KHẢO sát các THÔNG số đặc TRƯNG BAN đầu của đầu dò HPGE GC3520

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

II-P-1.8
KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG BAN ĐẦU CỦA ĐẦU DÒ HPGE GC3520
Trương Hữu Ngân Thy, Vũ Ngọc Ba, Huỳnh Thị Yến Hồng, Trương Thị Hồng Loan
Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Email:
TÓM TẮT
Trong công trình này, các thông số đặc trưng ban đầu của đầu dò HPGe GC3520 tại phòng thí
nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân được đánh giá. Các giá trị có được được so sánh với giá trị danh định của
nhà sản xuất nhằm kiểm tra chất lượng của hệ phổ kế. Bộ nguồn điểm chuẩn Eckert & Ziegler Ba133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 được sử dụng để đo phổ
gamma trên hệ phổ kế HPGe này tại các khoảng cách thay đổi 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm , 5 cm và
0 cm so với mặt đầu dò trên giá đỡ mica. Từ bộ số liệu này, đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng
toàn phần, đường cong P/T theo các khoảng cách nguồn – đầu dò khác nhau được xây dựng.
Từ khóa: đầu dò HPGe, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, P/T.
MỞ ĐẦU
Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên được đầu tư hệ phổ kế gamma
dùng đầu dò germanium siêu tinh khiết dạng đồng trục của hãng Canberra vào tháng 12 năm 2013. Để đưa hệ
phổ kế vào quá trình hoạt động, các thông số đặc trưng ban đầu của đầu dò HPGe GC3520 cần được đánh giá.
Các giá trị này được so sánh với giá trị danh định của nhà sản xuất [1] nhằm kiểm tra chất lượng của hệ phổ kế.
Chúng tôi sử dụng nguồn Co-60, Co-57 để tiến hành thực nghiệm.
Trong nhiều công trình nghiên cứu về hiệu suất hỗ trợ cho việc phân tích định lượng hàm lượng phóng xạ
trong mẫu phân tích tại nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung, cần hoàn thiện đường cong hiệu suất có
năng lượng trải đều trong khoảng phân tích từ 50 keV đến hơn 2000 keV. Tuy nhiên do các phòng thí nghiệm
nói chung thường không được trang bị đầy đủ nguồn chuẩn với các năng lượng khác nhau trong khoảng khảo sát
nên khi xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần bằng thực nghiệm, người ta thường kết hợp
sử dụng mô phỏng Monte Carlo [2, 3], hay sử dụng các thuật toán làm khớp [4, 5]. Ngoài ra cũng có nhiều công
trình nghiên cứu khảo sát về đặc trưng của đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần [6], sử dụng đường
cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trong hiệu chỉnh trùng phùng [7, 8]. Do đó sau quá trình nghiệm thu
hệ phổ kế gamma, chúng tôi tiến hành xây dựng bộ số liệu đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần,
đường cong P/T theo các khoảng cách nguồn – đầu dò khác nhau bằng việc sử dụng bộ tám nguồn chuẩn

Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65 bố trí tại các khoảng cách 25 cm, 20 cm, 15 cm,
10 cm, 5 cm, 0 cm so với mặt đầu dò trên giá đỡ mica. Dựa vào bộ số liệu ban đầu này, chúng tôi sẽ tiến hành
những nghiên cứu về sau.
THỰC NGHIỆM
Hệ phổ kế gamma sử dụng trong công trình này thuộc phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học
Khoa học Tự nhiên gồm các phần chính sau: đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết HPGe loại đồng trục
(coaxial), có kí hiệu GC3520 [1] gắn liền với tiền khuếch đại, thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế,
khối khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh (ADC – MCA), đầu dò được làm lạnh
bằng nitơ lỏng, buồng chì che chắn phông thấp 747.
Phần chính của đầu dò GC3520 là tinh thể Ge siêu tinh khiết đường kính 62,2 mm, cao 50,1 mm. Bên
trong tinh thể có hốc trụ đường kính 7,5 mm, sâu 23 mm. Bên ngoài là lớp tiếp xúc loại n (lithium) được khuếch
tán dày 0,46 mm được nuôi với điện cực dương. Mặt trong hốc là lớp tiếp xúc loại p (boron) có bề dày 3,10-3
mm nối điện cực âm.
Hệ phổ kế được ghép nối với máy tính thông qua cổng cáp, việc ghi nhận và xử lý phổ kế gamma được
thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng Genie 2000 3.2.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp có thể ghi nhận các tia
gamma có năng lượng từ khoảng 40 keV – 10 MeV.

