khảo sát sự tự hấp thụ gamma trong phép đo mẫu môi trường sử dụng hệ phổ kế hpge

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

Võ Thị Ngọc Lý

KHẢO SÁT SỰ TỰ HẤP THỤ GAMMA
TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƯỜNG SỬ
DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thành Phố Hồ Chí Minh – 2013


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

Võ Thị Ngọc Lý

KHẢO SÁT SỰ TỰ HẤP THỤ GAMMA
TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƯỜNG SỬ
DỤNG HỆ PHỔ KẾ HPGe
Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử
Mã số: 60 44 01 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Trương Thị Hồng Loan

Thành Phố Hồ Chí Minh – 2013

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn, tôi đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ chân thành của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Nhân đây, tôi xin
gửi lời tri ân sâu sắc đến:
- TS. Trương Thị Hồng Loan, người cô đáng kính. Trong suốt thời gian làm
luận văn, cô đã nhiệt tình chỉ bảo phương pháp nghiên cứu, cung cấp tài liệu, tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho tôi làm các thí nghiệm và đóng góp nhiều ý kiến quý báu
cho luận văn.
- PGS.TS. Châu Văn Tạo, người thầy đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận
văn tại Bộ môn Vật lý của trường Đại Học Khoa học Tự nhiên.
- Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân của trường Đại học Khoa học Tự
nhiên Tp.HCM đã giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá
trình thực hiện luận văn.
- Các bạn trong nhóm MCNP đã truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu trong
quá trình tiến hành các thí nghiệm và xử lý phổ gamma.
- Hội đồng bảo vệ luận văn trường Đại học Sư Phạm TP.HCM đã dành nhiều
thời gian đọc và đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn.
- Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân của trường Đại học Sư Phạm
TP.HCM đã tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và bảo vệ luận văn.
- Cuối cùng, tôi xin khắc sâu công ơn của Cha mẹ, em gái, bạn bè trong khoá
K22 đã giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập và làm luận văn.
TP.HCM, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Võ Thị Ngọc Lý


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
T
0

MỤC LỤC
T
0

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
T
0

DANH MỤC CÁC BẢNG
T
0

DANH MỤC CÁC HÌNH
T
0

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
T
0

0T

Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................3
T
0

1.1. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trên thế giới và trong nước .....................3
T
0

T
0

1.1.1. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trên thế giới ......................................3
T
0

T
0

1.1.2. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trong nước ........................................6
T
0

T
0

1.2. Giới thiệu hệ phổ kế gamma HPGe và các đặc trưng ......................................7
T
0

T
0

1.2.1. Cấu tạo của hệ phổ kế gamma HPGe ........................................................8
T
0

T

0

1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế gamma HPGe ................................11
T
0

T
0

1.3. Kết luận chương 1 ..........................................................................................22
T
0

0T

Chương 2. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT VÀ CÁC
T
0

PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT SỰ TỰ HẤP THỤ ..................................................23
2.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất ....................................................23
T
0

T
0

2.1.1. Khái quát về bức xạ gamma ....................................................................23
T
0

T
0

2.1.2. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất .............................................23
T
0

T
0

2.2. Các phương pháp khảo sát sự tự hấp thụ trong phép đo mẫu môi trường .....29
T
0

T
0

2.2.1. Phương pháp khảo sát sự tự hấp thụ trong phép đo mẫu môi trường dùng
T
0

phương pháp mô phỏng với chương trình MCNP ............................................31
T
0


2.2.2. Phương pháp khảo sát sự tự hấp thụ trong phép đo mẫu môi trường bằng
T
0

thực nghiệm .......................................................................................................32
0T

2.3. Kết luận chương 2 ..........................................................................................34
T
0

0T

Chương 3. THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ TỰ HẤP THỤ GAMMA TRONG
T
0

PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƯỜNG .............................................................................36
3.1. Chuẩn bị mẫu khảo sát ...................................................................................36
T
0

0T

3.1.1. Lí do chọn mẫu........................................................................................36
T
0

0T

3.1.2. Chuẩn bị mẫu ..........................................................................................37
T
0

0T

3.2. Chuẩn năng lượng trước khi đo .....................................................................37
T
0

T
0

3.3. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................38
T
0

0T

3.3.1. Các bước tiến hành thí nghiệm ...............................................................40
T
0

T
0

3.3.2. Phương pháp xác định hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ............................40
T
0

T
0

3.4. Kết quả thí nghiệm.........................................................................................42
T
0

0T

3.4.1. Tốc độ đếm ..............................................................................................42
T
0

0T

3.4.2. Hệ số hấp thụ tuyến tính .........................................................................43
T
0

T
0

3.4.3. Hệ số tự hấp thụ ......................................................................................46
T
0

0T

3.4.4. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ ................................................................50
T
0

T

0

3.4.5. Xây dựng biểu thức giải tích cho hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ ...........54
T
0

T
0

3.5.1. Mẫu RG - Th1 .........................................................................................57
T
0

0T

3.5.2. Mẫu RG - U1 ...........................................................................................59
T
0

0T

3.5.3. Kết luận ...................................................................................................61
T
0

0T

3.6. Kết luận chương 3 ..........................................................................................61
T
0

0T

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................63
T
0

0T

KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................64
T
0

0T


TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................65
T
0

0T

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .........................................................68
T
0

T
0

PHỤ LỤC ..................................................................................................................69

T
0

0T


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 Các ký hiệu
A

hoạt độ riêng của nguồn phóng xạ.

c

vận tốc ánh sáng trong chân không.

