xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm detector hpge cho hệ phân tích gamma phông thấp tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân, trường đại học sư phạm tp hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tên đề tài:

XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM
DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG
THẤP TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN,
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

Mã số: CS.2010.19.109

Chủ nhiệm đề tài: CN. Phạm Nguyễn Thành Vinh

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tên đề tài:

XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM
DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG
THẤP TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

Mã số: CS.2010.19.109

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Chủ nhiệm đề tài

Phạm Nguyễn Thành Vinh

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011


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

Họ và tên
Phạm Nguyễn
Thành Vinh

Đơn vị công tác và lĩnh
vực chuyên môn
Khoa Vật lý, Trường Đại
học Sư phạm Tp. HCM

Nội dung nghiên cứu
được phân công
- Xây dựng đường cong
hiệu suất thực nghiệm
theo năng lượng.

- Khảo sát sự phụ thuộc
của đường cong hiệu suất
thực nghiệm theo khoảng
cách đầu dò và nguồn.

Trương Trường Sơn Khoa Vật lý, Trường Đại
học Sư phạm Tp.HCM

- Thiết kế, lắp đặt và tiến
hành thực nghiệm.


MỤC LỤC
Trang
Mục lục
Tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài (tiếng Việt)
Tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài (tiếng Anh)
MỞ ĐẦU

1
1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

2

3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

3

4. Nội dung chính

3

KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

4

KẾT LUẬN CHUNG

30

KIẾN NGHỊ NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

32

Tài liệu tham khảo

33

Phụ lục


Mẫu 1.10 CS

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
Tên đề tài: XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM

DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG THẤP TẠI
PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TP.HCM
Mã số: CS.2010.19.109
Chủ nhiệm đề tài: CN. Phạm Nguyễn Thành Vinh
Tel: 0909013856
E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài : Trường Đại học Sư phạmTp.HCM.
Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: CN. Trương Trường Sơn
Thời gian thực hiện: Từ tháng 4/2010 – 4/2011
1. Mục tiêu: Chuẩn hóa hệ đo, đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma
đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu phổ gamma ban đầu cũng như xây dựng đường cong
hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của detector HPGe cho hệ phổ kế dựa trên bộ
nguồn chuẩn có sẵn của PTN.
Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu của PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM, đó là bộ thông số kỹ thuật đánh giá khảo sát trực tiếp ban đầu khi đưa hệ phổ
kế gamma mới được trang bị vào hoạt động.
Kết quả này là dữ liệu tham khảo có giá trị cho quá trình sử dụng và nghiên cứu
trên hệ phổ kế sau này.
2. Nội dung chính:
Đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế; phân tích các đặc trưng của phổ
gamma như: dạng đỉnh, đỉnh năng lượng toàn phần, mép tán xạ Compton, đỉnh tán xạ
ngược, đỉnh thoát đơn, thoát đôi, tỷ số P/C.
Khảo sát hiện tượng trôi kênh theo thời gian.


Mẫu 1.10 CS

Xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của detector tại các
khoảng cách 5 cm, 10 cm và 15 cm kể từ nguồn đến detector.

3. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế-xã hội):
Bộ số liệu phổ gamma và đường cong hiệu suất của hệ phổ kế.
1 bài báo khoa học và 1 báo cáo hội nghị.


Mẫu 1.11 CS

SUMMARY
Project Title: Forming the experimental efficiency curve for HPGe detector of
gamma spectrometer system in nuclear laboratory, HCM city University of
Pedagogy.
Code number: CS.2010.19.109.
Coordinator: Pham Nguyen Thanh Vinh.
Implementing Institution : Ho Chi Minh City University of Pedagogy
Cooperating Institution(s) or Individual: Truong Truong Son
Duration: from April 2010 to April 2011
1. Objectives:
Calibrate the system, evaluate the operation parameters of the system.
Form the data set of gamma spectrums as well as the efficiency curve for
calibration purpose based on gamma sources in nuclear laboratory.
The project results would be used to contribute the data sources of nuclear
laboratory, HCM University of Pedagogy.
These results are the valuable reference data for later use and research.
2. Main contents:
Evaluation of operation parameters of the spectrometer.
Analysis gamma spectrum characteristics: peak shape, total peak, Compton edge,
back scaterring peak, single escape peak, double escape peak, P/C ratio.
Investigation the channel shifting phenomenon dependence on time.
Forming the efficiency curve dependence on energy using point sources at 3
distances from the detector face: 5 cm, 10 cm and 15 cm

3. Results obtained:
- Data set of gamma spectrums and efficiency curves of the spectrometer.
- One article and one conference report.


