xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu moss – soil và spiked water bằng hệ phổ kế gamma phông thấp cho bài toán so sánh quốc tế của iaea

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Đề tài

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ
PHÓNG XẠ TRONG MẪU MOSS – SOIL VÀ
SPIKED-WATER BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA
PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH
QUỐC TẾ CỦA IAEA

MÃ SỐ: CS.2011.19.53

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hoàng Đức Tâm

Thành phố Hồ Chí Minh – 2012


DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ
TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

1. ThS. Hoàng Đức Tâm, chủ nhiệm đề tài.
2. ThS. Trần Thiện Thanh, Khoa Vật lý và Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học

Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh.

1


MỤC LỤC
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH ......................................................................... 1
MỤC LỤC ........................................................................................................ 2
TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3
SUMMARY...................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM........................................................ 6
1.1. Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường [3] ........... 6
1.1.1. Phương pháp tương đối .............................................................................. 6
1.1.2. Phương pháp tuyệt đối ............................................................................... 7
1.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ [2] ............................................................. 10
1.3. Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối với
mẫu dạng hình trụ ............................................................................................... 12
1.4. Thực nghiệm.................................................................................................. 13
1.4.1. Chuẩn bị mẫu chuẩn ................................................................................. 13
1.4.2. Chuẩn bị mẫu đo ...................................................................................... 14
1.4.3. Hệ phổ kế gamma..................................................................................... 15
1.4.4. Xử lí phổ................................................................................................... 17

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 19
2.1. Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ ........... 19
2.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ .................................................................. 20
2.2.1. Hiệu chỉnh cho mẫu Moss-soil................................................................. 21
2.2.2. Hiệu chỉnh cho mẫu Spiked-water ........................................................... 21
2.3. Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil ............................................. 22
2.4. Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Spiked-water 1, 2 và 3 ....................... 25
2.5. Nhận xét ......................................................................................................... 30

KẾT LUẬN .................................................................................................... 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 32
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 33

2


TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:
XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG MẪU
MOSS – SOIL VÀ SPIKED-WATER BẰNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA
PHÔNG THẤP CHO BÀI TOÁN SO SÁNH QUỐC TẾ CỦA IAEA
Mã số: CS.2011.19.53
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hoàng Đức Tâm

Tel: 0909598871

E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài : Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM
Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện : Phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân –
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Việt Nam.
Thời gian thực hiện: 04/2011 – 04/2012.
1. Mục tiêu:Phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ của mẫu Spiked-water
bao gồm

54

Mn,

soil bao gồm
228

40

57

Co,

K,

60

60

Co,

Co,

65

65

Zn,

Zn,

134

134

Cs,

Cs,

137

137

Cs,

Cs,

133

208

Ba và

Tl,

210

152

Pb,

Eu và mẫu Moss-

214

Pb,

214

Bi,

226

Ra,

Ac, 234Th và 241Am.

2. Nội dung chính
-

Xây dựng đường cong hiệu suất của detector HPGe theo năng lượng đối
với mẫu có dạng hình trụ trong vùng từ năng lượng từ 46,54keV đến
1847,42keV.

-

Tính toán hệ số hiệu chỉnh sự suy giảm tuyến tính đối với các mẫu Mosssoil và Spiked-water.

-

Tính toán hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ của mẫu Spiked-water
bao gồm

54

Mn,

57

Co,

60

Co,

65

Zn,

3

134

Cs,

137

Cs,

133

Ba và

152

Eu và mẫu

Moss-soil bao gồm 40K, 60Co, 65Zn,
226

-

134

Cs,

137

Cs,

208

Tl, 210Pb,

214

Pb, 214Bi,

Ra, 228Ac, 234Th và 241Am.

So sánh kết quả tính toán của đề tài và kết quả công bố của IAEA.

3. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội)
-

Đã xác định được hoạt độ của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Mosssoil và Spiked-water.

-

Đề tài đã hướng dẫn thành công một luận văn tốt nghiệp đại học của sinh
viên.

-

Kết quả tính toán hiệu chỉnh sự tự hấp thụ (một phần của đề tài) đã được
báo cáo tại hội nghị Vật lý hạt nhân, Vật lý năng lượng cao và vật lý thiên
văn toàn quốc tại Hà nội. Kết quả này cũng được đăng trong Proceedings
of the topical conference on nuclear physics, high energy physics and
astrophysics (Science and technics publishing house - 2010) (Phụ lục).

-

Ngoài ra, kết quả về việc xây dựng đường cong hiệu suất trong vùng năng
lượng từ 81.0keV – 1764.5keV đã được đăng trong tạp chí khoa học tự
nhiên của Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh (Phụ lục).

