NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Minh

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN
TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014



Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Luân văn được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà
Nội.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Quang Thiệu

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Văn Loát (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên)
Phản biện 2: TS. Trần Ngọc Toàn (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam)

Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp
Họp tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Vào hồi: 15h ngày 10 tháng 04 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội

1


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Ngày nay, năng lượng nguyên tử đang dần trở thành nguồn năng lượng chính thay
thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Không chỉ vậy, việc sử dụng
nguồn năng lượng hạt nhân còn là cách để giảm thiểu lượng khí thải CO2, một trong
những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên của trái đất. Không
những vậy, các bức xạ hạt nhân còn được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác
như y tế, khoa học, quân sự… đem lại lợi ích to lớn đối với đời sống của chúng ta.
Tuy nhiên, năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn những nguy hiểm đối với con
người. Thực tế, chúng ta cũng đã từng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm trọng của chúng
trong vụ nổ bom nguyên tử ở Tokyo và Hirosima, vụ nổ nhà máy điện hạt nhân
Chernobyl và gần đây là nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra
đối với các nhà môi trường và các nhà quản lý là phải kiểm soát được liều lượng phóng
xạ trong môi trường để có những biện pháp ứng phó kịp thời với các sự cố liên quan tới
phóng xạ hạt nhân.
Các thiết bị quan trắc môi trường và cảnh báo phóng xạ là công cụ chính để các
nhà quản lý và các nhà môi trường theo dõi và kiểm soát ô nhiễm phóng xạ. Vì thế hầu
hết các nước đều quan tâm tới việc xây dựng các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ
môi trường. Hiện nay, Nhật Bản đã có 37 trạm quan trắc, Hàn Quốc có 13 trạm, Ấn Độ
có 16 trạm,… Tại Việt Nam, chúng ta cũng đã có 3 trạm quan trắc phóng xạ môi trường
tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Năng
lượng nguyên tử, Trung tâm Công nghệ xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng).
Qua thực tế hoạt động, các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường của
nước ta đã bộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả năng thu thập và phân tích chưa

đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về tính liên tục, độ nhạy theo tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra
các trạm này chưa có chức năng cảnh báo trực tuyến về các sự cố rò rỉ để phục vụ cho
việc ứng phó với các trường hợp khẩn cấp.

2


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Nắm được vai trò quan trọng của các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi
trường, Viện Năng lượng nguyên tử đã giao cho Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân
nghiên cứu và xây dựng thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Qua quá
trình nghiên cứu và triển khai đo đạc thực nghiệm, thì bài toán được đặt ra cho các nhà
nghiên cứu là làm thế nào để có thể nâng cao được độ chính xác và ổn định cho thiết bị
hơn nữa khi đo đạc trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính ổn định
của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Trong đó sử dụng phương pháp
JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E), và ổn định phổ bằng
phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40. Luận văn gồm 3 chương với nội dung
chính như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nguyên lý và cấu tạo của thiết bị quan
trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.
Chương 2 nghiên cứu về đầu dò nhấp nháy và các phương pháp đo số liệu sử dụng
loại đầu dò này.
Chương 3 đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và tính ổn định cho thiết
bị.

3


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO
PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG
1.1. Nhu cầu thực tiễn
Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ. Các
chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình thành trái đất
hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra còn có những tác
nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng
hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y
tế, nghiên cứu, năng lượng,…
Các hạt nhân phóng xạ luôn tồn tại trong môi trường và tạo ra các tia phóng xạ tác
động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người gây ra những ảnh hưởng từ bên
ngoài với cơ thể con người. Ngoài ra, một số hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống
thông qua đường thức ăn, nước uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên
trong, ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con
người [8].
Các tia phóng xạ này với liều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức độ khác
nhau. Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên sâu khác nhau nên
cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tia phóng
xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h)
bao gồm mức độ hấp thụ inon hóa (Sv) trên một đơn vị thời gian.
Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện bệnh lý
ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế bào, dẫn đến đột
biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận trong cơ thể. Vì thế, các tia
phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và tính mạng của con người. Điều này càng
trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế bào sinh sản bị tác động vào.
Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho phép để
đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân. Theo tiêu chuẩn này thì mỗi suất liều cho

