Ứng dụng Kỹ thuật hạt nhân trong môi trường

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN TRONG
GHI ĐO BỨC XẠ MÔI TRƯỜNG
Biên soạn: Huỳnh Nguyễn Phong Thu
4.1. Các loại detector ghi nhận bức xạ
4.1.1.

Detector chứa khí

Một detector chứa khí đơn giản gồm hai phần chính là một buồng kín chứa khí và hai
tấm điện thế được gọi là các điện cực. Điện cực dương được gọi là anode,
điện cực âm gọi là cathode. Đối với buồng phẳng, hai điện cực đặt song song cách nhau
một khoảng và được cách điện với nhau bằng không khí hoặc khí hiếm. Đối với buồng
hình trụ, anode thường nằm ở trung tâm của buồng đo, cách điện với lớp vỏ bọc bên
ngoài. Lớp vỏ bọc bên ngoài là cathode.
Điện cực dương

Đồng hồ

Điện cực âm

-

+

Hình 1: Các thành phần cơ bản của một detector chứa khí dạng trụ
Khi không có bức xạ tương tác, khí giữa anode và cathode hoạt động như một chất
cách điện và không có sự dịch chuyển của các hạt tích điện. Khi bức xạ đi qua lớp khí
trong buồng, sẽ ion hóa các nguyên tử, phân tử khí sinh ra các electron tự do và các ion
dương. Năng lượng trung bình để tạo ra một cặp ion phụ thuộc vào loại khí sử dụng trong
buồng nhưng thường có giá trị từ 20 đến 45eV/một cặp ion.
Khi một điện thế được áp vào giữa các điện cực, các electron bị hút về phía anode tích

điện dương và các ion dương bị hút về phía cathode tích điện âm. Một điện tích được tích
lũy trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch. Sự biến đổi điện thế này được


xem như là một xung và sự có mặt của xung này sinh ra một dòng chảy trong mạch
ngoài. Bằng cách ghi đo hoặc xung hoặc dòng điện này, ta có thể ghi nhận sự có mặt của
bức xạ ion hóa. Xung, dòng điện đo được phụ thuộc vào một số yếu tố như số photon đến
tương tác với đầu dò (tức cường độ bức xạ của nguồn), năng lượng bức xạ, dạng hình học
của detector, thành phần khí trong buồng, thể tích, áp suất, nhiệt độ của khí, điện thế áp
vào hai điện cực,…
Điện thế áp vào hai điện cực là yếu tố quan trọng quyết định phản ứng của mỗi hạt tích
điện hoặc photon khi đến tương tác với chất khí trong detector.
Khi điện thế giữa các điện cực của buồng khí còn thấp, điện trường giữa hai điện cực
còn nhỏ, lực tác dụng lên các ion để hút chúng về các điện cực cũng nhỏ nên tốc độ trôi
của các electron nhỏ trong khi mật độ của chúng lại lớn dẫn đến chúng có thể kết hợp với
các phân tử khí bị ion hóa và do đó không đến được hai điện cực, sự tái hợp xảy ra mạnh
mẽ và số hạt tích điện về các điện cực rất nhỏ. Miền điện thế thấp này được gọi là miền
tái hợp. Các detector chứa khí thường không được hoạt động trong miền này vì sự tái hợp
giữa các ion làm cho detector rất khó ghi nhận được lượng bức xạ tới.
Tại điện thế đủ lớn, hầu hết các electron sinh ra đều đi đến điện cực và các ion bị mất
do sự tái hợp là không đáng kể. Trong miền điện thế này, hầu như tất cả các electron đều
được thu nhận và kích thước xung hoặc dòng điện mạch ngoài không tăng nữa theo điện
thế được áp vào, dòng điện này gọi là dòng bão hòa và miền điện thế này được gọi là
miền ion hóa. Dòng bão hòa tỷ lệ với lượng bức xạ trong buồng và nếu lượng bức xạ
được tăng lên thì dòng bão hòa cũng được tăng lên. Detector hoạt động trong miền điện
thế bão hòa được gọi là buồng ion hóa.
Tại thế cao hơn, các electron không những nhận đủ năng lượng để đi đến các điện cực
mà còn nhận thêm năng lượng để được gia tốc nhanh hơn. Sự gia tốc này sinh ra nhiều
cặp ion hơn, chúng được tạo ra do sự ion hóa thứ cấp của các hạt trong chất khí, do đó tạo
thành một số lượng lớn các điện tử, quá trình này được gọi là sự khuếch đại khí và miền

điện thế này được gọi là miền tỷ lệ. Detector hoạt động trong miền điện thế này gọi là
ống đếm tỷ lệ.


Tiếp theo là miền không tỷ lệ. Tại miền này, ta bắt đầu quan tâm đến các
ion dương tạo ra do tương tác giữa bức xạ với các phân tử khí. Ion dương có khối lượng
lớn hơn rất nhiều so với electron, do đó chúng trôi rất chậm về phía cathode, trong quá
trình trôi về cathode, chúng di chuyển cùng nhau, mỗi tương tác sinh ra một đám mây các
ion dương và phải mất một thời gian chúng mới phân tán.
Nếu điện thế vẫn được tăng thêm nữa thì sự khuếch đại khí lớn đến mức một hạt ion
hóa đơn lẻ có thể tạo ra nhiều thác electron dọc theo chiều dài anode dẫn đến kích thước
xung rất rộng, miền điện thế này được gọi là miền Geiger-Muller. Detector hoạt động
trong miền điện thế này gọi là ống đếm Geiger-Muller.
Nếu điện thế được tăng lên vượt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng GeigerMuller, thì điện thế là đủ cao để ion hóa trực tiếp các phân tử khí. Miền này được gọi là
miền phóng điện liên tục và trong miền điện thế này, kết quả ghi đo là không đúng nên
các detector ghi bức xạ sẽ không được hoạt động trong miền này.