Ee

năng lượng của quang electron.

Eγ

năng lượng của tia gamma tới.

E’

năng lượng của tia gamma sau tán xạ.

R

R

P

P

E lk
R

năng lượng liên kết của electron với nguyên tử.

R

f

hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ.

F(E) hệ số tự hấp thụ theo năng lượng.
I0
R

cường độ ban đầu của tia gamma.

R

cường độ lúc sau của tia gamma.

I
me

khối lượng nghỉ của electron.

n

tốc độ đếm của tia gamma khi qua hộp có mẫu.

R

n0
R

R

tốc độ đếm của tia gamma khi qua hộp rỗng.

R

N

diện tích đỉnh.

r

tỉ số đỉnh – toàn phần.

R

độ phân giải năng lượng.

R(E) tốc độ phát bức xạ.

thời gian đo mẫu.

t
T 1/2
R

R

chu kỳ bán rã.

y

xác suất phát gamma.

γ

gamma.

µ

hệ số hấp thụ tuyến tính.

µρ

hệ số hấp thụ khối.

ρ

mật độ.

ε

hiệu suất.

εabs

hiệu suất tuyệt đối.


εint

hiệu suất nội.

εp

hiệu suất đỉnh.

εp

hiệu suất tương đối.

θ

góc tán xạ của tia gamma.

σ

sai số tuyệt đối.

σa

tiết diện hấp thụ quang điện.

σc

tiết diện tán xạ Compton.
 Chữ viết tắt
bộ biến đổi tương tự số.

ADC

Analog – to Digital Converter

Bq

Becquerel

FWHM

Full Width Half Maximum

bề rộng ở một nửa giá trị cực đại.

HPGe

Hight Pure Germanium

Germanium siêu tinh khiết.

IAEA

International Atomic Energy

Cơ quan năng lượng nguyên tử

Agency

quốc tế.

MCA

Multi Chanel Analyzer

bộ phân tích đa kênh.

ThS

Thạc sĩ.

TP.HCM

Thành Phố Hồ Chí Minh.

TS

Tiến sĩ.


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Bảng

1

3.1

2

3.2

3

3.3

4

3.4

5

3.5

6

3.6

7

3.7

8

3.8

Nội dung
Tốc độ đếm khi tia gamma xuyên qua hộp rỗng và
khi qua hộp chứa mẫu xi măng.
Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu xi măng.
Hệ số hấp thụ tuyến tính theo năng lượng với các
mật độ khác nhau.
Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu xi măng.
Hệ số tự hấp thụ với các mật độ và năng lượng khác
nhau.
Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu xi măng.
Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ theo mật độ ở các
mức năng lượng khác nhau.
Giá trị a, b và hệ số tương quan R2.

9

3.9

Hiệu suất ghi của mẫu nước theo năng lượng.

58

10

3.10

Các giá trị a, b theo năng lượng của mẫu RG – Th1.

58

11

3.11

12

3.12

13

3.13

14

3.14

15

3.15

16

3.16

17

P.1

Các giá trị f, ε0 , ε tính toán được đối với mẫu
RG - U1.
Hoạt độ các đồng vị trong mẫu RG - U1.
So sánh hoạt độ tính toán được với hoạt độ do
IAEA cung cấp.
Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu bột nghệ.

18

P.2

Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu bột gạo.

69

19

P.3

Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu mì tinh.

70

20

P.4

Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu cà phê.

70

21

P.5

Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu nước cất.

71

22

P.6

Tốc độ đếm khi xuyên qua hộp chứa mẫu đất.

71

23

P.7

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu bột nghệ.

72

P

P

Kết quả tính f, ε0 , ε tại một số vạch năng lượng
khảo sát của mẫu chuẩn RG – Th1 .
Kết quả tính toán hoạt độ các đồng vị trong mẫu
RG – Th1.
Các giá trị a, b theo năng lượng của mẫu RG - U1.

Trang
42
44
45
46
47
50
51
55

59
59
60
60
60
61
69


24

P.8

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu bột gạo.

72

25

P.9

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu mì tinh.

73

26

P.10

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu cà phê.

73

27

P.11

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu nước cất.

74

28

P.12

Hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu đất.

74

29

P.13

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu bột nghệ.

75

30

P.14

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu bột gạo

75

31

P.15

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu mì tinh.

76

32

P.16

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu cà phê.

76

33

P.17

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu nước cất.