-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các kỹ thuật ghi đo bức xạ đã được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượng
phóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896. Sự ra đời của detector bán dẫn
như detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) và detector silicon (Si) trong những
năm 1960 đã cách mạng hóa lĩnh vực đo phổ gamma. Kỹ thuật đo phổ gamma đã trở
thành công nghệ tiên tiến trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng như đo
hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên, sử dụng trong phép phân tích kích
hoạt để đo các đồng vị không có tính phóng xạ hoặc trong phương pháp huỳnh quang
tia X với độ chính xác rất cao. Hiện nay ước tính có hơn 10000 detector bán dẫn đang
được vận hành trên toàn thế giới [3]. Hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe đã
được ứng dụng rộng rãi trong việc đo đạc các nguồn phóng xạ với khoảng năng lượng
trải dài từ vài keV đến hàng MeV. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng
lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo detector HPGe với nhiều cấu hình khác
nhau như detector Ge có năng lượng cực thấp ULEGe, detector Ge có năng lượng thấp
LEGe, detector Ge đồng trục điện cực ngược REGe, detector đồng trục Coaxial Ge
hoặc detector Ge dạng giếng Well.
Ở Việt Nam, từ lâu nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như:
Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, TTHN
Tp.HCM cũng như Trường ĐHKHTN Tp.HCM đã được trang bị các hệ phổ kế gamma
loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp [5].
Những công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ
phổ kế này thường tập trung vào các vấn đề như: nghiên cứu về khả năng che chắn của

buồng chì [6]; nghiên cứu về hàm đáp ứng của detector, đánh giá các đặc trưng của phổ
gamma đo được như độ phân giải, giới hạn phát hiện, phông nền tự nhiên, miền liên
tục của phổ, tỷ số P/C, tỷ số P/T [1], [4], [5], [6], [7]; nghiên cứu về tối ưu hóa phép đo
mẫu môi trường có hoạt độ thấp [6], [7]; nghiên cứu về hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu


-2-

suất ghi theo năng lượng, theo khoảng cách [8], [9], [10], [15]. Việc nghiên cứu đánh
giá tổng quát các thông số kỹ thuật của hệ phổ kế là một việc làm thường quy được tất
cả các phòng thí nghiệm có trang bị hệ phổ kế gamma thực hiện.
Năm 2007, Bộ môn VLHN thuộc Khoa Vật lý, Trường ĐHSP Tp.HCM đã xây
dựng dự án trang bị cho PTN VLHN một hệ đo gamma phông thấp sử dụng detector
HPGe. Nhằm mục đích theo dõi và sử dụng hiệu quả hệ phổ kế, các thông số kỹ thuật
của hệ phổ kế cần được nghiên cứu và đánh giá một cách có hệ thống. Kết quả này
được coi là cơ sở cho việc theo dõi quá trình hoạt động của hệ phổ kế sau này.
Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “xây dựng đường cong hiệu suất thực
nghiệm của detector HPGe cho hệ phân tích gamma phông thấp tại phòng thí
nghiệm vật lý hạt nhân Đại học Sư phạm Tp”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Chuẩn hóa hệ đo, đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma đồng
thời xây dựng cơ sở dữ liệu phổ gamma ban đầu cho hệ phổ kế dựa trên bộ nguồn
chuẩn có sẵn của PTN.
Đề tài nhằm xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của
detector HPGe. Bởi hiệu suất detector là một trong những thông số quan trọng dùng để
nghiên cứu các đặc trưng của detector, nguồn phóng xạ và hình học đo giữa nguồn
phóng xạ và detector.
Đề tài là sự hỗ trợ cho các đề tài thực nghiệm sau này trong điều kiện không có
nhiều nguồn chuẩn, đặc biệt là đối với vùng năng lượng thấp.

Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu của PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM, đó là bộ thông số kỹ thuật đánh giá khảo sát trực tiếp ban đầu khi đưa hệ phổ
kế gamma mới được trang bị vào hoạt động. Kết quả này là dữ liệu tham khảo có giá trị
cho quá trình sử dụng và nghiên cứu trên hệ phổ kế sau này.


-3-

3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
Tiếp cận vấn đề nghiên cứu thông qua trao đổi chuyên môn với các đồng nghiệp,
các chuyên gia trong cùng lĩnh vực, thông qua việc nghiên cứu tài liệu, các tạp chí
khoa học trong và ngoài nước đã được đăng tải hoặc từ mạng Internet.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe
GEM 15P4 của hãng Ortec, Inc. đặt tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM và bộ
nguồn chuẩn RSS – 8EU với các nguồn chuẩn điểm

133

Ba,

109

Cd,

57

Co,

60

Co,

54

Mn,

22

Na và 65Zn.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là thực nghiệm đánh giá khảo sát trên hệ phổ

kế gamma hiện có.
4. Nội dung chính
Để đạt được các mục tiêu đề ra, đề tài tập trung thực hiện những nội dung chính
dưới đây:
(1) Tiến hành khảo sát và lên phương án thực nhiệm.
(2) Thực nghiệm đo đạc sử dụng các nguồn điểm gamma.
(3) Phân tích số liệu từ phổ gamma để đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ
kế; phân tích các đặc trưng của phổ gamma như: dạng đỉnh, đỉnh năng lượng
toàn phần, mép tán xạ Compton, đỉnh tán xạ ngược, đỉnh thoát đơn, thoát đôi,
tỷ số P/C
(4) Khảo sát hiện tượng trôi kênh theo thời gian
(5) Xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của detector tại
các khoảng cách 5 cm, 10 cm và 15 cm kể từ nguồn đến detector.


-4-

KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI
1. Đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế gamma

1.1. Các thông số hệ điện tử
1.1.1. Các thông số vận hành của hệ điện tử
Các thông số vận hành của amplifier, MCA và ADC của hệ phổ kế được trình bày
trong bảng 1.
Bảng 1. Thông số cơ bản của hệ điện tử
Thông số
Amplifier gain

Giá trị
0,98

Coarse gain

20

Shaping

6

Gate

Off

Conversion Gain

8192

Lower level Disc

50

Upper level Disc

8192

Zero adjustment

-0,3418

Quá trình tiến hành thực nghiệm được dựa trên thông số hệ điện tử đã trình bày
trong bảng 1.
1.1.2. Khảo sát vùng plateau của detector HPGe
Detector cần phải được cung cấp một cao thế hợp lý để có thể ghi nhận các tín
hiệu được tạo ra trong tinh thể của detector. Dưới tác dụng của cao thế này, các
electron và lỗ trống sinh ra trong khối bán dẫn sẽ dịch chuyển về hai điện cực và tạo
nên tín hiệu điện. Cao thế phải được lựa chọn đủ thấp để tránh hiện tượng “thác lũ”
làm thay đổi tính chất và hư hỏng detector. Đồng thời, do số lượng hạt mang điện về
hai điện cực tỷ lệ thuận với độ lớn của cao thế, nên cao thế cũng phải được chọn đủ lớn
để tạo ra được trạng thái bão hòa số lượng các hạt mang điện đi về hai điện cực. Vùng
cao thế trong đó số lượng hạt mang điện về hai điện cực đạt giá trị ổn định chính là


-5-

vùng plateau của detector. Thông thường, giá trị cao thế được chọn để detector hoạt
động ổn định là điểm nằm giữa vùng này.
Để khảo sát đường plateau của detector, thí nghiệm được bố trí như sau:
+ Nguồn được đặt cách bề mặt của detector 5 cm bởi giá đỡ nguồn như hình 1.
+ Cao thế được thay đổi từ 1000 V đến 3000 V với bước nhảy 100 V.
+ Ứng với mỗi giá trị của cao thế. Hệ đo được thiết lập để tiến hành đo trong

thời gian 20 phút. Kết quả đo được lưu lại dưới dạng phổ.
+ Hai đỉnh năng lượng 1173,24 keV và 1332,5 keV của nguồn 60Co được sử
dụng để khảo sát.

