế. Trong thực tế, trước khi phân rã,
hạt alpha cần phải hình thành từ các proton và neutron riêng biệt. Tuy nhiên khi đó công thức (1.13)
chỉ thay đổi hệ số trước hàm mũ, còn hàm mũ không bị thay đổi, do đó sự ảnh hưởng của nó lên quá
trình hình thành hạt alpha trong hạt nhân là không đáng kể. Việc tính toán lí thuyết đối với quá trình
này không thể làm chính xác. Hơn nữa, từ công thức (1.13) chuyển sang công thức (1.15) phải sử
dụng hệ thức bất định Heisenberg nên công thức (1.15) cũng không phải là công thức chính xác.
1.7 Sự tương tác của hạt alpha với vật chất
Đối với hạt alpha thì có hai dạng mất năng lượng chủ yếu khi chúng đi qua môi trường vật chất
là mất năng lượng để ion hóa và kích thích các nguyên tử vật chất.
1.7.1 Hiệu ứng ion hóa
Khi va chạm không đàn hồi với nguyên tử của môi trường vật chất, hạt alpha có năng lượng
lớn hơn năng lượng ion hóa nguyên tử
i
I
có thể làm bức các electron từ các lớp điện tử của nguyên
tử (hiện tượng ion hóa) hoặc chuyển một electron nào đó từ một mức năng lượng thấp hơn lên một
mức năng lượng cao hơn (hiện tượng kích thích). Trong mỗi một va chạm như vậy, một cặp ion
được hình thành: ion dương là nguyên tử mất electron, còn ion âm là electron. Số lượng cặp ion do
hạt alpha tạo nên xác định mật độ ion hóa ban đầu.
Nếu khoảng cách nhỏ nhất mà hạt alpha có thể đến gần nguyên tử trong khi va chạm không
đàn hồi khá lớn thì động năng của electron tự do sinh ra trong quá trình ion hóa sẽ nhỏ và không
vượt quá trị số năng lượng ion hóa nguyên tử. Cũng có khi khoảng cách va chạm với nguyên tử rất
nhỏ, do đó hạt alpha có thể truyền cho electron bị bức ra một động năng khá lớn. Những electron có
năng lương lớn như vậy thường được gọi là các delta-electron (δ-electron), chúng có khả năng ion
hóa (hoặc kích thích) các nguyên tử khác của môi trường và tạo nên sự ion hóa cấp hai (ion hóa thứ

cấp). Xác suất va chạm của hạt alpha với nguyên tử của môi trường

có khả năng tạo nên δ-electron
với động năng từ
e
J
đến
( )
e e
J J
 
tỷ lệ thuận với

2
2
. .
e
e
J
Z
x
J



,
ở đây Z là điện tích của hạt,

v
c



,
x

là chiều dày của lớp môi trường. Rõ ràng rằng, xác suất xuất hiện δ - electron giảm đi một cách
đáng kể khi năng lượng
e
J
của electron tăng lên. Khi ghi nhận các điện tử theo hiệu ứng ion hóa thì
điều quan trọng là số ion hóa toàn phần bằng tổng số ion hóa sơ cấp và thứ cấp (do δ - electron sinh
ra).

Nếu lấy số năng lượng của hạt alpha bị mất mát do va chạm không đàn hồi với các phân tử và
nguyên tử của môi trường đem chia cho số cặp ion hóa do nó sinh ra được gọi là năng lượng trung
bình cần thiết để tạo nên một cặp ion, và ký hiệu là ω, người ta thấy rằng đại lượng ω được xác định
bằng cách trên hầu như không phụ thuộc vào bản chất của hạt và năng lượng của nó. Điều này có
thể giải thích như sau: cũng giống như năng lượng ion hóa hay năng lượng kích thích các nguyên tử
hay phân tử, tỷ số của xác suất ion hóa đối với xác suất kích thích là đặc tính của bản thân môi
trường vật và không phụ thuộc vào tính chất của các hạt.
Bảng 1.2 dưới đây cho thấy rằng, năng lượng cần thiết để tạo một cặp ion lớn hơn năng lượng
ion hóa cỡ hai lần và hầu như giống nhau đối với các loại khí khác nhau, mặc dầu năng lượng ion
hóa của chúng khác nhau đối với từng loại khí. Hơn nữa ta nhận thấy rằng
2
O Ar
 

