NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.18 MB, 52 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ QUỐC KHÁNH

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG
KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÂM ĐỒNG, 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

ĐỖ QUỐC KHÁNH - 1310538

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG
KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VỊNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
ThS. HỒ VĂN DOANH

KHÓA 2013 – 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi và người hướng dẫn
khoa học là ThS. Hồ Văn Doanh đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà
Lạt. Các số liệu và kết quả trong khóa luận này là hồn tồn trung thực và chưa
từng được ai cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác.
Các thơng tin trích dẫn trong khóa luận đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và
được phép công bố. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày
trong khóa luận này.
Đà Lạt, tháng 12 năm 2017
Người cam đoan
Đỗ Quốc Khánh

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... vi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 2
1.1 Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (CNAA) ................................. 2
1.2 Thời gian chết trong ghi đo bức xạ ................................................................. 3
1.2.1 Định nghĩa về thời gian chết ..................................................................... 3
1.2.2 Các nguyên nhân gây ra thời gian chết ................................................... 11
1.3 Phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết ......................................................... 12
1.3.1 Phương pháp Live Time Clock (LTC) .................................................... 13
1.3.2 Phương pháp Zero Dead Time (ZDT)..................................................... 18
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 23

2.1 Hệ phân tích kích hoạt lặp vòng tại lò phản ứng Đà Lạt................................ 23
2.2 Tiến hành thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian chết........................ 25
2.3 Áp dụng CNAA cho đối tượng mẫu có thời gian chết lớn............................. 26
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 35
3.1 Kết quả xử lí phổ bằng phần mềm GammaVision......................................... 35
3.2 Kết quả phân tích các đồng vị sống ngắn bằng CNAA có áp dụng các hiệu
chỉnh thời gian chết ............................................................................................ 39
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 42

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết
tắt

Tiếng Anh

CNAA

Cycle Neutron Activation
Analysis

Phân tích kích hoạt neutron lặp
vịng

k0-CNAA

k-zero Cycle Neutron

Activation Analysis

Phân tích kích hoạt neutron lặp
vịng bằng phương pháp chuẩn
hóa k-zero

LTC

Live Time Clock

Phương pháp đo thời gian sống

ZDT

Zero Dead Time

Tiếng Việt

Phương pháp thời gian chết
khơng

Dalat Nuclear Research

Lị phản ứng hạt nhân

Reactor

Đà Lạt

PTS

Pneumatic Transfer System

Hệ chuyển mẫu khí nén

DSPEC

Digital Signal Processing
based gamma-ray

Hệ phổ kế gamma xử lý tín hiệu

LPƯDL

Pro

spectrometer

NIST

National Institute of
Standards and Technology

HPGe

High Purity Germanium

bằng kỹ thuật số
Viện tiêu chuẩn và công nghệ
quốc gia

Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh

IAEA
TC

khiết

International Atomic

Cơ quan Năng lượng nguyên tử

Energy Agency

Quốc tế

Thermal Column

Cột nhiệt

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Độ chính xác của số liệu thống kê ............................................................ 16
Bảng 2. Mô tả chức năng của các bộ phận chính trong hệ PTS ............................. 24
Bảng 3. Thơng số phổ neutron tại vị trí chiếu mẫu ở kênh 13-2/TC ...................... 26
Bảng 4. Số liệu thực nghiệm DT với lần thực nghiệm ........................................... 35
Bảng 5. % mất số đếm của đỉnh năng lượng Am (59 keV) .................................... 36
Bảng 6. % mất số đếm của đỉnh năng lượng Au (411 keV) ................................... 37
Bảng 7. % mất số đếm ở đỉnh năng lượng Cs (661 keV) ....................................... 38

Bảng 8. Kết quả phân tích các đồng vị sống ngắn bằng CNAA khi đo ở thời gian
chết cao của mẫu Montana II Soil 2711a ......................................................... 40

