Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xác định tọa độ của một số nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ


LÊ THỊ MỘNG THUẦN

Người hướng dẫn: Thầy HOÀNG ĐỨC TÂM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành vật lý hạt nhân

Thành phố Hồ Chí Minh-tháng 5 năm 2009


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, em
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn và động viên của quý thầy cô, gia đình
và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Thầy Hoàng Đức Tâm đã tận tình hướng dẫn những kiến thức chuyên môn và
những kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành luận văn.
Các thầy phụ trách phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành
việc đo đạc thực nghiệm.
Gia đình và tập thể lớp lý Cử Nhân K-31 đã động viên em trong suốt thời gian
học đại học cũng như thời gian thực hiện luận văn này.


MỞ ĐẦU
Các nhân phóng xạ có ở khắp nơi trong môi trường sống của chúng ta. Môi trường đang chịu tác
động ngày càng lớn từ những hoạt động của con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa,
thăm dò, khai thác tài nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày

càng phát triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu. Nghiên
cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất, nước, bụi khí…
Có hai phương pháp xác định hoạt độ mẫu môi trường
 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.
 Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ.
Phương pháp tương đối cho kết quả 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. 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. Luận văn này sẽ trình bày chi tiết về “Xác định hoạt độ của một số
nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất”.
Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế
gamma phông thấp - phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí
Minh, từ đó xây dựng đường cong hiệu suất ghi của detector đối với mẫu khối hình trụ, và áp dụng vào
xác định hoạt độ của một nguyên tố điển hình là

40

K trong mẫu chuẩn đơn IAEA-RGK-1; mẫu chuẩn

đa nguyên IAEA-375 (vì hai mẫu này đã biết hoạt độ

40

K do IAEA cung cấp), và một số mẫu đất. Sau

đó đem so sánh với kết quả có sẵn để kiểm tra tính đúng đắn của đường cong hiệu suất cũng như
phương pháp tính hoạt độ trực tiếp này. Bố cục luận văn gồm:
 Mở đầu : giới thiệu nội dung và mục đích đề tài.

 Chương I: Tóm tắt về cơ sở lý thuyết và tổng quan về ghi đo bức xạ.
 Chương II: Thực nghiệm: trình bày các bước xây dựng đường cong hiệu suất, tính toán hiệu suất
detector cho mẫu khối hình trụ, các thao tác chuẩn bị mẫu, đo mẫu, và cách tính hoạt độ
bằng đường cong hiệu suất.
 Kết luận: tổng kết đề tài và một số nhận xét.

40

K


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ GHI ĐO
BỨC XẠ
1.1. Các nguồn phóng xạ
Các nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân
tạo. Các nguồn phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ Trái Đất và các tia vũ trụ. Các nguồn phóng xạ nhân
tạo do con người tạo ra bằng cách kích hoạt các hạt nhân trong lò phản ứng, sản phẩm của các phản
ứng hạt nhân…Sau đây ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các nguồn phóng xạ này.

1.1.1. Các nguồn phóng xạ trong tự nhiên:
1.1.1.1. Bức xạ vũ trụ
Các bức xạ proton, alpha,…năng lượng cao từ không gian rơi vào khí quyển Trái Đất gọi là các
tia vũ trụ sơ cấp. Trên đường đi đến Trái Đất, chúng tương tác với bầu khí quyển và sinh ra các tia vũ
trụ sơ cấp.
Các tia vũ trụ sơ cấp
- Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành những nhóm sau:
 Nhóm p gồm proton, deutron và trion
 Nhóm gồm và 23He
 Nhóm các hạt nhân nhẹ (Z= 3 5) gồm Lithium, Beryllium và Boron.
 Nhóm các hạt nhân trung bình (Z= 69) gồm Cacbon, Oxygen, Nitrogen và Flourine.

 Nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z 10.
 Nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z 20.
 Nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z 30.

Bảng 1-1Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp.

Nhóm hạt
nhân
p

Z

1
2

N/Nnặng trong tia

Giá trị trung bình

vũ trụ sơ cấp

của N/Nnặng trong vũ

650
47

trụ
3360
258

6830
1040


-5

3.3
1

10
2.64
1

10
10.1
1

20

0.26

0.06

0.05

30

0.3*10

Hạt nhẹ

3-5

1

Trung bình
Nặng

6-9
10

Rất nặng
Siêu nặng

-4

0.6*10

-5

-5

Với N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm đang xét so với số hạt của hạt nhân nặng. Hai cột cuối
ứng với số liệu thực nghiệm.
Từ bảng trên ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, trong vật chất của vũ trụ chủ yếu gồm các hạt
proton và anpha. Trong vật chất vũ trụ tỉ số N/N nặng lớn hơn rất nhiều lần so với trong tia vũ trụ.
Ngược lại, thành phần các hạt siêu nặng và các hạt nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều lần so với vật
chất trong vũ trụ.
Các tia vũ trụ thứ cấp
Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do các tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Tia

vũ trụ thứ cấp được chia thành ba phần:
Thành phần kích hoạt hạt nhân gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,).
Thành phần cứng gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích
điện:  + (1.1)
Các muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất ít đối với các
quá trình ion hóa và bức xạ hãm trong môi trường.
Thành phần mềm gồm các electron, psitron và gamma. Tia gamma năng lượng cao được sinh ra
đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã hạt pion trung hòa:
o

