Khóa luận tốt nghiệp Đại học Xác định hoạt động phóng xạ trong mẫu môi trường bằng phương pháp FSA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN
---------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề Tài:

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG
MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP FSA

SVTH : Lê Thị Hổ
CBHD : ThS. Trương Thị Hồng Loan
CN . Đặng Nguyên Phương
CBPB : ThS. Nguyễn Đình Gẫm

TP.HỒ CHÍ MINH – 2008


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, em đã
được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giảng dạy, và đặc biệt là trong thời
gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn Vật lý Hạt nhân.
Em xin chân thành cảm ơn ThS. Trương Thị Hồng Loan, người đã theo
dõi suốt quá trình thực hiện luận văn của em. Cô là người đã tận tình giảng
dạy, hướng dẫn em những kiến thức bổ ích và cần thiết để giúp em hoàn thành
khóa luận này.
Em xin cảm ơn CN. Đặng Nguyên Phương đã giúp đỡ và động viên em
rất nhiều trong thời gian qua. Anh luôn hỗ trợ và cùng giải quyết những vấn đề

khó khăn trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Các thầy cô trong Khoa Vật lý, đặc biệt các thầy cô trong Bộ môn Vật
lý Hạt nhân đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu giúp em hoàn thành
khóa luận này.
Em xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ để em có
thể hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả các bạn lớp 04VLHN đã luôn giúp đỡ
mình trong thời gian qua.

Lê Thị Hổ


1

MỤC LỤC

Muc lục ................................................................................................................... 1
Danh mục các bảng ................................................................................................ 4
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................. 5
Lời mở đầu ............................................................................................................. 7
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG .......... 8
1.1. Phóng xạ môi trường ......................................................................... 8
1.1.1. Phóng xạ nguyên thủy............................................................ 8
1.1.2. Phóng xạ vũ trụ ...................................................................... 8
1.1.3. Phóng xạ nhân tạo .................................................................. 9
1.2. Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất ................................ 10
1.2.1. Uranium ................................................................................ 10
1.2.2. Thorium ................................................................................ 11
1.2.3. Kali ....................................................................................... 11
1.3. Chuoãi phân rã của các đồng vị phóng xạ ....................................... 12

1.3.1. Chuoãi Uranium ..................................................................... 12
1.3.2. Chuoãi Thorium ..................................................................... 12
1.3.3. Chuoãi Actinium .................................................................... 13
1.3.4. Kali ....................................................................................... 15
CHƯƠNG 2 - DETECTOR GERMANIUM SIÊU TINH KHIẾT HPGE .... 16
2.1. Tổng quan về detector HPGe ......................................................... 16
2.2. Những đặc trưng của detector HPGe ............................................ 17
2.2.1. Hiệu suất .............................................................................. 17
2.2.2. Độ phân giải năng lượng ...................................................... 18


2

2.2.3. Tỉ số đỉnh / Compton ............................................................ 20
2.2.4. Dạng của đỉnh ...................................................................... 21
2.3. Hệ phổ kế gamma tại phòng thí nghiệm bộ môn .......................... 22
2.3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma ............................................... 22
2.3.2. Chức năng chính của một số thành phần trong hệ đo .......... 23
CHƯƠNG 3 - GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ VÀ
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH FSA ................................................................ 25
3.1. Phương pháp WA ............................................................................. 25
3.1.1. Phương pháp tương đối ......................................................... 25
3.1.2. Phương pháp tuyệt đối ......................................................... 26
3.2. Phương pháp FSA............................................................................. 28
3.2.1. Phương pháp ......................................................................... 28
3.2.2. Sai số .................................................................................... 31
3.3. Xây dựng chương trình phân tích mẫu môi trường bằng phương
pháp FSA ........................................................................................ 32
CHƯƠNG 4 – XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP FSA ......................................................................................... 35

4.1. Chuẩn bị mẫu ................................................................................... 35
4.1.1. Dụng cụ chứa mẫu ............................................................... 35
4.1.2. Chuẩn bị mẫu đo .................................................................. 36
4.1.2.1. Mẫu chuẩn .............................................................. 36
4.1.2.2. Mẫu đá bazan ......................................................... 36
4.1.2.3. Mẫu đá trắng........................................................... 37
4.1.2.4. Phông ...................................................................... 38
4.2. Dạng phổ thu được ........................................................................... 39