ISBN: 978-604-82-1375-6

155


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Máy tính PC

Buồng chì phông thấp
Lynx DSA

Bình chứa nitơ làm lạnh

Bộ lưu điện

Hình 1. Hệ phổ kế GC3520 tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân
Bộ nguồn mà chúng tôi sử dụng trong công trình này là bộ nguồn chuẩn Eckert & Ziegler như Ba-133, Cd109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 của phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân
với hoạt độ ban đầu là 1 µCi, như hình 2.
Trong quá trình thực nghiệm tại các khoảng cách khác nhau, nguồn được đặt trên giá đỡ bằng mica trong
buồng chì giảm phông, như hình 3.

Hình 2. Bộ nguồn chuẩn Eckert & Ziegler

Hình 3. Cách bố trí thí nghiệm

Sau khi thu nhận được phổ gamma của các nguồn chuẩn ta tiến hành trừ phông trực tiếp bằng Genie 2000
và lấy diện tích tổng toàn phần.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để đánh giá các giá trị thông số đặc trưng ban đầu của đầu dò HPGe GC3520 và so sánh với giá trị danh
định của nhà sản xuất, chúng tôi bố trí thí nghiệm theo yêu cầu của nhà sản xuất, tức là sử dụng đỉnh 122 keV
của phổ Co-57 và đỉnh 1332,5 keV của phổ Co-60, khảo sát tại khoảng cách 25 cm.
Hiệu suất tương đối tính theo tài liệu Germanium Detectors User’s Manual [9] của nhà sản xuất:



N 1
1


100%
T R s 1, 2 103

trong đó, N là số đếm tại đỉnh 1332 keV, t là thời gian đo (s), Rs là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq).

Bảng 1. Thông số đặc trưng ban đầu của đầu dò HPGe GC3520 so sánh với giá trị danh định của nhà sản xuất
122keV (Co-57)

1332keV (Co-60)

Chứng nhận [1]

Nghiệm thu

Chứng nhận [1]

Nghiệm thu

FWHM (keV)

0,81

0,959

1,68

1,716

FWTM (keV)

1,48

1,77

3,09

3,27

72,6:1

71,8:1

40,7

37,8

Tỷ số P/C
Hiệu suất tương đối (%)

ISBN: 978-604-82-1375-6

156


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Kết quả cho thấy các giá trị thông số đặc trưng đều kém hơn so với giá trị được chứng nhận của nhà sản
xuất đưa ra, nhưng chúng vẫn nằm trong ngưỡng chấp nhận mà nhà sản xuất đưa ra [1], hiệu suất tương đối ≥ 35
%, FWHM ≤ 2 keV đối với đỉnh 1332 keV của Co-60, FWHM ≤ 1,2 keV đối với đỉnh 122 keV của Co-57, tỷ số
P/C ≥ 56:1. Điều này có thể giải thích do khi nhà sản xuất kiểm tra các giá trị thông số đặc trưng tại môi trường
hoạt động lý tưởng cho hệ phổ kế.
Việc chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế được thực hiện trong phạm vi năng lượng từ 59,54 keV ÷ 2614 keV,
sử dụng các nguồn chuẩn Eckert & Ziegler như Ba-133, Cs-137, Co-60, Co-57, Am-241, Zn-65, Mn-54, Na-22,
Eu-154, Cd-109 và các đỉnh phóng xạ trong tự nhiên K-40, Tl-208, Bi-214. Dựa vào phổ của nguồn chuẩn,
chúng tôi xác định vị trí đỉnh ứng với năng lượng của nguồn chuẩn, và giá trị FWHM theo như trong bảng 2.
Bảng 2. Giá trị vị trí đỉnh, năng lượng, FWHM khi khảo sát bằng bộ nguồn chuẩn