 +

(1.2)

Các gamma năng lượng cao này khi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron-positron rồi các
cặp eletron-positron này sinh ra các tia gamma hãm. Quá trình này cứ xảy ra cho đến khi năng lượng
các eletron và positron giảm đến cỡ 72 MeV.
Các hạt sơ cấp có năng lượng rất lớn, sau khi được tạo ra, chúng tiếp tục ion hóa môi trường khí
quyển. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Cường độ các tia vũ trụ sơ cấp
phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển. Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên
xuống. Thành phần electron- photon có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh, khi xuống
mặt đất cường độ không đáng kể so với thành phần hạt muon.


1.1.1.2. Bức xạ có nguồn gốc từ Trái Đất
238
Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất chủ yếu gồm các họ phóng xạ uranium ( U) và actinium
235
232
nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb,…Sau đây là các sơ đồ phân

( U), thorium ( Th) và các

hạt rã của các họ phóng xạ.
Bảng 1-2: Chuỗi 238U 

Đồng vị

206

Pb

Kiểu phân rã

Năng lượng Cường độ(%)
bức xạ (MeV)

Chu kỳ bán
rã
9

α
β

4,2
0,2 và 0,1

100 %
56% và 44%

4,47*10 năm

24,1 ngày

β

0,5 và 1,2

90% và 10%

1,18 phút

α

4,8

100%

2,44*10 năm

α

4,7 và 4,6

75% và 25%

α

4,8 và 4,6

93% và 7%

7,7*10 năm
1600 năm

α

5,5

100%

2,382 ngày

α

6,0

100%

3,05 phút

β

0,7

100%

26,8 phút

β

3,2 và 1,7

23% và 77%

19,8 phút

Po-214

α

7,7

100%

1,64*10 giây

Pb-210
Bi-210

β
β

0,03
1,2

100%
100%

22,3 năm
5,01 ngày

Po-210

α

5,3

100%

138,4 ngày

Pb-206

đồng vị bền

-

-

-

Kiểu phân rã

Năng lượng
bức xạ (MeV)

Cường độ

Chu kỳ bán
rã

α
β

4,5
0,2

100%
100%

7,04*10 năm
25,6 giờ

α

5,0 và 4,7

8,4% và 16%

β

0,02

100%

3,25*10 năm
21,8 năm

α

6,1 và 5,8

46% và 54%

18,72 ngày

α

5,7 và 5,5

76% và 24%

11,4 ngày

α

6,7 và 6,3

84% và 16%

3,96 giây

α

7,4

100%

1,78*10 giây

238

U

Th
234Pa
234U
230Th
226Ra
222Rn
218Po
214Pb
214Bi
234

Bảng 1-3: Chuỗi Actinium 235U 

Đồng vị

235

231

U

Th

Pa
227Ac
227Th
223Ra

219Rn
231

Po

215

207

5

4

4

Pb

8

4

-3


211

β
α

Pb

Bi
207Tl
211

207

Pb

232

Th

228

Ra

Ac
228Th
224Ra
220Rn
216Po
212Pb
228

212

Bi

212

Po

208

Tl

208

Pb

20% và 80%
84% và 16%

36,1 phút
2,13 phút

β

1,5

100%

4,76 phút

trạng thái bền

-

-

-

Bảng 1-4: Chuỗi thorium: 232Th 

Đồng vị

0,5 và 6,6
6,6 và 6,3

208

Pb

Kiểu phân rã

Năng lượng
bức xạ (MeV)

Cường độ(%)

Chu kỳ bán
rã

α
β

4,0
0,002

100%
100%

1,4*10 năm
5,75 năm

β

1,6%

100%

6,13 giờ

α

5,4 và 5,3

72% và 28%

9,91 năm

α

5,7 và 5,4

95% và 5%

3,64 ngày

α

6,3

100%

55,6 giây

α và 0,014% β

6,8

β

0,3 và 0,6

66,3% β

2,3

và 33,7% α

5,6 và 5,8
6,0 và 6,1

1% và 2%
70% và 27%

α

8,8

100%

3,0*10 giây

β

1,8

100%

3,05 phút

trạng thái bền

-

-

10

0,15 giây
88% và 12%

0,24
60,6 phút

-5

-

Ba họ phóng xạ có đặc điểm chung là: hạt nhân thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu. Họ
thorium với hạt nhân đầu tiên là

232

Th với thời gian bán rã bằng 1.4*10

không giảm trong quá trình tồn tại của Trái Đất. Hạt nhân đầu tiên
9

sống 4.5*10 năm nên nó bị phân rã một phần, còn

235

238

10

năm nên hầu như thorium

U của họ uranium có thời gian
8

U có thời gian bán rã 7*10 năm nên phân rã

đáng kể. Vì vậy trong vỏ Trái Đất rất nhiều thorium, còn lượng

235

U bé hơn 140 lần so với thorium.

Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của
nguyên tố radon: trong họ uranium khí
là thoron và trong họ actinium khí

219

222

Rn được gọi là radon; trong họ thorium, khí

220

Rn được gọi

Rn được gọi là actinion. Radon là khí trơ, không tham gia bất kỳ

phản ứng hóa học nào, là tác nhân gây ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi. Trong không
khí radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây dựng, đất đá, chúng phân rã
thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu, nguy hiểm nhất là

218

Po.


Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ đều là chì:

206

Pb trong họ uranium,

207

Pb trong họ

208

actinium và Pb trong họ thorium.
Ngoài các họ phóng xạ trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử
thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được liệt kê trong bảng 1.5
Bảng 1-5: Một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp

Hạt nhân

Độ giàu
đồng vị
(%)

T1/2
(năm)

Hoạt độ
riêng
(Bq/kg)

9

31635
0.11

4.8*10

10

8.88*10

62.9

4.3*10

10

In-115

95.8

6*10

8.88*10
184.26

Pt-190

0.013

6.9*10

La-138

0.089

1.12*10

Nd-144

23.9

2.4*10

Sm-148

11.27

>10

Hf-176

2.6

2.2*10

K-40
V-50

0.0118
0.25

1.3*10

Rb-87

27.9

Re-187

6*10

5

14

Một trong những nguồn đồng vị trên,

11

Năng lượng bức xạ
(MeV)

1.33
0.78
5

0.28

-3

0.003

3.18

765.9

5

9.25

1.88

4.07

4.01

10

0.048

13.32

11

14

1.46
1.55

-2

8.88*10

0.28

0.81

0.043 0.043

0.31

40

K rất phổ biến trong môi trường. Hàm lượng trung bình

trong đất đá khoảng 27 g/kg; trong đại dương khoảng 380 mg/L; trong động vật, thực vật và cơ thể con
người vào khoảng 1.7 g/kg.

1.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo
Các nguồn đồng vị nhân tạo gồm các đồng vị phóng xạ phát ra các tia bức xạ anpha, bêta và
gamma, các nguồn neutron phát ra theo các phản ứng hạt nhân ( , n) hoặc ( , n).


Các chất đồng vị phóng xạ khi phân rã anpha hoặc bêta thường kèm theo phát gamma. Do đó
nguồn này có thể được coi là nguồn anpha, bêta hoặc gamma tùy theo mục đích sử dụng.
Bảng 1-6: Các nguồn phóng xạ anpha, bêta và gamma thường dùng

Tên

Ký hiệu

Americium

241

Krypton

Loại bức
xạ

Năng lượng
(MeV)

T1/2

5.48
0.06

458 năm

0.67

10.6 năm

2.27

28 năm

1.173 ; 1.32

5.27 năm

0.66

30 năm

0.08; 0.248;
0.364; 0.637

8 ngày

140.5

6 giờ

1.711

15 ngày

Am
Kr

85

Strontium

Sr

90

Cobalt

Co

60

Caesium

137

Cs

Iodine
131

Tecnecium

99m

Photphorus

I

Tc

32

P

1.2. Sơ lược về hệ phổ kế gamma
1.2.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ
1.2.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất:
Hiệu ứng quang điện

Quang electron
Epc=E-

M

K

K

Photon E
L

(a)

(b)
Tia X

Electron Auger
ECA=

(c)

K- L- M

(d)
Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất, toàn bộ
năng lượng của nó truyền hết cho electron, electron này bay ra khỏi nguyên tử được gọi là quang

electron (photoelectron hình a, b ). Phần năng lượng dư ra chuyển thành động năng của quang electron
bay ra. Năng lượng dưới dạng động năng của quang electron được tính như sau:
Ee= E -

(1.1)

b

Với E = h* là năng lượng photon tới.
b

là năng lượng liên kết của electron ở lớp vỏ nguyên tử trước khi bị bức ra.

Khi electron ở lớp K bay ra để lại một lỗ trống, electron lớp ngoài có thể chuyển vào lấp đầy lỗ trống
và phát ra tia X đặc trưng (hình c), hoặc electron Auger (hình d).
Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn năng
lượng và động lượng.Thật vậy:
Định luật bảo toàn năng lượng:
E Ee E 'e
c2

me

hc m c 2
e

v

1

2

c2
1

E m c2

v

e

1
E

1

c2

1

me c 2

2

1 (1.2)
2

1

với2v2
c2

Định luật bảo toàn động lượng:
P Pe
E

me v
2

c

1

E

me c

c

1

2

E

(1.3)

me c2

1

2

Từ (1.2) và (1.3) ta có:
1
1

2

1
1

2


(1

2

)2 1

(1.4)

Phương trình (1.4) có hai nghiệm =0 Ee=0 (loại); =1 v= c, điều này vô lý vì khối lượng nghỉ
của electron khác không.
Như vậy để hiệu ứng quang điện xảy ra thì electron phải liên kết và năng lượng photon tới phải
lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron E

b

, nhưng không được lớn hơn quá nhiều (vì lúc

này có thể coi electron này là tự do so với photon).
Tiết diện hiệu ứng quang điện:
Gọi

K, L, M

lần lượt là năng lượng liên kết của electron ở lớp vỏ thứ K, L, M. Ta có

K> L> M.