77

34

P.18

Hệ số tự hấp thụ theo năng lượng của mẫu đất.

77

35

P.19

Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu bột nghệ.

78

36

P.20

Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu bột gạo.

78

37

P.21

Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu mì tinh.

79

38

P.22

Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu cà phê.

79

39

P.23

Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu đất.

80


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Hình

1

1.1

2

1.2

Nội dung
Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe (ký hiệu
GC2018) tại phòng thí nghiệm Chuyên đề Bộ
môn Vật lý hạt nhân.
Sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma.

Trang

3

1.3

Cấu trúc của đầu dò.

9

4

1.4

Cấu trúc của buồng chì

11

5

1.5

Định nghĩa độ phân giải của đầu dò.

13

8
8

6

1.6

7

1.7

8

1.8

Các hàm đáp ứng khác nhau đối với những đầu
dò có độ phân giải năng lượng tương đối tốt và
xấu.
Nguồn phóng xạ thường dùng trong xây dựng
đường cong hiệu suất đỉnh bằng thực nghiệm.
Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh.

9

1.9

Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của 60Co.

20

10

2.1

Cơ chế của hiệu ứng quang điện.

24

11

2.2

26

12

2.3

27

13

3.1

Tán xạ Compton.
Góc tán xạ của photon ứng với một vài giá trị
năng lượng tiêu biểu từ 1 keV đến 10 MeV.
Các mẫu khảo sát dùng trong thí nghiệm.

14

3.2

Bề dày các mẫu khảo sát dùng trong thí nghiệm

37

15

3.3

38

16

3.4

17

3.5

18

3.6

19

3.7

20

3.8

21

3.9

Sơ đồ bố trí hệ đo sự tự hấp thụ.
Nguồn điểm và chuẩn trực bằng chì đường kính

12 mm.
Hệ đo được đặt trong buồng chì của hệ phổ kế
gamma HPGe.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến
tính vào năng lượng của mẫu xi măng.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số tự hấp thụ vào
mật độ ở các mức năng lượng khác nhau.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số tự hấp thụ vào
năng lượng.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh sự tự
hấp thụ vào mật độ ở năng lượng 81 keV.

P

P

14
17
19

36

39
39
44
48
49
52

22

3.10

23

3.11

24

3.12

25

3.13

Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh sự tự
hấp thụ vào mật độ ở năng lượng 121 keV.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh sự tự
hấp thụ vào mật độ ở các mức năng lượng khác
nhau.
Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh sự tự
hấp thụ vào năng lượng.
Giao diện chính của phần mềm KhanhAi.exe.

52
53
53
57

1

MỞ ĐẦU
Hệ phổ kế gamma là một thiết bị dùng trong phép đo và phân tích phổ
gamma đặc trưng của các đồng vị phóng xạ, các mẫu môi trường và các phép phân
tích khác dựa trên việc xác định năng lượng của tia gamma mà mẫu hoặc đồng vị đó
phát ra. Khi ứng dụng hệ phổ kế gamma trong phân tích mẫu môi trường, thường có
những khó khăn trong việc tạo mẫu chuẩn sao cho thành phần hoá học cũng như
mật độ và nhiều yếu tố khác phải giống với mẫu cần đo. Bởi các mẫu môi trường rất
đa dạng về thành phần hoá học và mật độ mẫu. Do đó, hiệu suất ghi thực của hệ phổ
kế đối với mẫu cần đo rất khác so với hiệu suất ghi đã được xác định thông qua mẫu
chuẩn. Hiệu suất ghi của hệ phổ kế bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cấu hình đo,
năng lượng của tia gamma tới, hệ điện tử, sự tự hấp thụ…Trong luận văn này,
chúng tôi quan tâm đến vấn đề tự hấp thụ tia gamma trong mẫu bởi vì các mẫu môi
trường thường có thể tích lớn, ảnh hưởng của sự tự hấp thụ là quan trọng. Mục tiêu
của luận văn là xây dựng quy trình hiệu chỉnh sự tự hấp thụ gamma trong các mẫu
môi trường dạng trụ có mật độ khác nhau bao gồm xác định hệ số hấp thụ tuyến
tính, hệ số tự hấp thụ và hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ, giúp hiệu chỉnh nhanh sự tự
hấp thụ mà không cần phải thực hiện nhiều phép tính phức tạp. Với những ưu điểm
nổi bật của phương pháp thực nghiệm này là không cần biết chính xác thành phần
hoá học của mẫu nên luận văn đã chọn phương pháp thực nghiệm để xây dựng quy
trình hiệu chỉnh sự tự hấp thụ.
Căn cứ vào mục tiêu đã đặt ra, nội dung của luận văn được trình bày trong ba
chương gồm:
- CHƯƠNG 1: Tổng quan. Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên
cứu trong và ngoài nước, cấu tạo của hệ phổ kế gamma và các đặc trưng cơ bản như
phông nền phóng xạ môi trường, độ phân giải, hiệu suất ghi…..
CHƯƠNG 2: Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và các phương pháp khảo
sát sự tự hấp thụ. Chương này trình bày các hiệu ứng cơ bản khi gamma tương tác

với vật chất, cũng như các phương pháp đánh giá hiệu ứng tự hấp thụ.