Đồng vị phóng xạ

Kênh

Năng lượng (keV)

FWHM (keV)

Am-241

665

59,54

0,89

Ba-133

903

80,99

0,95

Cd-109

983

88,03

0,90

Co-57

1361

122,06

0,98

Eu-154

2758

247,93

1,04

Ba-133

3371

302,67

1,14

Ba-133

3964

355,86

1,18

Eu-154

6582

591,74

1,25

Cs-137

7366

661,66

1,37

Eu-154

8045

723,30

1,37

Mn-54

9295

834,84

1,47

Eu-154

9711

873,19

1,46

Eu-154

11175

1004,73

1,58

Zn-65

12419

1115,52

1,63

Co-60

13059

1173,24

1,74

Na-22

14187

1274,54

1,75

Co-60

14831

1332,49

1,83

K-40

16258

1460,75

1,80

Bi-214

19636

1764,51

2,02

Bi-214

24527

2204,10

2,22

Tl-208

29092

2614,47

2,37

Từ kết quả của bảng 2, chúng tôi là khớp dữ liệu của năng lượng (E) theo số kênh (K) theo dạng bậc 2, thu
được đường chuẩn năng lượng:

E  1010 K2  0,0899K  0,1502

ISBN: 978-604-82-1375-6

157


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
3000

Năng lượng (keV)

2500

2000
1500
1000
500
0
0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Kênh

Hình 4. Đường chuẩn năng lượng của hệ phổ kế
Từ kết quả của bảng 2, chúng tôi làm khớp dữ liệu theo hàm phương trình bậc 2 của FWHM theo năng
lượng E, thu được đường chuẩn FWHM:

FWHM  8.108 E2  0,0008E  0,8626
Việc xây dựng đường cong P/T cho hệ phổ kế được thực hiện trong phạm vi năng lượng từ 59,54 keV ÷
2614 keV, sử dụng các nguồn chuẩn đơn năng lượng của Eckert & Ziegler như Cs-137, Co-57, Cd-109, Zn-65,
Mn-54, Am-241.
Bảng 3. Tỷ số P/T thực nghiệm theo khoảng cách
E (keV)

25cm

20cm

15cm

10cm

5cm

0cm

59,56

0,633506

0,71924

0,590282

0,619962

0,633537

0,616889

88,06

0,578542

0,591237

0,607998

0,643372

0,685656

0,718112

122,09

0,507446

0,529584

0,560783

0,605318

0,646777

0,716384

661,6

0,192478

0,210883

0,226881

0,24377

0,256524

0,248508

834,88

0,16132

0,186673

0,200589

0,213346

0,227014

0,236039

1115,57

0,138286

0,152451

0,164779

0,175698

0,185862

0,197582

Từ kết quả bảng 3, chúng tôi làm khớp tỷ số P/T theo khoảng cách với dạng hàm y = ax + b ứng với từng
mức năng lượng khác nhau theo như đồ thị hình 5 và xây dựng đường cong P/T theo năng lượng ứng với từng
khoảng cách khác nhau, như trong đồ thị hình 6.

ISBN: 978-604-82-1375-6

158

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
0.8

y = 0,0018x + 0,6134
R² = 0,1427
y = -0,0058x + 0,7101
R² = 0,9623

0.7
0.6

y = -0,0082x + 0,6973
R² = 0,968

Tỳ số P/T

0.5
0.4
y = -0,0025x + 0,2608
R² = 0,8912

0.3

y = -0,0029x + 0,2404
R² = 0,9737
y = -0,0023x + 0,1982
R² = 0,9969

0.2
0.1
0
0

5

10

15

20

25

Khoảng cách (cm)
59,56

88,06

122,09

661,6

834,88

1115,57

Linear (59,56)

Linear (88,06)

Linear (122,09)

Linear (661,6)

Linear (834,88)

Linear (1115,57)

Hình 5. Đường làm khớp tỷ số P/T theo khoảng cách ứng với từng mức năng lượng
Dựa vào đồ thị hình 5, ta thấy rằng tại mức năng lượng 59,56 keV thì đường làm khớp có độ tương quan
thấp, và kém chính xác so với các mức năng lượng còn lại.
0.75