Hình 1-2: Tiết diện hiệu ứng quang điện

 Ở miền năng lượng photon rất lớn E>> K thì hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với lớp K với xác
suất hấp thụ quang điện thấp và tuân theo quy luật E
 Khi E giảm dần đến

K, tiết

diện tuân theo quy luật

1
1

E7 / 2
 Khi E= K thì tiết diện đạt cực đại.
 Khi E tiếp tục giảm E< K thì hiện tượng quang điện không xảy ra với lớp K nữa mà xảy ra với
lớp L với xác suất thấp, tại E= L thì xác suất cực đại. Tương tự như vậy đối với lớp M…

Mặt khác tiết diện hấp thụ quang điện giảm nhanh theo năng lượng và tăng theo Z theo quy luật
5

Z . Như vậy tiết diện hấp thu quang điện:
o

photo

o

photo

Z 5 khi E lớn hơn K một ít (E K).
/2
E7
Z 5 khi E>> .
K

E

Hiệu ứng Compton:
Khi năng lượng gamma tới E>>

K

thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể, hiệu

ứng Compton bắt đầu. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron, và tán xạ của gamma lên
electron xem như tán xạ lên electron tự do.

Hình 1-3: Hiệu ứng Compton

Khi tán xạ, gamma truyền một phần năng lượng cho electron đồng thời gamma bị tán xạ. Tia
gamma sau tán xạ có bước sóng ’ lớn hơn bước sóng của tới. Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc
tán xạ như sau:
'

h (1 cos )
mc
e

Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng của gamma trong hiệu ứng Compton như sau:


E nhỏ:

0

 E lớn:

(1- k E )
Z

E

c.Hiệu ứng tạo cặp

Hình 1-4: Hiệu ứng tạo cặp

Khi photon tới với năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron, tức là E > 1.02 MeV
thì khi đi qua trường Culomb của hạt nhân sẽ xảy ra hiệu ứng tạo cặp. Kết quả là photon biến mất tạo
thành một cặp electron – positron. Hai hạt này có khối lượng bằng nhau và điện tích trái dấu. Quá trình
tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng giật lùi của hạt nhân rất bé nên có thể xem như toàn bộ năng
lượng dư của photon chuyển thành động năng của các hạt tạo thành (hình 1.4).


Sau khi được tạo thành, electron mất năng lượng do ion hóa các phân tử môi trường, positron
mang điện tích dương, khi gặp electron của nguyên tử sẽ hủy cặp tạo thành hai tia gamma có năng
lượng bằng nhau và bằng 0.511 MeV.
Sự hình thành phổ gamma:
Các quá trình tương tác nói trên dẫn đến sự hình thành các đỉnh trong phổ gamma như sau:
 Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng photon tới trên detector, do đó
trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E . Đây chính là đỉnh E
đặc trưng của mỗi đồng vị. Mỗi loại đồng vị có thể có 1, 2,… đỉnh hấp thụ toàn phần với những
hiệu suất phát tương ứng. Ví dụ

40

K phát E = 1461 KeV với hiệu suất 10.67% ;

60

Co phát hai

gamma có hiệu suất phát cao nhất là 1173 KeV 99.97% và 1332 KeV 99.98%
 Trong quá trình tán xạ tán xạ Compton, photon tới với năng lượng E chỉ mất một phần năng
lượng, phần năng lượng còn lại chuyển thành năng lượng của photon tán xạ E ’ (E ’< E ). Do đó
xuất hiện phổ gamma liên tục bên miền năng lượng nhỏ hơn năng lượng E đặc trưng.
 Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0.511 MeV. Tùy

theo từng trường hợp mà ta thấy trong phổ gamma xuất hiện các đỉnh sau đây:
o

Cả hai lượng tử gamma đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của detector: ta

được đỉnh hấp thụ toàn phần E .
o Một trong hai gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector, ta thu được đỉnh thoát
đơn có năng lượng 0.511 MeV.
o Cả hai lượng tử hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector, ta thu được đỉnh thoát đôi có
năng lượng 1.022 MeV.

