Bài giảng Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong môi trường và thủy văn: Chương 4 - PGS.TS. Trần Thiện Thanh, PGS.TS. Lê Công Hảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT

NHÂN TRONG GHI ĐO BỨC XẠ
MÔI TRƢỜNG

1

1


Phƣơng pháp phân tích hạt nhân bằng

 Hệ phổ kế Alpha
 Hệ thiết bị đo radon – RAD7
 Hệ đếm Alpha/Beta tổng
Đánh giá sai số trong phân tích mẫu
môi trƣờng
2


HỆ PHỔ KẾ
ALPHA
3

CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA
Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường

4

ĐVPX

T1/2

E (keV)

I (%)

210Po

138,4 d

5304,4

100

212Po

0,3 s

8784,4

100

214Po

164,3 s

7686,8

100

216Po

0,14 s

6778,3

100

218Po

3,1 m

6002,4

100

220Rn

55,6 s

6288,1

99,9

222Rn

3,8 d

5489,5

99,9

224Ra

3,7 d

5685,4

94,9

226Ra

1600 y

4784,3

94,4

232Th

2,4x1010 y

3947,2

21,7


CÁC ĐỒNG VỊ PHÁT ALPHA
Bảng 1: Các đồng vị phóng xạ phát alpha trong môi trường
ĐVPX

T1/2

234U

2,4 y

238U

239Pu

241Am

5

4,5x1010

y

24110 y

432,2 y

E (keV)

I (%)

4722,4

28,4

4774,6

71,4

4151

20,9

4198

79

5105,5

11,5

5144,3

15,1

5156,6

73,3

5442,8

13

5485,6

84


HỆ PHỔ KẾ ALPHA
Hình 3: Hệ phổ kế
alpha

Detector
Các vị trí đo
Khay đựng mẫu
6


SƠ ĐỒ HỆ ĐO
Máy hút
chân
không

Tiền
khuếch
đại

Khuếch
đại

Det
Mẫu
đo

7

Cao
thế

Hình 4: Sơ đồ hệ phổ kế alpha

MCA

Máy
tính


DETECTOR BÁN DẪN SILICON
Etx

Engoài
Hình 5: Chất bán dẫn
Hình 6: Vùng nghèo và phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n

8

DETECTOR BÁN DẪN SILICON
2εε 0 V+V0
d=
eN

(1)

Trong đó,
d là độ rộng vùng nghèo
 là hằng số điện môi của chất bán dẫn,

0 là hằng số điện,
V0 là điện thế tiếp xúc,
V là điện thế đƣợc áp vào,

N là nồng độ tạp chất đƣa vào chất bán dẫn.
9


DETECTOR BÁN DẪN SILICON
E
N=
ε

N: số cặp electron – lỗ trống

(2)

E: năng lƣợng hạt alpha tới (keV)

: năng lƣợng để tạo ra một cặp hạt mang điện

Bảng 2: Năng lượng để tạo ra một cặp hạt mang điện của một số chất khí

10

Khí

 (eV/cặp)

Ar

26,3

He

42,7

H2

36,4

N2

36,4

Không khí

35,1

O2

32,2

CH4

29,1


DETECTOR BÁN DẪN SILICON
Ƣu điểm: độ phân giải cao

Nhƣợc điểm: nhạy với ánh sáng
Det bán dẫn
 Hạt mang điện là electron – lỗ
trống

 Thời gian thu thập cặp
electron – lỗ trống là s
 Kích thƣớc vùng hoạt phụ
thuộc vào điện thế áp vào
11

Det khí
 Hạt mang điện là electron –
cation

 Thời gian thu thập cặp
electron – cation là ms
 Kích thƣớc vùng hoạt không

phụ thuộc vào điện thế áp vào


SỰ MẤT NĂNG LƢỢNG CỦA HẠT ALPHA
2

2m0 v
dE 4πz e n e
2
2
=
-ln(1-β )-β 
ln
2
dx
m0 v 
I

2 4

(3)

Trong đó:

z là điện tích của hạt tới

ne là số electron trên một đơn vị thể tích của môi trƣờng ne=ZρNa/A
Na là số Avogadro
Ρ là mật độ của môi trƣờng vật chất

A, Z lần lƣợt là số khối và bậc số nguyên tử của nguyên tố môi trƣờng
m0 là khối lƣợng electron
v là vận tốc của hạt

I là năng lƣợng ion hóa trung bình
=v/c
12


QUÃNG CHẠY CỦA ALPHA TRONG VẬT CHẤT
0

dE
R= 
dE
E0
dx

Quãng chạy ngắn:

(4)

 Thiết kế các det có thể hấp thụ toàn bộ năng lƣợng alpha mà kích thƣớc

không lớn
 Phải đảm bảo hạt alpha đến vùng hoạt det mà bị mất năng lƣợng không đáng
kể  giảm sự hấp thụ
 Giảm bề dày cửa sổ det (lớp chết)
 Nguồn (mẫu) rất mỏng (<5 mg/cm2)
 Nguồn+det đƣợc đặt trong buồng đo áp suất thấp (<1000 mTorr) buồng

chân không


Khoảng cách giữa nguồn và det không quá lớn

13

Hình 7: Quãng chạy hạt alpha trong silicon


CÁC LOẠI DETECTOR BÁN DẪN SILICON
Theo công nghệ chế tạo, det Silicon gồm 3 loại chính:
 Det mối nối khuếch tán - diffused junction detector (DJD):
 Det hàng rào mặt - surface barrier detector (SBD)
 Det cấy ion Si - passivated ion implanted detector (PIPS)