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. Mơ tả ngun lý kỹ thuật kích hoạt neutron lặp vịng ................................. 3
Hình 2. Mơ hình thời gian chết đáp ứng liệt và khơng liệt ....................................... 4
Hình 3. Tốc độ đếm thực đối với mơ hình thời gian chết mở rộng ........................... 5
Hình 4. Xung thứ hai bắt đầu sau thời gian Trt + Tn ................................................ 7
Hình 5. Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian Tθ............................... 8
Hình 6. Sự chồng chập xảy ra trong thời gian Tθ (thời gian tăng của xung mũ) ....... 9
Hình 7. Chồng chập đi và ảnh hưởng của nó lên chỗ phổ độ cao xung vi phân .. 10
Hình 8. Hai xung ở khoảng cách rất gần nhau tạo thành một xung bị méo. ........... 11
Hình 9. Sơ đồ khối trong hệ thống MCA ............................................................. 14
Hình 10. Histogram của hệ PTS đặt tại LPƯ hạt nhân Đà Lạt .............................. 23
Hình 11. Hình dạng và kích cỡ của container mang mẫu ...................................... 26
Hình 12. Vị trí kênh 13-2/TC trong LPƯDL ........................................................ 27
Hình 13. Hệ phổ kế sử dụng detector GMX-4076-PL ........................................... 28
Hình 14. Cabin 1 nơi nạp mẫu và lấy mẫu ra khỏi hệ ............................................ 28
Hình 15. Giao diện của phần mềm NASC ............................................................. 29
Hình 16. Giao diện chính của phần mềm CNAA ................................................... 30
Hình 17. Bảng thơng số thời gian điều khiển qua các trạm trong hệ PTS .............. 30
Hình 18. Thơng số phổ quan tâm .......................................................................... 31
Hình 19. Giao diện của chương trình đọc phổ GammaVision ................................ 31
Hình 20. File chứa phổ.......................................................................................... 32
Hình 21. Hình mơ tả việc gọi file ROI.roi ............................................................. 33
Hình 22. Chế độ LTC đọc phổ............................................................................... 33
Hình 23. Chế độ ZDT đọc phổ .............................................................................. 34

Hình 24. Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh Am ........................ 37
Hình 25. Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh năng lượng Au ....... 38
Hình 26. Biểu đồ thể hiện sự sai lệch % mất số đếm của đỉnh năng lượng Cs ....... 39

vi

LỜI MỞ ĐẦU
Trong phân tích kích hoạt neutron (NAA), hoạt độ của mẫu ngay khi kích
hoạt ở các kênh chiếu ngắn (kênh 7-1 hoặc kênh 13-2) trên lò phản ứng hạt nhân Đà
Lạt (LPƯDL) thường rất lớn. Đối với NAA sử dụng các đồng vị sống ngắn, mẫu
cần được đo ngay hoặc để rã trong một khoảng thời gian rất ngắn khoảng 1  2 chu
kỳ bán rã (T1/2) của đồng vị quan tâm. Điều này dẫn đến thời gian chết (DT) của hệ
đo rất lớn, DT  10  15 khi đo để xác định nhóm các đồng vị như 28Al, 51Ti, 52V,
66

Cu, 49Ca và 27Mg (T1/2  2  10 phút) và DT  20  50 khi đo để xác định nhóm

các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn hơn như 77mSe, 20F, 110Ag, 179mHf và 46mSc (T1/2
10  30 giây). Ngoài ra, khi áp dụng kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vịng
(CNAA), mẫu được chiếu và đo lại nhiều lần để tích lũy số đếm, cũng đồng nghĩa
với việc thời gian chết tăng lên theo số vòng lặp tăng dần.
Như ta đã biết, khi đo phổ tia gamma với thời gian chết cao (DT > 10%) thì
sai số số đếm của phép đo phổ rất lớn, đóng góp vào sai số của phép phân tích. Vì
vậy, hiệu chỉnh số đếm trong phép đo phổ gamma các đồng vị sống ngắn gần như
bắt buộc hoặc hệ phổ kế gamma phải có chức năng tự hiệu chỉnh ảnh hưởng của
thời gian chết trong quá trình đo mẫu.
Khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thời gian chết
và các kỹ thuật hiệu chỉnh thời gian chết trong phép đo phổ tia gamma, đặc biệt là
kỹ thuật ZDT (Zero Dead Time) của hệ phổ kế dùng cho CNAA trên LPƯDL.

Bố cục của khóa luận được sắp xếp như sau:
Chương 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan các khái niệm, phương pháp
trong kĩ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vịng cũng như thời gian chết liên
quan, đặc biệt là phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết bằng phương pháp ZDT và
LTC.
Chương 2 - Thực nghiệm: Trình bày nội dung thực nghiệm và xử lí số liệu để
xác định thời gian chết của hệ thống tốc độ đếm cao.
Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả tính tốn và thảo luận.

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1 trình bày tổng quan về phương pháp CNAA, định nghĩa về thời
gian chết trong ghi đo bức xạ, các nguyên nhân gây ra thời gian chết của thiết bị đo
và các kỹ thuật hiệu chỉnh thời gian chết. Đây là cơ sơ để tiến hành cho việc thực
nghiệm bao gồm việc đo phổ và quá trình kiểm chứng tính tường minh của các
phương pháp hiệu chỉnh.
1.1 Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (CNAA)
Phân tích kích hoạt neutron lặp vịng (CNAA) là kỹ thuật phân tích mà mẫu
được chiếu, rã, đo và sau đó lặp lại q trình một cách tuần hồn để cuối cùng thu
được phổ tích lũy. Trong CNAA thời gian thực hiện ngắn do đó tăng khả năng phân
tích số lượng mẫu trong một thời gian nhất định, tiết kiệm chi phí. Ít nhất có khoảng
20 ngun tố có các đồng vị sống ngắn được xác định bởi CNAA. Khi phân tích
ngun tố có các đồng vị sống dài như 75Se (120 ngày), 46Sc (84 ngày), 110mAg (250
ngày) và 181Hf (45 ngày), để đạt được độ nhạy mong muốn yêu cầu điều kiện chiếu
thời gian chiếu, rã, đo dài từ vài giờ tới vài ngày do đó làm giảm khả năng cạnh
tranh với các phương pháp khác. Tại LPƯDL đã được trang bị và nâng cấp hệ
chuyển mẫu khí nén nhanh kênh 13-2/TC phục vụ cho kỹ thuật CNAA cho việc
phân tích các ngun tố thơng qua các đồng vị có thời gian bán rã ngắn [1]. Hệ này