1.2.2. Các khối điện tử chủ yếu trong hệ phổ kế gamma
Như đã trình bày ở các phần trên, khi bức xạ gamma bay vào detector bán dẫn, tương tác của bức
xạ gamma với vật chất sẽ tạo nên các cặp điện tích electron-lỗ trống, dưới tác động của điện trường các
điện tích này sẽ chuyển về các điện cực và tạo nên một dòng điện dạng xung. Nhiệm vụ của các khối
điện tử tiếp theo là xử lý các xung này để hình thành phổ gamma. Sau đây là sơ đồ khối của hệ phổ kế
gamma.


Hình 1-5: Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma

1.2.2.1. Detector (Det)
Để ghi phổ gamma người ta thường dùng hai loại detector: detector nhấp nháy với tinh thể NaI
(Tl) và detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe.
Detector nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl):
Bao gồm :
3

Tinh thể nhấp nháy bằng NaI có pha thêm chất hoạt hóa Tl: có tỉ trọng 3.67 g/cm , chiết suất
1.85.

Ống nhân quang điện (hình 1.6) bao gồm một photocatot, một anode và các hệ dynode trung gian
được cung cấp điện áp cao.

Hình 1-6: Ống nhân quang điện

Khi gamma tương tác với chất nhấp nháy sẽ tạo ra electron tự do có động năng đủ lớn. Những
electron này sẽ kích thích những phân tử chất nhấp nháy, các phân tử này khi trở về trạng thái cơ bản
sẽ phát ra chớp sáng, tia sáng phát này đập vào photocathode gây ra hiệu ứng quang điện cho ra những
photoelectron. Các photoelectron này được gia tốc trong điện trường của các dynode, mỗi lần đập vào


một dynode lại tạo ra electron thứ cấp, số electron tăng lên 25 lần sau mỗi lần đập. Kết quả là sau khi
đập vào n dynode, số electron được tăng lên M lần:
n

M= (a*V) , với a=25
Tại anode các electron này tạo ra một xung dòng điện. Xung dòng này tạo ra trên điện trở một
xung điện áp có biên độ tỉ lệ với năng lượng tia gamma bị hấp thụ trong tinh thể nhấp nháy.
Detector bán dẫn:
Chất bán dẫn thuờng dùng là Si hoặc Ge, để ghi phổ gamma người ta dùng Ge siêu tinh khiết
(HPGe).
Khi gamma tương tác với phân tử chất bán dẫn tạo ra các electron tự do. Electron di chuyển với
động năng lớn sẽ kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy, tương tác
của gamma đã tạo ra một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác dụng của điện
trường, electron chuyển động về cực dương, lỗ trống chuyển về cực âm tạo thành một xung dòng điện
ở lối ra.
Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron-lỗ trống trong Ge là =2.96 ( = 3.61 đối với Si).
Phân biệt detetor bán dẫn Ge:
 Theo xuất phát điểm ban đầu: là chất bán dẫn loại p hay n.
 Về mặt hình học thì có các kiểu đồng trục, kiểu hình giếng, hay kiểu plana (phẳng).

Hình 1-7: Các loại detector bán dẫn HPGe

(a)

(b)

(c)

o Dectector HPGe loại p kiểu đồng trục (hình a): Chất bán dẫn xuất phát là loại p. Người ta tạo ra
một lớp n+ dày khoảng 0.5  0.8 mm bằng phương pháp khuếch tán Li. Khi sử dụng phải đựa
điện áp cao, phân cực dương khoảng 25 KV kéo các cặp electron-lỗ trống tạo ra. Loại này có
hiệu suất giảm nhiều ở vùng năng lượng gamma thấp (dưới 100 KeV) do sự hấp thụ trên lớp
chết.
o

Detector HPGe loại n, kiểu đồng trục (hình b): xuất phát từ chất bán dẫn loại n, người ta tạo ra
lớp bề mặt p+ dày khoảng 0.3 m bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng cần đặt cao thế phân
cực âm. So với loại trên thì detector loại này hiệu suất ít bị giảm hơn ở vùng năng lượng thấp vì
lớp chết p+ mỏng hơn.


o Detector hình giếng (hình c). Loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp cho các phép đo
có hoạt độ nhỏ.
o Detector phẳng (plana): hiệu suất giảm nhanh ở vùng năng lượng cao nên chỉ thích hợp để đo
vùng năng lượng thấp.
c.Các đặc trưng kỹ thuật của detector:
Độ phân giải năng lượng:
Độ phân giải năng lượng của detector cho biết khả năng detector có thể phân biệt hai đỉnh có năng
lượng gần nhau trong phổ. Nó được xác định bằng độ rộng ở giữa chiều cao (FWHM) của đỉnh hấp thụ

toàn phần, nó có thể được biểu thị bằng keV đối với detector bán dẫn hoặc bằng phần trăm đối với
detector nhấp nháy. Độ phân giải năng lượng của detector còn phụ thuộc vào loại detector, thể tích
detector và năng lượng tia gamma.
Hình 1.8 trình bày phổ năng lượng gamma của nguồn

137

Cs (có một đỉnh 661 KeV) và

60

Co (có

hai đỉnh 1173 keV và 1332 keV) được đo bằng detector HPGe và detector nhấp nháy NaI.