0.65

Tỷ số P/T

0.55

0.45

0.35

0.25

0.15
0

100

200

300

400

25 cm

20 cm

15 cm

500

600

700

800

900

Năng lượng (keV)
10 cm

5 cm

0 cm

Hình 6. Đường cong P/T theo năng lượng ứng với những khoảng cách khác nhau
Từ đồ thị của hình 6, ta thấy rằng dạng đường cong P/T theo năng lượng trong khoảng từ 200 keV đến 600
keV vẫn chưa được xác định cụ thể, Điều này là do phòng thí nghiệm thiếu các nguồn chuẩn đơn năng lượng
nằm trong khoảng đó. Những dữ liệu hiệu suất còn thiếu trong khoảng năng lượng 200 keV đến 600 keV sẽ được
đánh giá bằng mô phỏng Monte Carlo cho hiệu suất bởi nhóm tác già trong các công trình tiếp theo.

ISBN: 978-604-82-1375-6

159


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Chuẩn hiệu suất được thực hiện với các nguồn chuẩn của Eckert & Ziegler như Ba-133, Cs-137, Co-60,
Co-57, Am-241, Zn-65, Mn-54, Na-22, Eu-154, Cd-109. Giá trị hiệu suất được xác định từ phổ biên độ thu được
bằng phần mềm Genie 2000 cho tất cả các nguồn đồng vị, từ diện tích vùng đỉnh năng lượng quan tâm chia cho
hoạt độ nguồn, thời gian đo và tỷ số phân nhánh. Nguồn chuẩn được đặt trên giá đo ở vị trí cách bề mặt detector
25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 0 cm.
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Hiệu suất

3.00E-02

3.00E-03

3.00E-04

25 cm

20 cm

Năng lượng
15 cm
10 cm

5 cm

0 cm

Hình 7. Đường cong hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng ứng với từng khoảng cách khác nhau
Chúng ta thấy rằng đường cong hiệu suất theo năng lượng thay đổi khá rõ khi chúng ta thay đổi khoảng

cách từ nguồn đến đầu dò. Hiệu suất càng lớn khi khoảng cách càng gần. Điều này được giải thích là do khi
nguồn để xa đầu dò góc khối thu nhận bức xạ giảm và ngoài ra còn do sự hấp thụ bức xạ của không khí trên
đường đi. Chú ý rằng khi để nguồn gần đầu dò (các khoảng cách 10cm, 5cm, 0cm) thì các giá trị hiệu suất bị
thăng giáng mạnh lệch ra khỏi đường cong hiệu suất dự đoán đối với các nguồn đồng vị đa năng. Điều này được
giải thích là do khi đặt nguồn càng gần đầu dò thì hiệu ứng trùng phùng tổng xảy ra càng nhiều do góc khối ghi
nhận tia gamma đa năng phát ra từ nguồn nhiều. Hiệu ứng này xuất phát từ nguyên nhân sử dụng các nguồn
đồng vị đa năng lượng để chuẩn hiệu suất. Do các tia gamma trong phân rã nối tầng xảy ra trong khoảng thời
gian ngắn hơn thời gian phân giải của hệ đo khiến hệ đo có xác suất ghi nhận các gamma này thành một gamma
có năng lượng là tổng của các gamma thành phần. Do đó hiệu suất của các gamma riêng lẽ có khả năng bị giảm
(trùng phùng mất) và một số gamma được ghi nhận thêm do đóng góp của các tia gamma thành phần từ hiệu ứng
trùng phùng thêm [7]. Vấn đề hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế đang khảo sát sẽ được tiếp tục nghiên cứu,
đánh giá ở các công trình tiếp theo.
KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thực nghiệm dùng bộ nguồn chuẩn Eckert & Ziegler
Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 khảo sát các giá trị đặc trưng
ban đầu của đầu dò HPGe GC3520 và so sánh kết quả với giá trị danh định của nhà sản xuất. Kết quả cho thấy
hệ phổ kế gamma đã đạt được những tiêu chuẩn để nghiệm thu và đưa vào hoạt động tại phòng thí nghiệm Kỹ
thuật Hạt nhân. Bên cạnh đó chúng tôi cũng đã tiến hành khảo sát xây dựng đường chuẩn năng lượng, đường
chuẩn FWHM, tỷ số P/T và xây dựng đường làm khớp P/T theo khoảng cách ứng với từng mức năng lượng,
đường cong P/T theo năng lượng tại các khoảng cách khác nhau tuy còn thiếu dữ liệu trong khoảng năng lượng
200 keV đến 600 keV. Đường cong hiệu suất theo năng lượng ứng với những khoảng cách khác nhau cũng đã
được xây dựng, từ sự thay đổi bất thường tại vị trí sát đầu dò, chúng tôi sẽ tiến hành hiệu chỉnh hiệu ứng trùng
phùng này trong những công trình nghiên cứu tiếp theo.