4

Tóm tắt luận văn thạc sỹ
phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối với nhân viên làm việc với bức
xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5 năm).
1.2. Cơ sở lý thuyết
Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng
xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ với vật chất. Từ đó ta
có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định được suất liều phóng xạ trong môi
trường. Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân thì tia gamma tương tác với vật chất qua các
hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron positron.
1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử liên
kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma được
truyền cho điện tử.
Te = Eγ – Ii

(1.1)

Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron.
Eγ là năng lượng của lượng tử gamma.
Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện phụ
thuộc cả vào Z. Như vậy tiết diện quang điện:

σ photon =

Z5
(Khi ≥ EK)
E 7/2

(1.2)
σ photon =

5

5

Z
(Khi E >> EK)
E


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
1.2.2. Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton

Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ
đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần
năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton
có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do. Công thức tính
năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau [2]:

hv


hv, = hv / 1 +
1 − cosθ ) 
2 (
 mec



(1.3)

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử
và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:

σ compton =

Z
E

(1.4)

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron
Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ> E0) cùng với hiệu ứng quang điện và
hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra hiện
tượng tạo cặp electron-positron [2].

6


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron

Năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn
hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron:

E0 ≥ 2me c 2

(1.5)

Khi đó:

hv = Te+ + Te− + 2mec 2

(1.6)

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng
ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me.c2= 2.04MeV.
Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn tiết
diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết diện tạo cặp
trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2< E <50mec2, tiết diện
tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.ln(E). Theo công thức, tiết diện tạo cặp electron - positron gần
như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.
1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất
Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính xảy
ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron - positron.
Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng [11]:
σ = σphoton + σcompton + σpair

7

(1.7)


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Z5

Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoton ~ 7/2 , tiết diện quá trình tán xạ
E
Compton là σcompton ~

Z
và tiết diện quá trình tạo cặp là σpair ~ Z2.ln(E).
E

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1]

1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường
Một thiết bị như vậy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: đầu dò, khối xử lý trung
tâm và khối hiển thị (Hình 1.5). Trong đó, đầu dò biến đổi các tín hiệu phóng xạ thành
tín hiệu điện để đưa vào xử lý ở khối xử lý trung tâm rồi đưa ra hiển thị để cho người sử
dụng đọc số liệu.

Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

1.3.1. Đầu dò chứa khí

Đầu dò chứa khí thường là các tụ phẳng hoặc tụ hình trụ, có chất điện môi là
khí. Giữa hai bản cực của tụ được nuôi bằng một hiệu điện thế cao tạo nên một
cường độ điện trường giữa 2 bản cực, khi một hạt ion hóa (α, β, các hạt nặng) đi
vào không gian của tụ thì nó sẽ ion hóa các phân tử khí tạo thành các ion dương và
điện tử [10].

8


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Đầu dò chứa khí bao gồm các loại chính là: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ,
ống đếm Geiger-Muller.
1.3.2. Đầu dò bán dẫn
Đầu dò bán dẫn (hay còn gọi là buồng ion hóa rắn) là những diot lớn Si hoặc Ge,
loại p-n hoặc p-i-n, hoạt động theo chế độ phân cực ngược. Nguyên tắc hoạt động của
đầu dò này giống với buồng ion hóa của đầu dò chứa khí.
1.3.3. Đầu dò nhấp nháy
Đầu dò nhấp nháy bao gồm tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện (PMT).
Khi một hạt tương tác với tinh thể nhấp nháy thì sẽ sinh ra một chớp sáng tỉ lệ với cường
độ và năng lượng của bức xạ đi vào, chớp sáng này đi vào trong ống nhân quang điện tạo
ra một xung dòng lớn ở anot của ống. Chất nhấp nháy đóng vai trò quan trọng quyết định
khả năng thu nhận các bức xạ khác nhau. Các chất nhấp nháy phổ biến là: NaI(Tl) để đo
bức xạ có mật độ cao; ZnS(Ag) để đo α, β, …