Hình 1-8: Độ phân giải năng lượng

Ta có FWHM của hai loại detector trong bảng 1.7
Bảng 1-7: Độ phân giải năng lượng của các loại detector bán dẫn

Đỉnh năng lượng (keV)

FWHM (keV)
Dectector HPGe

Detector nhấp nháy NaI

661

1.4

50

1332

1.8

100 (8%)

Độ phân giải của detector bán dẫn tốt hơn nhiều, nên hiện nay detector loại này được sử dụng
rộng rãi trong các hệ đo gamma.
Độ phân giải thời gian của detector
Độ phân giải thời gian là khoảng thời gian mà detector cùng với hệ thống điện tử có thể phân biệt
hai xung liên tiếp nhau theo thời gian, thời gian này càng bé thì độ phân giải thời gian càng tốt và


detector càng có khả năng đếm với tốc độ lớn. Độ phân giải của detector chủ yếu do thời gian chết của
detector xác định.
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện:
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một đặc trưng quan trọng của detector. Nó phụ thuộc vào
loại detector, thể tích detector, cấu hình đo và năng lượng tia gamma.
Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được tính bằng tỉ số giữa số đếm của đỉnh hấp thụ quang điện mà
detector ghi nhận được so với số tia gamma do nguồn phát ra theo mọi phương.
Tỉ số đỉnh / Compton (peak/Compton):
Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của detector có thể phân biệt được các đỉnh yếu, có năng
lượng thấp nằm trên nền Compton. Peak/ Compton là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần
(peak) và chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy độ cao trung bình của nền Compton). Tỉ
số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo, đặc biệt là đối với các phép đo có hoạt độ nhỏ và phổ
gamma phức tạp. Tỉ số này phụ thuộc vào thể tích detector.
1.2.2.2. Khối tiền khuếch đại

Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau detector. Tín hiệu ở lối ra của detector có biên
độ rất bé, nhiệm vụ của khối tền khuếch đại là khuếch đại sơ bộ tín hiệu này nhưng vẫn đảm bảo tỉ số
tín hiệu/ồn (S/N). Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của hệ phổ kế, nó
góp phần quyết định độ phân giải năng lượng của hệ. Tùy loại detector mà người ta sử dụng một trong
ba loại tiền khuếch đại sau đây:
 Tiền khuếch đại dòng điện
 Tiền khuếch đại điện áp
 Tiền khuếch đại điện tích
1.2.2.3. Khối khuếch đại chính
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ khối tiền khuếch đại (thông thường nhỏ gơn 1V)
lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối
này còn có các mạch tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu/ồn (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập
xung.

Hình 1-9: Hình dạng xung ra sau tiền khuếch đại và khuếch đại chính

a

b


1.2.2.4. Khối biến đổi tương tự - số (Analog to digtal converter)
Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V0 sẽ được đưa vào khối biến đổi
tương tự-số. Có nhiều biến đổi, kiểu biến đổi phổ biến nhất là kiểu Wilkinson, trình tự biến đổi như sau:

Hình 1-10: nguyên lý biến đổi tương tự -số kiểu Wilkinson

Biên độ tín hiệu vào V0 được so sánh với một điện áp tăng tuyến tính Vr
Khi nào Vr đạt tới bằng V0 thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng thời
gian cần thiết để Vr đạt tới giá trị V0.

Trong thời gian cổng được mở, các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi
máy đếm.
Số xung đếm được Nc này tỉ lệ với biên độ tín hiệu V0 và xác định “địa chỉ” của tín hiệu : tại địa
chỉ này trong bộ nhớ số đếm sẽ tăng thêm một đơn vị.
Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy ta được một hình ảnh phân bố số xung
theo biên độ xung, tức là một phổ số đếm theo năng lượng mà ta ghi nhận được.
1.2.2.5. Khối phân tích biên độ đa kênh (MCA)
Máy phân tích biên độ đa kênh là hệ mà trong đó dãy năng lượng quan tâm được chia thành
nhiều kênh năng lượng, mỗi kênh là một cửa sổ năng lượng từ E i đến Ei + ∆E. Kết quả là ta có một
hàm phân bố số đếm trong một cửa sổ ∆E với mỗi giá trị năng lượng Ei.
Máy phân tích biên độ đa kênh dựa trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành chuỗi số ADC
(Analog to Digital Converter).(hình 1.11)
Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Khi một xung được ADC chuyển từ
tín hiệu biên độ sang dãy số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ tìm vị trí trong thang địa chỉ tương ứng
với dãy số và thêm một đơn vị vào vị trí đó. Như vậy một đơn vị được ghi vào ô địa chỉ ứng với biên độ
xung vào, và khối đếm thứ i sẽ ghi thêm một đơn vị nếu xung vào có biên độ rơi vào kênh thứ i. Sau
thời gian đo ta có thể biểu diễn kết quả trên hệ trục tọa độ hai chiều: trục hoành là số kênh, trục tung là
số đếm của từng kênh, tức là ta có một phổ năng lượng của các bức xạ vào.