2

CHƯƠNG 3: Thực nghiệm khảo sát sự tự hấp thụ gamma trong phép đo mẫu môi
trường. Chương này trình bày thực nghiệm đánh giá sự tự hấp thụ gamma trong
mẫu môi trường bao gồm cách bố trí thí nghiệm, đo đạc, xử lý kết quả. Từ đó, xây
dựng biểu thức cho hệ số hiệu chỉnh và áp dụng tính hoạt độ các mẫu chuẩn của
IAEA.


3

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trên thế giới và trong nước
Các mẫu môi trường thường có hoạt độ phóng xạ rất thấp. Do đó, để tăng
khả năng phát hiện hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu thì phải tăng thể
tích mẫu. Việc tăng thể tích mẫu sẽ dẫn đến hiện tượng một số tia gamma mất bớt
năng lượng khi đến được đầu dò nên hiệu suất ghi của đầu dò sẽ khác hiệu suất ghi
thật sự của mẫu. Vì thế, cần phải hiệu chỉnh lại hiệu suất ghi của đầu dò. Hệ số hiệu
chỉnh này liên quan đến hiệu ứng tự hấp thụ trong các mẫu có thể tích lớn và là một
hệ số quan trọng không thể bỏ qua khi tính chính xác hoạt độ các đồng vị trong
mẫu. Vì lí do này nên đã có không ít các công trình trong nước và trên thế giới
nghiên cứu vấn đề này. Dưới đây trích lược một số công trình tiêu biểu:
1.1.1. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trên thế giới
- Năm 1983, N.H. Cutshall tính toán hoạt độ của đồng vị

210

P

Pb trong mẫu
P

trầm tích có sử dụng hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ. Trong công trình này, tác giả đã
dùng phương pháp đo phổ gamma truyền qua để tính hệ số suy giảm tuyến tính 𝜇 và
chứng minh được giá trị của µ phụ thuộc vào năng lượng [12].

- Năm 1991, Michael E. Kitto đã tính toán hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ
trong mẫu đất có mật độ từ 0,7 - 1,8 g/cm3 cho dãy năng lượng từ 46 - 1764 keV
P

P

bằng cách lần lượt trộn 1,4g 238U hoạt độ khoảng 3,8 nCi vào 24 mẫu đất có mật độ
P

P

khác nhau rồi nén chặt lại bằng máy cho tất cả các mẫu đều có cùng thể tích 50 mL,
cao 4,4 cm. Mỗi mẫu được đo với cùng một đầu dò có cùng cấu hình trong vòng
24h để tính toán hoạt độ của mẫu. Kết quả tính toán được so sánh với hoạt độ ban
đầu của mẫu chuẩn đã biết. Từ kết quả tỉ số hoạt độ tính toán được và hoạt độ đã
biết, tác giả đã kết luận rằng hệ số hiệu chỉnh cho sự tự hấp thụ phụ thuộc vào mật
độ theo hàm mũ. Cuối cùng, so sánh hệ số hiệu chỉnh tính được với kết quả của hai
phương pháp: đo đạc trực tiếp và truyền qua. Các kết quả so sánh cho thấy rằng với
các mẫu đất khi sử dụng cấu hình 50 mL để đo đạc thì phương pháp truyền qua cho

4

kết quả không chính xác về hoạt độ tại các mức năng lượng nhỏ hơn 100 keV (hệ số
hiệu chỉnh lớn). Nhưng với các mẫu khác (không phải là mẫu đất) thì phương pháp
truyền qua lại cho một hệ số hiệu chỉnh tốt hơn [12].
- Năm 1997, O. Sima và C. Dovlete đã khảo sát ảnh hưởng của matrix khi
tính toán hoạt độ của mẫu môi trường bằng phương pháp kết hợp đồng thời giữa mô
phỏng Monte Carlo và các công thức giải tích, thông qua đó nhóm tác giả đã tính hệ
số hiệu chỉnh cho sự tự hấp thụ. Các kết quả khảo sát cho thấy rằng những ảnh
hưởng của matrix là quan trọng khi phân tích các mẫu môi trường bằng phổ gamma.
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của matrix thì kết quả sẽ sai khác nhiều, đặc biệt là vùng
năng lượng thấp. Độ chính xác của hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ ứng với mỗi cấu
hình đo thường trên 5% cho vùng năng lượng trên 50 keV và trên 1% cho vùng
năng lượng trên 100 keV. Phương pháp này đã được nhóm tác giả phát triển và tích
hợp trong phần mềm phân tích phổ gamma tại phòng thí nghiệm ERL
(Enviromental Radioactivity Laboratory) tại Bucharest, cho phép tự động tính toán
ảnh hưởng của matrix vào hiệu suất ghi đối với các mẫu thể tích khi tính toán hoạt
độ của các mẫu môi trường. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ cũng được tính toán
nhanh và chính xác nhờ chương trình này [20].
- Năm 2001, F.L. Melquiades và C.R. Appoloni đã hiệu chỉnh sự tự hấp thụ
gamma trong mẫu sữa bột dạng Marinelli (cấu hình 3π ) khi tính hoạt độ phóng xạ
tại đỉnh 1460,8 keV của 40K và đỉnh 2614,47 keV của 208Tl. Năm mẫu sữa được nén
P

