Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn be5030 (2)

Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

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

Lê Đức Thiện

Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế
gamma bán dẫn Be5030
1 quyen – Xb16 – 50 trang

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

1


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Lê Đức Thiện

Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế
gamma bán dẫn Be5030
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân
và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI VĂN LOÁT

Hà Nội – Năm 2012

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

2


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em và các bạn.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành
tới:
Phó giáo sư- Tiến sĩ Bùi Văn Loát , người thầy kính mến đã hết lòng giúp

đỡ, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, các anh chị
và các bạn đang làm việc tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự
nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn
này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè của tôi, những người
luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
luận văn này.
Hà Nội, ngày 29 tháng 11 năm 2012
Học viên

Lê Đức Thiện

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

3


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................8
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI.........10

1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani........................................................10
1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia
gamma và tia X.........................................................................................10
1.1.2. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani.................................................12
1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ......................................................................15
1.3. Độ phân giải năng lượng.......................................................................17
1.4. Tỉ số bề rộng đỉnh..................................................................................18
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM........................................................18

2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra.......................18
2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn
BEGe – Canberra.........................................................................................20
2.2.1. Đêtectơ BEGe.................................................................................20
2.2.2. Buồng chì........................................................................................21
2.2.3. Khối tiền khuếch đại.......................................................................21
2.2.4. Khối khuếch đại phổ.......................................................................22
2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D.............................................22
2.2.6. Khối phân tích đa kênh...................................................................22
2.3. Đường chuẩn năng lượng......................................................................23
2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi......................................................24
2.5. Phương pháp hiệu chỉnh chồng chập xung............................................25
2.6. Hiệu ứng cộng đỉnh...............................................................................26
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................................27

3.1. Xác định chế độ làm việc của hệ phổ kế BEGe – Canberra..................27
3.2. Đường chuẩn năng lượng......................................................................31
3.3. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ
gamma..........................................................................................................33
3.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi......................................................35
3.5. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách..................................41

3.6. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi, phân tích mẫu đất đá..................43
Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

4


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

3.7. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của U, Th, K trong mẫu đất đá.........46
KẾT LUẬN..............................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................51
PHỤ LỤC................................................................................................................. 53

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Độ phân giải năng lượng tại vạch 661.66 keV ứng với thời gian hình
thành của xung..........................................................................................................28
Bảng 3.2. Số liệu các tia gamma được chọn để chuẩn năng lượng và vị trí cực đại
(kênh) tương ứng.......................................................................................................30
Bảng 3.3. Độ phân giải năng lượng ( FWHM ) η đêtectơ BEGe –Canberra............32
Bảng 3.4. Các thông số của nguồn chuẩn dùng trong luận văn...............................34

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

5


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức
xạ gamma được chọn để tính hiệu suất ghi của đêtectơ ở khoảng cách 8cm............35
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức
xạ gamma được chọn để tính hiệu suất ghi của đêtectơ ở khoảng cách

9

cm..............................................................................................................................37
Bảng 3.7. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng
cho các đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn.........................................................43
Bảng 3.8.a. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong
dãy Uran, Thori và kali trong mẫu đất đá BN ..........................................................47
Bảng 3.8b. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy
Uran, Thori và kali trong mẫu đất đá BT..................................................................47
Bảng 3.8c. Hàm lượng U,Th,K trong 02 mẫu đất đá phân tích................................48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1a. Sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đetectơ bán dẫn BEGe – Canberra
...................................................................................................................................18
Hình 2. 1b. Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra..............................19
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng của năng lượng tại một nửa
chiều cao của đỉnh (FWHM ) và độ rộng năng lượng tại 1/10 chiều cao của đỉnh
(FWTM), tỉ số ( FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn
137

Cs ở khoảng cách từ nguồn tới đetectơ 8cm.........................................................29

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

6


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Hình 3.2. Dạng phổ gamma tại đỉnh năng lượng 661,66 keV của nguồn

137

Cs được

ghi nhận bởi hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra với thời gian hình thành
xung 1 μs...................................................................................................................30
Hình 3.3. Dạng phổ gamma tại đỉnh năng lượng 661,66 keV của nguồn

137

Cs được

ghi nhận bởi hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra với thời gian hình thành
xung 4 μs...................................................................................................................30
Hình 3.4. Dạng phổ của nguồn 60Co được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn
BEGe- Canberra, ở khoảng cách 8cm.......................................................................31
Hình 3.5. Đường chuẩn năng lượng đetectơ BEGe – Canberra................................33
Hình 3.6. Độ phân giải năng lượng phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ
gamma.......................................................................................................................34

Hình 3.7. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách giữa nguồn
và đêtectơ của nguồn

54

Mn được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn

Canberra....................................................................................................................36
Hình 3.8. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma
bán dẫn Canberra ở khoảng cách cách nguồn là 8 cm ............................................39
Hình 3.9. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma
bán dẫn Canberra ở khoảng cách cách nguồn là 9 cm ............................................41
Hình 3.10. Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU khối lượng 99g được đo trên hệ phổ kế
gamma BE5030 với thời gian đo 74349 s.................................................................44
Hình 3.11. Đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn
với mẫu chuẩn RGU1 được đặt trên nắp đêtectơ......................................................46
Hình 3.12a. Phổ gamma của mẫu đất đá BN được đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn
BE5030 thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQGHN thời gian đo 55253s................................................................................47
Hình 3.12b. Phổ gamma của mẫu đất đá BT được đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn
BE5030 thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thời
gian đo 230031s........................................................................................................48