mặc dù
2
O Ar

I I

. Điều đó xảy ra do năng lượng cần thiết cho ion hóa và kích thích các nguyên tử hay phân
tử không giống nhau đối với từng loại khí trơ khác nhau và đối với chúng năng lượng ion hóa cao
hơn và số năng lượng trung bình cần thiết để tạo một cặp ion gần bằng năng lượng ion hóa. Riêng
đối với oxy những lần va chạm không đàn hồi thường đưa đến sự kích thích các phân tử, do đó trị số
ω lớn hơn năng lượng ion hóa những ba lần.
Bảng 1.2. Năng lượng trung bình ω và thế ion hóa của một nguyên tố I
ion

Khí Ω (eV) I
ion
(eV)
He
Ne
Ar
Kr
Xe
N
2

O
2

CO
2

C
2
H

6
CH
4

C
2
H
2

42,3
36,6
26,4
24,2
22,2
34,7
30,9
32,8
24,6
27,3
26,1
24,6
21,6
15,8
14,0
12,1
15,5
12,2
13,7
11,8
13,0

10,5

Số cặp ion γ sinh ra do một hạt alpha trên 1cm đường đi của nó trong môi trường vật chất được
gọi là mật độ ion hóa. Số cặp ion tạo nên do hạt alpha tương ứng với năng lượng toàn phần của nó

bị mất do sự ion hóa sẽ bằng
J

. Mật độ ion hóa của hạt alpha cũng biến đổi theo năng lượng J
giống như sự biến đổi của độ mất mát năng lượng.
Trong khí có mật độ nguyên tử và phân tử nhỏ, các nguyên tử và phân tử khí tương tác với hạt
alpha một cách độc lập. Trong những môi trường đậm đặc với hằng số điện môi lớn hơn 1, dưới tác
dụng của lực Coulomb do các hạt alpha gây nên, xuất hiện hiện tượng phân cực và do đó làm giảm
tác dụng của các hạt lên các phân tử của vật chất, nhất là khi tham số tương tác lớn. Do đó mật độ
ion hóa trong môi trường khí có cùng một tính chất.
Để xác định hiệu ứng ion hóa trong các môi trường đậm đặc ta phải xác định số năng lượng
cần thiết để tạo nên một cặp ion. Trong các chất nước và trong các chất rắn có liên kết phân tử yếu,
quá trình ion hóa cũng xảy ra như trong chất khí, trong trường hợp này sự ion hóa xảy ra đồng thời
với sự kích thích các nguyên tử và phân tử của môi trường, do đó năng lượng cần thiết mà hạt alpha
phải trả để tạo nên một cặp ion sẽ có giá trị cỡ 30eV.
Trong những chất rắn loại tinh thể ion do sự tương tác mạnh giữa các nguyên tử nên lớp điện
tử ngoài cùng của các nguyên tử bị biến dạng, các nguyên tử không còn độc lập với nhau nữa, do đó
quá trình tương tác không đàn hồi giữa hạt alpha với các nguyên tử môi trường xảy ra một cách
khác hẳn. Trong loại tinh thể vật chất như thế các mức năng lượng cho phép các nguyên tử tạo nên
những vùng năng lượng đặc biệt và vai trò của hạt alpha bây giờ là chuyển các electron bị tràng
buộc từ các vùng lấp đầy lên các vùng năng lượng cao hơn và ở đó các electron có thể được xem
như tự do. Những lỗ trống xuất hiện ở những vùng mất electron được xem như các ion. Năng lượng
cần thiết để tạo nên một cặp electron – lỗ trống phụ thuộc vào bản chất của môi trường, và có trị số
cỡ vài electron – volt (eV).
Bảng 1.3. Năng lượng cần thiết để tạo một cặp electron – lỗ trống của một số chất

Tinh thể Kim cương

AgCl AgBr Si Ge
ω, eV 10 7,6 5,8 3,5 2,8

1.7.2 Sự mất năng lượng của hạt alpha do quá trình ion hóa
Để nghiên cứu sự mất năng lượng, chúng ta khảo sát sự tương tác của hạt alpha với một
electron và sau đó là với tất cả các electron. Trong sự gần đúng cổ điển tiến hành bởi Bohr cho phép
xác định sự mất năng lượng riêng bởi những hạt
alpha có điện tích 2e, khối lượng m
α
và vận tốc
v
đi ngang qua theo chiều x và cách electron tự do
một khoảng b.