cho phép thực hiện các phép chiếu ngắn từ vài giây đến vài chục giây, thời gian vận
chuyển mẫu từ vị trí chiếu tới vị trí đo là 3.5 giây và đã được tự động hóa khi chiếu,
đo mẫu tự động.
Trong CNAA cần phải lựa chọn điều kiện thực nghiệm tối ưu cho một nhóm
nguyên tố nào đó bao gồm thời gian chiếu, rã, đo và số lần lặp thực nghiệm. Khi
chiếu với thời gian ngắn, ngoài các đồng vị sống ngắn được tối ưu thì cịn chịu sự
ảnh hưởng nền matrix phức tạp của các đồng vị sống dài có hàm lượng cao trong
nhiều loại mẫu khác nhau và do hoạt độ ban đầu lớn gây nên thời gian chết cao
(>20%) ảnh hưởng tới ghi nhận số đếm và sai số.
Nguyên lý CNAA đã được miêu tả bởi Givens và Spyrou [1]. Trong phương
pháp này, mẫu được chiếu trong khoảng thời gian ngắn (ti), khoảng thời gian từ lúc
ngừng chiếu và trước lúc đo (td) , mẫu được đo trong khoảng thời gian tc và lặp lại
các quá trình trên sau khoảng thời gian (tw), cứ thế chúng được thực hiện một cách
tuần hoàn, chu kỳ T là tổng thời gian của ti, td, tc, và tw. Số đếm tổng của tia gamma

2

quan tâm được tích lũy
ũy sau m
mỗi vịng lặp trên. Nhờ q trình này, độộ nhạy phân tích
của các hạt nhân sống
ng ngắn
ng được cải thiện đáng kể. Hình 1 mơ tả sơ lược
lư CNAA.

Hình
1. Mơ
ttả ngun
lý kỹ

thuật
kích
hoạt
neutron
lặpplặặp
vịng
[1]
Hình
2. Mơ
ttả ngun
lý kỹ
thuật
kích
hoạt
neutron
vịng
1.2 Thời gian chếtt trong ghi đo bức
b xạ
1.2.1 Định nghĩa về thờii gian chết
ch
Việc đếm
m xung, trong một
m quy trình ngẫu nhiên chắc chắn sẽ có ttổn thất. Hầu
hết các hệ thống dò, mộtt lư
lượng thời gian tối thiểu có thể đượcc ghi thành hai sự
s kiện
riêng biệt. Trong một số trường hợp, thời gian giới hạn có thể đượcc xác định
đ
bởi các
q trình trong đầu dị,, và hầu

h hết các trường hợp khác, giới hạnn xảy ra từ
t các thiết
bị điện tử liên quan. Sự tách biệt
bi thời gian tối thiểu này thường đượcc ggọi là thời gian
chết của hệ thống đếm.. T
Tổng thời gian chết của hệ thống phát hiệnn thư
thường là do thời
gian chết nội tại của đầu
u dị (ví dụ: thờii gian thăng giáng trong Detector khí),
khí tín
hiệu đầu cuối tương tự (ví d
dụ, thời gian định hình của bộ khuếch đạii quang ph
phổ), và
quá trình thu thập dữ liệệu (ví dụ: thời gian chuyển đổi của ADCs,, hoặc thời gian
hiển thị và lưu trữ). Do đó, cần
c có sự điều chỉnh trên ba cấp độ khác nhau
nhau: thứ nhất,
cho tổn thất nội tại vốn
n có trong đầu dị; thứ hai, những mất mát phát sinh do m
mạch
điện hệ thống, và cuốii cùng, đ
đối với bộ ADC, nghĩa là thờii gian chuy
chuyển đổi tín hiệu
tương tự thành số. Chỉ có thể hiệu chỉnh cho sự mất số đếm nếu cả quá trình tự
nhiên ban đầu và tác động của thời gian chết được hiểu rõ.
rõ
Như minh hoạ chúng ta hãy phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ đếếm do thời gian
chết của một yếu tố đơn gi
giản trong hệ thống. Giả sử bộ phận có thờii gian chết
ch τ và τ

là hằng số cho tất cả các ssự kiện. Hai trường hợp cơ bản thường
ng đư
được phân biệt:

3

thời gian chết kéo dài và không kéo dài. Đây cũng được gọi là các mơ hình đáp ứng
liệt và không liệt. Trong trường hợp mở rộng, sự xuất hiện của một sự kiện thứ hai
trong khoảng thời gian chết mở rộng này được thêm bằng cách đưa vào thời gian
chết của nó τ bắt đầu từ thời điểm xuất hiện của nó. Điều này được minh họa trong
Hình 2. Điều này xảy ra khi các phần tử vẫn nhạy trong thời gian chết. Trong
nguyên tắc nếu tỷ lệ sự kiện là đủ cao, các sự kiện có thể đến mà thời gian chết
tương ứng chồng lên nhau tất cả. Điều này tạo ra sự kéo dài thời gian mà trong đó
khơng có sự kiện nào được chấp nhận. Do đó bộ phận này là đáp ứng liệt. Ngược
lại, trong trường hợp không mở rộng, tương ứng với một phần tử không nhạy trong
khoảng thời gian chết. Sự xuất hiện của một sự kiện thứ hai trong thời gian này
không được chú ý và sau một thời gian τ hoạt động trở lại.

Hình 2. Mơ hình thời gian chết đáp ứng liệt và không liệt [1]
Chúng ta hãy xem xét trường hợp không mở rộng đầu tiên. Giả sử tốc độ
đếm thực m và detector có k đếm trong một thời gian T. Mỗi lần n đếm phát hiện
gây ra thời gian chết τ, tổng thời gian chết kτ được tích lũy trong suốt thời gian đếm
T. Trong thời gian chết này, tổng đếm mất mkτ. Do đó tốc độ đếm thực đáng kể là:
mT = k + mkτ
Tính m theo k, chúng ta tìm thấy
k/T
m=
(1.1)
1 − (k/T)τ

Như vậy, cơng thức (1.1) cung cấp cho chúng ta một công thức để tìm ra tốc
độ đếm thực m từ tốc độ quan sát được k/T.
Đối với trường hợp mở rộng là hơi khó khăn hơn. Ở đây, người ta nhận ra
rằng chỉ có những đếm đến các khoảng thời gian lớn hơn τ được ghi lại. Phân bố
các khoảng thời gian giữa các sự kiện đang phân rã ở một tốc độ m là:
4

P(t)=m exp (-mt)
Xác suất khi t > τ là:
P(t > ) = m

exp(−mt)dt = exp(−m)

Tốc độ đếm quan sát trong thời gian T chỉ là một phần của sự kiện thực mT
có thời gian đáp ứng điều kiện này.
k = mTexp(−mτ)
Để tìm giá trị thực m, phải được số hóa. Hình mơ tả cho cơng thức (1.1). Chú
ý hàm tăng lần đầu tiên, đi qua một giá trị max m = 1/τ và sau đó giảm một lần
nữa. Nghĩa là với một tốc độ đếm quan sát được cho k/T, có hai giải pháp tương
ứng cho m. Do đó cần phân biệt giữa các trường hợp.

Hình 3. Tốc độ đếm thực đối với mơ hình thời gian chết mở rộng [1]
Các kết quả nói trên phù hợp với hầu hết các vấn đề thực tế, tuy nhiên, chúng
chỉ xấp xỉ thứ tự đầu tiên.
Với các kết quả trên, các vấn đề thường phát sinh là để xác định lớp, áp dụng
trường hợp mở rộng hoặc không thể mở rộng. Thật vậy, nhiều hệ thống dị được kết
hợp cả hai, có một số yếu tố được mở rộng và các yếu tố khác là khơng phải. Và
một số có thể khơng ở trong cả hai lớp. Hơn nữa thời gian chết của các yếu tố có thể
được biến đổi tùy thuộc vào tỷ lệ đếm, hình dạng xung, v.v… Một giải pháp thường

được sử dụng là thêm vào một yếu tố mạch chặn với một thời gian chết lớn hơn tất
cả các yếu tố khác vào hệ thống như vậy hệ thống phát hiện có thể được xử lí bởi
một trong những mơ hình cơ bản. Điều này, tất nhiên, làm chậm hệ thống nhưng
loại bỏ sự không chắc chắn trong mơ hình thời gian chết.
5