4


SUMMARY
Project Title: Determination of specific activity of radionuclides in Moss-soil
and Spiked-water using HPGe Spectrometry System for the Worldwide
Open Proficiency Test of IAEA
Code number: CS.2011.19.53
Coordinator: MSc. Hoang Duc Tam
Implementing Institution: Faculty of Physics, Ho Chi Minh City University of

Pedagogy.
Cooperating Institution(s): Faculty of Physics and Engineering Physics, Ho Chi
Minh City Univercity of Science, Vietnam National University.
Duration: from April-2011 to April-2012
1. Objectives: Determination of specific activity of radionuclides : 54Mn, 57Co,
60

Co,

65

65

Zn,

134

Zn,

134

Cs,

Cs,

137

137

Cs,

Cs,

208

133

Ba and

210

Tl,

Pb,

214

152

40

60

Th and

241

Eu (Moss-soil sample) and

Pb,

214

Bi,

226

Ra,

228

Ac,

234

K,

Co,

Am

(Spiked-water samples)
2. Main contents:
-

Forming the curve of efficiency of HPGe detector versus energies.

-

Calculation of the linear absorbed factors.

-

Analysis of experimental data.

-

Determination of specific activity of radionuclides :
134

Co,

65

Zn, 134Cs, 137Cs, 208Tl, 210Pb, 214Pb, 214Bi, 226Ra, 228Ac, 234Th and

Ba and

152

57

Zn,

Cs,

133

Mn,

65

Cs,

137

54

Eu (Moss-soil sample) and

40

K,

60

Co,

60

Co,

241

Am

(Spiked-water samples)
3. Results obtained:
Results of specific activity of radionuclides in Moss-soil and Spiked-water
Samples.

5


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM
1.1. Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường [3]
Trong xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường, hai phương pháp thường
được sử dụng
 Phương pháp tương đối: mẫu cần đo được đo cùng dạng hình học với
mẫu chuẩn. Tỉ số của diện tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm
trong hai phổ dùng để tính hoạt độ phóng xạ.
 Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực
tiếp hoạt độ phóng xạ.
Mục đích của việc phân tích phổ gamma của các mẫu môi trường là để xác
định hoạt độ riêng của các nhân phóng xạ phát tia gamma và sai số của kết quả.
Phương pháp này thường được áp dụng cho các mẫu môi trường. Các phép đo phổ
gamma gần đây được xem là phương pháp phân tích đa nhân chủ yếu dựa vào việc
sử dụng detector bán dẫn có độ phân giải cao như detector phẳng, đồng trục hoặc
giếng.
Phương pháp xác định hoạt độ riêng bằng phép đo phổ gamma gồm các bước
sau:




Chuẩn bị mẫu chuẩn và mẫu đo.
Phân tíchphổ.
Tính toán kết quả.

Quá trình này cũng có thể áp dụng cho các mẫu khác như mẫu sinh học, mẫu

kim loại, mẫu lỏng, …
1.1.1. Phương pháp tương đối
Một trong những ưu điểm của phương pháp tương đối là không cần phải có
những số liệu hạt nhân và thông số thực nghiệm như trong phương pháp tuyệt đối.
Do đó, công việc trở nên đơn giản hơn và sai số phân tích chủ yếu phụ thuộc vào sai
số của hàm lượng mẫu chuẩn và sai số thống kê. Các nguồn sai số này có thể giảm
hoặc khống chế được. Cần sử dụng các mẫu chuẩn giống với mẫu phân tích về hàm
lượng, về chất nền và sự phân bố đồng đều của các nguyên tố ở trong mẫu để tăng
độ chính xác.

6




 eI t m P 5 K 
N
i 1 i 


 gs

 

5
Ac
N
 eI gts m P i 1K i  m 
c

Am

(1.1)

Do các mẫu đo được đem đo ở cùng hệ phổ kế gamma nên εm = εc, K4m = K4c.
Số đếm được tính tại đỉnh năng lượng của cùng một đồng vị nên Iγm = Iγc. Nếu đồng
vị mà chúng ta quan tâm có chu kì bán rã lớn trong khi thời gian đo mẫu nhỏ
(thường khoảng vài ngày), khi đó xem như K1m = K1c = 1 và K2m = K2c = 1. Ngoài
ra, mẫu chuẩn và mẫu đo có chứa cùng một nhân phóng xạ nên K5m = K5c = 1.
Từ đó chúng ta có công thức tính hoạt độ đồng vị phóng xạ theo phương pháp
tương đối như sau:
Am  Ac

N mtcmc
N ctmmm

(1.2)

trong đó:
 Am, Ac là hoạt độ đồng vị phóng xạ của mẫu đo và mẫu chuẩn.
 Nm, Nc là số đếm đã trừ phông của mẫu đo và mẫu chuẩn tại đỉnh năng
lượng của đồng vị cần phân tích.
 mm, mc là khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn.
 tm, tc là thời gian đo mẫu đo và mẫu chuẩn.
Phương pháp tương đối cho kết quả với độ chính xác cao nhưng việc làm mẫu
chuẩn đòi hỏi mất nhiều thời gian và công sức. Và càng khó khăn, tốn kém hơn khi
phải chuẩn bị một loạt những mẫu chuẩn với những hoạt độ xác định để đo kèm với
mẫu cần xác định hoạt độ. Do đó, nếu trong một phạm vi sai số cho phép thì
phương pháp tuyệt đối - tính hoạt độ dựa vào đường cong hiệu suất - là một phương
pháp tương đối hiệu quả, kinh tế và dễ thực hiện.