Hình 1.3. Tán xạ của hạt alpha lên một hạt electron

Nếu xem như electron dịch chuyển chậm sau tương tác vì lực đối xứng, electron nhận được
xung lượng mà có chiều vuông góc với chiều chuyển động của hạt alpha:
p Fdt
 


Giả sử rằng khoảng tương tác là 2b, ta có khoảng thời gian hạt đi khoảng đường này là:
2
b
t
v
 

Lực tương tác Coulomb giữa electron và hạt alpha là
2
2
2
e
b
, nên:
2
4
e
p
bv
 

Động năng của electron nhận được tương ứng với độ biến thiên động lượng này là:
2 4
2 2
8
2
e
e
p e
T

m
m v b

  

Đây cũng là năng lượng mất đi của hạt alpha. Để khảo sát ảnh hưởng của tất cả electron theo
tham số tương tác b, chúng ta tính số electron trong lớp hình trụ bán kính b bề dày db và chiều cao
dx





Hình 1.4. Tán xạ của hạt alpha lên các hạt electron trong lớp hình trụ
Thể tích lớp trụ là
2
dV bdbdx


. Gọi n
e
là mật độ electron, khi đó số electron trong lớp hình
trụ này là
2
e
dN n bdbdx


. Do đó sự mất năng lượng của hạt alpha do tương tác với các electron
trong hình trụ là:

4
2
16
.
e
e
n e
db
dT T dN dx
b
m v

 
  
 
 

Sự mất năng lượng trên một đơn vị chiều dài là:

(1.17)
(1.18)
(1.19)
(1.20)
(1.21)
2e
b

e

4
2
16
( )
e
e
n e
dT db
b
dx b
m v

 

 
 

Công thức này chỉ đúng khi xem electron đang khảo sát là không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt
của các electron khác. Trong thực tế, sự có mặt của các electron lân cận luôn ảnh hưởng lên electron
khảo sát được gọi là hiệu ứng mật độ, và như thế chúng ta phải đưa vào sự hiệu chỉnh.
Sự mất năng lượng toàn phần của hạt alpha trên một đơn vị đường đi do sự ion hóa được tính
bằng cách lấy tích phân trên mọi giá trị khả hữu của tham số tương tác b (từ 0 tới

). Khó khăn là
tích phân của công thức (1.22) trên hai cận này không hội tụ, nên tích phân chỉ lấy từ b
min
đến b
max
:
max max

min min
4 4
max
2 2
min
16 16
( ) ln
b b
e e
b b
e e
n e n e b
dT dT db
b
dx dx b b
m v m v
 
 
  
 
 
 

Để xác định giá trị b
min
, có thể lập luận rằng giá trị năng lượng cực đại mà hạt alpha có vận tốc
( )
v v c

có thể truyền cho electron đứng yên là

4
2
max
2 2
min
8 1
. 2
e
e
e
T m v
m v b
 
 
  
   
  

Đồng nhất công thức (1.24) với công thức (1.20) đối với
max
T

, trong đó thay b bằng b
min
, ta
được:
2
min
2
2

e
e
b
m v


Giá trị b
max
có thể được rút ra từ việc khảo sát cổ điển bởi việc tính đến sự liên kết của electron
trong nguyên tử. Với những giá trị của tham số tương tác b lớn, năng lượng
T

của hạt truyền cho
electon có thể so sánh với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối với các giá trị b
hoàn toàn lớn, năng lượng của hạt alpha truyền cho electron không đủ để gây ra sự ion hóa. Kết quả


min
T I
 
(I là thế ion hóa của nguyên tử). b
max
được tính theo công thức sau:
max
v
b
I


Ngoài ra, để tính

max
min
b
b
cần đưa vào hiệu ứng tương đối, khi đó năng lượng truyền cực đại trở
thành
2
max
2
2
1
e
m v
E

 

, thông số tương tác cực đại trở thành
max
2
1
v
b
I



, trong đó
v
c



.
Với các hiệu chỉnh trên thì độ mất năng lượng riêng của hạt alpha có dạng:
 