 Det SBD và PIPS thƣờng đƣợc sử dụng để đo phổ alpha
 Độ lớn xung thƣờng rất nhỏ (A) nhƣng đƣợc ghi nhận tốt sau khi đã
khuếch đại

 Dòng rò điển hình khoảng nA
 Độ phân giải năng lƣợng của det cao (10 – 50 keV tùy thuộc vào loại và
kích thƣớc det)

 Hiệu suất đếm có thể đạt gần 50% ở khoảng cách gần det
 Phông thấp
14


HỆ ĐIỆN TỬ

Bộ điện tử xử lý tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại (preAmp), bộ khuếch
đại (Amp), bộ chuyển đổi tƣơng tự thành số (ADC), bộ phân tích biên
độ đa kênh (MCA), bộ cấp thế.
1. Bộ cấp thế cho det phải đảm bảo ổn định.

2. ReAmp:
 Khuếch đại phổ
 Phối hợp trở kháng giữa det và các bộ phận điện tử khác

3. Amp khuếch đại tín hiệu
4. ADC xác định chiều cao của tín hiệu xung cung cấp từ Amp, chiều
cao này đƣợc chuyển thành số kênh nhờ MCA. MCA đếm số sự kiện

trên kênh và hình thành phổ chiều cao xung.
15


HỆ ĐIỆN TỬ

Hình 8: Chuyển tín hiệu số thành phổ chiều cao xung bằng MCA
16


VÍ DỤ VỀ PHỔ ALPHA
Bảng 3: Các đồng vị trong nguồn mix-alpha
ĐVPX
238U

234U

239Pu 241Am
234U

t=3600s
d=13mm

238U

239Pu

241Am

Hình 9: Phổ nguồn chuẩn mix-alpha
17

E (keV)

I (%)

4722,4

28,4

4774,6

71,4

4151

20,9

4198

79

5105,5

11,5

5144,3

15,1

5156,6

73,3

5442,8

13

5485,6

84


ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ PHỔ KẾ ALPHA
Độ phân giải năng lƣợng

Hiệu suất ghi nhận

Thời gian đáp ứng

Thời gian chết

18


ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM
Độ phân giải năng lƣợng của detector đƣợc xác định bằng độ

rộng ở nửa chiều cao đỉnh phổ (FWHM).

19

Hình 10: Phổ alpha của 241Am


ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM
FWHM phụ thuộc vào một số yếu tố:
 Loại det, độ tinh khiết của tinh thể
 Chất lƣợng của nguồn

 Cách bố trí hình học giữa nguồn và det
 Áp suất chân không của hệ đo
 Hệ thiết bị điện tử đi kèm, chủ yếu là bộ ReAmp.
2

2
d

2
s

FWHM =FWHM +FWHM +FWHM
Det

20

Nguồn

Hấp thụ

2
a

(5)


ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM

a)

b)

Hình 11: Bố trí hình học giữa nguồn và det

- Hấp thụ: do không gian giữa nguồn và det+ cửa sổ det phổ năng

lƣợng bị trôi về vùng năng lƣợng thấp + đỉnh phổ bị mở rộng
- Tự hấp thụ: do bề dày của nguồn  đỉnh phổ bị mở rộng nhƣng

không bị trôi phổ
21


ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƢỢNG- FWHM
5486 keV

5443 keV

5389 keV
5545 keV

Hình 12: Mô phỏng phổ 241Am của 2 det có độ phân giải tốt và không tốt
22


HIỆU SUẤT GHI NHẬN
Ω
ε abs =ε int
4π

abs là hiệu suất tuyệt đối tại một vị trí bất kỳ,
abs = số xung ghi nhận/số xung phát ra bởi nguồn (mẫu),
int là hiệu suất nội của detector, giá trị này không đổi cho
tất cả các vị trí đo,
int = số xung được ghi nhận/số số bức xạ tới detector,
 là góc khối của detector nhìn từ vị trí của nguồn.

(6)

Nguồn điểm:

1
H

ε abs = 12
2
2
H
+4R
D







(7)

Hình 14: Nguồn alpha

Nguồn đĩa:
Hình 13: Bố trí hình học giữa nguồn và det

1 R 2D
3 R S2 R 2D H 5 R S4 R 2D H  2 3 2 
ε abs =
+
 H - RD 

5
9
2 D  D+H  16 D
32 D
4


23

(8)


HIỆU SUẤT GHI NHẬN
Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào một số
yếu tố:

Loại det, độ tinh khiết của tinh thể, diện
tích bề mặt det

Đƣờng kính nguồn
Bề dày nguồn

Cách bố trí hình học giữa nguồn và det
24


CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN
HIỆU SUẤT GHI NHẬN

a)

b)

Hình 15 Hiệu suất ghi nhận phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn và det
25