3

4.2.1. Phổ mẫu chuẩn ..................................................................... 39
4.2.2. Phổ phông............................................................................. 41
4.2.3. Phổ mẫu cần phân tích ......................................................... 41
4.3. Kết quả ............................................................................................. 43
4.3.1. Phương pháp WA ................................................................. 43
4.3.1.1. Mẫu chuẩn .............................................................. 43
4.3.1.2. Mẫu đá bazan ......................................................... 44
4.3.1.3. Mẫu đá trắng........................................................... 45
4.3.2. Phương pháp FSA ................................................................. 45
4.3.2.1. Mẫu đá bazan ......................................................... 45
4.3.2.2. Mẫu đá trắng........................................................... 47
4.3.3. Nhận xét ............................................................................... 48
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 52
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 53


4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1. Kích thước hộp đựng mẫu 3π .............................................................. 35
Bảng 4.2. Hoạt độ của các đồng vị có trong 3 mẫu chuẩn .................................. 37
Bảng 4.3. Hoạt độ của mẫu chuẩn ....................................................................... 44
Bảng 4.4. Hoạt độ của mẫu đá bazan .................................................................. 44
Bảng 4.5. Hoạt độ của mẫu đá trắng ................................................................... 45
Bảng 4.6. Hoạt độ của mẫu đá bazan tính bằng FSA .......................................... 47
Bảng 4.7. Hoạt độ của mẫu đá trắng tính bằng FSA ........................................... 48
Bảng 4.8. So sánh hoạt độ từ 2 phương pháp phân tích ....................................... 49


5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Chuỗi Uranium A = 4n+2 ..................................................................... 12
Hình 1.2. Chuỗi Thorium A = 4n. ......................................................................... 13
Hình 1.3. Chuỗi Actinium A = 4n+3..................................................................... 14
Hình 1.4. K40 phân rã β và bắt electron tạo Ar40 và phân rã β tạo Ca40 ........... 15
Hình 2.1. Phổ của nguồn phóng xạ Co60 .............................................................. 19
Hình 2.2. Các dạng của đỉnh theo thực nghiệm và mô phỏng. ............................ 21
Hình 2.3. Hệ đo gamma tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân ....... 23
Hình 3.1. Xác định hoạt độ Th232 bằng phương pháp WA................................... 28
Hình 3.2. Xác định hoạt độ Th232 bằng phương pháp FSA .................................. 29
Hình 3.3. Giao diện mở chương trình phân tích phổ gamma................................ 32
Hình 3.4. Giao diện mở phổ ................................................................................. 33
Hình 3.5. Giao diện mở FSA ................................................................................ 33
Hình 3.6. Giao diện xuất ra kết quả ..................................................................... 34

Hình 4.1. Hộp chứa mẫu 3π .................................................................................. 35
Hình 4.2. Hộp mẫu đá bazan ................................................................................ 37
Hình 4.3. Hộp mẫu đá trắng ................................................................................. 38
Hình 4.4. Phổ mẫu chuẩn Uranium ...................................................................... 39
Hình 4.5. Phổ mẫu chuẩn Thorium ...................................................................... 40
Hình 4.6. Phổ mẫu chuẩn Kali ............................................................................. 40
Hình 4.7. Phổ phông ............................................................................................. 41
Hình 4.8. Phổ mẫu đá bazan................................................................................. 41
Hình 4.9. Phổ mẫu đá bazan sau khi đã trừ phông. .............................................. 42
Hình 4.10. Phổ mẫu đá trắng................................................................................ 42


6

Hình 4.11. Phổ mẫu đá trắng sau khi đã trừ phông .............................................. 43
Hình 4.12. Phổ mẫu đá bazan trên chương trình FSA .......................................... 46
Hình 4.13. Hoạt độ của U238, Th232 và K40 trong mẫu đá bazan ........................... 46
Hình 4.14. Phổ mẫu đá trắng trên chương trình FSA ........................................... 47
Hình 4.15. Hoạt độ của U238, Th232 và K40 trong mẫu đá traéng ............................ 48