4 2
2
2
2
16 2
ln
1
e e
ion
e
n e m v
dT
U
dx
m v
I

 

 
 
 
    
 


 
 
 

(1.22)
(1.23)
(1.24)
(1.25)
(1.26)
(1.27)

trong đó
ion
dT
dx
 

 
 
biểu thị độ mất năng lượng (dấu âm) do ion hóa, đơn vị đo erg/cm. Để tính
ion
dT
dx
 

 
 
trong hệ SI thì phải nhân công thức này với hằng số điện k=9.10
9
N.m

2
/C
2
. Các số hạng


và U tính đến hiệu ứng mật độ và năng lượng liên kết của các electron lớp K và L.









Hình 1.5. Đường cong Bragg đối với độ ion hóa riêng của hạt alpha
Hạt alpha có điện tích +2e và khối lượng rất lớn, dẫn tới vận tốc của nó tương đối thấp, nên độ
ion hóa riêng của nó rất cao, vào khoảng hàng chục nghìn cặp ion trên 1cm trong không khí. Dọc
theo đường đi của mình trong vật chất, do năng lượng bị mất dần nên hạt alpha đi chậm dần và độ
ion hóa riêng tăng dần. Đến khi sắp hết năng lượng, độ ion hóa tăng nhanh và sau đó giảm đến 0 khi
hạt alpha dừng chuyển động. Điều này được minh họa trên đường cong Bragg (hình 1.5).
1.7.3 Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất
Hạt alpha có khả năng đâm xuyên thấp trong số các bức xạ ion hóa. Trong không khí, ngay cả
hạt alpha có năng lượng cao nhất do các nguồn phóng xạ phát ra cũng chỉ đi được vài centimet, còn
trong các môi trường rắn hay lỏng, quãng chạy của nó có kích thước cỡ micromet. Có hai định
nghĩa về quãng chạy của hạt alpha, là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy.

Hình 1.6. Đường cong hấp thụ của hạt alpha

Trên hình này, đường cong hấp thụ có dạng phẳng vì nó là hạt đơn năng. Ở cuối quãng chạy,
số đếm các hạt alpha giảm nhanh khi tăng bề dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình được xác
định ở nửa chiều cao đường hấp thụ, còn quãng chạy ngoại suy được xác định khi ngoại suy đường
hấp thụ tới giá trị 0.
Quãng chạy R
kk
(cm) của hạt động năng E(MeV) trong không khí ở 0°c và áp suất 760 mmHg
được biểu diễn một cách gần đúng như sau:
R
kk
=0,318E
3/2
đối với 3<R
kk
<7
Sự phụ thuộc quãng chạy-năng lượng của hạt alpha trong không khí được minh họa bằng hình
1.7.
Đối với môi trường bất kì và khối lượng hạt nhân A thì quãng chạy của hạt alpha được tính
theo công thức:
R=0,56R
kk
A
1/3

trong đó R đo trong đơn vị mg/cm
2
, R
kk
là quãng chạy của hạt alpha với cùng năng lượng trong
không khí, đơn vị đo cm.











Hình 1.7. Sự phụ thuộc quãng chạy – năng lượng của hạt alpha trong không khí








(1.28)
(1.29)

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU HỆ ĐO ALPHA ANALYST [5]