Hình 1-11: Sơ đồ nguyên tắc MCA

Nội dung trong bộ nhớ sau khi ghi nhận được từ MCA được đưa vào máy tính có cài phần mềm
xử lý phổ để xử lý, kết quả được hiển thị lên màn hình máy tính.

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi đỉnh
1.3.1. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh vào năng lượng
Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh vào năng lượng được thể hiện trên hình 1.12. Hiệu suất giảm
ở vùng năng lượng thấp là do sự hấp thụ tia gamma thấp trên lớp chết mặt ngoài detector tăng lên. Tại
vùng năng lượng cao, hiệu suất giảm là do hạn chế về mặt thể tích của detector.

Mỗi điểm trên đồ thị ứng với một đỉnh năng lượng. Đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng
có hai phần nằm hai phía của điểm cực đại như trên hình 1.12, ta cần phải xác định hệ số trong phương
trình làm khớp của cả hai phần đó. Để làm khớp ta biểu diễn E và theo thang logarit, khi đó đường làm
khớp có dạng như sau:
2

ln( ) (%) = a + b*X + c*X +… (1.5)
Với X= ln(E), Ec là giá trị năng lượng ứng với cực đại của đường cong hiệu
suất Trong vùng năng lượng EE>Ec đường làm khớp có dạng tuyến tính bậc 1.
Ta dùng phần mềm [sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh theo năng lượng] để làm khớp đường này
một cách dễ dàng. Các bước thực hiện xin xem phần phụ lục 3


Hình 1-12: Đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng ở độ cao 1cm

1.3.2. Hiệu ứng tổng cộng
Hiệu ứng này gây ra do sự ghi trùng phùng 2 hoặc nhiều tia gamma sinh ra trong quá trình dịch
chuyển nối tầng từ các trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản của hạt nhân. Trong hình 1.13 ta thấy
hai tia 1, và 2 trong dịch chuyển nối tầng của

60

Co.

Hình 1-13: Sự hình thành đỉnh tổng trong phổ gamma của Co-60

Hai tia gamma này xuất hiện trong khoảng thời gian cách nhau rất nhỏ khiến cho detector ghi
như một tia có năng lượng bằng tổng năng lượng hai tia, dẫn đến hiệu suất ghi hai tia riêng rẽ giảm đi
và trên phổ xuất hiện thêm một đỉnh ứng với năng lượng tổng.

1.3.3. Yếu tố hình học và hiện tượng tự hấp thụ
Yếu tố hình học gây ảnh hưởng đến hiệu suất detector bởi hình dạng của hộp đựng mẫu. Ta có
thể bỏ qua yếu tố này nếu hộp đựng mẫu chuẩn và mẫu đo như nhau.


Hiện tượng tự hấp thụ xảy ra khi tia gamma bị hấp thụ trong thể tích của mẫu. Mức độ tự hấp thụ
phụ thuộc vào hình học (bề dày, thể tích mẫu) và matrix (thành phần) của mẫu. Để hiệu chỉnh ta có thể
dùng phương pháp sau đây:
 Dùng các dung dịch mẫu chuẩn đặt trong các hộp có dạng hình học như nhau nhưng chiều cao
khác nhau.
 Xác định hiệu suất tương ứng với các mẫu ứng với các chiều cao h đó.
 Xác định các hệ số làm khớp , , f trong phương trình làm khớp (h) sau đây:
ah

f
( h)

1 e
h

1 e bh
(1.6)

Với là hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu chuẩn. Khi đo mẫu khác thì ta chỉ cần thay bằng x của mẫu cần
đo.

1.4. Hệ phổ kế gamma phông thấp – PTN VLHN trường ĐHSP TPHCM
1.4.1. Cấu tạo

Hình 1-14: Hệ phổ kế gamma phông thấp trường ĐHSP TPHCM

Hệ phổ kế của trường ĐHSP có sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc của hệ điện tử tuyến tính cũng tương
tự hệ phổ kế gamma đã trình bày ở 1.2, sử dụng detector bán dẫn tinh thể Ge siêu tinh khiết (HPGe)
loại plana (hình phẳng) của hãng ORTEC. Detector được nuôi ở nhiệt độ nitơ lỏng (77 K). Máy tính có
cài phần mềm Maestro – 32 để thu nhận và xử lý phổ.

1.4.2. Các thông số kỹ thuật
 Ngày nhập: 12/12/2007
 Model detector: Gem 15 P4
 Model tiền khuếch đại: A257P
 Tỉ số S/N khối tiền khuếch đại: 7082523
 Model vỏ bọc H.V: 138 Em1


 Đường kính detector: 5.12 cm
 Chiều dài detector: 45 cm
 Bề dày lớp tinh thể bất hoạt: 0.07 cm
 Bề dày lớp nhôm 0.127cm
 Độ phân giải năng lượng ở đỉnh 1.33 MeV của

60

Co là 1.8 keV.