Hình 1. Giá đỡ nguồn


-6-

Bảng 2. Mối tương quan giữa tốc độ đếm theo cao thế
Cao thế (V)
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900

3000

Đỉnh 1172,24 keV
Số đếm
Tốc độ đếm
9112
7,59
9878
8,23
10368
8,64
10980
9,15
11816
9,85
12004
10,00
14158
11,80
14716
12,26
15194
12,66
15835
13,20
16988
14,16
17124
14,27
16944

14,12
17349
14,46
18034
15,03
17754
14,80
17964
14,97
17840
14,87
17386
14,49
17631
14,69

Đỉnh 1332,5 keV
Số đếm
Tốc độ đếm
7872
6,56
8119
6,77
8748
7,29
9432
7,86
9707
8,09
10428

8,69
12341
10,28
12648
10,54
13094
10,91
13675
11,40
14854
12,38
14998
12,50
14766
12,31
15070
12,56
15532
12,94
15290
12,74
15343
12,79
15437
12,86
15016
12,51
15087
12,57

Bảng 3. Mối tương quan giữa độ phân giải năng lượng (FWHM) theo cao thế
Cao thế
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400

FWHM
(tại đỉnh 1172,24 keV)
3,65
3,64
3,57
3,53
3,38
3,37
2,98
2,95
2,93
2,86

2,80
2,72
2,75
2,73
2,68

FWHM
(tại đỉnh 1332,5 keV)
3,70
3,74
3,62
3,51
3,44
3,41
3,02
2,99
2,96
2,91
2,82
2,74
2,76
2,75
2,74


-7-

2500
2600
2700

2800
2900
3000

2,65
2,67
2,67
2,66
2,69
2,72

2,68
2,72
2,73
2,71
2,76
2,78

Mối tương quan giữa tốc độ đếm và FWHM vào cao thế tương ứng cho từng đỉnh
năng lượng được mô tả trong hình 2 và hình 3.
16

14

Tốc độ đếm (C/s)

12

10

8

6

4

2

0
800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Cao thế (V)

(a)
14

12

Tốc độ đếm (C/s)

10

8

6

4

2

0
800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Cao thế (V)

(b)

2400

2600

2800

3000

3200


-8-

Hình 2. Mối tương quan của tốc độ đếm vào cao thế tại đỉnh 1172,24 keV (a) và đỉnh
1332,5 keV (b)

4.00

3.50

3.00

FWHM

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00
800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Cao thế (V)

(a)
4

3.5

3

FWHM

2.5

2

1.5

1

0.5

0
800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Cao thế (V)

(b)
Hình 3. Mối tương quan của FWHM vào cao thế tại đỉnh 1172,24 keV (a) và đỉnh
1332,5 keV (b)
Từ số liệu của bảng 2, 3 và các đồ thị hình 2, 3 ta nhận thấy tốc độ đếm và
FWHM đối với cả hai đỉnh năng lượng 1172,24 keV và 1332,5 keV có giá trị tương
đối ổn định trong khoảng từ 2200 V đến 3000 V.


-9-

Tuy nhiên tốc độ đếm nhận được từ thực nghiệm trong khoảng cao thế 2200 V
đến 3000 V lại có sự biến thiên nhỏ, trong khi theo lý thuyết tốc độ đếm trong vùng
plateau phải có giá trị không đổi. Điều này được lý giải là do bản chất thống kê của quá
trình phóng xạ và sự thăng giáng thống kê của phép ghi đo bức xạ.
Tốc độ đếm và FWHM có giá trị tốt nhất tương ứng với cao thế 2500 V. Sự chênh
lệch giữa cao thế tối ưu xác định được từ thực nghiệm và cao thế hoạt động danh định
2400V [11] là 100 V. Tuy nhiên, vì miền cao thế hoạt động của detector nằm trong
khoảng giữa vùng plateau nên sự chênh lệch này không đáng kể và giá trị danh định
mà nhà sản xuất đưa ra vẫn phù hợp với mục đích đảm bảo cho detector hoạt động ổn
định.
1.2. Phông trong và ngoài buồng chì
Đối với một hệ ghi đo bức xạ gamma, phông phóng xạ tự nhiên và phương pháp
giảm phông là một vấn đề rất quan trọng, đặc biệt đối với các phép đo hoạt độ thấp như
đo mẫu môi trường. Phông gamma thường có nguồn gốc từ các thành phần cứng và
mềm của bức xạ vũ trụ, bức xạ gamma của vật liệu cấu trúc detector và thiết bị, bức xạ