2.1 Tiện ích
Theo lí thuyết, alpha là hạt mang điện nặng, có quãng chạy trong không khí rất ngắn nên việc
khảo sát các vấn đề về alpha rất khó khăn, đòi hỏi kỹ thuật cao về nhiều mặt. Từ việc đòi hỏi mẫu
đo cho đến thiết bị đều phải chuẩn bị hợp lí và chính xác mới cho kết quả tốt. Hiện nay ở nước ta,
ứng dụng phổ kế alpha còn ít vì chưa có nhiều thiết bị đo và xử lí mẫu còn gặp nhiều khó khăn.
Hệ đo Alpha Analyst là thiết bị đo hiện đại hiện nay do hãng Canberra sản xuất, giúp ta dễ
dàng khảo sát các mẫu phóng xạ alpha tiết kiệm thời gian mà cho kết quả chính xác. Tính chất hệ
Alpha Analyst dùng đo hạt alpha trong miền năng lượng thấp nên nó phù hợp với các mẫu môi
trường phát hạt alpha. Khi dùng các hệ đo khác để đo phóng xạ alpha, ta phải quan tâm rất nhiều
đến các thông số như hoạt động của hệ điện tử của máy có ổn định không, hệ thống chân không có
đủ tiêu chuẩn đo alpha không, lo ngại sự cài đặt, xử lí MCA và tín hiệu, bộ nhớ MCA định vị để
điều khiển kết quả. Còn đối với hệ đo Alpha Analyst, ta có thể an tâm hơn với quá trình đo, phân
tích và xử lí kết quả.
Các thao tác của quá trình đo, phân tích và xử lí khi dùng hệ Alpha Analyst chủ yếu thực hiện
trên máy tính qua phần mềm ứng dụng Genie-2000 Alpha Acquisition & Analysis. Ngoài việc đưa
mẫu ra vào trên máy thì trên hệ này không có bất kì nút điều khiển nào khác. Với điều kiện mẫu đo
phóng xạ alpha đã được chuẩn bị tốt khi đưa vào hệ đo Alpha Analyst, mẫu được bảo vệ an toàn
trong buồng chân không, đảm bảo được số hạt alpha phát ra từ mẫu bằng với số hạt alpha đầu dò thu
nhận được. Nói chung hệ Alpha Analyst là thiết bị đo có hiệu suất cao và độ chính xác cao khi đo
phóng xạ alpha.

Mẫu đo
Máy tính
Máy hút
chân không
Tiền
khuếch
đại
K
hu
ếch

đại
Máy phân
tích biên độ
đa kênh
Cao

thế

PC
PIPS
Detector
PCI Card

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ Alpha Analyst
2.2 Buồng chân không
Hệ đo được thiết kế để đo phổ alpha, do đó đòi hỏi giảm tối thiểu sự mất năng lượng hạt alpha

trong môi trường. Việc hút chân không để đo alpha là điều cực kì quan trọng, buồng đo chứa mẫu
đo và detector của hệ Alpha Analyst có khả năng hút chân không rất tốt và nhanh (áp suất chân
không có thể đạt tới giá trị nhỏ hơn 0,1 torr). Khi đó, ta có thể xem môi trường trong buồng đo này
gần như chân không hoàn toàn.
Trong buồng chân không được thiết kế có các khe rãnh để ta kẹp mẫu đo. Các khe này cách
đều nhau, khe cuối cùng phải cách detector một khoảng cách nhất định để đảm bảo an toàn cho đầu
dò khỏi hư hại và kéo dài thời gian sử dụng. Với các khe cách đều nhau, ta có thể thay đổi khoảng
cách giữa mẫu đo và detector theo ý muốn. Trong buồng này thông thường ta phải dùng màng chắn
để ngăn chặn sự giật lùi của hạt alpha trong quá trình phát ra từ mẫu tới đầu dò. Như vậy giảm thiểu
tối đa sự giao thoa và nhiễu trong khi đo.


2.3 Detector Alpha PIPS
Detector Alpha PIPS được tối ưu về khả năng phân giải năng lượng, độ nhạy cao và phổ alpha
phông thấp. Cửa sổ mỏng của detector PIPS cung cấp sự phân giải tăng cường và khoảng cách đầu
dò – nguồn cần cho hiệu suất cao. Dòng rò thấp giúp làm giảm tối thiểu sự dịch đỉnh khi thay đổi
nhiệt độ.
Tần số đếm phông đối với detector Alpha PIPS bé hơn 0,05 số đếm/giờ/cm
2
trong dãy năng
lượng từ 3

8 MeV. Các detector Alpha PIPS có độ sâu vùng nghèo tối thiểu lớn hơn 140 m là đủ
để hấp thụ toàn bộ các hạt alpha lên tới 15 MeV. Bề dày vùng nghèo phụ thuộc điện thế áp vào, khi
thế điện thế cao thì bề dày tăng, có khả năng làm dừng hoàn toàn tất cả năng lượng của các hạt.
Bảng 2.1. Một số detector Alpha PIPS của hãng Canberra sản xuất
Loại Diện tích vùng hoạt
Khả năng phân giải
(keV)
Nền phông điển hình