7

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói
chung và ngành Vật lý Hạt nhân nói riêng đã vô tình thải vào môi trường sống
của chúng ta một lượng chất phóng xạ đáng kể. Mặc dù lượng phóng xạ này
khác nhau ở nhiều nơi trên Trái Đất, nhưng nó cũng có ảnh hưởng ít nhiều tới
sinh vật và đặc biệt là sức khỏe của con người. Vì vậy, việc nghiên cứu và đánh

giá mức độ ảnh hưởng của chất phóng xạ có trong mẫu môi trường là hết sức cần
thiết.
Có rất nhiều phương pháp khác nhau dùng xác định hoạt độ phóng xạ
trong mẫu môi trường như: phương pháp kích hoạt hạt nhân, phương pháp phân
tích huỳnh quang tia X, phương pháp đo phóng xạ tự nhiên… Mỗi phương pháp
đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy theo mục đích mà lựa chọn phương
pháp nào cho phù hợp để có thể cho kết quả chính xác nhất.
Với điều kiện thực tế của phòng thí nghệm bộ môn và mục đích là xác
định hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường, đặc biệt là các mẫu rắn, tác giả
thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài:” Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu
môi trường bằng phương pháp FSA (Full Spectrum Analysis)”. Đây là một
phương pháp tương đối mới, dùng hệ phổ kế gamma phông thấp để xác định
hoạt độ phóng xạ có trong mẫu phân tích. Bên cạnh việc sử dụng phương pháp
chủ yếu là FSA, tác giả còn dùng phương pháp khá phổ biến trong việc xác định
hoạt độ phóng xạ đó là phương pháp WA (Window Analysis) để kiểm chứng lại
kết quả phân tích.


8

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHÓNG XẠ TRONG
MÔI TRƯỜNG

1.1. Phóng xạ môi trường [4]
Phóng xạ trên trái đất có thể chia làm 3 loại khác nhau
Phóng xạ nguyên thủy.
Phóng xạ vũ trụ.
Phóng xạ nhân tạo.

1.1.1. Phóng xạ nguyên thủy
Các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu
năm, tồn tại từ khi trái đất được hình thành. Từ phân rã phóng xạ của những
nhân phóng xạ nguyên thủy sẽ tạo ra những nhân phóng xạ thứ cấp. Một số
nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tại tới bây giờ có chu kì bán rã gần với tuổi của
trái đất.
Ví dụ:
U238 có chu kỳ bán hủy 4,47.109 năm.
Th232 có chu kỳ bán hủy 1,41.1010 năm.
K40 có chu kỳ bán hủy 1,28.109 năm.
1.1.2. Phóng xạ vũ trụ
Là những bức xạ đến từ vũ trụ, tia phóng xạ chủ yếu là proton và những
hạt nhân nặng khác, đầu tiên từ bề mặt vũ trụ gọi là bức xạ vũ trụ, liên tục bắn
phá những nguyên tử bền trong khí quyển và tạo ra những nhân phóng xạ như:
Na22, Be7 vaø C14.


9

Các nhân phóng xạ vũ trụ khi đi vào trái đất, một phần tương tác với vật
chất trong bầu khí quyển, một phần xuyên xuống bề mặt trái đất.
Có 2 loại tia bức xạ: tia vũ trụ sơ cấp và tia vũ trụ thứ cấp.
Bức xạ vũ trụ sơ cấp: Được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực
kỳ cao (lên đến 108 eV), đa phần là proton cùng với một số hạt nặng khác. Phần
lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời và chúng cũng đã được tìm
thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy
sáng của hệ mặt trời.
Bức xạ vũ trụ thứ cấp: Là các bức xạ tạo ra khi tia sơ cấp tương tác
với các nguyên tử của bầu khí quyển, đồng thời sinh ra bức xạ năng lượng thấp,
ánh sáng thấy được, electron, nơtron. Những phản ứng này làm sinh ra các bức

xạ có năng lượng thấp hơn. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như
một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến
được bề mặt trái đất.
1.1.3. Phóng xạ nhân tạo
Năm 1934, Irene và Frederic Joliot Curie tạo ra và cô lập được nguyên tố
phóng xạ đầu tiên, đó là P30 có được bằng cách bắn tia
27

α + 13Al

30
15P

31
15P
30
14Si

30
15P

vào một lá nhôm.