* Quá trình chồng xung
Thời gian phân rã xung tương đối dài được sử dụng trong các giai đoạn ban
đầu của phần cứng để giảm sự biến dạng do nhiễu điện tử. Với tốc độ đếm cao khả
năng một sự kiện thứ hai trong đầu dị có thể xảy ra trước khi xung từ sự kiện trước
đó đã bị phân rã. Xung thứ hai sẽ "đi" trên đuôi của xung đầu tiên.
Hiệu ứng này được gọi là chồng xung, và kết quả là giá trị chiều cao xung đo
được cho xung thứ hai cao hơn giá trị thực. Kết quả cuối cùng của chồng xung trong
mạch là một số các xung trong đỉnh năng lượng cao sẽ được chuyển sang các giá trị
cao hơn; tạo ra một dãy đuôi năng lượng cao của đỉnh trong phổ xung độ cao.
Khảo sát quá trình chồng chập xung:
Tθ là thời gian tăng của xung tín hiệu vào, Trt là thời gian tăng của xung hình
thang và Tft là thời gian của phần đỉnh bằng. Giả sử ΔT là khoảng thời gian giữa hai
xung liên tiếp.
Trường hợp 1: ΔT > Trt + Tft khi xung thứ hai bắt đầu trên phần bờ giảm của
xung thứ nhất thì cả hai xung đều mang thơng tin tốt (khơng có sự kiện chồng
chập). Có thể xác định được độ cao của từng xung riêng biệt (xem Hình 4).
Trường hợp 2: ~Tθ< ΔT < Trt + Tft khi xung thứ hai bắt đầu trên phần bờ tăng
hoặc phần đỉnh bằng của xung thứ nhất thì việc xác định độ cao từng xung là khơng
thể, do đó khơng có thông tin năng lượng và xung chồng chập cần được loại bỏ.
Tuy nhiên, hệ thống vẫn ghi nhận (đếm) được hai sự kiện (xem Hình 5).
Trường hợp 3: ΔT < ~Tθ khi hai xung vào chồng chập tại phần bờ tăng của
chúng thì khơng thể xác định được độ cao xung đồng thời cũng không phân biệt
được hai xung do đó thơng tin năng lượng và thời gian đều mất. Xung chồng chập

này cần được loại bỏ (xem Hình 6).

6

Hình 4. Xung thứ hai bắt đầu sau thời gian Trt + Tn (ứng
ứng với vị trí bờ
giảm của xung hình thang thứ nhất) [1]

7

Hình 5. Xung thứ hai chồng lên xung thứ nhất sau thời gian Tθ (ứng với vị
trí bờ tăng hoặc đỉnh bằng của xung hình
hìn thang thứ nhất)) [1]

8

Hình 6. Sự chồng chập xảy ra trong thời gian Tθ (thời
thời gian tăng của xung mũ
mũ)
Hiện tượng chồng
ng ch
chập có thể chia làm hai loại, mà ảnh hưởng
ng ccủa mỗi loại
lên việc tính độ cao xung là khác nhau. Lo
Loại thứ nhất được gọii là chồng
ch
chập đuôi,

xung thứ hai xuất hiện
n trên ph
phần đuôi hoặc phần âm của xung thứ nh
nhất, gây ra xếp
chồng hoặc bướu âm củ
ủa xung thứ hai (Hình 7). Sự chồng chậpp xung đi sẽ
s trở
nên đáng quan tâm khi hệệ đếm chậm, vì phần đuôi chồng chập hoặcc bư
bướu âm sẽ tiếp
tục kéo dài khoảng thờii gian này. Hi
Hiện tượng này ảnh hưởng xấu đếến độ phân giải
năng lượng
ng trong phép đo bởi
b sự xuất hiện phần “cánh” bên cạnh
nh đđỉnh phổ trong
phổ độ cao xung. Các dạng
ng xung mà suy gi
giảm về mức cơ bản
n nhanh ssẽ giúp loại trừ
chồng chập đuôi.

9

Hình 7. Chồng chập đi và ảnh hưởng của nó lên phổ độ cao xung vi phân [1]
Loại chồng chập
p thứ
th hai là chồng chập đỉnh, xuất hiệnn khi hai xung rất
r gần
nhau đến mức hệ thống

ng phân tích xem như một
m xung (không thể phân biệt
bi hai xung
riêng lẻ). Trong Hình 8 cho thấy
th sự chồng chập với các phần đỉnh bằằng dẫn đến một
xung kết hợp xuất hiện
n có độ
đ cao gần bằng tổng độ cao củaa hai xung thành phần.
ph Sự
chồng chập loạii này không ch
chỉ dẫn đến sự biến dạng phổ phóng xạ thu
hu đư
được mà còn
gây nhiễu
u các phép đo đ
định lượng dựa trên việc đo phần diệnn tích dư
dưới đỉnh năng
lượng tồn phần. Sự chồ
ồng chập của hai xung năng lượng toàn phầnn làm m
mất vị trí
vốn có của cả hai trong ph
phổ độ cao xung và phần diện tích dưới đỉỉnh năng lượng
tồn phần trong phổ sẽ khơng cịn là một
m số đo tổng số sự kiệnn năng lư
lượng tồn
phần đúng. Bởi vì sự chồ
ồng chập dẫn đến việc ghi nhận mộtt xung thay vì hai xung,
phần diện tích tổng cộng
ng dư
dưới phổ thu được sẽ nhỏ hơn tổng số xung có m

mặt trong
hệ trong suốt thời gian đo.