9


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl)
2.1. Đầu dò nhấp nháy
Khi bức xạ hạt nhân đi vào thể tích của bản nhấp nháy sẽ kích thích nguyên tử của
môi trường vật chất, khi các nguyên tử và phân tử của bản nhấp nháy trở về trạng thái cơ
bản sẽ phát ra các photon ánh sáng có bước sóng từ 3000 – 4000A0.
Để có thể thu nhận được những photon ánh sáng này, ta phải dùng các ống nhân
quang điện để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại nó lên. Tuy
nhiên, quá trình bị kích thích và phát photon ánh sáng của bản nhấp nháy rất nhanh vì
vậy để thu được các photon ánh sáng này thì đầu dò nhấp nháy phải có khả năng tác động
nhanh. Do đó, người ta dùng ống nhân quang điện đặt sát vào bản nhấp nháy sao cho sự
truyền ánh sáng là tốt nhất.

2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ
- CsI(Tl) và CsI(Na).
- LiI(Eu)
- Bismuth Germanate(BGO).
- Barium Fluoride(BaF2).
- NaI(Tl).
2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ
- Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene, Stilbene.
- Dạng dung dịch.
- Chất nhấp nháy dẻo.
- Chất nhấp nháy pha tạp
So với các loại chất nhấp nháy khác, NaI(Tl) có ưu điểm về cường độ nháy sáng
cao, giá thành rẻ, thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng đo suất liều thấp, không cần
phân giải theo thời gian.

10


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)
Cấu tạo chủ yếu của chất nhấp nháy này là tinh thể NaI được thêm khoảng 0.1%
Thalium (Tl) dưới dạng ion để tăng hiệu suất nhấp nháy. Ở nhiệt độ phòng, chất nhấp
nháy này phát ra bước sóng 4200A0 với cường độ tương đối mạnh phù hợp cho việc sử
dụng để đo trong những ứng dụng cơ bản.
2.2.1. Đặc điểm cấu tạo
Hệ số hấp thụ gamma cho NaI được trình bày ở Hình 2.1. Hệ số hấp thụ do ảnh
hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên cân bằng tại năng lượng 0.3
MeV và tạo ra hiệu ứng tạo cặp không quan trọng cho tia gamma với năng lượng nhỏ
hơn 2 MeV.

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ của tinh thể NaI(Tl) vào năng lượng của tia gamma [4]

Tương tác của tia gamma với vật chất luôn có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang
điện với tán xạ Compton và (cho tia gamma có E > 1.02 MeV) hiệu ứng tạo cặp. Hệ số
suy giảm này do tương tác của tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) được trình bày ở Hình 2.1.

11


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Một nguồn của tia gamma tạo ra trong tinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng
tương tác của tia gamma và tinh thể, ví dụ như một nguồn với E=0.514 MeV sẽ tạo ra
hiệu ứng quang điện và Compton với một hệ số suy giảm khoảng 0.1 tới 0.6 trong một hệ
thống đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) “lý tưởng”. Lý thuyết phổ gamma thu được trong một
đầu dò “lý tưởng” được trình bày trong Hình 2.2. Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả
dao động trong đầu ra của tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi đinot
trong ống nhân quang.

Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác Compton và quang
điện trong đầu dò NaI(Tl) [5]

Đặc trưng của hệ thống đầu dò nhấp nháy được xác định bởi các thông số sau:
hiệu suất ghi nhận bức xạ, đường chuẩn năng lượng (thể hiện chiều cao xung với năng
lượng bức xạ tới, độ phân giải của đầu dò, phông của hệ thống).
2.2.2. Sự hình thành xung lối ra
Dạng xung lối ra của đầu dò NaI(Tl) được xác định như sau:
∞

A
A

U 0 = eα∆WPmax ∫ δ ( λ ) Π ( λ ) d λ = eN
C
C
0
Trong đó:

e là điện tích electron

12

(2.1)


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
α là số photon / 1 đơn vị năng lượng ∆W
δ(λ) là phổ phát xạ của tinh thể nhấp nháy
Giải ra ta được:

AeN 1
Ia (t ) =
ttgτ 0 π
U 0 ( t ) = −U 0

  t − t ' 
 −t 
exp
exp
−





∫−∞   ttg    τ 0  H ( t ') dt '

 
+∞

τ

 −t 
 −t 
exp   − exp   H ( t ) dt
τ0 −τ
τ 
 τ0 

(2.2)

(2.3)

Với:

τ = RC
U0 =

AeN
C

Với các tỉ lệ τ/τ0 khác nhau ta thu được các xung có biên độ và thời gian xung
khác nhau như trong Hình 2.3.

Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6]

13


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl)
Trong luận văn này, em đã nghiên cứu, áp dụng phương pháp đang sử dụng tại
Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), hay còn được gọi là phương
pháp JAERI. Phương pháp này xác định suất liều phóng xạ dựa trên biên độ xung và
năng lượng lấy từ hàm chuyển đổi phổ - liều G(E).
Giả sử ta có phổ năng lượng thu được bao gồm năng lượng E và số đếm N(E)
tương ứng với năng lượng E. Khi đó, sự chuyển đổi từ đỉnh phổ thành suất liều được biểu
diễn bằng phương trình sau:

X =∫

Emax

Emin

=∑

N ( E ) G ( E ) dE

I max

(2.4)

N (I ) G(I )

Trong đó:
X là suất liều (2.58.10 -10 C.kg -1.h -1 hoặc uR.h -1 )
N(E) là phổ số đếm tương ứng với các kênh (cpm/keV)
N(I) là phổ cho bởi bộ phân tích đa kênh (cpm/channel)
E là năng lượng (keV)
I là số kênh
Hàm G(E) có thể được xác định thông qua biểu thức sau:

G(E) =

K max

∑ A( K ).[log
K =1

10

( E )]

K − M −1

Trong đó:
Kmax là số bậc của đa thức
A(K) là hệ số sẽ được xác định theo K
E là năng lượng (keV)
M là số nguyên đặc trưng cho loại đầu dò

14

(2.5)


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 2.5 cm x 2.5 cm sử dụng trong thiết bị
thì hàm G(E) có dạng:
20

G ( E ) = ∑ A( K ). log10 ( E ) 

K −3−1

(2.6)

K =1

Trong đó: Kmax = 20, M = 3 và A(K) có giá trị được cho trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm
A(K)
A(1)
A(2)
A(3)
A(4)
A(5)
A(6)
A(7)
A(8)
A(9)
A(10)

A(11)
A(12)
A(13)
A(14)
A(15)
A(16)
A(17)
A(18)
A(19)
A(20)

Kmax = 20 , M = 3
1.49275099570029D+03
-2.91658773780102D+03
1.15926424258823D+03
1.14140418958232D+03
-1.01302040986778D+03
9.08322216928152D+01
1.23704377416037D+02
-5.14679285896588D+01
3.02223431771800D+01
-1.28281664110684D+01
-1.15787023098615D+00
8.94041702581576D-01
7.87239563912950D-01
-3.03009156457287D-01
-7.62288782837513D-02
5.27880449195923D-02
-6.90413288198483D-03
-7.33025657836061D-04

2.45581452872742D-04
-1.62008901437124D-05

Dựa vào biểu thức trên, ta có thể dễ dàng xác định được hàm G(E). Tuy nhiên,
trong biểu thức của hàm G(E) có chứa một số phép toán phức tạp, gây mất thời gian để
tính toán. Do đó, ta có thể lập bảng tra cứu với các giá trị tính sẵn và các mức năng lượng
cho trước. Từ đó, ta có thể dễ dàng xác định được suất liều phóng xạ dựa vào công thức
(2.6) cho ở trên.