(số ngày đếm)
A300-17AM
A300-19AM
300
17
19
4
4
A450-18AM
A450-20AM
450
17
19
6
6
A600-23AM
A600-25AM
600
18
20
8
8

A900-25AM
A900-30AM
900
23
25
12
12

A1200-30AM
A1200-37AM
1200
30
37
16
16

Đối với hệ Alpha Analyst đang khảo sát là detector loại A1200-37AM có các thông số sau (số
liệu do nhàn sản xuất cung cấp):






Điện thế phân cực yêu cầu : +40 V
Dòng rò (200°C) : 12 nA
Độ sâu vùng nghèo tối thiểu : >140 microns
Thế phân cực cực đại (giới hạn) : +100 V
Phông điển hình : 0,05 số đếm/cm
2
/giờ
Bán kính vùng hoạt : 19,55 mm
2.4 Bộ tiền khuếch đại
Chức năng của bộ tiền khuếch đại là khuếch đại các tín hiệu yếu từ detector và tải nó nhờ cáp
nối tiền khuếch đại với các bộ phận còn lại của hệ đo. Đồng thời tiền khuếch đại cũng bổ sung một
lượng tạp âm nhỏ nhất có thể. Vì tín hiệu đi vào tiền khuếch đại là tương đối yếu nên được lắp càng
gần detector càng gần càng tốt sao cho giảm thiểu độ dài cáp. Trong hệ Alpha Analyst do hãng
Canberra sản xuất, bộ tiền khuếch đại nhạy với điện tích. Điện dung trong bộ tiền khuếch đại được

thiết kế và tính toán thích hợp với tạp âm của hệ thống không đáng kể.
Với việc sử dụng tiền khuếch đại detector bán dẫn 2004 là loại nhạy điện tích thích hợp cho
việc khuếch đại dùng trong detector phát hiện hạt alpha, có những đặc trưng sau:
 Lối vào detector: tiếp nhận xung điện tích từ detector bán dẫn.
 Lối kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại 2,2 pC/V;
Z
in
= 93 MΩ.
 Lối vào cao thế: cho phép thiên áp detector tới ± 2000V DC, detector nối tiếp với trở
thiên áp 110 MΩ.
A 1200 37 AM
Loại
Diện tích
vùng hoạt
(mm
2
)
Phân giải
alpha (keV)

 Lối ra năng lượng: xung đuôi bị loại bỏ, thời gian tăng được cho trong bảng 2.3, hằng số
thời gian giảm 50 s.
 Đặc tính:
 Độ trội hệ số khuếch đại : < ± 0,02 % cho 10 V lối ra
 Cách điện thiên áp detector : ± 5000 V DC
 Độ nhạy điện tích : 0,2 V/pC hay 1,0 V/pC
 Độ nhạy năng lượng : 9 mV/MeV hay 45 mV/MeV
 Yêu cầu nguồn nuôi
 + 24 V DC – 30 mA : + 12 VDC – 2mA
 - 14 V DC – 15 mA : - 12 VDC – 2mA

Bảng 2.2. Hai loại tiền khuếch đại hạt điện tích Si của Canberra
Thế
thiên
áp
Tiền khuếch đại

Tạp âm
Độ nhạy điện
tích hay năng
lượng
Khả năng tần
số (điện tích
hay năng
lượng)
Thời
gian
tăng
(ns)
2000 V

2003 T/2003BT <2 keV 20mV/MeV SI 2,3.10
5
MeV/s <5
5000 V

2004 <2,8 keV 20 mV/MeV SI

4,5.10
5
MeV/s <20

Bảng 2.3. Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004
C
DET
Tạp âm Crms
Tạp âm (keV)
FWHM, Si
Thời gian tăng
0 < 5,2.10
-
17
< 2,8 < 20
30 < 5,7.10
-
17
< 3,0 < 21
100 < 6,6.10
-
17
< 3,5 < 23
300 <1,0.10
-
17
< 5,3 < 33


2.5 Bộ khuếch đại
Bộ khuếch đại được phục vụ cho hai mục đích cơ bản: khuếch đại tín hiệu từ tiền khuếch đại
và hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lí tiếp theo. Trong cả hai trường hợp, bộ
khuếch đại thường phải giữ những thông tin quan trọng như thông tin thời gian và thông tin biên độ.