10

Hình 8. Hai xung ở khoảng cách rất gần nhau tạo thành một
ột xung bị méo
méo.
Một vài trường
ờng hợp khác được phát thảo
th o với sự tăng chồng chập của xung
thứ nhất và thứ hai.
1.2.2 Các nguyên nhân gây ra thời
th gian chết
Các thiết bị điện
n ttử trong hệ thống quang phổ sử dụng mộtt phần
ph thời gian,
thường là theo thứ tự từ 1 đ
đến 70 μs, để xử lý các xung từ đầu dò.. Trong khi điện
đi tử
đang xử lý một xung, mộ
ột xung khác không thể được xử lý cho thờii gian đó. Trong
những trường hợp
p này, các thiết
thi bị điện tử có các xung “chết” đến và gây ra thời
th
gian chết. Trong trường
ng hợp
h tốc độ đếm xung đến nhỏ (ít hơn mộtt vài trăm lần

l /
giây) và khơng đổi, chỉ có m
một xác suất nhỏ mà xung đầu tiên sẽ khơng đư
được xử lý
hồn tồn trước khi
hi xung kế
k tiếp vào đầu dò. Tuy nhiên, trong mộtt số
s ứng dụng, tỷ
lệ đếm đến có thể cao ho
hoặc thay đổi nhanh chóng (từ tỷ lệ đếm rấtt thấp
th đến tỷ lệ
đếm cao trong khoảng
ng 100 μs
μs) đến điểm mà khi xử lý một xung chồng
ng lên nhau vvới
thời gian xảy ra củaa xung ti
tiếp theo. Trong những trường hợp
p này, xác suất
su mất thời
gian chết sẽ cao hơn nhiềều. Trong bất kỳ hệ thống nào, cho dù tốcc đđộ đếm thấp hay
cao, điện tử phải bù đắp
p chính xác thời
th gian chết để loại bỏ sai số hệ thống trong
việc định lượng hoạt động
ng ccủa bất kỳ nuclit nào trong một mẫu.
Chồng chập xung::
Đặc tính quan trọng
ng ccủa đầu dị là thời gian đáp ứng củaa nó. Đây là thời
th gian
đầu dị phát để tạo

o thành tín hiệu
hi sau khi phát xạ. Điều này rấtt quan tr
trọng đối với
các thuộc tính thờii gian ccủa detector. Đối với thời gian tốt, nó là cầần thiết cho các

11

tín hiệu để nhanh chóng hình thành một xung với một sườn tăng càng gần chiều dọc
càng tốt.
Theo cách này một khoảng thời gian chính xác hơn trong thời gian được
đánh dấu bằng tín hiệu. Thời gian của tín hiệu cũng rất quan trọng. Trong thời gian
này, một sự kiện thứ hai khơng thể được chấp nhận bởi vì đầu dị khơng nhạy hoặc
vì tín hiệu sẽ đống lên trên đầu tiên. Điều này góp phần vào thời gian chết của đầu
dị và giới hạn tốc độ đếm mà nó có thể hoạt động.
1.3 Phương pháp hiệu chỉnh thời gian chết
Phổ tia gamma yêu cầu một thời gian xử lý hữu hạn để đo lường và ghi lại
mỗi phát hiện ra tia gamma. Thông thường, thời gian xử lý nằm trong khoảng micro
giây đến hàng chục micro giây dựa trên phổ kế và ứng dụng dự định của nó. Các
quang phổ không thể hồi đáp lại với tia gamma khác trong thời gian xử lý này. Vì
thế, thời gian xử lý nói chung được gọi là thời gian chết. Kể từ photon tia gamma
đến đầu dò với một sự phân bố ngẫu nhiên trong thời gian, các photon đến đầu dị
trong thời gian chết này sẽ khơng được đếm hoặc đo, kết quả là mất thời gian chết.
Trong quá trình xử lí khác, số lượng tia gamma được báo cáo trong dải năng lượng
đo được sẽ là thấp hơn số lượng các tia gamma bị ảnh hưởng trên đầu dò trong các
q trình đo.
Đối với một sự tích tụ phổ thời gian cho một thời gian thực TR giây, thời gian
thực, tổng thời gian chết TD, và tổng thời gian sống TL có liên quan như sau [3]:
T =T −T

(1.2)