+ 0n 1

+ e+

Ngoài ra, các nhân phóng xạ nhân tạo còn tìm thấy trong:
Các vụ kiểm tra vũ khí hạt nhân: Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào
khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3,107 Sv/người với 70% là C14, các

đồng vị khác như Cs137, Sr90 , Zr95 và Ru106 chiếm phần còn lại.
Điện hạt nhân: Cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA,
điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều
hướng gia tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình


10

nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền Uran, sản xuất và tái chế các
thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên
đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn.
Tai nạn hạt nhân: Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân
đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernoboyl xảy ra ở Ucraina 1986 gây nên sự
nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng, là hỗn hợp các hợp chất hóa
học và các đồng vị phóng xạ.
Một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất
thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ đánh dấu.
Con người đã bị chiếu xạ bởi nhiều nguồn nhân tạo khác nhau như: tia X
trong chẩn đoán y khoa, các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và
nông nghiệp, các tia phóng xạ phát ra từ tro bụi phóng xạ do các vụ nổ hạt nhân
gây ra.
Các hoạt động của con người làm phát ra những nhân phóng xạ tự nhiên
vào môi trường dưới dạng chất thải hoặc những sản phẩm phụ. Đó là sự khai mỏ
và nghiền quặng Uranium. Những hoạt động khác bao gồm việc đốt cháy những
nhiên liệu hóa thạch, sản xuất ra phốt phát từ đá phốt phát, khai thác mỏ và
nghiền đá vô cơ.
1.2. Một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong đất
Phần lớn nhân phóng xạ tự nhiên thuộc 3 họ phóng xạ khởi đầu từ các
nhân mẹ sống lâu như: U238, U235 và Th232.
1.2.1. Uranium

Uranium là nhân phóng xạ có mặt khắp nơi. Nó có hầu hết trong môi
trường vật chất và được nghiên cứu rộng rãi trong đá và đất. Trong tự nhiên
Uranium có 3 đồng vị là U238, U235 và U234 với độ phổ cập tương ứng là
99,28%; 0,72% và 0,0057%.


11

Uranium phân tán rộng khắp trong tự nhiên, có nhiều trong đá, muối
Uranium có thể hòa tan vào nước biển. Người ta ước tính hàm lượng Uranium
trong nước biển khoảng 10-6gam/lit và hàm lượng trung bình trong vỏ Trái Đất
khoảng 4 10-4%.
1.2.2. Thorium
Thorium phân tán rộng trên vỏ Trái Đất, hàm lượng trung bình của
Thorium trong lớp trên cùng khoảng 1,2 10-5%. Trong khi đó hàm lượng trung
bình của chì khoảng 1,6 10-5% nên độ giàu của Thorium tương đương với chì, do
vậy Thorium không được xem là một nguyên tố hiếm.
Thorium có 6 đồng vị trong tự nhiên nhưng Th 232 phân tán rộng hơn cả.
1.2.3. Kali
Kali là kim loại kiềm có 3 đồng vị, nhưng chỉ có K40 là có tính phóng xạ
với độ phổ cập 0,0117% và thời gian bán rã T1/2=1,28 109 năm, phát ra tia
gamma có năng lượng 1,46 Mev.
Trong lớp bề mặt của vỏ trái đất, kali có hàm lượng cao trong magma,
hàm lượng trong đất sét và đá phiến cỡ 6,5%.
Hoạt động của nước và cacbon dioxide làm cho kali trong đá ngầm dần
dần bị hòa tan và được các dòng nước mang ra biển, một phần khác lưu lại trong
đất. Phần lớn kali trong đất tồn tại dưới dạng muối tan có trong silicate và
aluminosilicate. Các muối này phân biệt thành 2 loại là kali đã qua quá trình
trao đổi chất giữa thực vật với đất và kali không trao đổi chất.
Kali có chủ yếu trong sinh vật, vì vậy việc phát xạ K40 là tất yếu nhưng

có sự biến thiên về độ tuổi và giới tính trong vạch phổ với những thay đổi tương
ứng trong nồng độ kali. Sự có mặt của K40 trong đá và trong đất tạo ra nguồn
phát xạ ngoài.