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

7


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Hình P1.Buồng chì vỏ ngoài bằng thép cacbon phông thấp dày 9,5mm..................5 1
Hình P2.Lớp che chắn bên trong bằng đồng dày 1,6mm và đêtectơ........................51

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
εabs: Hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần
N: Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
A: Hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo
tm: Thời gian đo
Iγ: Hệ số phân nhánh của bức xạ gamma năng lượng E còn gọi là xác suất phát
bức xạ gamma.
σ: Sai số hiệu suất ghi
E: Năng lượng bức xạ gamma

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

8


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

F: Hệ số Fano phản ánh mức độ gián đoạn của sự truyền năng lượng bức xạ ion hóa
cho các cặp phần tử tải điện
ω: Năng lượng cần thiết để tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.
n: Tốc độ đếm đã trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc
trưng năng lượng Eγ.
Ultra- LEGe: Đêtectơ Gecmani năng lượng siêu thấp

LEGe: Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp
REGe :Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngược
XtRa: Đêtectơ Ge đồng trục dải rộng
BEGe: Đêtectơ dải năng lượng rộng
FWHM: Độ rộng nửa chiều cao của đỉnh phổ hay Độ phân giải năng lượng
FWTM: Độ rộng tại 1/10 chiều cao của đỉnh phổ
ADC: Bộ biến đổi tương tự số
MCA:Máy phân tích biên độ nhiều kênh

MỞ ĐẦU
Phổ kế gamma với đêtectơ bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các nghiên
cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ hạt nhân. Độ phân giải
năng lượng và hiệu suất ghi là hai trong số những đặc trưng quan trọng nhất của phổ
kế gamma. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay hệ phổ kế gamma dải rộng
với đêtectơ có tinh thể ngày càng lớn, cho phép tăng hiệu suất ghi của đetectơ và
mở rộng dải năng lượng đo được về phía năng lượng lớn. Cùng với tự mở rộng dải
đo về phía năng lượng lớn, các đêtectơ có cửa sổ bằng cacbon màng mỏng cho phép
mở rộng dải về phía năng lượng thấp để ghi nhận các tia gamma mềm và tia X.
Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải
năng lượng rộng, làm lạnh bằng điện do hãng Canberra chế tạo. Hệ phổ kế được

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

9


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

nghiệm thu chính thức vào tháng 11 năm 2011. Xác định các đặc trưng cơ bản của
hệ phổ kế một cách có hệ thống là cần thiết để phục vụ cho việc vận hành và bảo
dưỡng .
Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xác định các đặc
trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 ”, tác giả được giao những nhiệm vụ
sau:
Tìm hiểu sơ đồ cấu tạo, nguyên lí hoạt động của hệ phổ kế gamma bán dẫn
dải năng lượng rộng – Canberra và xác định chế độ làm việc của hệ.
Xác định bằng thực nghiệm độ phân giải năng lượng của đêtectơ.
Xây dựng đường chuẩn năng lượng và đường cong hiệu suất ghi. Khảo sát sự
phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ.
Xây dựng đường cong hiệu suất ghi đối với mẫu chuẩn, áp dụng phân tích
một số mẫu đất đá. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của

238

U, 232Th, 40K

Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ và 10 bảng biểu, được hoàn
chỉnh dựa trên 12 tài liệu tham khảo.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm ba chương
Chương 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm
Chương 3. Kết quả thực nghiệm.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN
GECMANI
1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma

và tia X
Nhờ sự phát triển của thiết bị ghi đo ngày nay phép đo phổ đã có những tiến
bộ đáng kể. Giai đoạn đầu các đầu dò còn khá thô sơ và chỉ có thể dùng để xác định
sự hiện diện của bức xạ. Ở giai đoạn thứ hai các đầu dò có thể đo được cường độ
bức xạ nhưng thông tin về năng lượng cung cấp được còn rất hạn chế. Ngày nay các
đầu dò hiện đại có độ phân giải tốt hiệu suất ghi cao cho phép đo được chính xác

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

10


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

cưòng độ và năng lượng của bức xạ. Sau đây là các mốc thời gian đáng chú ý trong
suốt quá trình phát triển và ứng dụng đetectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma
[10]
Năm 1895, Rơnghen đã thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện
chứa khí. Tia X có thể được đo bằng phương pháp huỳnh quang vì chúng có khả
năng làm phát quang một số vật liệu. Phổ kế quang học ứng dụng hiện tượng tán sắc
ánh sáng có thể được dùng để đo bước sóng tia X nhưng cũng chỉ đo được bước
sóng tia X lớn hơn 0,1nm. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể
tinh khiết tự nhiên, Bragg đã đo được tia X có bước sóng bé hơn và nhận thấy rằng
phổ tia X có cấu trúc vạch phân rõ trên nền phông liên tục.
Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên khi tình
cờ đặt các mẫu quặng phóng xạ uranium gần kính ảnh.
Năm 1900, Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không
những phát ra các tia α và β có thể bị lệch trong từ trường mà còn phát ra một loại

bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh được gọi là tia gamma. Cùng với những
nghiên cứu đầu tiên về tia X và tia gamma, các thiết bị ghi bức xạ tia X và tia
gamma cũng phát triển theo.
Năm 1908, Rutherford và Geiger đã phát minh ra ống đếm chứa khí cho
phép đo cường độ của chùm tia X và tia gamma, đây là tiến bộ nhảy vọt so với kỹ
thuật xử lý bằng kính ảnh trước đó.
Năm 1948, Hofstadter đã chế tạo ra đêtectơ nhấp nháy NaI(T1) có khả năng
đo được phổ gamma với dải năng lượng rộng hơn. Tinh thể chất nhấp nháy được
chế tạo có kích thước ngày càng lớn cho nên có khả năng hấp thụ các tia gamma có
năng lượng cao thậm chí lên tới 1 MeV. Các đặc trưng cơ bản của đêtectơ nhấp
nháy là có hiệu suất ghi và độ phân giải tương đối cao
( FWHM cỡ 45 keV tại vạch năng lượng 662 keV của đồng vị phóng xạ

137

Cs), tinh

thể nhấp nháy có tính chất vật lý và hóa học ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng.
Hiện nay đêtectơ nhấp nháy vẫn còn đang được sử dụng khá phổ biến vì chúng đơn
giản và dễ vận hành, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng ,giá thành rẻ.

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

11


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Năm 1960, một thế hệ phổ kế gamma mới được nghiên cứu chế tạo dựa theo
cơ chế nhiễu xạ chùm tia gamma trên tinh thể của Bragg, gọi là hệ phổ kế tinh thể.
Loại phổ kế gamma này có độ phân giải rất cao ( FWHM cỡ 1 eV tại vạch năng
lượng 100 keV) ở vùng năng lượng thấp. Nhược điểm cơ bản của loại phổ kế
gamma này là hiệu suất ghi rất thấp, do đó chỉ dùng để đo một số ít nguồn phóng xạ
tia gamma có cường độ lớn và nhờ có độ chính xác cao nên chúng được dùng để
chuẩn các hệ phổ kế gamma khác trong suốt một thời gian dài của kỷ nguyên ứng
dụng đêtectơ nhấp nháy.
Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công
đêtectơ Ge (Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng
vật liệu bán dẫn để chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng như
các loại đetectơ phát hiện các hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại
đêtectơ này phải chế tạo dưới dạng tinh thể . Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn như
silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại đêtectơ ghi nhận bức xạ tia
X và tia gamma có độ phân giải cao này. Các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Ge
cho phép đo được một dải năng lượng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm bằng vật
liệu bán dẫn Si chỉ đo được ở vùng năng lượng thấp vì số nguyên tử của silicon
thấp. Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ 5 keV tại vạch năng lượng
1332 keV của đồng vị phóng xạ 60Co ) và tốt hơn 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy
NaI (T1). Việc nâng cao độ phân giải có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lịch sử
chế tạo phổ kế gamma ở cả hai mặt nghiên cứu gamma đơn năng có mặt trong phổ.
Đặc biệt từ năm 1980 người ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn
gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn
trước đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phương pháp phân tích hạt
nhân. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lượng tia gamma quan tâm,
người ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng Canberra như Ultra
LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6].
1.1.2. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
Đêtectơ Gecmani

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

12


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Đêtectơ Gecmani [6] là những điốt bán dẫn có cấu trúc P-I-N trong đó vùng
bên trong ( I ) là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ. Khi
photon tương tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ
trống và electron) và dưới tác dụng của thế ngược chúng di chuyển tới cực P và N.
Lượng điện tích này tỉ lệ với năng lượng của các photon tới và được chuyển thành
các xung điện đưa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích.
Vì Gecmani có độ rộng vùng cấm thấp cho nên các đêtectơ phải được làm
lạnh để làm giảm nhiệt của việc phát sinh các hạt tải điện tới một mức có thể chấp
nhận được, nếu không việc rò rỉ tiếng ồn có thể làm phá hủy độ phân giải năng
lượng của đêtectơ. Nitơ lỏng, có nhiệt độ 770K là nguyên liệu phổ biến để làm lạnh
cho các đêtectơ. Các đêtectơ thường được gắn vào một buồng chân không được kết
nối hoặc chèn vào hệ thống làm mát LN 2, khi đó các bề mặt rất nhạy của đetectơ sẽ
được bảo vệ trước độ ẩm và những chất gây ô nhiễm khác.
Khi năng lượng bức xạ gamma bay vào vật chất nó sẽ tạo nên electron tự do
– lỗ trống thông qua ba quá trình tương tác hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và
tạo cặp [3]. Electron tự do di chuyển với động năng lớn sẽ làm kích thích các
electron chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống. Như vậy thông qua các hiệu
ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo ra hàng loạt các electron và các lỗ trống trong
tinh thể bán dẫn. Dưới tác dụng của điện trường các electron chuyển động về cực
dương, các lỗ trống chuyển động về cực âm, kết quả ta có một xung dòng ở lối ra.
Một số đêtectơ Ge do hãng Canberra đã chế tạo ra: đêtectơ Ultra- LEGe,