P

P

P

chặt theo những cách khác nhau để có mật độ khác nhau, sau đó được tiến hành đo
với hệ phổ kế HPGe để khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất vào mật độ. Kết quả cho
thấy: hiệu suất giảm tuyến tính theo mật độ. Dựa trên kết quả đã khảo sát về hiệu
suất, nhóm tác giả tính hệ số tự hấp thụ cho các mẫu sữa có mật độ từ 0,534 g/cm3
P

đến 0,569 g/cm3. Ở đây, nhóm tác giả chọn mẫu có mật độ 0,553 g/cm3 làm mẫu
P

P

P

P

chuẩn (có hệ số tự hấp thụ bằng 1). Kết quả tính toán được như sau:
+ Đối với đỉnh 1460,8 keV của
tính vào mật độ với sai số là 9%.

40
P

K, hệ số tự hấp thụ phụ thuộc tuyến
P

P


5

+ Đối với đỉnh 2614,47 keV của

208
P

Tl, hệ số tự hấp thụ phụ thuộc tuyến
P

tính vào mật độ với sai số là 19%.
Nhóm tác giả đã kết luận rằng: sự tự hấp thụ trong mẫu là quan trọng. Sự khác nhau
về mật độ trong các mẫu môi trường hoặc mẫu thực phẩm so với mẫu chuẩn cần
phải được quan tâm khi tính toán hoạt độ phóng xạ trong mẫu [10].
- Năm 2002, M. Jurado Vargas, A. Fernández Timón, N. Cornejo Díaz, Pérez
Sánchez đã sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình DETEFF để hiệu
chỉnh sự tự hấp thụ của các mẫu môi trường có dạng hình trụ trên hệ phổ kế HPGe
trong vùng năng lượng từ 60 keV đến 2000 keV. Ba loại đầu dò HPGe đồng trục
loại n và loại p được sử dụng có hiệu suất tương đối từ 20 – 45% và giả thuyết rằng
các vật liệu tự nhiên đều có cùng hệ số suy giảm khối với nước. Kết quả khảo sát
được cho thấy hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ chỉ phụ thuộc vào năng lượng, mật độ
của mẫu mà không phụ thuộc vào thành phần hoá học và loại đầu dò nào được sử
dụng [14].
- Năm 2004, C.A. McMahon và cộng sự đã dùng phương pháp truyền qua để
tính hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ trong mẫu môi trường có dạng trụ ở thể rắn và
mẫu chuẩn được chọn ở thể lỏng. Kết quả tìm thấy sự phụ thuộc của hệ số hiệu
chỉnh vào mật độ theo hàm mũ: Cf = A.e − Bρ

(1.1)

với A, B là hệ số phụ thuộc vào năng lượng [9].
- Năm 2006, M. Mostajaboddavati và cộng sự đã tìm ra sự phụ thuộc của hệ

số tự hấp thụ để tính hoạt độ của các đồng vị phóng xạ thuộc
họ

Cs, 40K có trong mẫu đất cấu hình dạng 3π vào mật độ của mẫu.

238

232

137

P

P

P

U,
P

Th,
P

P

P

P

Trong nghiên cứu này, bảy mẫu đất có mật độ thay đổi từ 1,090 g/cm3 đến 1,603

P

P

g/cm3 được khảo sát và đều có kết quả là hệ số tự hấp thụ và mật độ phụ thuộc
P

P

tuyến tính với nhau [13].
- Năm 2010, Necati Celik, Ugur Cevik đã dùng phương pháp mô phỏng
Monte Carlo để xác định ảnh hưởng của nồng độ nước trong mẫu đất lên hiệu ứng
tự hấp thụ. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng tia gamma tới
và nồng độ của nước. Cụ thể là khi nồng độ nước ở trong mẫu càng cao thì hệ số


6

hiệu chỉnh càng nhỏ. Và khi năng lượng gamma nhỏ hơn 500 keV, hệ số hiệu chỉnh
tăng nhanh theo năng lượng; khi năng lượng lớn hơn 500 keV, hệ số hiệu chỉnh thay
đổi không đáng kể [15].
1.1.2. Tình hình nghiên cứu sự tự hấp thụ trong nước
Tại Việt Nam có nhiều nhóm tác giả nghiên cứu sự tự hấp thụ trong các mẫu
môi trường như:
- Năm 2004, Ngô Quang Huy và Trần Văn Luyến đã nghiên cứu sự tự hấp
thụ trong mẫu để tính hoạt độ phóng xạ của