Nếu thông tin thời gian được đòi hỏi thì bộ tiền khuếch đại phải đáp ứng nhanh chóng. Còn nếu
thông tin biên độ được yêu cầu thì tỉ lệ giữa biên độ vào và biên độ ra phải được đảm bảo (khuếch

đại tuyến tính). Một trong số các hệ số quan trọng nhất đối với yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là đặc
trưng hình thành xung và sự hình thành xung tối ưu của tỉ số tín hiệu trên tạp âm.
Trong hệ Alpha Analyst, bộ khuếch đại được thiết kế với độ tối ưu có thể điều chỉnh hệ số
khuếch đại trên một dải rộng. Đó là “những bộ khuếch đại hình thành xung chuẩn Gauss”, vì dạng
xung của nó gần với dạng của một đường cong Gauss. Do đó, bộ khuếch đại này có tỉ số tín hiệu
trên tạp âm tốt hơn 17 – 19 % so với các loại khác. Đồng thời hình thành xung chuẩn Gauss giảm
được độ rộng xung xảy ra tại 0,1% của biên độ xung. Tại một hằng số thời gian, dạng xung Gauss
có thể giảm độ rộng biên độ xung từ 22% đến 52% so với bộ lọc lựa CR-RC.
Nói chung bộ khuếch đại trong hệ đo Alpha Analyst đáp ứng tốt cho xử lí phổ của detector bán
dẫn nói chung và detector PIPS nói riêng. Với tạp âm nhỏ, độ rộng biên độ xung nhỏ, đảm bảo xung
ra tốt và có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại theo yêu cầu. Hệ số khuếch đại được nối với một phục
hồi đường cơ bản. Nhờ vậy nó góp phần làm tăng khả năng phân giải và ổn định vị trí đỉnh tại vị trí
tần số cao trong phổ alpha.
2.6 Bộ ADC (Bộ biến đổi tương tự thành số)
Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Coverter – ADC) đo biên độ cực đại của một
xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Mã số tỉ lệ với biên độ tương tự tại lối vào ADC.
Đối với các xung liên tiếp, mã số từ ADC được dẫn tới bộ nhớ riêng hoặc tới máy tính và phân loại
bằng biểu đồ. Biểu đồ này biểu diễn phổ của biên độ xung vào. Với xung vào từ bộ khuếch đại phổ
kế năng lượng alpha nên phổ tương ứng với phổ năng lượng được quan sát bằng detector kèm theo.
Bộ ADC dùng trong hệ đo Alpha Analyst có được số bit đủ yêu cầu cho phổ có khả năng phân giải
cao.
2.7 Máy phân tích biên độ đa kênh MCA
Máy phân tích biên độ đa kênh (Multi Channel Analyzer – MCA) bao gồm ADC, một bộ nhớ
biểu đồ, bộ chỉ thị biểu đồ được ghi trong bộ nhớ. Mục đích của ADC là đo biên độ xung tương tự
và biến đổi nó thành số. Lối ra số là biểu diễn tỉ lệ của biên độ tương tự lối vào ADC. Biểu đồ biểu
diễn phổ biên độ xung lối vào. Các xung lối vào tới bộ khuếch đại phổ năng lượng nên biểu đồ
tương ứng với phổ năng lượng thu nhận bởi detector. Trong hệ đo, có sử dụng máy tính để chỉ thị

phổ, sự kết hợp ADC với bộ nhớ biểu đồ được gọi là bộ đệm đa kênh (Multi Channel Buffer –
MCB). Việc sử dụng vi xử lí trong cấu trúc đo MCA cho phép phân tích số liệu phức tạp và mạnh
sao cho kết quả cuối cùng được chỉ thị và được in.
Bảng 2.4. Các loại MCA thông dụng
Hãng chế tạo

Loại Phần cứng Phần mềm Số kênh
Canberra 35 Plus Chuyên dụng Chuyên dụng 2K, 4K, 8K

Canberra Accuspec Add on Card
Genie 2000
BSS
Genie 2000
GAS
Genie 2000
AAS
2K, 4K,
8K,16K
Canberra System 100 Add on Card 16k

Sau đây là hệ đo Alpha Analyst của hãng Canberra, sử dụng detectot PIPS dòng A1200-37Am,
tại Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân thuộc Khoa Vật Lý – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên thành phố
Hồ Chí Minh.