12

1.3. Chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ [3] [6]
1.3.1. Chuỗi Uranium (A = 4n+2)
Trong tự nhiên nó bắt đầu bởi đồng vị phóng xạ nặng nhất là U238,
Uranium này trải qua quá trình phân rã để trở thành U 234. Sau đó trải qua nhiều
lần phóng xạ liên tiếp và kết thúc bởi đồng vị Pb206.

Hình 1.1. Chuỗi Uranium A = 4n+2
1.3.2. Chuỗi Thorium (A = 4n)
Các nhân trong chuỗi Thorium có số khối A = 4n. Chuỗi này mang tên
của đồng vị sống lâu nhất còn trong tự nhiên là
(gấp 5 lần tuổi của trái đất).

90Th

232

có T1/2=13,9 109 naêm


13

Vì thời gian sống lâu như vậy nên 90Th232 còn tồn tại trong tự nhiên cùng
các sản phẩm phân rã của nó tạo nên chuỗi Thorium.

Hình 1.2. Chuỗi Thorium A = 4n.
Thực ra nhân mẹ của Th232 là U236 phát

với T1/2 =2,4 107 năm, khoảng

1/100 tuổi trái đất và do đó không còn tìm thấy trong tự nhiên.
Theo những chứng cớ địa vật lý tìm thấy được chứng tỏ rằng U236 là một
trong những đồng vị của Uranium khi vũ trụ còn rất trẻ.
1.3.3. Chuỗi Actinium (A = 4n+3)
Chuỗi này được nghiên cứu từ năm 1902, khi Giesel khám phá ra sự
phóng xạ của Actinium. Nhưng mãi cho tới 1935, khi đồng vị U235 được nhận
diện trực tiếp bằng khối phổ kế và chứng tỏ là thủy tổ của chuỗi Actinium thì nó
mới được hiểu đầy đủ, bởi vì là đồng vị còn trong tự nhiên duy nhất phân hạch
bởi nơtron nhiệt.


14

Hình 1.3. Chuỗi Actinium A = 4n+3
Actinium (Ac227) tự nó có thể được tách ra từ khoáng chất Uranium bằng
cách kết tủa với đất hiếm Lanthanium và là nguồn cho chuỗi Actinium lâu dài ở
phòng thí nghiệm.
Phổ β của Ac227 có năng lượng cực đại khoảng 0.04 Mev. Nhánh phân rã
α có độ phổ cập rất thấp, nhưng rất quan trọng vì nó dẫn tới Francium (Fr

223

) là

đồng vị có trong tự nhiên duy nhất. Francium (Fr223 ) chủ yếu biến đổi bằng phân
rã β thành Ra223, nhưng cũng có 0.004% Francium biến đổi bằng cách phân rã α
thành Astatine (At215).
Do đó, chuỗi Actinium chứa trong nhánh phụ của nó 2 đồng vị tự nhiên
của nguyên tố Astatine (Z=85) và Francium (Z=87).


15

1.3.4. Kali
Kali có chu kì bán rã 1,28.109 năm. Kali có 2 kiểu phân rã cạnh tranh
nhau và được thể hiện ở Hình 1.4.
T1/2 = 1,28.109 năm
10,32%
EC
1,46 MeV

K40

89,28%
β

0,001%
β

Ca40

Ar40
Hình 1.4. K40 phân rã β và bắt electron tạo Ar40
và phân rã β tạo Ca40.

Hình 1.4 cho thấy 2 kiểu phân rã cạnh tranh nhau, phân rã β với xác suất
phát là 0,001% và bắt EC với xác suất phát là 10,32% để tạo thành hạt nhân bền
Ar40. Trong khi đó, có tới 89,28% phân rã β để tạo thành Ca40.