đêtectơ năng lượng thấp (LEGe), đêtectơ giếng Gecmani, đêtectơ phân cực ngược,
đêtectơ đồng trục khoảng rộng (XtRa), đêtectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe), đêtectơ
dải năng lượng rộng ( BEGe).
Đêtectơ Gecmani năng lượng siêu thấp ( Ultra- LEGe )
Đêtectơ ULEGe [1] của hãng Canberra, mở rộng dải đặc tính của đêtectơ Ge
xuống tới vài trăm eV, cung cấp khả năng phân giải, dạng đỉnh và tỷ số đỉnh trên
nền khi mà ta nghĩ là không thể đạt được đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử
( Z=32) và do đó phủ một dải rộng năng lượng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

13


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

trên thị trường. Đêtectơ ULEGe có khả năng phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM)
tại 5,9 keV. Do đặc trưng năng lượng thấp của ULEGe, Canberra cung cấp sự chọn
lựa cửa sổ cryostat màng polymer. Cửa sổ Polymer này là một màng nhiều lớp được
đỡ bằng cấu trúc xương Silic. Màng được mở rộng ra trên các xương Silic cỡ
100μm, có độ dày 0,3mm và hoạt động như một Collimator.
Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp
Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới
trong hình học đêtectơ Ge với những ưu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản
mỏng (planar) hoặc đồng trục thông thường có nhiều ứng dụng. Đêtectơ LEGe được
chế tạo với tiếp xúc phía trước mỏng. Tiếp xúc phía sau bé hơn diện tích toàn phần
và do đó điện dung của đêtectơ bé hơn điện dung của đêtectơ planar có cùng kích
thước. Vì tạp âm của tiền khuếch đại là hàm số của tụ đêtectơ, cho nên LEGe cố

gắng làm cho tạp âm thấp hơn và do đó khả năng phân giải tốt hơn tại năng lượng
thấp và vừa so với bất kỳ hình học đêtectơ nào khác. Không giống các đêtectơ
planar rãnh, có ít gecmani chết ngoài vùng hoạt. Thực tế là bề mặt tụ điện tích hơn
là cách điện , điều này dẫn đến ít xung thời gian tăng dài với đặc trưng tần số và tỷ
số đỉnh trên nền được cải thiện. Đêtectơ LEGe có vùng hoạt từ 50 mm2 tới 38 cm2
và với độ dày từ 5 tới 25mm. Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lượng
gamma trung bình, LEGe có thể thay thế một đêtectơ đồng trục dung tích lớn đắt
tiền. Lợi dụng ưu điểm đáp ứng năng lượng thấp của đetectơ cửa sổ mỏng cơ bản
này, LEGe thường được trang bị với cửa sổ Be mỏng. Đối với bài toán đo bức xạ
gamma hoặc tia X có năng lượng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể được trang bị
với một cửa sổ nhôm 0,5 mm thông thường.

Đêtectơ Gecmani đồng trục
Đêtectơ đồng trục thông thường hay được xem như đêtectơ Ge tinh khiết
[1] ,về cơ bản đầu dò là Ge hình trụ với tiếp xúc loại N trên mặt ngoài tiếp xúc loại
P trên mặt của giếng đồng trục. Gecmani có mức tạp chất thực cỡ 10 10 nguyên tử /
cm3 sao cho với điện áp ngược thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

14


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

làm nghèo và điện trường mở rộng qua vùng hoạt này. Tương tác của photon trong
vùng này tạo nên các phần tử mang điện bị quét bằng điện trường tới các điện cực
tụ của nó, ở đây một tiền khuếch đại nhạy điện tích biến đổi điện tích này thành

xung thế tỷ lệ với năng lượng bị mất trong đầu dò. Dải năng lượng sử dụng của
đêtectơ Ge đồng trục là 50 keV đến hơn 10 MeV .
Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngược
Đêtectơ điện cực ngược ( REGe ) [1] khác với các đêtectơ đồng trục thông
thường khác đó là điện cực của đêtectơ REGe ngược với đêtectơ đồng trục thông
thường trong đó điện cực loại P, ( B được nuôi cấy ion ) bên ngoài và tiếp xúc loại
N ( khuếch tán Li ) bên trong. Ưu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ và
chống hỏng hóc do bức xạ.
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] là một đetectơ Ge đồng trục có một tiếp xúc
cửa sổ mỏng duy nhất trên mặt trước mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Các
đêtectơ đồng trục thông thường có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày giữa
0,5 và 1,5 mm. Lớp chết này dừng hầu hết các photon có năng lượng dưới 40 keV.
Đêtectơ giếng Gecmani
Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho các mẫu nhỏ gần như được
bao quanh bằng vật liệu đêtectơ hoạt. Đêtectơ giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt
để lại ít nhất 5mm độ dày đêtectơ hoạt tại đáy của giếng. Đêtectơ giếng được chế
tạo từ Ge có độ tinh khiết cao có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ
phòng mà không bị hỏng .
Đêtectơ dải năng lượng rộng (BEGe) được trình bày trong phần 2 của khóa
luận này.
1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ
Khi photon đi vào đêtectơ, tương tác với vật liệu đầu dò theo một trong các
hiệu ứng sau: Hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton , tán xạ Thomson, hiệu ứng tạo
cặp. Trong đó hiệu ứng quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lượng toàn phần của