gamma của môi trường xung quanh.
Mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì dựa trên các tiêu chí sau: Tốc độ
đếm tổng của toàn dải năng lượng gamma từ 100 keV đến 2000 keV tính trong 1 s, tốc
độ đếm tổng tốt thường dưới 1 s-1 [6]. Tốc độ đếm theo đỉnh năng lượng là diện tích
đỉnh năng lượng gamma quan tâm trong 1 s, tốc độ đếm này càng nhỏ càng tốt. Tỷ số
trong ngoài là tỷ lệ diện tích đỉnh năng lượng quan tâm trong và ngoài buồng chì, tỷ số
này càng nhỏ càng tốt [6].
Để đánh giá mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì cần tiến hành thí
nghiệm như sau:
+ Đo phông trong buồng chì: Đóng nắp buồng chì và tiến hành đo đạc. Phông
trong buồng chì được đo trong 1 ngày (86400 s).
+ Đo phông ngoài buồng chì: Do điều kiện không thể dịch chuyển detector ra
khỏi buồng chì. Chúng tôi đã tiến hành mở nắp buồng chì và đo đạc. Phông ngoài
buồng chì được đo trong 1,5 ngày (129600 s).


- 10 -

+ Kết quả được lưu lại dưới dạng phổ và được trình bày tại phụ lục 3.
+ Sau khi xử lý thu được kết quả như bảng 4.
Bảng 4. Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện trong phép đo phông đối với hệ
phổ kế gamma tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM: N1 là tốc độ đếm ngoài buồng
chì, N2 là tốc độ đếm trong buồng chì
Năng lượng
gamma (keV)

Nguồn phát

N1

N2

N31

N1/N2

N2/N3

85,0

Pb X

444,3

31,8

27,5

13,97

1,16

92,5

234

Th

470,1

28,8

8,6

16,32

3,34

186,2

226

Ra

222,6

24,6

20,2

9,05

1,21

Ac (232Th)

157,5

-

-

-

-

209,3

228

238,6

212

Pb (232Th)

224,1

22,8

8,7

9,83

2,62

270,2

228

Ac (232Th)

108,8

-

-

-

-

277,4

208

Tl (232Th)

82,2

-

-

-

-

295,2

214

Pb (226Ra)

112,9

-

-

-

-

300,1

212

Pb (232Th)

91,6

-

-

-

-

327,6

228

Ac (232Th)

66,9

-

-

-

-

338,3

228

77,3

-

-

-

-

351,9

214

Pb (226Ra)

110,0

-

-

-

-

463,0

228

Ac (232Th)

42,0

-

-

-

-

Hủy cặp

96,0

30,0

11,2

3,20

2,68

18,4

-

-

-

-

Tl (232Th)

71,2

7,4

1,8

9,62

4,11

Bi (226Ra)

66,7

6,2

2,1

10,76

2,95

Cs

3,25

0,24

2,1

13,54

0,11

511,0

Ac (232Th)

562,3

228

Ac (232Th)

583,1

208

609,3

214

137

661,6

1

Tốc độ đếm (10-3 s-1)

727,2

212

Bi (232Th)

28,3

-

-

-

-

768,4

214

Bi (226Ra)

24,6

-

-

-

-

Tốc độ đếm phông trong buồng chì của hệ đo gamma tại Phòng An toàn bức xạ, TTHN Tp.HCM. Số liệu được
đo vào lúc 11:53 ngày 21/03/2005. Thời gian đo là 333333 s.