 Hiệu suất tương đối:15%
 Tỉ số đỉnh/Compton: 46.1

1.4.3. Phông buồng chì
Ngoài sự đóng góp của ba hiệu ứng quang điện, Compton, tạo cặp trên phổ gamma, ta còn quan

sát được nền phông phóng xạ. Phông này gây bởi các nguyên nhân sau đây:
 Tia vũ trụ gây ra các phản ứng hạt nhân trên khí quyển, đáng chú ý là các đỉnh 477.6 KeV của
7

+

Be, và đỉnh 511 KeV do sự hủy cặp của gây ra.

 Các tia gamma do các họ phóng xạ tự nhiên ( uranium, thorium, actinium) phát ra:
 Dãy

232

Th: 238.6 keV; 510.7 keV; 583.2 keV; 2614.5 keV.

 Dãy

238

U: 185.9 keV; 295.2 keV; 351.9 keV; 609.3 keV; 1120.3 keV; 1764.5 keV.

 Dãy

235

U: 143.8 keV; 185.7 keV.

 Đỉnh 1461 keV của

40

K.

 Các chất phóng xạ có sẵn trong buồng chì che chắn detector như

210

Pb phát ra bức xạ hãm..

Đối với hệ phổ kế gamma phông thấp dùng để đo mẫu môi trường thì vấn để che chắn để giảm
phông là rất cần thiết. Vì các mẫu môi trường có hoạt độ thấp, nếu giảm phông đến mức thấp nhất thì
sẽ đảm bảo số đếm ghi nhận được là của mẫu cần phân tích, kết quả sẽ chính xác hơn. Do đó buồng chì
phải được chế tạo bằng chì sạch và có thêm các lớp kim loại (như Cu, Cd) để ngăn tia X do chì phát ra
trong hiệu ứng quang điện.


CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Chuẩn bị
2.1.1. Nguồn đĩa chuẩn
Để xây dựng đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng (hình 1.10), ta dùng nguồn chuẩn đĩa
( hình 2.1).
Nguồn chuẩn đĩa được dùng để chuẩn hiệu suất đỉnh cho những mẫu khối có thành phần và thể
tích khác nhau. Có 9 đồng vị phóng xạ được tích hợp trong đĩa này với những đỉnh gamma trong bảng
2.1
Bảng 2-1: Các nguyên tố trong nguồn đĩa chuẩn

Hạt
nhân

T1/2 (ngày)

E (keV)

Hiệu suất
phát a (%)

Cd

462.6

88

3.61

Co

271.8

122.06

85.6

Ce

137.6

165.85

79.88

Cs

10983

661.6

85.1

Mn

312.3

834.55

99.98

Y

106.7

898.04

93.7

Co

1925

1173.2

99.97

Co

1925

1332.5

99.98

Y

106.7

1836.6

99.2

109
57

139

137
54

88
60

60

88

Như vậy nguồn đĩa này có thể áp dụng cho vùng năng lượng gamma từ 80 keV 2 MeV.

Hình 2-1: Nguồn đĩa chuẩn và giá để nguồn


Hộp đựng nguồn gồm giá để nguồn, một thanh có thể điều chỉnh khoảng cách từ nguồn đĩa đến
detector từ 0 10 cm.

2.1.2. Phần mềm
Phần mềm thu nhận và xử lý phổ Maestro-32 kèm theo phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng để
tính hiệu suất ghi của detector, phần mềm này gồm những phần sau:
 [Peak efficiency determination]: Tính toán hiệu suất đỉnh cho mỗi hạt nhân
 [Efficiency as a function of energy]: Thành lập hàm hiệu suất phụ thuộc nănng lượng.
 [Least squares fitting calculation]: làm khớp bình phương tối thiểu.
 [Intergration of disk source efficiency]: Tính hiệu suất đỉnh của nguồn khối có hiệu chỉnh hiện
tượng tự hấp thụ bằng cách lấy tích phân hiệu suất nguồn đĩa.
Giao diện của phần mềm xử lý số liệu:

Hình 2-2: Giao diện phần mềm xử lý số liệu

Để biết chi tiết các thao tác tính toán xin xem các phần phụ lục 2 và 3.

2.1.3. Thu thập và chuẩn bị mẫu đất
2.1.3.1. Nguyên tắc lấy mẫu đất
Vị trí lấy mẫu cần đáp ứng các yêu cầu sau:
 Không bị biến động trong nhiều năm.
 Bằng phẳng hoặc khá bằng phẳng, độ dốc < 3%.

 Vùng mở không bị cỏ dại che phủ, không gần các tán cây lớn, tránh các khu xây dựng.
 Tránh các vùng có giun đất hoạt động mạnh hoặc vùng chăn thả động vật ăn cỏ.
 Không bị rửa trôi và dồn tụ khi mưa lớn.
 Tránh vùng có nhiều đá chưa phong hóa.


2.1.3.2. Các dụng cụ chuẩn bị mẫu

 V  R