1.1.2. Phương pháp tuyệt đối
Đây chính là phương pháp được sử dụng trong đề tài.Trong phương pháp này,
việc xác định hoạt độ chủ yếu dựa vào hiệu suất bức xạ phát ra từ mẫu chuẩn của
detector.
Hoạt độ riêng của nhân phóng xạ phát gamma có trong mẫu được tính theo
công thức sau:

7


A



N
1
5
e.I g .m P i 1C i

(1.3)

Π 5i=1Ci =
C1C 2 C3C 4 C5 là tích của các hệ số hiệu chỉnh.

 ε là hiệu suất ghi tại đỉnh năng lượng quan tâm.
 Iγ là xác suất phát tia gamma tại đỉnh năng lượng quan tâm.
 m (kg) là khối lượng mẫu.
 N là diện tích đỉnh thực được hiệu chỉnh từ đỉnh năng lượng quan tâm và được
cho bởi công thức :
N  Ns 

ts
tb

Nb

(1.4)

trong đó:
 NS là diện tích đỉnh thực trong phổ của mẫu đo.
 Nb là diện tích đỉnh thực tương ứng trong phổ của phông.
 ts (s) là thời gian đo mẫu.
 tb (s) là thời gian đo phông.
C1 là hệ số hiệu chỉnh sự phân rã phóng xạ từ lúc mẫu được tạo ra đến khi bắt
đầu đo.
C1  e

ln 2t

TR

(1.5)

vớiΔt là thời gian từ lúc mẫu được tạo ra đến lúc bắt đầu đo và TR là thời gian bán
rã của nhân phóng xạ. Nếu Δt≪ TR thì C1=1.
C2 là hệ số hiệu chỉnh phân rã phóng xạ trong khi đo.
ln 2t 





T
C2 
1  exp R 

ln 2  t 


TR

với t là thời gian đo mẫu. Nếu t ≪ TR thì C2 = 1.

C3 là hệ số hiệu chỉnh đối với sự mất mát xung do lấy tổng ngẫu nhiên

8

(1.6)


C 3  e 2 R t

(1.7)

vớiτ là độ phân giải thời gian của hệ đo và R là tốc độ đếm trung bình. Đối với
tốc độ đếm chậm, hệ số hiệu chỉnh này được lấy là 1.
C4 là hệ số hiệu chỉnh trùng phùng cho nhân phân rã xuyên qua tầng phát
photon liên tiếp. Nếu nhân không phát gamma theo dạng tầng thì C4= 1. Cũng như
nếu mẫu chuẩn và mẫu đo chứa cùng nhân phóng xạ thì không cần có sự hiệu chỉnh
này (C4= 1). Hệ số hiệu chỉnh C4 đối với năng lượng E của nhân phóng xạ phát
phóng xạ thành tầng được định nghĩa là tỉ số giữa hiệu suất biểu kiến εp(E) và hiệu

suất đỉnh năng lượng toàn phần ε(E) tại cùng một đỉnh năng lượng có được từ
đường cong năng lượng đo với nhân phát photon đơn:
C5 

e p( E )
e( E )

(1.8)

C4 phụ thuộc vào sơ đồ phân rã phóng xạ, hình học, thành phần mẫu và thông số
của detector.
C5 là hệ số hiệu chỉnh sự tự suy giảm trong mẫu đo so với mẫu chuẩn. Nếu
matrix của mẫu chuẩn và mẫu đo giống nhau thì C5 = 1.
Trong phạm vi của đề tài này, các đối tượng cần xác định hoạt độ là các đồng
vị phóng xạ có trong các mẫu Moss-soil và Spiked-water. Để xác định được hoạt độ
này thì cần phải xây dựng được đường cong hiệu suất, tuy nhiên mẫu chuẩn mà
chúng tôi sử dụng là mẫu RGU-1 [8] và nhìn chung thì mẫu chuẩn này có matrix
mẫu không giống như mẫu cần đo (Moss-soil và Spiked-water). Chính sự khác nhau
này dẫn đến yêu cầu cần phải hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ. Trong phần sau,
chúng tôi sẽ đề cập đến sự hiệu chỉnh về hiệu ứng tự hấp thụ này.
Việc xác định sai số được thực hiện bằng cách áp dụng công thức tính sai số
như sau:
 N
e m I g 

A  A 





 N
m
I g 
e

(1.9)

Đối với phương pháp này, chúng ta phải xác định hiệu suất ghi của detector
(ε) đối với từng hình học mẫu nhất định. Việc xác định hiệu suất ghi đỉnh năng
lượng trong đề tài này được chúng tôi tiến hành bằng cách sử dụng mẫu chuẩn
9