- 11 -

794,7

228

Ac (232Th)

835,5

228

860,4

208

911,1

228

934,1

214

969,1

228

112,3

214

1155,2

214

18,8

-

-

-

-

9,5

-

-

-

-

Tl (232Th)

19,9

-

-

-

-

Ac (232Th)

44,8

-

-

-

-

Bi (226Ra)

12,3

-

-

-

-

Ac (232Th)

33,9

-

-

-

-

Bi (226Ra)

23,8

2,4

0,5

9,92

4,80

Bi (226Ra)

6,4

-

-

-

-

K

113,3

15,3

1,6

7,41

9,56

Ac (232Th)

4,9

-

-

-

-

13,9

-

-

-

-

20,05

3,06

1,13

6,55

2,71

Ac (232Th)

40

1460,8
1588,0

228

1764,5

214

Bi (226Ra)

Tốc độ đếm tổng (s-1)

Bảng 4 cho thấy rằng buồng chì của hệ phổ kế tại PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM đã cải thiện đáng kể phông phóng xạ của môi trường xung quanh detector.
Tốc độ đếm tổng được cải thiện hơn 6 lần khi đậy nắp buồng chì. Tuy nhiên, tốc độ
đếm trong vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 200 keV) là tương đối cao ngay cả khi đã
được che chắn bằng buồng chì. Như vậy, việc che chắn của buồng chì trong vùng năng
lượng thấp là không tốt, gây khó khăn trong quá trình đo đạc, nghiên cứu các bức xạ
gamma mềm có năng lượng tương đối thấp, chẳng hạn như trong nghiên cứu tính toán
hoạt độ của 238U sử dụng đỉnh 63,3 keV [2], [16], [18].
Tốc độ đếm phông tổng trong trạng thái che chắn của buồng chì là 3,06 s-1 là
tương đối cao so với giá trị danh định khoảng 1 s-1 [6], cao gấp 2,71 lần so với tốc độ
đếm phông tổng trong cùng trạng thái của buồng chì tại TTHN Tp.HCM. Tại đỉnh năng
lượng 661,66 keV của 137Cs, tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại TTHN Tp.HCM lớn
hơn tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM. Ngoài
ra, tốc độ đếm phông ở tất cả các đỉnh năng lượng khác ứng với hệ phổ kế tại TTHN
Tp.HCM đều cho kết quả tốt hơn hẳn tốc độ đếm phông đối với hệ phổ kế tại PTN
VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM. Từ đó có thể kết luận, phông phóng xạ môi trường


- 12 -

xung quanh detector tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM đã được cải thiện rất
nhiều khi thực hiện che chắn bằng buồng chì, nhưng vẫn chưa đủ tốt khi so sánh với
một hệ che chắn tương tự tại TTHN Tp.HCM. Vấn đề này có thể được lý giải như sau:
kết cấu che chắn phông của buồng chì chưa tốt; việc che chắn phông chỉ được thực
hiện bên trên và xung quanh detector, khe hở giữa cổ detector và thành buồng chì vẫn
còn khá lớn, nghĩa là sự che chắn chưa đủ tốt tại phần này; chất liệu chì dùng để chế
tạo buồng chì có thể chứa nhiều tạp chất.
Phông phóng xạ cao như vậy sẽ gây khó khăn trong việc nghiên cứu các mẫu có
hoạt độ phóng xạ thấp, chẳng hạn như các mẫu môi trường.

2. Phân tích các đặc trưng của phổ gamma
2.1. Đường chuẩn năng lượng
Sau khi được ghi nhận, các tia gamma có năng lượng khác nhau sẽ được chuyển
hóa thành các tín hiệu điện có biên độ khác nhau. Mỗi giá trị biên độ của tín hiệu điện
được ghi nhận bởi MCA sẽ tương ứng với một “ô” hay còn gọi là một kênh nào đó.
Phổ ghi nhận được sau MCA sẽ là một phân bố số đếm theo kênh. Do đó, để có thể xử
lý phổ gamma ghi nhận được, cần phải chuyển đổi từ số kênh ra năng lượng (tính bằng
keV).
Muốn vậy, nhiều nguồn phóng xạ phát tia gamma đơn năng có năng lượng đã biết
chính xác (hoặc một nguồn phát nhiều tia gamma với năng lượng trải đều trong thang
năng lượng cần đo) được sử dụng và phổ gamma tương ứng được ghi nhận. Vị trí các
đỉnh năng lượng theo số kênh (ch) tương ứng với năng lượng gamma E đã biết được
xác định. Từ đó, hàm làm khớp E (ch) có thể được xác định như sau:
E  a  b.ch  c.ch 2  d.ch 3  ...