15


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl)
3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh
Phương pháp chuyển phổ thành liều sử dụng phổ biên độ xung như là một tham số
đầu vào để xác định suất liều của bức xạ. Mỗi giá trị của năng lượng đỉnh phổ sẽ tương
ứng với một giá trị của G(E) (Phụ lục 2) sử dụng trong biểu thức (2.6) để tính suất liều.
Do đó, ước lượng vị trí của đỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả suất
liều phóng xạ.
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất phức tạp tới kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl) [12,
7]. Giải pháp đơn giản nhất để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ lên thiết bị cũng như kết
quả đo là xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị. Tuy nhiên giải pháp này là
không khả thi khi thiết bị được chế tạo với mục đích sử dụng bên ngoài phòng thí
nghiệm.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sự phụ thuộc vào nhiệt độ ở đây là
không tuyến tính, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thống nhất được mô hình phụ thuộc
nhiệt độ của đầu dò NaI(Tl). Tuy nhiên trong phạm vi thiết bị sử dụng ở ngoài môi

trường với độ chính xác tương đối thì ta hoàn toàn có thể áp dụng mô hình phụ thuộc
tuyến tính vào trong thiết bị.
3.2. Nâng cao độ chính xác
Như đã trình bày trong chương 2, với đầu dò nhấp nháy, ta có thể dùng phương
pháp chuyển phổ thành liều để nâng cao độ chính xác. Quá trình này bao gồm các bước
được mô tả trong sơ đồ sau (Hình 3.1):

16


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi
trường

Từ sơ đồ (Hình 3.1) ta thấy rằng để áp dụng được phương pháp chuyển phổ thành
liều để nâng cao độ chính xác của thiết bị thì ta phải thực hiện qua một số bước trung
gian như làm trơn phổ, xác định đỉnh.
Trong điều kiện của thiết bị sử dụng vi điều khiển thì không phải bất cứ mã lập
trình thương mại nào cũng có thể sử dụng được. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là chương trình
tính toán, xử lý số liệu phải đơn giản, hiệu quả, dễ dàng lập trình trên môi trường vi điều
khiển.
3.2.1. Làm trơn phổ
Để đơn giản cho thiết bị, chúng em đã sử dụng phương pháp làm trơn phổ do
Svaitzky và Golay đề xuất.
3.2.2. Xác định đỉnh
Trong phân tích phổ gamma thì đỉnh phổ là vị trí chứa nhiều thông tin quan trọng
nhất. Trong đó, vị trí của đỉnh tỉ lệ với năng lượng của chuyển dời và diện tích của đỉnh tỉ
lệ với cường độ của chuyển dời. Vì vậy, yêu cầu đặt ra trước tiên là phải xác định được
số đỉnh cũng như vị trí của các đỉnh trong phổ.

Ở đây, em đã sử dụng phương pháp fit Gauss để xác định đỉnh. Để thực hiện được
như vậy, ta coi các số liệu trong phạm vi xung quanh mỗi đỉnh tuân theo phân bố Gauss.

17


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

y ( x) = Ae

 ( x −b )2 
−

 2 a2 



+C

(3.1)

Như chúng ta đã biết, nhiễu của tín hiệu hầu hết tuân theo phân bố ngẫu nhiên. Do
đó, khi ta xấp xỉ tín hiệu theo phân bố Gauss thì các thành phần nhiễu sẽ tự triệt tiêu lẫn
nhau. Ngoài ra phân bố Gauss cho phép ta xác định đỉnh cũng như diện tích đỉnh trực
tiếp thông qua các tham số của hàm phân bố.

xP = b
FWHM = a * 2 ln(2)

(3.2)

Như vậy giá trị đỉnh thu được ở đây là rất chính xác, ít phụ thuộc vào nhiễu và đặc
biệt là không phụ thuộc vào người xử lý số liệu.
Quá trình tính toán, fit Gauss được thực hiện gồm các bước sau:

Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss

Em đã xây dựng chương trình xulysolieu.m được viết bằng Matlab để thực hiện tự
động quá trình trên. Để xem, chương trình hoạt động như thế nào, ta sẽ xem xét một
trường hợp cụ thể với số liệu đo được tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Vật lý hạt

18


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện năng lượng và nguyên tử Việt Nam vào
ngày 02/11/2013.
Số liệu sau khi đo được có dạng như trong Hình 3.3 và 3.4.