Thời gian thực (TR) là thời gian trôi qua mà trong đó phổ được tích lũy, như
được đo bằng đồng hồ trên tường, hoặc đồng hồ bấm giây chuẩn. Tổng thời gian
chết (TD) là tổng của tất cả các khoảng thời gian chết cá nhân trong q trình tích
lũy phổ.
Tổng thời gian sống (TL) là sự khác biệt giữa TD và TR, trong đó quang phổ
kế có thể phản ứng lại với tia gamma khác.
Các phổ kế thường cho kết quả thời gian chết dưới dạng phần trăm, giúp
người vận hành biết về mức độ nghiêm trọng của những mất mát thời gian chết. Sử
dụng phương trình (1.2), phần trăm thời gian chết (% DT) có thể được sinh ra như
sau:
T
T
%DT = x100% = 1 −
x100%
T
T

12

1.3.1 Phương pháp Live Time Clock (LTC)
Việc sử dụng thiết bị quang phổ để xác định vật liệu phóng xạ trong nhiều
ứng dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân vẫn tiếp tục mở rộng. Các ứng dụng
bao gồm phân tích các mẫu mơi trường, kiểm sốt quy trình hoặc các mẫu xác minh
q trình, các mẫu phóng xạ, khơng phổ biến hạt nhân, kiểm tra thải chất thải môi
trường và phân tích thành phần hóa học thơng qua việc sử dụng phân tích kích hoạt
neutron. Một hệ thống quang phổ năng lượng cho bức xạ hạt nhân, nói chung, bao
gồm một máy soi hoặc thiết bị dò chất bán dẫn, điện tử bao gồm một Multi Channel

Analyser (MCA), máy tính và phần mềm thu thập dữ liệu và phân tích.
Vấn đề cho bất kỳ ADC là nó chỉ có thể xử lý một xung mỗi lần. Trong thời
gian đo xung, ở nhiều micro giây trong nhiều trường hợp, các xung khác phải được
ngăn chặn. Đó là chức năng của cổng đầu vào. Giả sử khi xung của chúng ta đến
cổng đầu vào, ADC không hoạt động và mở cổng. Xung sẽ chuyển đến ADC và quá
trình chuyển đổi bắt đầu. Khi đó, ADC tạo ra một xung chọn - tín hiệu 'bận' - được
sử dụng để đóng cổng vào. Khi ADC kết thúc và đếm số liệu trong kênh MCA thích
hợp, cổng sẽ được mở lại để chờ xung kế tiếp. Thời gian đóng cửa được gọi là thời
gian chết (DT), không đáng ngạc nhiên, thời gian mở được gọi là thời gian sống
(LT) (Thời gian chết trong X quang có thể được gọi là thời gian giải quyết hoặc thời
gian tê liệt. Không phải là những thuật ngữ này thích hợp cho quang phổ gamma).
Thời gian vật lý bình thường được gọi là thời gian thực (RT), đôi khi gọi là thời
gian đồng hồ (CT) hoặc thời gian thực (TT) [3].
DT = RL – LT
Trong một phép đo cụ thể, thời gian từ lúc bắt đầu đếm đến cuối của phép
đếm có thể là 1000 giây (thời gian thực), nhưng trong khoảng 235 giây có thể cần
chuyển đổi xung (thời gian chết) dẫn đến cổng đầu vào chỉ được mở cho thời gian
sống 765 giây. Để tính tốn tỷ lệ đếm của toàn bộ dải hoặc các đỉnh trong dải phổ,
chúng ta phải chia số đếm được ghi lại theo thời gian sống. Theo cách đó, chúng ta
giải thích các xung trong khoảng thời gian chết. Các hệ thống MCA sẽ thường trình
bày thời gian chết khi số lượng tiến triển theo tỷ lệ phần trăm - 100 × (RT-LT) / RT.
Trong ví dụ trên, thời gian chết sẽ là 23.5%. Vậy cách nào để đo thời gian sống?
Các hệ thống MCA luôn đưa ra một đồng hồ đo thời gian sống (LTC); điều
này có thể cung cấp mỗi xung vài mili giây. Việc ghi nhận những xung này thẳng
vào bộ ghi sẽ đưa ra một cách đo về thời gian đếm - thời gian thực. Tuy nhiên, nếu
các xung đó được đưa vào bộ ghi qua cổng đầu vào, số được ghi lại sẽ tượng trưng
13

cho thời gian cổng đượcc m

mở - thời gian hoạt động của đếm.
m. Đây là cách thông
thường đo thời gian sống.
ng. Trong các h
hệ thống MCA cũ, thường sử dụng
d
các kênh 0
để đếm xung ghi (thờii gian ssống) và kênh 1 để đếm các xung thờii gian thực.
th
Ngày
nay, các bộ ghi riêng biệtt đư
được sử dụng, nhưng số liệu vẫn có thể đượ
ợc chèn vào các
kênh 0 và 1 để tương thích ngược.
Lưu ý rằng bất kỳ
ỳ tín hiệu chọn được áp dụng cho cổng đầuu vào ssẽ gây ra
một khoảng thời gian chếết. Do đó, đây là nơi thích hợp để gửii các xung nh
nhịp từ một
bộ khuếch đại để chỉ ra khoảng
kho
thời gian loại bỏ chồng chập.