(1)

Trong đó: a, b, c, d … là các hệ số làm khớp cần được xác định. Vì detector
HPGe có độ tuyến tính rất tốt giữa năng lượng tia gamma và biên độ xung nên thông

thường chỉ cần làm khớp đến bậc nhất.
Để chuẩn năng lượng, các nguồn chuẩn phóng xạ với các năng lượng tương ứng
đã được sử dụng như sau: 133Ba (81 keV, 276 keV, 303 keV, 356 keV, 384 keV); 109Cd
(88 keV); 57Co (122 keV, 136 keV); 60Co (1172,24 keV, 1332,5 keV); 54Mn (835 keV);


- 13 22

Na (511 keV, 1275 keV);

65

Zn (1115,33 keV). Các nguồn được đặt cách bề mặt

detector 10 cm và được đo với thời gian thích hợp để đảm bảo đủ số đếm thống kê.
Bảng 5. Mối tương quan giữa năng lượng và vị trí kênh của đỉnh năng lượng tương
ứng
Năng lượng (keV)
81,00
88,00
122,00
136,00
276,00
303,00
356,00
384,00
511,00
835,00
1115,55
1172,24

1275,00
1332,50

Kênh
335
364
503
562
1135
1243
1461
1575
2095
3423
4572
4808
5223
5460

1400

1200

Năng lượng (keV)

1000

E = a + b.ch

800

600

400

200

0
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Số kênh

Hình 4. Đường chuẩn năng lượng của detector HPGe

5500

6000


- 14 -

Bảng 6. Các hệ số của đường chuẩn năng lượng được làm khớp bằng phương pháp
bình phương tối thiểu
Hệ số

Giá trị

Sai số

a

-0,8137

0,16933

b

0,2442

5,65609.10-5

Đường chuẩn năng lượng với các hệ số a và b trình bày trong bảng 6 và hình 4
cần được kiểm chứng để khẳng định độ tin cậy của việc tính toán. Với mục đích trên,
nguồn chuẩn 65Zn được sử dụng để tính toán các đặc trưng phổ dựa vào đường chuẩn
đã có và so sánh kết quả tính toán với lý thuyết. Nguồn chuẩn 65Zn được sử dụng bởi
các lý do sau: đây là nguồn phát gamma đơn năng nên phổ năng lượng tương đối đơn
giản, đồng thời 65Zn là nguồn phát   nên trong phổ sẽ xuất hiện đỉnh hủy cặp, năng
lượng gamma của 65Zn phát ra là đủ lớn (1115,55 keV) để tạo ra các đỉnh thoát đơn và
thoát đôi trong phổ. Tuy nhiên, do xác suất xuất hiện của đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát
đôi tương đối thấp nên khó quan sát rõ các đỉnh này khi thời gian đo không đủ lớn.
Nguồn 65Zn được tiến hành đo đạc trong 14 h cách detector 10 cm.

Đỉnh thoát
đôi
93,44 keV
Đỉnh tán xạ
ngược
222,87 keV

Đỉnh hủy cặp
511,17 keV

Quang đỉnh
1115,91 keV

Mép Compton
908,83 keV

Hình 5. Phổ năng lượng của nguồn chuẩn 65Zn

- 15 -

Bảng 7. Giá trị các đỉnh năng lượng quan tâm trong phổ gamma của 65Zn được xác
định bằng thực nghiệm và tính toán lý thuyết
Năng lượng (keV)
Đỉnh năng lượng

Kênh

Thực nghiệm

Lý thuyết

Chênh lệch giữa
thực nghiệm và lý
thuyết (%)