RGU-1 có các đồng vị phát ra các đỉnh năng lượng trong phạm vi năng lượng từ
46,54keV đến 1847,42keV.
Trong đề tài này, khi xác định hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ, chúng
tôi chỉ hiệu chỉnh hai hiệu ứng là hiệu ứng tự hấp thụ và hiệu chỉnh thời gian phân
rã.Nguyên nhân của việc hiệu chỉnh này là chúng tôi đưa các kết quả của việc xác
định hoạt độ về cùng thời gian với thời gian mà IAEA [5] công bố hoạt độ để so
sánh các kết quả của chúng tôi xác định và kết quả của IAEA. Như vậy, với việc
hiệu chỉnh hai hiệu ứng trên, công thức xác định hoạt độ được tính như sau
N
1
e.I g .m C 1C 5

A

Trong trường hợp đồng vị phát ra nhiều đỉnh năng lượng, để tăng độ chính xác
cho kết quả đo, chúng tôi sử dụng công thức sau:


A


N

i 1
N

Ai / ui2

1 / ui2
i 1

(1.10)

và sai số phép đo được tính theo công thức
uA 

1

 i11 / ui2
N

(1.11)

ở đây, Ai là hoạt độ phóng xạ tính từ đỉnh năng lượng thứ i, ui là sai số của Ai.
Mẫu Moss-soil và Spiked-water mà chúng tôi cần xác định hoạt độ, có rất
nhiều đồng vị phát ra các đỉnh năng lượng khác nhau. Do vậy việc xác định hoạt độ
được chúng tôi sử dụng các công thức 1.10 và 1.11.

1.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ [2]
Như đã đề cập trong phần trước, hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ là việc làm
cần thiết nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả xác định hoạt độ do sự khác nhau
của matrix mẫu chuẩn và matrix mẫu cần đo.
Hệ số hiệu chỉnh được xác định theo công thức sau:

10


C=
haỏp thuù

C chuaồn
=
C maóu ủo

(
(

)
)

à ( E )maóu ủo 1 exp ( à ( E )chuaồn x )


à
E
(
)

chuaồn 1 exp ( à ( E ) maóu ủo x )


(1.10)

Nh vy, trong cụng thc trờn, cn phi xỏc nh c h s suy gim tuyn
tớnh.Cú nhiu phng phỏp xỏc nh h s suy gim tuyn tớnh. Trong ti ny,
chỳng tụi s dng phng phỏp truyn qua xỏc nh.

NS

NS

Hp rừng

x

Mu o

N0

N

Hỡnh 1.1.B trớ thớ nghim o h s suy gim tuyn tớnh v h s suy gim khi
B trớ thớ nghim trong phng phỏp truyn qua nhm xỏc nh h suy gim
tuyn tớnh bao gm: ngun phúng x, giỏ ngun, mu v b chun trc bng chỡ
(collimator). thu c chựm tia gamma song song phỏt ra t ngun, chỳng tụi s
dng hai collimator: mt c t gia ngun phúng x v hp cha mu, cỏi cũn
li c t gia hp cha mu v detector. B dy ca detector phi ln cú
th hp th c 98,2% photon nng lng cao nht.

xỏc nh c h s suy gim tuyn tớnh ng vi cỏc giỏ tr nng lng
di 2MeV, chỳng tụi s dng mu chun cú cha cỏc ng v phúng x
133

226

Ra v

Ba vi cỏc nh nng lng phõn b u t 46,54 keV n 1847,42 keV.
Cụng thc xỏc nh h s suy gim tuyn tớnh:
N (E)
1
à ( E ) = ln 0

x
N (E)

11

(1.11)


ở đây, N0(E) và N(E) là số đếm thực của tương ứng với năng lượng E đối với hộp
rỗng và hộp chứa mẫu.
Sai số được tính theo công thức truyền sai số [4]
u 2 (µ) u 2 ( x )
=
+
µ2
x2

 u 2 ( N 0 (E) ) u 2 ( N ( E ) ) 
⋅
+

N 2 ( E ) 

  N 02 (E)
2 N 0 (E)
ln 

 N (E) 
1

(1.12)

1.3. Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất ghi của detector đối
với mẫu dạng hình trụ
Trong đề tài này, do cần phân tích nhiều đồng vị phóng xạ có trong mẫu, việc
sử dụng phương pháp tương đối mặc dù cho kết quả tốt hơn như đã đề cập ở trên
nhưng lại cần rất nhiều mẫu chuẩn. Do vậy để xác định hoạt độ phóng xạ của các
đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil và Spiked-water, chúng tôi sử dụng
phương pháp tuyệt đối. Một trong những yêu cầu của phương pháp này là cần phải
xây dựng đường cong hiệu suất ghi của detector tương ứng với các đỉnh năng lượng
phát ra từ các đồng vị có trong mẫu và ứng với mẫu có dạng hình học nhất định.
Phổ gamma được ghi nhận bằng chương trình thu nhận phổ Maestro-32 và quá
trình xử lý phổ chúng tôi sử dụng chương trình Genie-2000. Thời gian đo mẫu là
259200s (3 ngày).Như vậy, trong công thức tính hoạt độ phóng xạ, ngoại trừ phải
xác định hiệu suất ghi nhận của detector, các đại lượng còn lại đều có thể thu thập
được từ chương trình ghi nhận và xử lí phổ.