Hình 3.3: Số liệu thu được

Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log

Từ Hình 3.3 và 3.4, ta có thể dễ dàng thấy rằng phổ thu được có lẫn nhiễu tương
đối nhiều. Do vậy ta cần làm trơn để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu (Hình 3.5). Tuy
nhiên ta thấy rằng, phổ này chỉ có một đỉnh ở khoảng kênh gần 400 nên ở đây, ta chỉ cần
quan tâm vùng phổ này.

19

Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Hình 3.5: Phổ đo được sau khi làm trơn

Bằng cách sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu để xác định phân bố Gauss
của đỉnh, ta thu được hàm Gauss như sau:

y = 77 * e

 1  x − 407  2 
− 

 2  16  



+ 86

(3.3)

Qua đó, ta dễ dàng xác định được đỉnh phổ và độ rộng đỉnh phổ theo (3.2).

xP = 407
FWHM = 16 * 2 * ln ( 2 ) ≈ 37
Ta có thể dễ dàng tính được độ lệch bình phương của số liệu so với phân bố
Gauss:

s2 =

∑ f ( x) − y

i

i

N

2

= 25.75

Hay nói cách khác, độ lệch trung bình:

s ≈ 5.07
Đồng thời ta có hình biểu diễn số liệu và đường fit như Hình 3.6.

20


Tóm tắt luận văn thạc sỹ

Hình 3.6: Phổ đo được sau khi fit Gauss

Ta thấy rằng, đường phổ có phân bố gần trùng khít với phân bố Gauss. Điều này
chứng tỏ rằng việc xác định đỉnh phổ bằng phương pháp fit Gauss có độ chính xác tương
đối tốt.
3.2.3. Chuyển phổ thành liều
Quá trình chuyển phổ thành liều được thực hiện một cách tự động dựa vào đỉnh
tính được sử dụng phương pháp Fit Gauss trình bày ở trên và áp dụng vào công thức

(2.4).
Tóm lại, bằng việc kết hợp xác định đỉnh bằng fit hàm Gauss và sử dụng phương
pháp chuyển phổ thành liều ta có thể tăng độ chính xác của thiết bị quan trắc và cảnh báo
phóng xạ môi trường lên tương đối cao, đáp ứng được yêu cầu đối với các thiết bị quan
trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng ngoài thực địa. Điều này được chứng
minh thông qua số liệu thực nghiệm trong Bảng 3.1
Bảng 3.1: Kết quả đo suất liều của thiết bị tại các vị trí có suất liều chuẩn khác
nhau
STT

Suất liều
chuẩn
(uSv/hr)

Suất liều thiết bị ghi nhận (uSv/hr)
1

2

3

4

5

Suất liều
trung bình
(uSv/hr)

Độ lệch

chuẩn
(uSv)

Độ lệch
Sai số
chuẩn
chuẩn (%)
(%)