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

15

Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

photon cho đêtectơ còn các hiệu ứng khác chỉ chuyển một phần năng lượng của
photon cho đêtectơ.
Trong thực tế điều cần xác định là các đặc trưng của tia gamma cũng như các
đặc trưng của nguồn cần quan tâm. Các đặc trưng này có thể là năng lượng của tia
gamma hay hoạt độ của nguồn, trong khi đó cái mà ta thu được chỉ là số đếm ghi
nhận từ đầu dò. Để có thể xác định được hoạt độ của nguồn từ số đếm cần phải biết
hiệu suất ghi của đêtectơ.
Không phải bất kỳ hạt nào, đặc biệt là photon và nơtron khi đi vào đêtectơ
đều tương tác với nó, hơn nữa nếu tương tác đã xảy ra thì tín hiệu cũng chỉ ghi nhận
được khi độ lớn của nó vượt ngưỡng nhạy của hệ ghi. Xác suất ghi có thể phụ thuộc
vào loại bức xạ, năng lượng của nó, kích thước hình học của đêtectơ, dạng hình học
của các nguồn bức xạ, mức phân biệt của thiết bị ghi nhận (mức nhạy ).
Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu
suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần. Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn
phần thường được gọi là hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức sau:

ε abs ( E ) =

N
AI r tm

(1.1)

Trong đó : εabs là hiệu suất ghi tuyệt đối
N là diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần

A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo
tm là thời gian đo
Iγ là hệ số phân nhánh của bức xạ gamma năng lượng E còn gọi là xác
suất phát bức xạ gamma.
Từ công thức ( 1.1) và công thức truyền sai số, xác định sai số hiệu suất ghi [5] :
2
 σ A   σ Iγ
σε = ε 
÷ +
 A   Iγ

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

2

  σ N 2
+
÷
÷  N ÷



16

(1.2)


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

1.3. Độ phân giải năng lượng
Trong trường hợp lí tưởng mỗi tia gamma có năng lượng giống nhau sẽ cho
cùng số kênh trên phổ gamma. Nhưng thực tế các đỉnh phổ trải rộng trên một số
kênh, với ưu thế tại một kênh trung tâm, mà chúng ta có thể xác định ứng với năng
lượng của tia gamma, nguyên nhân là do có thăng giáng trong quá trình phát hiện và
ghi nhận, gây ra các sự kiện giống nhau như số đếm trên các kênh phổ khác nhau.
Thăng giáng của các nguồn có thể được xác định bởi biểu thức[10]

η2 =ηI2 +ηP2 +ηE2 +ηC2

(1.3)

Trong đó η là tổng thăng giáng năng lượng được đo bằng phổ kế.
η I thăng giáng năng lượng do độ rộng mức năng lượng.
η P thăng giáng trong việc tạo cặp điện tử lỗ trống trong đêtectơ [10].

(1.4)

η P = 2.355 Fω / E

trong đó : E là năng lượng bức xạ gamma, F là hệ số Fano phản ánh mức độ gián
đoạn của sự truyền năng lượng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là
năng lượng cần thiết để tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.
ηC thăng giáng do sự ghi nhận các điện tích trong đetectơ [10].

η C = C .E

( C là hệ số tỷ lệ C = const ).

(1.5 )

η e thăng giáng do nhiễu điện tử trong việc xử lí các xung [10].

ηe = A

( A là hằng số tỷ lệ )

( 1.6 )

Trong các trường hợp có thể bỏ qua thăng giáng do độ rộng mức năng lượng
[10]: Suy ra

η 2 = η P2 + ηC2 + η E2 = P 2 E + C 2 E 2 + A2

η = P 2 E + C 2 E 2 + A2

( 1.7 )
(1.8)

Thăng giáng về năng lượng của một tia gamma để lại trong hạt nhân nên phổ
thường có độ rộng hữu hạn ∆E. Nếu độ rộng ∆E càng nhỏ, tức là đỉnh càng hẹp thì

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

17


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

càng có thể phát hiện những đỉnh nằm cạnh nhau. Nhưng nếu độ rộng ∆E càng lớn,
các đỉnh lân cận nhau không thể tách rời thì chúng được xem như một đỉnh. Như
vậy chính độ rộng đỉnh quy định khả năng phân giải của thiết bị đo phổ.
1.4. Tỉ số bề rộng đỉnh
Bên cạnh việc xác định FWHM của đỉnh phổ, thì bề rộng của đỉnh phổ còn
được đo bằng thông số khác là FWTM, là bề rộng tại 1/10 chiều cao. Người ta đưa
ra tỉ số FWTM/FWHM để làm thông số đánh giá hình dạng của phổ [8]. Đối với
đỉnh Gauss lí tưởng thì tỉ số này là 1,82 còn trong thực tế tỉ số này nhỏ hơn 1,9. Tại
các vùng năng lượng cao, dạng của phổ ít bị ảnh hưởng của độ ồn điện tử, nhưng lại
chịu ảnh hưởng của quá trình thu nhận điện tích ( ví dụ như các bẫy điện tử hoặc
vùng điện trường yếu…) dẫn tới sự bất đối xứng của phổ và hình thành các đuôi.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra
Hình 2.1a là sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ BEGe do hãng
Canberra cung cấp được đặt tại bộ môn vật lý hạt nhân, khoa vật lý trường Đại học
Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Hình 2.1b là sơ đồ khối của hệ phổ kế
trên.