Nhiệm vụ tiếp theo là xây dựng hàm hiệu suất ghi nhận của detector theo năng
lượng ứng với mẫu có dạng hình trụ (dạng hình học này không thay đổi trong suốt
quá trình thực nghiệm). Nhiều công trình trước đây đã chỉ ra rằng hiệu suất ghi nhận
của detector phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: năng lượng và hình học đo.
Trong đề tài này chúng tôi sử dụng một hình học mẫu dạng trụ và tiến hành
xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng.
Việc xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng được tiến hành qua các
bước sau:

12


 Sử dụng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định hiệu suất ghi của
detector đối với các đỉnh năng lượng có trong mẫu chuẩn RGU-1. (từ
46,54 keV đến 1847,42 keV).
 Từ các số liệu về hiệu suất ghi của detector, tiến hành làm khớp bộ số liệu
đo được bằng chương trình khớp hàm EEFGIE với hàm làm khớp sau:

lg ε ( E )  =
a 0 + a1 lg ( E ) + a 2 lg ( E )  +
2

+ a 3 [ lg(E)] + a 4 [ lg(E)] + a 5 [ lg(E)] + a 6 [ lg(E)]
3

4

5

6

(1.13)

trong đó :
a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6 : hệ số của hàm khớp
E (keV) : Năng lượng
Sau khi đã có được hàm khớp, việc tính toán hiệu suất ghi của các đỉnh năng lượng
của các đồng vị trong mẫu Moss-soil và Spiked-water phát ra được tính bằng cách thay
từng giá trị năng lượng vào sẽ được hiệu suất ghi nhận của detector tương ứng.
Khi đã có các giá trị hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh năng
lượng phát ra từ mẫu Moss-soil và các giá trị N, Iγ, t chúng tôi tính được hoạt độ
phóng xạ (Bq) của các đồng vị có mặt trong mẫu Moss-soil. Hoạt độ phóng xạ riêng
(Am) được tính như sau:
Am =

A
m

(1.14)

trong đó:
 A: hoạt độ phóng xạ (Bq)
 m: khối lượng mẫu (kg)

1.4. Thực nghiệm
1.4.1. Chuẩn bị mẫu chuẩn
RGU-1 (mẫu đất) được chúng tôi chọn làm mẫu chuẩn trong việc xây dựng
đường cong hiệu suất do trong mẫu này gồm nhiều đồng vị phát ra nhiều đỉnh năng
lượng từ 46,54keV đến 1847,42keV đáp ứng đủ cho việc phân tích hoạt độ các đồng

13


vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil và Spiked-water. Mẫu RGU-1 được đóng vào

47mm

hộp nhựa dạng trụ với kích thước như hình 1.2 bên dưới.

75mm

Hình 1.2.Mô hình hộp đựng mẫu chuẩn RGU-1, mẫu Moss-soil và Spiked-water
Bảng 1.1 bên dưới trình bày các thông tin về mẫu RGU-1. Các thông tin về mẫu
được chứng thực trong [8].
Bảng 1-1.Thông tin về hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) của mẫu RGU-1
Đồng vị phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) của

Mật độ mẫu chuẩn RGU-1

mẫu RGU-1

(g/cm3)

238

4910 – 4970

235

U

228

232

Th

< 4,0

U

40

K

1464

< 0,63

1.4.2. Chuẩn bị mẫu đo
Mục đích của đề tài này là xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong
mẫu Moss-soil (mẫu rong rêu) và các mẫu Spiked 1, 2, 3 (Mẫu nước). Mẫu Mosssoil được lấy tại địa điểm ở hình bên dưới.

14


Hình 1.3. Địa điểm lấy mẫu Moss -soil
Mẫu Moss-soil và Spiked-waterđược cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

IAEA gửi cho 300 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới trong đó có phòng thí
nghiệm vật lí hạt nhân của trường Đại Học Khoa học Tự nhiên. Việc xác định hoạt
độ này được kết hợp giữa hai phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân của trường Đại Học
Sư phạm Tp.HCM và trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM.
Mẫu Moss-soil là loại mẫu rong rêu được thu thập tại vùng tây bắc của
Hungary. Vị trí lấy mẫu có thể xem trong hình 1.3.
Bảng 1-2.Thông tin về mẫu Moss-soil và spiked-water
Mẫu

Khối lượng (g)

Loại mẫu

Moss-soil

145,00

Rong rêu

Spiked-water 1

153,73

Nước

Spiked-water 2

155,41

Nước

Spiked-water 3

155,90

Nước

1.4.3. Hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế gamma sử dụng trong đề tài này là hệ phổ kế gamma phông thấp
thuộc phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân trường Đại học Sư phạm Tp.HCM. Đầu dò
được dùng ở đây là loại đầu dò HPGe GEM 15P4 của hãng ORTEC cùng với thiết
15


bị như tiền khuếch đại, khuếch đại, bộ biến đổi tương tự xung thành số, máy phân
tích biên độ đa kênh, máy tính và buồng chì che chắn phông môi trường ảnh hưởng
lên đầu dò và nguồn.
MCA