1

11.19

10.63

10.60

10.66

10.57

10.40

10.57

0.10

0.95

-5.54

2

7.77

7.38

7.47

7.32

7.37

7.46

7.40

0.06

0.81

-4.76

3

5.71

5.40

5.42

5.51

5.41

5.49

5.45

0.05

0.92

-4.55

4

4.37

4.16

4.13

4.16

4.21

4.12

4.16

0.04

0.96

-4.81

5

3.45

3.32

3.28

3.31

3.32

3.34

3.31

0.02

0.60

-4.06

21

Tóm tắt luận văn thạc sỹ
6

2.80

2.63

2.67

2.71

2.66

2.73

2.68

0.04

1.49

-4.29

7

1.94

1.91

1.95

1.94

1.89

1.90

1.92

0.03

1.56

-1.03

8

1.66

1.67

1.62

1.62

1.60

1.68

1.64

0.03

1.83

-1.20

9

1.43

1.43

1.45

1.42

1.41

1.41

1.42

0.02

1.41

-0.70

10

1.24

1.25

1.25

1.23

1.23

1.23

1.24

0.01

0.81

0.00

11

1.06

1.09

1.11

1.11

1.08

1.09

1.10

0.01

0.91

3.77

12

0.86

0.88

0.88

0.86

0.88

0.88

0.88

0.01

1.14

2.33

13

0.78

0.80

0.79

0.80

0.81

0.81

0.80

0.01

1.25

2.56

14

0.70

0.72

0.74

0.71

0.74

0.73

0.73

0.01

1.37

4.29

15

0.63

0.67

0.65

0.70

0.67

0.68

0.67

0.02

2.99

6.35

16

0.58

0.59

0.64

0.61

0.62

0.62

0.62

0.02

3.23

6.90

17

0.17

0.14

0.15

0.13

0.14

0.14

0.14

0.01

7.14

-19.22

3.3. Nâng cao độ ổn định
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn
nhất gây ra sự trôi của kết quả đo được. Do đó, luận án đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng

của nhiệt độ tới phổ thu được, đặc biệt là với đỉnh K-40 là một đỉnh phóng xạ tự nhiên
xuất hiện nhiều trong môi trường. Qua đó, đưa ra các hệ số bù nhiệt độ thích hợp.
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40
Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với phổ đo được cũng như đỉnh phổ K-40 được mô
tả trong Hình 3.7. Ta thấy rằng, khi nhiệt độ giảm xuống thì phổ thu được gần như không
thay đổi, tuy nhiên có sự dịch chuyển của đỉnh phổ tương ứng với sự thay đổi của nhiệt
độ.

Hình 3.7: Phổ K-40 tại nhiệt độ T = 20oC và T = 26oC

22


Tóm tắt luận văn thạc sỹ
Ngoài ra, chúng tôi đã khảo sát vị trí của đỉnh phổ K-40 ở các nhiệt độ khác nhau.
Kết quả thực nghiệm được ghi lại trong Bảng 3.2 và hình 3.8 với giá trị đỉnh được xác
định bằng phương pháp Fit Gauss như đã trình bày trong phần 3.1.

Bảng 3.2: Kết quả đo đỉnh K-40 tại các nhiệt độ khác nhau
T
Kênh

16
315

18
317

20
320

22
322

24
325

26
327

28
329

30
333

32
336

34
338

Sù phô thuéc cña ®Ønh K40 vµo nhiÖt ®é
338
336
334
332
330

Kªnh

328
326
324
322

Sè liÖu
y=1.3x+293.8
(R=0.9978)

320
318
316
314
16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

NhiÖt ®é (C)

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của đỉnh K-40 vào nhiệt độ

Từ Hình 3.8, ta thấy rằng, vị trí của đỉnh K-40 phụ thuộc vào nhiệt độ là tương đối
tuyến tính với mức độ lệch khoảng 1.3 kênh/oC.
3.3.2. Bù nhiệt độ cho thiết bị
Ta thấy rằng khi nhiệt độ ảnh hưởng tương đối tuyến tính lên các giá trị đo được.
Do đó, ta hoàn toàn có thể thêm một giá trị xác định vào kết quả đo để bù lại sự thay đổi
do nhiệt độ. Giá trị bù được xác định như sau:
∆kênh = k * (T - T0)

(3.4)

Trong đó, ∆kênh là giá trị bù tương ứng với nhiệt độ T, T0 là nhiệt độ mà ta đã xác
định vị trí đỉnh K-40 và chuẩn thiết bị và K là hệ số bù được xác định bằng độ dịch của
đỉnh K-40 theo nhiệt độ (1.3 kênh/oC).

23