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

18


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

Hình 2. 1a. Sơ đồ hệ phổ kế gamma dải rộng với đêtectơ bán dẫn BEGe Canberra

Chất lượng của một hệ phổ kế được đánh giá bởi các thông số: Hiệu suất ghi,
độ phân giải năng lượng (FWHM), dải năng lượng có thể ghi nhận, tỷ số đỉnh trên
phông, độ tuyến tính và ổn định của ADC…Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra gồm: buồng chì, đêtectơ bán dẫn Ge giải năng lượng rộng (BEGe), các hệ
điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC) , máy
phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn nuôi cao áp… Ngoài ra, còn có thể có
các bộ phận khác như máy phát xung chuẩn hoặc bộ loại trừ chồng chập xung để
hiệu chỉnh các hiệu ứng gây mất số đếm trong trường hợp tốc độ đếm lớn, bộ
khuếch đại phổ… Hệ phổ kế được ghép nối với máy tính thông qua card ghép nối,
việc ghi nhận và xử lý phổ được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như
Genie 2000, Gamma Vision

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

19


Luận văn tốt nghiệp

1

Lê Đức Thiện

3

2

5

6

7

4

Hình 2. 1b. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra
1. Đêtectơ BEGe

5. Khuếch đại tuyến tính

2. Nguồn nuôi cao áp

6. Máy phân tích biên độ nhiều kênh

3. Tiền khuếch đại

7. Máy tính

4. Máy phát xung chuẩn
2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra
2.2.1. Đêtectơ BEGe
Có dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV[6]. Độ phân giải năng lượng ở
vùng năng lượng thấp của BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của
đêtectơ Ge năng lượng thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương
đương với độ phân giải năng lượng của đêtectơ đối xứng trục chất lượng tốt.
Quan trọng nhất là BEGe có hình dạng ngắn và to giúp tăng hiệu suất ghi
dưới 1 MeV cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình. Hình dạng đêtectơ được chọn
cho hiệu suất ghi tối ưu đối với các mẫu thực tế trong dải năng lượng là quan trọng
nhất để phân tích phổ gamma. Ngoài ra đêtectơ còn cho hiệu suất ghi cao hơn cho

các mẫu điển hình, BEGe có phông nền thấp hơn so với đêtectơ đối xứng trục điển
hình vì nó có độ phân giải tốt với bức xạ năng lượng cao, phông có nguồn gốc vũ
trụ xuyên vào phòng thí nghiệm trên mặt đất và năng lượng gamma từ các đồng vị
phóng xạ trong tự nhiên ví dụ như 40K và 208Tl.
Đối với các mẫu thông thường, đêtectơ BEGe có nhiều ứng dụng vượt trội,
với phép đo liều lượng BEGe cho độ phân giải cao và phông thấp để phân tích dãy

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

20


Luận văn tốt nghiệp
phóng xạ

235
92

Lê Đức Thiện

U, hiệu suất ghi và độ phân giải năng lượng ở mức cao cho toàn bộ các

lần đếm, điều này cũng đúng cho hệ thống phân tích hao mòn nhất là đối với vật
chất có hạt nhân đặc biệt.
Trong luận văn này sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải năng lượng rộng
( BEGe ) model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đường kính 80.5mm,
diện tích 5000 mm2, chiều dày 31mm, làm lạnh bằng điện cần 24 giờ để làm lạnh
đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90K, đetectơ do
hãng Canberra sản xuất [5]. Phần mềm Genie 2000 được sử dụng để ghi nhận, lưu
trữ và phân tích phổ. Khi bức xạ gamma bay vào đầu dò, do tương tác của bức xạ

gamma với vật chất, các cặp điện tích trong đầu dò sẽ được hình thành. Số lượng
cặp điện tích này tỷ lệ với năng lượng của tia gamma bị hao phí trong đầu dò. Các
khối điện tử có nhiệm vụ xử lý các xung này và sau đó hiển thị trên máy tính dưới
dạng phân bố của tia gamma được ghi nhận theo năng lượng của chúng.
2.2.2. Buồng chì
Để giảm bớt phông do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố
xung quanh đêtectơ làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo được, điều
tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp. Với đêtectơ BEGe dạng thẳng đứng
sử dụng buồng chì có vỏ ngoài làm bằng thép cacbon phông phóng xạ thấp dày 9,5
mm, phần chì phông thấp dày 10cm, lớp che chắn bên trong làm bằng kẽm có
phông phóng xạ dày 1mm và đồng tinh khiết dày 1,6 mm, trọng lượng 950 kg.
2.2.3. Khối tiền khuếch đại
Tiền khuyếch đại được nối trực tiếp với đêtectơ. Khả năng tốc độ đếm >~
30000 số đếm / s (60Co ), lối vào cao thế cung cấp cho đêtectơ từ 0 đến ± 5 kV DC,
lối ra cấm cao thế ±12V,độ ổn định hệ số khuếch đại <0,005% với dải nhiệt độ 0
đến +500C. Nhiệm vụ của nó là khuếch đại sơ bộ tín hiệu từ đêtectơ. Khối tiền
khuếch đại quyết định độ phân giải năng lượng của phổ kế. Các phổ kế sử dụng
đêtectơ Ge thường được sử dụng tiền khuếch đại nhạy điện tích. Đặc điểm quan
trọng của loại này là nó không phụ thuộc vào sự biến đổi điện dung của đêtectơ
nhờ sự tích phân điện tích trên một tụ phản hồi. Khối tiền khuếch đại thường được