Hệ điện tử

Buồng chì
Đầu dò bên trong
buồng chì
Bình làm lạnh

Hình 1.4.Hệ phổ kế gamma phông thấp của Trường ĐHSP Tp.HCM
Thông số kỹ thuật : Hệ phổ kế gamma phông thấp (sử dụng detector đồng trục
loại p)


Model detector : GEM 15P4



Hiệu suất ghi : 15%



Độ phân giải tại 1,33 MeV của Co-60 : 1,8 KeV



Tỉ số đỉnh/ Compton : 50 :1



Phần mềm thu nhận và xử lí phổ : Maestro – 32



Đường kính detector : 5,12 cm



Chiều dài detector : 45 cm



Lớp nhôm : 1,27 mm

16


1.4.4. Xử lí phổ
Trong quá trình xử lí phổ chúng ta cần chú ý đến phông và đỉnh bức xạ ghi
nhận được.
 Phông tại đỉnh: Mỗi đỉnh phổ đều có sự đóng góp tại đỉnh đó. Do đó khi
tính toán để thu được kết quả chính xác về diện tích đỉnh, chúng ta cần phải
trừ phông.
 Diện tích đỉnh: Phổ gamma đặc trưng thu được trên hệ MCA có dạng
phân bố Gauss, tổng số đếm các kênh nằm trong giới hạn của đỉnh phổ
Gauss được gọi là diện tích đỉnh phổ.
Trong quá trình đo chúng tôi sử dụng hai chương trình xử lí phổ Gamma đó là
phần mềm xử lí phổ Maestro – 32 của trường Đại học Sư phạm Tp.HCM và phần
mềm xử lí phổ Genie – 2000.
 Chương trình thu nhận phổ Maestro – 32
Maestro-32 là một chương trình thu nhận và xử lí phổ đo gamma đi kèm với
hệ phổ kế gamma của hãng ORTEC. Giao diện chính của chương trình như trong
hình sau:

Hình 1.5.Thu nhận phổ bằng chương trình Maestro-32
 Chương trình xử lí phổ Genie – 2000

17


Hình 1.6.Xử lí phổ bằng phần mềm Genie – 2000
Thực tế việc tiến hành xử lí phổ gamma thu được cũng có thể thực hiện bằng
chương trình Maestro – 32. Tuy nhiên, để thuận tiện trong việc xử lí, trong quá trình

xử lí phổ, chúng tôi lựa chọn chương trình Genie – 2000.

18


CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2.1. Hiệu suất ghi nhận của detector đối với mẫu khối dạng hình trụ
Mẫu chuẩn RGU – 1 phát ra các đỉnh năng lượng trong phạm vi từ 46,54 keV
đến 1847,42 keV. Ứng với mỗi giá trị năng lượng này sẽ có một hiệu suất ghi tương
ứng của detector.Các giá trị về hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh
năng lượng phát ra trong mẫu RGU – 1 được thể hiện trong bảng 2.1.
Bảng 2-1.Hiệu suất của detector tại các đỉnh năng lượng từ 46,54 keV đến 1847,42
keV của mẫu chuẩn RGU-1
Năng lượng (keV)

Hiệu suất

Sai số của hiệu suất

46,54

0,00219

0,0000562

63,31

0,01460

0,0003400

92,58

0,03540

0,0022200

186,10

0,03710

0,0003100

242,00

0,02970

0,0002080

295,22

0,02510

0,0001610

351,93

0,02170

0,0001390

609,31

0,01160

0,0008540

768,36

0,01030

0,0000828

1120,29

0,00685

0,0000468

1238,11

0,00635

0,0000513

1377,67

0,00648

0,0000569

1764,49

0,00506

0,0000372

1847,42

0,00508

0,0000599

Từ kết quả có được trong bảng 2.1 chúng tôi xây dựng hàm làm khớp theo
công thức (1.13). Sử dụng chương trình EFFGIE, chúng tôi tính được các hệ số làm
khớp a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6. Kết quả được chỉ ra trong bảng 2.2.
Bảng 2-2.Giá trị các hệ số làm khớp a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6
Hệ số làm khớp

Giá trị

a0

– 542,75

a1

1225,14

a2

– 1156,21

a3

582,60

19


a4

– 165,22

a5

24,97

a6

– 1,57

Hình 2.1 bên dưới trình bày các giá trị thực nghiệm và đường cong hiệu suất

Hình 2.1.Đường cong hiệu suất của detector theo năng lượng đối với mẫu khối hình
trụ

2.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ
Như đã đề cập ở trên, để xác định được hoạt độ của các mẫu moss-soil và
spiked-water chúng tôi cần phải xây dựng được đường chuẩn hiệu suất theo năng

lượng. Để thực hiện được điều này, chúng tôi sử dụng mẫu RGU là một mẫu mà đã
biết được các thành phần hóa học của mẫu. Tuy nhiên, khi dùng đường chuẩn năng
lượng này để phục vụ cho việc xác định hoạt độ của các mẫu Moss-soil và Spikedwater thì một vấn đề nảy sinh là cần phải hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ do thành
phần hóa học của các mẫu này khác với mẫu RGU (còn gọi là khác nhau về matrix
mẫu). Trong các phần dưới đây, chúng tôi sẽ lần lượt trình bày phần hiệu chỉnh hiệu
ứng tự hấp thụ cho mẫu Moss-soil và mẫu Spiked-Water.