Quang đỉnh

4573

1115,91

1115,55

0,033

Đỉnh hủy cặp

2097

511,27

511,00

0,054

Mép Compton

3725

908,83

907,66

0,129

Đỉnh tán xạ ngược

916

222,87

207,88

7,213

Đỉnh thoát đôi

386

93,44

93,55

0,109

Kết quả về độ chênh lệch giữa thực nghiệm và lý thuyết trong bảng 7 cho thấy
đường chuẩn năng lượng có độ tin cậy cao. Kết quả thực nghiệm cho bốn đỉnh năng
lượng: quang đỉnh (đỉnh hấp thụ toàn phần), đỉnh hủy cặp, đỉnh thoát đôi và mép
Compton có sự phù hợp rất tốt so với tính toán lý thuyết. Đối với đỉnh tán xạ ngược,
sai số giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết là 7% tương đối lớn so với
những đỉnh còn lại nhưng vẫn có thể chấp nhận được.
2.2. Xác định sự phụ thuộc độ phân giải theo năng lượng
Trong điều kiện lý tưởng, tia gamma do một nguồn phát ra có năng lượng xác
định, khi được ghi nhận bởi detector sẽ cho tín hiệu là một vạch tương ứng với năng
lượng đó. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là sự giãn rộng thống kê số lượng
các hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp của các nhiễu điện tử
[17] làm cho các quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm mở rộng ra và tuân theo
phân bố Gauss. Giá trị độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/2 chiều cao cực đại
FWHM phụ thuộc vào năng lượng E theo công thức bán thực nghiệm sau [22]:
FWHM  a  b E  cE 2

(2)

Trong đó: a, b, c là các hằng số được xác định bằng phương pháp làm khớp bình
phương tối thiểu.

- 16 -

Để khảo sát sự phụ thuộc của đại lượng FWHM theo năng lượng, nguồn 226Ra của
hãng Leybold Didactic GmbH được mượn từ PTN Bộ môn VLHN, Trường ĐHKHTN
Tp.HCM và đo trong 24 giờ. Đây là nguồn có dạng đĩa tròn đường kính 65 mm, bề dày
5 mm làm bằng hợp kim chứa 226Ra đặt trong một hốc hình giếng của giá đỡ bằng thép
không gỉ hình trụ. Trên giá đỡ này có một đầu nối bằng đồng hình bầu dục đàn hồi
nhằm tạo sự thuận tiện khi lắp đặt nguồn trong các thí nghiệm.

Hình 6. Cấu trúc nguồn 226Ra


- 17 -

Bảng 8. Giá trị FWHM tương ứng với từng đỉnh năng lượng trong phổ gamma của
226

Ra

Năng lượng (keV)

FWHM (keV)

295

1,38

352

1,42

609

1,60

665

1,64

778

1,72

806

1,75

1238

2,00

1377

2,08

1401

2,09

1408

2,09

1729

2,27

2.5

2.3

FWHM (keV)

2.1

1.9

FWHM  a  b E  cE 2

1.7

1.5

1.3
200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

E (keV)

Hình 7. Sự phụ thuộc của FWHM vào năng lượng
Sau khi làm khớp theo công thức bán thực nghiệm (2), các hệ số a, b, c thu được
như sau:


- 18 -

a = 0,00091 ± 0,00002
b = 0,00082 ± 0,00004
c = 0,35560 ± 0,06957
2.3. Phân tích các thông số của một phổ gamma đặc trưng
Nguồn chuẩn

60

Co được chọn để phân tích một phổ gamma đặc trưng do các

nguyên nhân sau: nguồn

60

Co là một nguồn đa năng, phát ra hai tia gamma có năng

lượng lớn (1172,24 keV và 1332,5 keV), hai tia gamma này phát ra liên tiếp nhau nên
tạo ra hiệu ứng trùng phùng tổng. Tuy nhiên, trong phạm vi của đề tài, MCA của hệ đo
được giới hạn đo đến năng lượng tối đa là 2000 keV nên hiệu ứng trùng phùng tổng và
phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng tổng không được đề cập đến. Ngoài ra, năng
lượng của cả hai tia gamma đều thỏa mãn điều kiện xảy ra quá trình tạo cặp (lớn hơn
1022 keV), trong phổ gamma ghi nhận được có thể quan sát các đỉnh thoát đôi và thoát
đơn của cả hai lượng tử gamma này. Vì xác suất xuất hiện của các đỉnh thứ cấp này là
tương đối nhỏ nên cần phải đo trong một khoảng thời gian tương đối dài.
2.3.1. Các đặc trưng cơ bản của hàm đáp ứng
Nguồn 60Co được đo cách mặt detector 10 cm trong thời gian 2,5 ngày (216000 s).
Phổ gamma thu được có dạng như hình 8.
Pb K  1
DE 2
Pb K  1

1172.24 keV

1332.5 keV

K40

DE 1
Đỉnh tán
xạ ngược
1

Đỉnh hủy DS 2
Mép
Mép
Compton Compton
cặp
1
2

Hình 8. Phổ gamma của nguồn 60Co