16

CHƯƠNG 2

DETECTOR GERMANIUM SIÊU
TINH KHIẾT HPGE

2.1. Tổng quan về detector HPGe [4]
Detector HPGe là loại detector đo tia gamma có có độ nhạy và độ phân
giải cao nhất hiện nay, và chúng được sử dụng rộng rãi cho cả nghiên cứu cơ bản
lẫn vật lý ứng dụng. Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể được đo với độ
phân giải lên tới 0,1%.
Trong các detector siêu tinh khiết, động năng của một electron được đo
bởi tập hợp các điện tích được tạo bởi sự ion hoá dọc theo quãng đường của
electron.
Năng lượng cần để tạo ra một cặp electron – lỗ trống trong germanium có
giá trị trung bình vào khoảng 3 eV.
Ví dụ: Một hạt electron 1 MeV khi vào trong detector sẽ tạo ra khoảng
38105 cặp electron – lỗ trống. Chúng ta có thể tập hợp gần như tất cả những
điện tích này trong detector germanium nếu như các tạp chất trong germanium
được loại bỏ đến một mức độ nào đó. Tuy nhiên phương sai thống kê của 38105
cặp là quá nhỏ cho nên nó có thể bị nhiễu loạn từ các cặp electron – lỗ trống
kích thích nhiệt ngẫu nhiên.
Để khắc phục và giảm thiểu được điều này người ta phải làm lạnh tinh
thể germanium và chất làm lạnh được sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ

làm lạnh là 770K. Tuy tín hiệu được tạo ra là do sự ion hoá của các electron có
động năng, năng lượng của tia gamma có thể được đo bằng detector germanium
bởi vì năng lượng của một photon có thể được chuyển sang cho các electron. Các


17

tia gamma năng lượng thấp có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện
tạo ra một electron đơn với hầu hết năng lượng của photon tới.
Đối với các photon có năng lượng từ khoảng 100 keV đến dưới 1 MeV,
hiệu ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn bộ năng lượng
photon cho các electron đòi hỏi phải có một hay nhiều hơn các tán xạ Compton
và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện.
Sự tạo thành các cặp electron – positron đóng một vai trò quan trọng ở các
mức năng lượng trên 2mec 2 (hay 1,022 MeV).
2.2. Những đặc trưng của detector HPGe [1]
2.2.1. Hiệu suất
Hiệu suất của detector là xác suất ghi nhận bức xạ, là tỉ số giữa bức xạ
ghi nhận được trên số bức xạ đi vào detector. Chúng ta có thể chia hiệu suất
đếm của detector thành hai loại: hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất thực.
Hiệu suất tuyệt đối: Là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và số các
lượng tử bức xạ phát ra bởi nguồn.
Hiệu suất thực: Là tỉ số giữa số các xung ghi nhận được và số các lượng tử
bức xạ đến detector.
Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector
 Kích thước và dạng đầu dò.
 Khoảng cách từ nguồn tới đầu dò.
 Năng lượng của tia gamma tới.
 Loại đồng vị phóng xạ và kiểu bức xạ được đo (anpha, beta,
gamma và năng lượng của chúng).

 Tán xạ ngược của bức xạ tới đầu dò. Sự hấp thụ bức xạ trước khi
nó đến được đầu dò (bởi không khí và lớp vỏ bọc đầu dò).


18

2.2.2. Độ phân giải năng lượng
Độ phân giải năng lượng FWHM (Full Width at Haft Maximum) là bề
rộng tại độ cao phân nửa của đỉnh phổ đơn năng.
Người ta xét độ phân giải năng lượng không phải chỉ xét ở giá trị của nó
mà phải xem detector đang ghi bức xạ gì, năng lượng bao nhiêu và mức độ đơn
năng của nguồn đó.
Detector có độ phân giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, ghi nhận
được các nguồn yếu có năng lượng riêng biệt khi nó nằm chồng lên miền liên
tục.
Khả năng phân giải năng lượng không chỉ phụ thuộc vào bản thân
detector mà còn phụ thuộc vào các thiết bị điện tử đi kèm, chủ yếu là bộ tiền
khuếch đại. Nếu tạp âm lớn, điện dung lối vào tiền khuếch đại lớn sẽ dẫn đến
độ phân giải của hệ thống kém. Đối với việc đo phổ gamma phông thấp thì sự
chọn lựa detector có độ phân giải cao là cần thiết.
Các đầu dò germanium có ưu điểm rõ nhất trong phân tích các phổ
gamma có nhiều đỉnh. Đặc trưng quan trọng nhất của detector germanium chính
là độ phân giải của nó. Có thể nói đó là loại detector đo tia gamma có độ phân
giải năng lượng cao nhất hiện nay. Hình 2.1 sẽ cho chúng ta thấy rõ ràng hơn
tính ưu việt này của detector germanium.