U tại đỉnh 63,3 keV trong mẫu đất

238

P

P

dạng trụ bằng hệ phổ kế gamma HPGe. Nhóm tác giả đã tìm được sự phụ thuộc
tuyến tính của hệ số suy giảm vào mật độ (từ 0,9 - 1,6 g/cm3) cho các mẫu đất. Từ
P

P

đó, tính được hoạt độ của 238U trong các mẫu đất với sai số khoảng 10% [16].
P

P

- Năm 2009, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Đỗ Phạm Hữu
Phong, Trần Ái Khanh đã khảo sát ảnh hưởng của matrix và mật độ lên hiệu suất
của hệ phổ kế gamma HPGe bằng chương trình MCNP4C2. Một số công thức giải
tích đã được xây dựng để hiệu chỉnh tự hấp thụ cho các mẫu đất dạng Marinelli. Từ
đó, áp dụng để tính hoạt độ của các đồng vị trong mẫu chuẩn Soil- IAEA- 375. Các
kết quả khảo sát cho thấy:
+ Đối với mật độ mẫu môi trường thông thường (từ 0,5 - 2 g/cm3) có thể
P

P

bỏ qua ảnh hưởng của matrix khi khảo sát các tia gamma có năng lượng lớn hơn
100 keV.
+ Hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ phụ thuộc tuyến tính vào mật độ mẫu.
+ Hoạt độ của các đồng vị trong mẫu chuẩn khi có hiệu chỉnh tự hấp thụ

phù hợp với các số liệu hoạt độ cung cấp bởi IAEA.
Sự phù hợp giữa kết quả khảo sát hoạt độ trong mẫu chuẩn với số liệu
cung cấp bởi IAEA là một minh chứng cho tính chính xác của chương trình [19].
- Năm 2010, Nguyễn Thị Cẩm Thu, Đặng Nguyên Phương, Trương Thị
Hồng Loan, Trần Ái Khanh, Mai Văn Nhơn nghiên cứu tối ưu hoá hình học mẫu
dạng Marinelli trong phép đo phóng xạ các mẫu môi trường. Trong công trình này,
một phương pháp xác định cấu hình đo tối ưu của mẫu thể tích dạng Marinelli dựa


7

vào các phương trình giải tích của đường cong hiệu suất được xây dựng dựa trên mô
phỏng Monte Carlo. Việc tối ưu hoá hình học được thực hiện với mẫu thể tích từ 10
ml - 450 ml và năng lượng tia gamma từ 60 keV - 2 MeV. Phương pháp luận và các
kết quả đạt được trong công trình này góp phần cải thiện các hạn chế trong các phép
đo có hoạt độ thấp, giúp các nhà thực nghiệm có thể tính toán được lượng mẫu tối
ưu nhất trong đo đạc phóng xạ gamma của mẫu môi trường [18].
- Năm 2012, Ngô Quang Huy và cộng sự sử dụng chương trình MCNP5
nghiên cứu hiệu ứng tự hấp thụ để xác định hoạt độ phóng xạ tại đỉnh 63,3 keV
của

U trong các mẫu đất phù sa, đất đỏ, và mẫu đất chuẩn IAEA…Kết quả tính

238
P

P

hiệu suất ghi bằng chương trình MCNP5 phù hợp khá tốt với thực nghiệm, độ sai
lệch không quá 5 % [17].

1.2. Giới thiệu hệ phổ kế gamma HPGe và các đặc trưng
Hệ phổ kế gamma có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các đồng
vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ ra khỏi
chất nền của mẫu, giúp ta phân tích một cách định tính và định lượng các nhân
phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này là các mẫu môi
trường hoặc mẫu sinh học như: đất, nước, không khí, các mẫu trầm tích và các loại
rau…Việc nắm rõ các đặc trưng của phổ gamma, cách thức xử lý phổ và tính toán
hoạt độ nguồn là điều cần thiết đối với bất cứ người làm thực nghiệm nào liên quan
đến việc đo đạc bằng hệ phổ kế gamma [7].
Hiện nay, việc đo phổ gamma chủ yếu sử dụng các hệ phổ kế gamma đa
kênh với đầu dò nhấp nháy NaI hoặc đầu dò bán dẫn. Tuy có nhiều loại đầu dò khác
nhau nhưng tất cả đều dựa trên cùng một nguyên tắc là chuyển một phần hay toàn
bộ năng lượng bức xạ trong đầu dò thành xung điện. Việc sử dụng các đầu dò bán
dẫn đã giúp tạo nên các kết quả chính xác hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma
của đầu dò với các năng lượng khác nhau. Trong luận văn này, đầu dò germanium
siêu tinh khiết HPGe (Hight Pure Germanium detector) thuộc Phòng thí nghiệm
chuyên đề Bộ môn vật lý hạt nhân, trường Đại học khoa học tự nhiên được sử dụng.


8

Đây là loại đầu dò ghi nhận tia gamma có độ phân giải năng lượng cao nhất hiện
nay, nó được sử dụng rộng rãi trong cả nghiên cứu cơ bản lẫn vật lý ứng dụng.