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

21


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

đặt sát với đêtectơ và làm lạnh để giảm mức ồn nhiệt. Tiếng ồn trong tiền khuyếch
đại nhạy điện tích phụ thuộc vào ba yếu tố: tranzito trường, điện dung lối vào và
điện trở lối ra.
2.2.4. Khối khuếch đại phổ
Có hệ số khuếch đại thô điều chỉnh được bằng chuyển mạch có 8 vị trí X5;
10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000. Hệ số khuếch đại tinh điều chỉnh được bằng chiết
áp nhiều vòng chính xác, khoảng cách điều chỉnh từ 0,5 – 1,5 của thang khuếch đại
tương ứng. Thời gian hình thành xung điều chỉnh được bằng núm chuyển mạch, có
6 vị trí 0,5; 1; 2; 4; 6;12 μs có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ tiền khuếch đại
( thông qua biên độ nhỏ hơn 1 V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý
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 / tiếng ồn ( S/ N ) và ngăn ngừa sự chồng chập
xung. Trong các mạch tạo xung thì mạch CR-RC thường hay được sử dụng nhất.
Mạch vi phân CR có tác dụng đối với phần đuôi của xung và có thể coi như một bộ
lọc chỉ cho tần số thấp qua. Kết hợp hai mạch này ta có thể được xung lối ra có
dạng gần Gauss và có tỉ số S/N tối ưu.
2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D
Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đêtectơ có mức điện áp trên 6
kV và cường độ dòng trên 30μA. Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V
tới ±6000 V. Với các đêtectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung
bình trong khoảng từ ±3 V tới ± 600V và phải đảm bảo độ ổn định. Do vậy khối cao
thế thường có các mạch điện tử cho phép điều chỉnh quá trình trôi do thay đổi nhiệt
độ hoặc điện áp nguồn nuôi. Do khối tiền khuếch đại chứa tranzito trường nên cao
thế đặt trên đêtectơ phải được nâng lên hoặc hạ xuống một cách từ từ, tránh tăng
hoặc giảm một cách đột ngột dẫn đến có thể làm hỏng tranzito trường.
2.2.6. Khối phân tích đa kênh
Gồm có bộ biến đổi tương tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA). Bộ biến đổi
tương tự số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số. Phương
pháp phổ biến nhất là phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V 0 được so

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

22


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

sánh với điện áp tăng tuyến tính V r cho đến khi Vr = V0 thì xuất hiện một xung mở
cổng. Độ rộng của xung này bằng khoảng cách thời gian cần thiết để V r = V0.Trong
thời gian cổng được mở các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm
bởi bộ đếm địa chỉ. Số đếm này tỉ lệ với biên độ xung lối vào V 0 và xác định địa chỉ
cho xung lối vào trong bộ phân tích đa kênh (MCA) và tại địa chỉ này bộ nhớ số
đếm sẽ tăng thêm một đơn vị. Các tia gamma có năng lượng khác nhau lần lượt
được biến đổi như vậy sẽ tạo ra một hình ảnh phân bố biên độ xung ( phân bố tia
gamma theo năng lượng của chúng ) hay còn gọi là phổ gamma. Số địa chỉ của một
bộ phân tích đa kênh 16000 kênh với bề rộng của mỗi kênh tương ứng với năng
lượng là 0.5keV.
2.3. Đường chuẩn năng lượng
Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại đỉnh
hấp thụ toàn phần vào năng lượng của vạch bức xạ gamma tương ứng. Để xây dựng
đường chuẩn năng lượng bằng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ
toàn phần của vạch gamma đã biết trước năng lượng. Nguồn chuẩn năng lượng là
nguồn đã biết trước năng lượng của các bức xạ gamma phát ra từ nguồn. Với những
nguồn phức tạp gồm nhiều thành phần thì đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ
gamma có năng lượng thấp nằm trên nền Compton liên tục của bức xạ gamma có
năng lượng cao. Những bức xạ gamma có năng lượng lớn và cường độ mạnh, sẽ
làm sai lệch vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch gamma có năng lượng nhỏ và
cường độ yếu. Sự dịch chuyển đỉnh phổ của bức xạ gamma có năng lượng nhỏ rất

rõ trong trường hợp bức xạ này có giá trị trùng với biên Compton liên tục của bức
xạ gamma năng lượng lớn. Độ chính xác của việc xây dựng đường chuẩn năng
lượng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định vị trí cực đại của đỉnh được chọn
làm chuẩn để xây dựng đường chuẩn. Tốt nhất là chọn nguồn chuẩn năng lượng là
các nguồn gamma đơn năng. Các đỉnh được chọn xây dựng đường chuẩn năng
lượng có giá trị phân bố đều trong vùng năng lượng gamma quan tâm là tốt nhất.
Trên thực tế, nếu không có nguồn chuẩn gamma đơn năng, có thể sử dụng nguồn
gamma phức tạp có nhiều thành phần. Trong các vạch gamma của nguồn phức tạp,