20


2.2.1. Hiệu chỉnh cho mẫu Moss-soil
Hệ số suy giảm tuyến tính mà chúng tôi tính toán được được chỉ ra như ở bảng
2.3. Trong đó giá trị hệ số suy giảm tuyến tính của RGU-1 được tính bằng chương
trình XCOM [1].
Các hệ số này được tính theo hai cách: đo đạc thực nghiệm và nội suy từ hàm
khớp. Các kết quả theo hai cách trên đã chỉ ra sự sai biệt giữa hai phương pháp là
chấp nhận được (sai biệt dưới 10%).
Bảng 2-3. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ đối với mẫu Moss-soil
Năng lượng
(keV)

µRGU

µMossoil

CRGU

Cmoss-soil

Chấp thụ

Sai số
tuyệt đối

46,54

0,435608

0,313676

0,530419

0,622936

0,851

0,017

63,31

0,293488

0,248207

0,640522

0,682671

0,938

0,019

92,58

0,224672

0,194718

0,706163

0,737758

0,957

0,019

186,10

0,171904

0,137474

0,763174

0,803907

0,949

0,019

242,00

0,156672

0,123182

0,780832

0,821704

0,950

0,019

295,22

0,145656

0,113822

0,793958

0,833656

0,952

0,019

351,93

0,136272

0,106297

0,805383

0,843438

0,955

0,019

609,31

0,108678

0,085530

0,840327

0,871266

0,964

0,019

768,36

0,097934

0,077431

0,854497

0,882460

0,968

0,019

1120,29

0,081722

0,064639

0,876505

0,900541

0,973

0,019

1238,11

0,077697

0,061306

0,882089

0,905336

0,974

0,019

1377,67

0,073576

0,057773

0,887856

0,910454

0,975

0,020

1764,49

0,064818

0,049729

0,900285

0,922257

0,976

0,020

1847,42

0,063294

0,048263

0,902471

0,924430

0,976

0,020

Đối với năng lượng thấp hơn 100keV, sự hấp thụ của mẫu Moss-soil thấp hơn
mẫu chuẩn RGU-1.Vì vậy, sự hiệu chỉnh là đáng kể. Trong khi đó, đối với năng
lượng trên 100 keV sự hiệu chỉnh giữa hai mẫu này là thấp, trong khoảng từ 2 – 5%.
2.2.2. Hiệu chỉnh cho mẫu Spiked-water
Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ
Tương tự như mẫu Moss-soil, cũng phải cần phải hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp
thụ cho mẫu Spiked-water (Mẫu dạng nước).
21

Bảng 2-4. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ đối với mẫu Spiked-water
Năng lượng
(keV)

µRGU

µSpiked

CRGU

CSpiked

Chấp thụ

Sai số
tuyệt đối

46,54

0,435608

0,142939

0,477174

0,764099

0,624

0,013

63,31

0,293488

0,148110

0,591996

0,757072

0,782

0,016

92,58

0,224672

0,147289

0,662905

0,758181

0,874

0,018

186,10

0,171904

0,129769

0,725879

0,782415

0,928

0,019

242,00

0,156672

0,120002

0,745634

0,796395

0,936

0,019

295,22

0,145656

0,112147

0,760396

0,807891

0,941

0,019

351,93

0,136272

0,105103

0,773296

0,818397

0,945

0,019

609,31

0,108678

0,084016

0,813043

0,850997

0,955

0,019

768,36

0,097934

0,076020

0,829285

0,863824

0,960

0,019

1120,29

0,081722

0,064600

0,854650

0,882609

0,968

0,019

1238,11

0,077697

0,061920

0,861113

0,887097

0,971

0,019

1377,67

0,073576

0,059221

0,867798

0,891648

0,973

0,020

1764,49

0,064818

0,053612

0,882245

0,901211

0,979

0,020

1847,42

0,063294

0,052668

0,884791

0,902833

0,980

0,020

2.3. Hoạt độ và hoạt độ riêng của mẫu Moss-soil
Với các hệ số khớp a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6 ở bảng 2.2 và phương trình 1.13,
chúng tôi tính hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh năng lượng có phát
ra từ mẫu Moss-soil. Kết quả được thể hiện trong bảng 2.5
Bảng 2-5. Giá trị hiệu suất ghi nhận của detector đối với các đỉnh năng lượng phát
ra từ các đồng vị có trong mẫu Moss-soil
Đồng vị

Năng lượng (keV)

Hiệu suất ghi của detector

Sai số hiệu suất (%)