19

Hình 2.1. Phổ của nguồn phóng xạ Co60 được đo bởi:

a) Detector nhấp nháy NaI (Tl)
b) Detector bán dẫn germanium
Các phổ so sánh được đưa ra ở Hình 2.1 minh hoạ rất rõ về tính ưu việt
của detector germanium trong các trường hợp mà có rất nhiều đỉnh năng lượng
gamma gần nhau cần phải được tách ra. Các hệ thống germanium tốt sẽ có một
độ phân giải năng lượng tiêu biểu khoảng mười mấy phầ n trăm so với 5-10%
của NaI. Tuy nhiên, độ phân giải năng lượng này không thể tự nhiên mà có.
Chính nhờ sự kết hợp của kích thước nhỏ và nguyên tử số thấp hơn của
germanium đã tạo nên các hiệu suất quang đỉnh và bậc của biên độ thấp hơn
trong trường hợp này.
Không chỉ là độ phân giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, mà còn
giúp ghi nhận được các nguồn yếu có năng lượng riêng biệt khi nó nằm chồng
lên miền liên tục. Các detector có hiệu suất bằng nhau sẽ có kết quả là các diện
tích đỉnh bằng nhau, nhưng với những detector có độ phân giải năng lượng tốt thì
sẽ tạo nên các đỉnh năng lượng hẹp và cao mà nó có thể nhô lên cao trên vùng


20

nhiễu thống kê của miền liên tục. Các detector germanium thích hợp rõ nhất là
để phân tích các phổ gamma phức có nhiều đỉnh.
2.2.3. Tỉ số đỉnh / Compton
Tán xạ Compton xuất hiện khi năng lượng toàn phần của photon tới
không được hấp thụ hoàn toàn trong detector HPGe và thoát ra khỏi detector với
chỉ một phần năng lượng của nó được ghi. Các đỉnh năng lượng riêng phần này
xuất hiện trong phổ gamma như là các hiện tượng ngẫu nhiên trước đỉnh năng
lượng toàn phần và được gọi là lưng Compton.
Tỉ số của đỉnh năng lượng toàn phần trên lưng Compton được gọi là tỉ số
đỉnh / Compton ( peak-to-Compton hay P/C ratio).
Đối với một detector HPGe tiêu biểu, tỉ số đỉnh / Compton thường nằm

trong khoảng giữa 40:1 và 60:1 ứng với đỉnh năng lượng 1,33 MeV của Co60. Các
detector có kích thước lớn có thể đạt được tỉ số đỉnh / Compton gần 100:1.
Trong các hệ đo phông thấp tiêu biểu, những nỗ lực lớn được đưa ra để
giảm các hoạt độ vốn có trong các thành phần đếm của hệ : Detector, buồng chì
và không khí bên trong khoảng giữa detector và vật liệu che chắn. Những hệ
phông thấp này thường hướng tới việc làm giảm các tia vũ trụ và các nguồn tự
nhiên của phông trong hệ đo germanium.
Để làm tăng tỉ số đỉnh / Compton, người ta đã xây dựng các hệ thống khử
nhiễu Compton. Bởi vì năng lượng thoát ra dưới dạng tia gamma, cho nên ta có
thể thu lại năng lượng thất thoát đó bằng một detector khác. Điều này thường
được làm với một tinh thể có kích thước lớn làm bằng một vật liệu rẻ tiền hơn
chẳng hạn như NaI, và thường được gọi là detector chắn.
Bằng cách thiết lập mối tương quan giữa các hiện tượng trong detector
HPGe và detector chắn với các thiết bị điện tử đo thời gian, các hiện tượng được
đếm trong detector chắn có thể được sử dụng để loại bỏ đồng thời các hiện


21

tượng trong detector HPGe. Kết quả sẽ là một sự triệt tiêu của vùng lưng
Compton.
Trong một hệ thống khử nhiễu Compton, tỉ số đỉnh / Compton có thể đạt
tới 800:1. Các kết quả này có thể làm giảm phông đáng kể đến thừa số 10.
2.2.4. Dạng của đỉnh (peak shape)
Dạng chi tiết của các đỉnh quan sát được trong phổ germanium là quan
trọng nếu diện tích dưới đỉnh được đo một cách chính xác. Một vài chi tiết của
những đặc trưng của dạng đỉnh dược chỉ ra ở Hình 2.2.