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

23


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

chọn vạch phổ có năng lượng lớn nhất, những vạch có cường độ mạnh và ở xa các
vạch khác.
Trong chương trình Genie 2000 đường chuẩn năng lượng được xử lý tự
động. Với mỗi đỉnh năng lượng được chọn, nhập số liệu năng lượng bức xạ gamma,
sau khi xử lí phổ, vị trí cực đại của đỉnh được xác định. Từ tập hợp các số liệu thu
được sau khi phân tích phổ gamma của các nguồn chuẩn, chúng tôi xác định được
vị trí cực đại của các vạch được chọn. Từ đó, chương trình xử lý phổ tự động đưa ra
đường chuẩn năng lượng. Với chương trình này cho phép phân tích thành phần phổ
gamma được ghi nhận bởi hệ phổ kế.
2.4. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi
Để xác định hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu phân tích,
theo phương pháp phổ gamma, cần biết hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với vạch hấp

thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng. Vì vậy, ngoài xây dựng đường chuẩn
năng lượng, trước khi đưa hệ phổ kế gamma vào hoạt động, cần phải xác định được
hiệu suất ghi của đêtectơ ứng với các năng lượng gamma trong dải năng lượng làm
việc của đêtectơ. Đường cong hiệu suất ghi là đường cong mô tả sự phụ thuộc của
hiệu suất ghi vào năng lượng bức xạ gamma. Có thể xác định hiệu suất ghi của
đêtectơ bằng tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm. Việc tính toán hiệu suất
ghi thường được sử dụng phương pháp Monte- Carlo dựa trên việc mô hình hóa lịch
sử của các photon. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi những thông tin chính xác
về kích thước vùng nhạy, vùng chết của tinh thể, hình học nguồn – đêtectơ, thành
phần, mật độ của vật chất đêtectơ, hệ số tắt dần của photon, tiết diện tương tác của
photon với vật chất,…vì thế dễ mắc phải sai số trong tính toán.
Trong thực tế, người ta thường sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác
định hiệu suất ghi là thiết lập một công thức bán thực nghiệm mô tả đường cong
hiệu suất ghi trên toàn bộ vùng năng lượng cần quan tâm. Vấn đề này được giải
quyết bằng cách làm khớp các kết quả đo thực nghiệm với các hàm giải tích thích
hợp. Hiệu suất ghi ở từng năng lượng cụ thể được xác định bằng phương pháp nội
suy. Trong thực tế khó có một hàm khớp thỏa mãn cho nhiều loại đêtectơ, nhiều

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

24


Luận văn tốt nghiệp

Lê Đức Thiện

hình học đo đạc khác nhau trong dải năng lượng rộng. Với đêtectơ thông dụng do
hãng Canberra (2000), Genie 2000 có thể sử dụng hàm khớp sau [6]
5

ln ε = ∑ ai ( ln E / E0 )

i

(2.1)

i =0

trong đó: ε là hiệu suất ghi của đêtectơ
E là năng lượng tia gamma
E0=1 keV
ai là các hệ số làm khớp.
Để xây dựng đường cong hiệu suất ghi, người ta dùng nguồn chuẩn gamma
đã biết trước hoạt độ phóng xạ. Thông qua việc đo phổ của các nguồn chuẩn, ta xác
định được diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma ứng với năng
lượng xác định. Biết cường độ của vạch bức xạ gamma, hoạt độ phóng xạ của
nguồn chuẩn tính được thông lượng của bức xạ gamma quan tâm bay vào đêtectơ.
Từ đó xác định được hiệu suất ghi của đêtectơ tại năng lượng tương ứng với năng
lượng của bức xạ gamma được chọn làm chuẩn. Để xác định chính xác diện tích
đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch bức xạ gamma được chọn để xây dựng đường cong
hiệu suất ghi phải có cường độ lớn và ở xa các vạch khác. Vì vậy, các nguồn được
chọn để xây dựng đường cong hiệu suất ghi là nguồn gamma đơn năng trong trường
hợp không đủ nguồn chuẩn đơn năng có thể dùng nguồn gamma phức tạp nhiều
thành phần. Trong phổ gamma của nguồn phức tạp mà thiết bị ghi nhận được, chọn
vạch phổ có năng lượng lớn nhất hoặc những vạch có cường độ lớn cách xa các
vạch khác.
Ngoài ra, ngày nay đường cong hiệu suất ghi còn được xác định theo
phương pháp mô phỏng sau đó làm khớp với số liệu hiệu suất ghi của đêtectơ được
xác định từ thực nghiệm khi sử dụng nguồn gamma đơn năng. Trong luận văn này,

tôi tiến hành xây dựng đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối bằng thực nghiệm.
2.5. Phương pháp hiệu chỉnh chồng chập xung
Xét bài toán tổng quát nếu có n vạch bức xạ gamma đóng góp vào đỉnh hấp
thụ toàn phần.

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

25