ISBN: 978-604-82-1375-6

160


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp kinh
phí đầu tư trang thiết bị cho dự án Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQG-HCM nơi chúng tôi đang làm việc.

INITIAL INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS OF HPGE DETECTOR GC3520
Truong Huu Ngan Thy*, Vu Ngoc Ba, Huynh Thi Yen Hong, Truong Thi Hong Loan
Nuclear Technique Laboratory, University of Science, VNU- HCM
Email: thnthy@hcmus,edu,vn
ABSTRACT
In this work, the initial characteristics of HPGe detector GC3520 in the Nuclear Technique
Laboratory were evaluated. The values of them were compared with the nominal values from
manufacturer in order to check the quality of the spectrometer. Besides, the standard point sources of
Eckert & Ziegler Ba-133, Cd-109, Co-57, Co-60, Cs-137, Mn-54, Na-22, Zn-65, Am-241, Eu-154 at
different distances of 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 0 cm from the top of the HPGe detector were
measured to obtain the gamma spectra data. From these data, full energy peak efficiency curves, and
P/T curves according to the different distances of the source – detector were built.
Keyworks: HPGe detector, full energy peak efficiency, P/T.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Canbera, Detector specification and performance data, Canberra, (2012).
[2]. Trương Thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh và Trần Thiện Thanh,
Mô phỏng Monte Carlo đường cong hiệu suất đỉnh của đầu dò HPGe trong hệ phổ kế gamma môi
trường sử dụng chương trình MCNP4C2, Tạp chí phát triển khoa học & công nghệ, tập 10, số 05
(2007), trang 33–40.
[3]. I.O.B. Ewa, D.Bodizs, Sz. Czifrus, Zs. Molnar, Monte Carlo determination of full energy peak
efficiency for a HPGe detector, Applied Radiation and Isotopes 55 (2001) 103–108.
[4]. M.S. Dias, V. Cardoso, V.R. Vanin, M.F. Koskinas, Combination of nonlinear function and mixing
method for fitting HPGe efficiency curve in the 59 – 2754 keV energy range, Applied Radiation and
Isotopes 60 (2004) 683–687.
[5]. Ayman Ibrahim Hawari, Ronald F, Fleming, Martin A, Ludington, High accuracy determination of the
relative full energy peak efficiency curve of a coaxial HPGe detector in the energy range 700 – 1300

keV, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 398 (1997) 276–286.
[6]. Mohsen B, Challan, Gamma-ray efficiency of a HPGe detector as a function of energy and geometry,
Applied Radiation and Isotopes 82 (2013) 166–169.
[7]. ErenŞahiner, Niyazi Meriç, A trapezoid approach for the experimental total-to-peak efficiency curve
used in the determination of true coincidence summing correction factors in a HPGe detector, Radiation
Physics and Chemistry 96 (2014) 50–55.
[8]. J-M. Laborie, G. Le Petit, D.Abt, M. Girard, Monte Carlo calculation of the efficiency calibration curve
and coincidence-summing corrections in low-level gamma ray spectrometry using well-type HPGe
detectors, Applied Radiation and Isotopes 53 (2000) 57–62.
[9]. Canbera, Germanium Detectors User’s Manual, Canberra (2003).

ISBN: 978-604-82-1375-6

161