46,54

0,00218807

13,988

186,10

0,03672681

3,946

214

295,22

0,02525896

2,251

228

210

Pb

226

Ra
Pb

338,32

0,02216006

2,457

214

pb

351,93

0,02131297

2,507

228

Ac

Ac

463,10

0,01611068

2,666

208

583,19

0,01269838

2,849

214

Bi

609,31

0,01214518

2,896

228

Ac

911,20

0,00830997

2,677

228

968,97

0,00789371

2,538

Tl

Ac

22


214

Bi

1120,29

0,00704844

2,406

40

K

1460,80

0,00586754

2,899

137

Cs

661,70

0,01118198

2,968

Kết quả thu nhận diện tích của các đỉnh năng lượng có trong mẫu Moss-soil

được thể hiện trong bảng 2.6.
Bảng 2-6. Kết quả diện tích đỉnh năng lượng sau khi trừ phông của mẫu Moss-soil
Đồng vị

Năng lượng

Diện tích đỉnh

(keV)

N (số đếm)

Sai số diện tích
đỉnh
(%)

Hiệu suất

Sai số hiệu suất phát

phát Iγ

(%)

210

Pb

46,54

1617

8,45

4,25

0,04

226

Ra

186,10

2599

6,37

3,56

0,02

214

Pb

295,22

2700

5,48

18,41

0,04

228

Ac

338,32

3392

4,30

11,27

0,19

214

pb

351,93

5330

2,85

35,60

0,07

228

Ac

463,10

1539

10,15

4,40

0,07

208

Tl

583,19

5530

1,90

85,00

0,30

214

Bi

609,31

2795

2,47

45,49

0,19

228

Ac

911,20

3353

2,06

25,80

0,40

228

Ac

968,97

1704

3,01

15,80

0,30

214

Bi

1120,29

648

8,32

14,91

0,03

1460,80

13136

0,09

10,55

0,11

661,70

158937

0,25

84,99

0,20

40

K

137

Cs

Từ các giá trị N, Iγ, t trong bảng 2.6 và hiệu suất ghi của detector trong bảng
2.5, sử dụng công thức (1.3) chúng tôi tính được hoạt độ phóng xạ và hoạt độ phóng
xạ riêng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil. Kết quả được trình bày
trong bảng 2.7.

Bảng 2-7. Giá trị hoạt độ phóng xạ A (Bq) và hoạt độ riêng A/m (Bq/kg) của các
đồng vị trong mẫu Moss-soil có tính đến hiệu ứng tự hấp thụ
Đồng vị
210
226

Năng lượng

Chấp thụ

(keV)

Sai số

Hoạt độ A

(%)

(Bq)

Sai số (%)

Hoạt độ riêng
(Bq/kg)

Pb

46,54

0,851

1,956

67,05

8,72

400,23±34,92

Ra

186,10

0,949

1,952

7,68

6,68

28,67±1,92

295,22

0,952

1,952

2,24

5,82

14,71±0,86

214

Pb

23


228
214

Ac

338,32

0,954

1,952

5,24

5,01

34,51±1,73

Pb

351,93

0,956

1,952

2,71

3,46

17,86±0,62

463,10

0,960

1,952

8,38

10,46

55,48±5,80

228

Ac

208

Tl

583,19

0,964

1,952

1,98

2,75

13,14±0,36

214

Bi

609,31

0,964

1,952

1,95

3,18

12,98±0,41

228

Ac

911,20

0,970

1,952

6,03

3,23

40,34±1,30

228

Ac

968,97

0,970

1,951

5,27

4,06

35,28±1,43

Bi

1120,29

0,973

1,951

2,38

8,55

15,96±1,36

40

K

1460,80

0,976

1,952

81,87

2,21

551,23±12,21

137

661,70

0,965

1,952

64,52

1,98

450,41±8,93

214

Cs

Cũng cần lưu ý rằng, trong bảng 2.7, một số đồng vị như

214

Pb,

228

Ac,

214

Bi

phát ra nhiều đỉnh năng lượng, do vậy để tính hoạt độ của các đồng vị này trong
mẫu chúng tôi sử dụng công thức tính hoạt độ có trọng số. Kết quả tính toán hoạt độ
của các đồng vị này được cho trong bảng 2.8.
Bảng 2-8. Hoạt độ của các đồng vị

214

Pb,

228

Ac,

214

Bi tính theo phương pháp có

trọng số do phát ra nhiều đỉnh năng lượng
Đồng vị
214

Năng lượng

Hoạt độ riêng

295,22

14,71±0,86

351,93

17,86±0,62

609,31

12,98±0,41

1120,29

15,96±1,36

338,32

34,51±1,73

463,10

55,48±5,80

Pb

214

228

16,78± 0,50

Bi

Ac

Hoạt độ riêng (Có trọng số)

13,23±0,39

37,58±0,83

911,20

40,34±1,30

968,97

35,28±1,43

Kết quả xác định hoạt độ riêng mà chúng tôi xác định được so sánh với kết
quả xác định của IAEA. Thực chất kết quả mà IAEA công bố mới đây (đầu năm
2011) là kết quả xác định của nhiều phòng thí nghiệm trên toàn thế giới và kết quả
công bố này là kết quả được nhiều phòng thí nghiệm chấp nhận. Bảng 2.9 trình bày
kết quả hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu Moss-soil.

24