Hình 9. Sơ đồ khối trong hệ thống MCA [3]
Do đó cần phảii có một
m điều chỉnh cho các bộ tạo xung khi tớii hệ
h thống MCA
nhưng khơng đượcc phân tích vì ADC đã bận việc đo trước đó. Bởii vì các xung bị
b
mất, chỉ cần chia số xung v
với một kênh, ở khu vực quan tâm, mộtt đđỉnh điểm, hoặc

là toàn bộ phổ, theo thờii gian tính th
thực sẽ đánh giá thấp tỷ lệ đếm.
m. Các xung bbị mất
có thể được tính bằng
ng cách chia số
s đếm theo thời gian sống, đượcc đo bbằng LTC.
Điều này hoạt động
ng ttốt ở các tỷ lệ từ thấp đếnn trung bình nhưng lạ
lại giới hạn ở
tốc độ đếm cao. Ở tốc độ đếm cao sẽ sinh ra th
thời gian chếtt làm cho điều này khơng
cịn chính xác cao nữa.. Cho đ
đến nay, có thể nói thời gian chếtt cao là ccần tránh. Mỗi
phịng thí nghiệm đều
u có gi
giới hạn riêng. Ở thời điểm chết rấtt cao, phép đo thời
th gian
sống có thể khơng chính xác do sự
s khác nhau về hình dạng giữaa các xung phát và
xung đồng hồ thờii gian ssống, mà không bị chặn bởi các cổng
ng vào. Vi
Việc đo thời gian
sống
ng khơng chính xác có thể nh
nhận biết được đồng vị nhưng ảnh
nh hư
hưởng đến chất
lượng củaa phép đo đồng vị định
đ
lượng.

14

Hệ thống LTC bình thường cũng có những hạn chế khi tốc độ đếm thay đổi
nhanh chóng trong suốt thời kỳ đếm. Các tình huống như vậy có thể phát sinh khi
đo nhanh các nguồn phân hủy hoặc khi phổ kế gamma được sử dụng để theo dõi
dòng chảy vật liệu qua đường ống. Một dòng của vật liệu đột ngột hoạt động cao có
thể làm tăng tỷ lệ đếm lên trên một phần giây và sau đó rơi lại một cách nhanh
chóng bằng nhau. Trong các trường hợp như vậy, tùy theo tốc độ đồng hồ, tỷ lệ đếm
có thể thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian xung đồng hồ, gây ra sự khơng chính
xác cho các xung bị mất.
Phương pháp LTC thường được gọi là phương pháp thời gian mở rộng
(extended live time clock – ELTC) vì đếm được mở rộng theo thời gian thực để tính
tốn thời gian chết và nó thường được đếm để tính thời gian sống [3]. Khi đếm một
nguồn phân rã, tỷ lệ đếm tại thời điểm bắt đầu đếm, sẽ rõ ràng là lớn hơn thời gian
đó. Trong thời gian có thể xảy ra tình huống đó, nó sẽ vào một khoảng thời gian
thấp hơn. Đây khơng phải là một tình huống thỏa đáng. Trong những trường hợp
như vậy, tốt hơn là đếm thời gian thực định trước để mọi phép đo có cùng một yếu
tố phân rã. Cho dù đếm thời gian thực hay thời gian sống định sẵn, trong bất kỳ
trường hợp nào cũng cần thiết để hiệu chỉnh sự phân rã trong khi đếm.
Phương pháp luận cho việc giải quyết vấn đề:
Vì các tia gamma được tạo ra bởi nguồn phóng xạ với sự phân bố ngẫu nhiên
theo thời gian, số lượng tia gamma tính trong một khoảng thời gian cố định là một
biến ngẫu nhiên. Nếu phổ năng lượng được tích lũy cho một thời gian sống định
trước TL, sau đó áp dụng phân bố Poisson [4]. Do đó, độ lệch chuẩn trong số liệu
ghi đếm NL, ở một vùng quan tâm được đặt trên một đỉnh trong phổ là:
σ

=

N

Đối với máy quang phổ gamma, điều quan tâm là hoạt động của đồng vị
phóng xạ, nó tỉ lệ thuận với tỷ lệ đếm đỉnh. Bằng cách chia số lần ghi lại theo thời
gian sống, ta tính tốn tốc độ đếm đúng tại detector, khơng có mất mát thời gian
chết.
N
R =
(1.3)
T
Trong đó, Ri biểu thị tốc độ thực đầu vào của tia gamma trong detector đối
với đỉnh được chọn trong phổ năng lượng.
Trường hợp thời gian sống được coi là biến, công thức đơn giản cho việc lan
truyền của hiệu suất lỗi thống kê là:

15

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỜI GIAN CHẾT TRONG KỸ THUẬT PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON LẶP VÒNG

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về