Hình 2.2.
Hệ phổ kế Alpha Analyst
Hình 2.3.
Bơm hút chân không

Hình 2.4. Máy tính tính toán và hiển thị phổ

CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM AASI [7]
AASI là một chương trình dùng mô phổng phổ năng lượng của hạt alpha. Nó sử dụng mật mã
Monte Carlo tiên tiến để đưa ra các phổ alpha, thuận tiện cho việc nghiên cứu các hiện tượng cũng
như các yếu tố khác nhau có ảnh hưởng đến chất lượng phổ.










Hình 3.1. Cửa sổ chính của chương trình
Giao diện đồ họa của chương trình AASI gồm 7 thẻ:
3.1 Welcome
Xuất hiện khi chạy xong chương trình. Các Example 1, Example 2, Example 3, Example 4 là
các mẫu phổ alpha, khi click vào nút “Open”, thẻ Simulation plot sẽ bật lên có hình nền ứng với

từng mẫu, chọn Run simulation trong mục Run ở phía trên hoặc bấm Ctrl+r để xem phổ mô phổng.
3.2 Alpha Detector
Dùng thay đổi tính chất của detector, bởi vì mỗi phép mô phỏng đều có liên quan tới detector,
ứng với các thông số được lưu một cách độc lập. Thẻ này chỉ có một cửa sổ (xem hình 3.2).

















Hình 3.2. Cửa sổ của thẻ Alpha detector
- Detector filename: đặt tên cho bộ số liệu của detector sử dụng cho quá trình mô phổng.
- Detector type: nhập loại detector .
- Detector properties: nhập các thông số về tính chất của detector gồm:
 Diameter: đường kính cửa sổ detector. Các hạt alpha phát ra từ nguồn như là các xung được
detector ghi nhận. Chúng đi vào detector thông qua cửa sổ của detector .
 Resolution (FWHM): độ phân giải của detector (bề rộng một nửa), phụ thuộc vào sự ảnh
hưởng của hệ điện tử của detector lên chất lượng phổ đo.
 Thickness (active volume): bề dày vùng hoạt của detector, đây là vùng ghi nhận các hạt alpha

tới.
 Dead layer thickness: bề dày lớp chết của detector, là một lớp mỏng trên bề mặt detector, nó
không ghi nhận các hạt alpha tới mà góp phần vào sự mất năng lượng của hạt alpha.
- Dead layer material: danh sách vật liệu của lớp chết cho phép lựa chọn loại vật liệu của lớp
chết.
- Dead layer material properties: lớp chết góp phần vào sự mất năng lượng của hạt alpha tới, và
nhân tố chính là số khối của vật liệu.
- Peak shape
 Total tailing: đuôi toàn phần, chạy từ 0 tới 1. Thông số này cho phép qui định phần đuôi
trong phép mô phỏng mong muốn là bao nhiêu, nó càng nhỏ thì số đếm đỉnh càng chính
xác.
 Fast component: được gọi là thành phần nhanh của hàm đuôi dạng hàm mũ kép, và cũng là
yếu tố thứ nhất trong hai yếu tố qui định sự cân đối của hàm đuôi.
 Slow component: được gọi là thành phần chậm của hàm đuôi dạng hàm mũ kép, và là yếu tố
thứ hai trong hai yếu tố qui định sự cân đối của hàm đuôi. Tuy nhiên, thành phần này thay
đổi chậm hơn thành phần nhanh.
 Area ratio (fast/slow): tỉ số giữa thành phần nahnh và thành phần chậm, dùng tinh chỉnh các
hiệu ứng đuôi tương ứng với tính chất của các thành phần nhanh và chậm.
3.3 Source
Khảo sát nguồn phóng xạ bao gồm việc xác định các chất thực sự phát hạt alpha cũng như chất
phát được phân bố như thế nào trên bề mặt nguồn, từ đó cho phép mô phỏng các loại mẫu khác
nhau, từ các loại mẫu được chuẩn bị theo phương pháp hóa phóng xạ (không còn các phân tử hay