Hình 2.2. Các dạng của đỉnh theo thực nghiệm và mô phỏng.
Hầu hết các sự làm khớp thực của dạng đỉnh sử dụng dạng sửa đổi của

phân bố Gauss cho phép thể hiện phần đuôi ở phía năng lượng thấp của phân bố.
Phần đuôi có thể xuất hiện do nhiều hiệu ứng vật lý, bao gồm sự thu gom điện
tích không hoàn hảo trong một số vùng của detector, hay do các electron thứ cấp
và bức xạ bremstrahlung trong vùng thể tích hoạt động. Sự khác biệt giữa đuôi


22

ngắn và đuôi dài trong cấu hình là đuôi ngắn có nhiều hiệu ứng quan trọng hơn
trên dạng của đỉnh gần đáy của nó, trong khi đuôi dài thường có thể được xem
như là phần đóng góp thêm vào của phông nền.
Một phương pháp để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi của một detector đặc
trưng là đưa ra bề rộng toàn phần ở một phần mười chiều cao (Full Width at
One-tenth Maxium – FW.1M) của đỉnh năng lượng toàn phần, bên cạnh đại
lượng thường đïc sử dụng là bề rộng toàn phần ở một nửa chiều cao (Full
Width at Half Maximum – FWHM). Đối với các detector có chất lượng tốt với
đuôi nhỏ, FW.1M sẽ nhỏ hơn hai lần FWHM (Tỉ lệ FW.1M / FWHM đối với
đỉnh dạng Gauss thuần tuý là 1,823). Một chỉ số khác cũng thường được sử dụng
là tỉ lệ của bề rộng toàn phần ở 1/50 chiều cao (FWFM) trên FWHM, thông
thường được đo ở 1,333 MeV. Các detector germanium tốt có giá trị của tỉ lệ này
nằm giữa 2,5 và 3,0 ( tỉ lệ này là 2,376 của dạng Gauss thuần tuý).
2.3. Hệ phổ kế gamma tại phòng thí nghiệm bộ môn
2.3.1. Sơ lược về hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế gamma được sử dụng trong luận văn nà y bao gồm các thành
phần chính như sau: Detector HPGe GC2018 với các thiết bị kèm theo gồm
nguồn nuôi, cao thế cho detector, tiền khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số
và khối phân tích đa kênh, nguồn phóng xạ, buồng chì che chắn phông bao
quanh detector và nguồn.

23

Hình 2.3. Hệ đo gamma tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân.
Buồng chì có thể đóng mở nắp, detector được che chắn bởi buồng chì,
bình dewar được đặt phía dưới chứa khí lỏng (LN2). Nhiệt độ thông thường của
Phòng thí nghiệm khoảng từ 17oC – 20oC để bảo quản các thiết bị được tốt.
2.3.2. Chức năng chính của một số thành phần trong hệ đo [6]
 Cao thế: Có chức năng cung cấp điện thế cho hai cực của tinh thể
Germanium để hút các điện tử về hai đầu điện cực.
 Tiền khuếch đại: Chức năng chính của tiền khuếch đại là để khuếch
đại tín hiệu yếu và gửi qua dây cáp kết nối tiền khuếch đại với thiết bị phía sau.
Tiền khuếch đại được lắp vào càng gần với đầu dò càng tốt để làm giảm đến
mức tối thiểu chiều dài của sợi dây và tín hiệu đưa vào rất nhỏ.
 Khuếch đại: Khuếch đại xung từ tiền khuếch đại thành biên độ lớn.
Xung cần được tạo thành dạng phù hợp hơn. Vì vậy, kết quả thông thường của
khuếch đại được thiết lập bởi hằng số thời gian

.