Hình 1.1. Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe (ký hiệu GC2018) tại Phòng thí nghiệm
Chuyên đề Bộ môn Vật lý hạt nhân
1.2.1. Cấu tạo của hệ phổ kế gamma HPGe
Hệ phổ kế gamma HPG gồm các phần chính sau: Đầu dò HPGe GC2018 với
các thiết bị kèm theo gồm nguồn nuôi cao thế cho đầu dò, tiền khuếch đại, khuếch
đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, nguồn phóng xạ,

buồng chì.

Bộ biến
Đầu
dò

Tiền

Khuếch

khuếch

đại

đổi
tương tự
thành số

Nguồn nuôi
cao thế

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma [5]

MCA


9

1.2.1.1. Đầu dò Germanium siêu tinh khiết HPGe
Phần chính của đầu dò GC2018 là tinh thể Ge siêu tinh khiết (độ tạp chất vào

khoảng 1010 nguyên tử/cm3) gồm tinh thể Ge đường kính 52 mm, chiều cao 49,5
P

P

P

P

mm. Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7 mm, độ sâu của hốc là 35
mm. Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp Lithium) được khuếch tán có bề
dày 0,86 mm nối với điện cực dương. Mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại p
(lớp Boron) được cấy ion có bề dày 3.10-3 mm nối với điện cực âm. Mặt trên cùng
P

P

của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu bao gồm: lớp trên được làm bằng kapton với bề
dày 0,1 mm và lớp dưới làm bằng mylar được kim loại hoá với bề dày 0,85.10-3 mm
P

P

[4].
Hộp kín bằng nhôm có độ dày 2,7 mm (chỗ dày nhất) và 0,76 mm (chỗ mỏng
nhất) để đảm bảo tránh được sự hấp thụ các photon năng lượng thấp. Khoảng chân
không ở giữa mặt trên của tinh thể Ge với mặt dưới của vỏ nhôm là 5 mm để tránh
va chạm với bề mặt tinh thể Ge khi lắp ráp đầu dò [4].

Hình 1.3. Cấu trúc của đầu dò [4]

10

1.2.1.2. Hệ thống điện tử
Một hệ thống điện tử phục vụ cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều
thành phần, chúng thường được chia thành các khối khác nhau mà mỗi khối sẽ thực
hiện một công việc cụ thể như [5]:
- Khối cao thế cung cấp điện áp cho đầu dò hoạt động.
- Khối tiền khuếch đại tạo ra kết nối tối ưu giữa lối ra của đầu dò và các khối
điện tử phía sau của hệ phổ kế, loại bỏ ảnh hưởng của các xung nhiễu.
- Khối khuếch đại dùng khuếch đại biên độ xung. Nó có thể khuếch đại biên
độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn nữa. Một chức năng quan trọng nữa của
khối khuếch đại là biến đổi dạng xung của khối tiền khuếch đại thành dạng phù hợp
với mục đích của thực nghiệm.
- Khối phân tích đa kênh (bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên
độ đa kênh (MCA), máy tính), chức năng chính của khối này là số hoá biên độ của
xung, được gọi là bộ biến đổi tương tự số ADC. Kết quả làm việc của ADC là một
con số mà độ lớn của nó chính là độ phân giải của ADC, tỉ lệ với biên độ của xung
vào. Độ phân giải của ADC còn được gọi là số kênh và thường có giá trị là: 256,
512, 1024, 2048, 4096, 8192. Máy phân tích biên độ đa kênh hiện đại thường được
lắp trong các máy vi tính dưới dạng các card tích hợp và có nhiều chức năng quan
trọng cho người sử dụng, đặc biệt là chức năng phân tích phổ.
1.2.1.3. Buồng chì
Đầu dò GC2018 được đặt trong buồng chì giảm phông từ môi trường. Kích
thước của buồng chì được ghi trên hình 1.4.


11

Hình 1.4. Cấu trúc của buồng chì [5]
Chì là loại vật liệu có Z cao nên hấp thụ được tia gamma trong môi trường và
làm giảm phông cho đầu dò. Tuy nhiên, tương tác của tia gamma với chì cũng tạo ra
các tia X có năng lượng trong khoảng 75 - 85 keV. Các tia X này của chì có thể
được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Để hạn chế điều này,
người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp Cu và Sn có bề dày tương ứng là 1,5
mm và 1 mm [5].
1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế gamma HPGe
1.2.2.1. Đặc trưng về phông nền phóng xạ môi trường
Do các hạt nhân phóng xạ tồn tại khắp mọi nơi, ở xung quanh đầu dò, trong
vật liệu tạo đầu dò và cả trong chất nền của mẫu đo nên chúng cũng được ghi nhận
bởi đầu dò, từ đó tạo nên phông nền phóng xạ trong phổ gamma đo được. Nguồn
gốc của phông nền phóng xạ trong hệ phổ kế gamma là do [7]:
- Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ nguyên thuỷ:

238

235

232

P

P

P

U,
P

U,
P

Th
P

và 40K trong môi trường.
P

P

- Sự ảnh hưởng của các đồng vị phóng xạ nhân tạo do con người tạo ra
hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân.
- Bên cạnh các nhân phóng xạ nguyên thuỷ và nhân tạo, các đồng vị
phóng xạ có nguồn gốc từ tia vũ trụ cũng góp phần ảnh hưởng vào phông nền đo
gamma, chẳng hạn như các neutron có nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ hoặc phân hạch


12

hạt nhân tự nhiên có thể xuyên qua lớp chì che chắn của đầu dò một cách dễ dàng,
gây ra phản ứng với chì. Tuy nhiên các phản ứng tạo tia gamma như: 207Pb (n, n ' γ
P

)

Pb(n,n’ 𝛾 )206Pb

207

206

P

P

Pb cho bức xạ gamma năng lượng 569,2 keV; 1063,6 keV;
P

cho bức xạ gamma năng lượng 803,3 keV và

P

P

P

P

P

Pb(n,n’ 𝛾 )208Pb cho bức xạ gamma

208
P

P

P

P

P

P

P

năng lượng 2614 keV có tiết diện phản ứng nhỏ nên không tạo phông phóng xạ cho
đầu dò.
- Ngoài ra, trong chì che chắn còn có chứa một hàm lượng
định.

210

210

P

P

Pb là hạt nhân không bền, phân rã thành nhân con
P

22,3 năm. Phóng xạ β− từ

210
P

Pb nhất

P

Bi với chu kỳ bán rã
P

Bi có năng lượng cực đại là 1160 keV, có thể tạo ra

210
P

P

các bức xạ hãm (Bremsstrahlung) và các bức xạ đặc trưng tia X của chì. Trong thực
tế, để giảm thiểu ảnh hưởng do tia X của chì lên phổ đo, người ta thường lót bên
trong buồng chì các lớp thiếc, đồng hoặc cadmium nhằm hấp thụ bớt các tia X đặc
trưng này.
Các phông nền phóng xạ này làm cho vùng liên tục trong phổ gamma bị
nâng cao. Kết quả là có thể ảnh hưởng đến việc xác định chính xác diện tích đỉnh
tương ứng với năng lượng tia gamma phát ra từ mẫu. Điều này ảnh hưởng đến tính
chính xác của các phép tính như: xác định hiệu suất ghi, tính toán hoạt độ của các
mẫu môi trường đặc biệt là các mẫu có hoạt độ thấp…Do đó, việc khảo sát chi tiết
phông nền và trừ phông là một việc làm cần thiết quyết định tính chính xác của
phép đo.
Đối với phông nền do bức xạ từ môi trường, ta có thể khảo sát và loại trừ
phông này như sau:
- Nếu mẫu đo là nguồn điểm (mẫu hình trụ), phông do bức xạ môi
trường có thể được loại trừ bằng cách trừ phổ đo có mẫu với phổ đo không mẫu.
Phổ đo khi không có mẫu sẽ chứa các thành phần làm nhiễu do các bức xạ từ bên
ngoài vào. Do vậy, chúng ta sẽ loại trừ được những thành phần này sau khi đã trừ
phông.

- Nếu mẫu đo là nguồn thể tích (mẫu hình học dạng 2π hoặc 3π ), do
mẫu có thể tích lớn nên xảy ra hiệu ứng che chắn của chất nền của mẫu đối với các


13

bức xạ từ bên ngoài đi vào đầu dò nên việc trừ phông do bức xạ môi trường đối với
mẫu thể tích bằng cách trừ phổ đo có nguồn với phổ đo không nguồn có thể sẽ dẫn
đến kết quả bị sai lệch. Do đó, mẫu đo cần được trừ phông gần giống với phông thật
có ảnh hưởng hiệu ứng che chắn từ mẫu thì việc trừ phông mới được chính xác hơn.
1.2.2.2. Độ phân giải năng lượng [1]
Độ phân giải năng lượng của đầu dò được định nghĩa là tỉ số giữa bề rộng
một nửa giá trị cực đại (FWHM) và vị trí đỉnh H 0 .
R

R

𝑑𝑑
𝑑𝑑
Y

Y/2
FWHM

H0

H

Hình 1.5. Định nghĩa độ phân giải của đầu dò [1]
Độ phân giải năng lượng: R =

FWHM
H0

(1.1)

Độ phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên và được tính bằng
%. Đối với đầu dò nhấp nháy dùng trong việc đo phổ gamma thường có độ phân
giải năng lượng nằm trong khoảng từ 5 - 10%. Đối với đầu dò Germanium siêu tinh
khiết, giá trị này thường nhỏ hơn 1%, tương ứng với bề rộng một nửa giá trị cực đại
ở đỉnh năng lượng 1332 keV (các tia gamma của 60Co) có giá trị trong khoảng từ
P

1,8 keV - 2,2 keV.

P