Hình 2: Đường cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí [5]
Hình 2 diễn tả đường cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí. Trong đó, miền (I)
là miền tái hợp, miền (II) là miền ion hóa, miền (III) là miền tỷ lệ, miền (IV) là miền
không tỷ lệ, miền (V) là miền Geiger-Muller và miền (VI) là miền phóng điện liên tục.
4.1.2.

Detector nhấp nháy


Sự nhấp nháy là quá trình tạo ra ánh sáng sau khi các electron chuyển động từ các quỹ
đạo có mức năng lượng cao xuống các mức năng lượng thấp trong một chất hấp thụ.
Quá trình phát sáng có thể xảy ra theo hai cách:
-

Trong trường hợp các dịch chuyển từ trạng thái kích thích của phân tử chất nhấp
nháy về trạng thái cơ bản là các dịch chuyển cho phép, nháy sáng thường phát ra
rất nhanh, quá trình phát sáng như vậy gọi là quá trình lân quang.

-

Trong trường hợp các dịch chuyển này là các dịch chuyển bị cấm, thì trạng thái
kích thích này gọi là các mức giả bền, có thời gian sống lớn. Nháy sáng xảy ra
chậm so với thời điểm bức xạ đập vào. Đây là quá trình lân quang. Cần chọn chất
nhấp nháy có sự đóng góp của thành phần lân quang nhỏ.

Theo cơ chế kích thích và phát sáng, có thể chia chấp nhấp nháy làm hai loại: chất
nhấp nháy vô cơ và chất nhấp nháy hữu cơ.
4.1.2.1. Chất nhấp nháy vô cơ
Các mức năng lượng trong tinh thể nhấp nháy vô cơ có thể chia làm ba vùng: vùng hóa
trị, vùng dẫn và vùng cấm. Ở điều kiện bình thường, các electron hầu như chiếm đầy
vùng hóa trị, vùng dẫn còn nhiều mức chưa đầy.
Các tinh thể vô cơ tinh khiết ở nhiệt độ phòng không có tính chất nhấp nháy. Do sự tồn
tại tự nhiên của một số tạp chất trong tinh thể, hoặc nếu đưa vào một lượng nhỏ chất hoạt
tính, trong tinh thể sẽ xuất hiện các mức năng lượng địa phương hay mức tạp chất gọi là
các tâm phát sáng. Xét trường hợp chất bán dẫn loại p, các mức địa phương là các lỗ
trống nằm gần đáy vùng cấm. Các electron kích thích do khuếch tán gần tâm phát sáng sẽ
bị bắt bởi các lỗ trống này và năng lượng kích thích thừa sẽ phát ra dưới dạng photon ánh
sáng. Quá trình này là quá trình phát sáng huỳnh quang với thời gian xảy ra cỡ 10-8 giây,
tức là cỡ thời gian sống của trạng thái kích thích của nguyên tử.
Theo nguyên tắc trên, để chế tạo detector nhấp nháy, người ta thường pha thêm các
chất hoạt tính. Chẳng hạn như pha thêm thallium (Tl) vào tinh thể NaI hoặc bạc (Ag) vào
ZnS,…Tuy nhiên, nồng độ pha cần phải thích hợp trong từng trường hợp.
4.1.2.2. Chất nhấp nháy hữu cơ

Trong chất nhấp nháy hữu cơ, quá trình phát photon liên quan đến sự dịch chuyển các
electron trong từng phân tử và của phân tử từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản.
Khi một bức xạ ion hóa đi vào bản nhấp nháy hữu cơ, bức xạ tương tác với các phân tử,
đưa các phân tử này lên trạng thái năng lượng kích thích electron rất cao. Sau thời gian
rất ngắn (khoảng 10-12 giây), các phân tử này trở về trạng thái kích thích thứ nhất bằng
cách chuyển năng lượng kích thích electron thành năng lượng dao động. Do xác suất trở
về trạng thái cơ bản tỷ lệ với năng lượng kích thích nên chỉ sau 10-12 đến 10-11 giây, tất cả
các phân tử kích thích mất năng lượng và phát ra photon năng lượng cao. Các photon này
bị hấp thụ bởi các phân tử xung quanh và các phần tử kích thích mới này lại trở về trạng
thái cơ bản để phát ra photon. Quá trình này tiếp diễn nhiều lần với năng lượng photon
thế hệ sau bé hơn thế hệ trước, và photon cuối cùng có năng lượng bằng năng lượng trạng
thái kích thích thứ nhất của phân tử. Từ trạng thái kích thích thứ nhất, phân tử trở về
trạng thái cơ bản và phát ra nháy sáng.
Dung dịch nhấp nháy sử dụng làm detector gồm dung môi và chất nhấp nháy hòa tan.
Bản thân dung môi không phát sáng hoặc phát sáng rất yếu. Do nồng độ chất nhấp nháy
rất bé so với dung môi, nên khi bức xạ đi vào, chủ yếu tương tác với các phân tử dung
môi. Vì vậy, phải chọn dung môi và chất nhấp nháy sao cho mức kích thích thứ nhất của
chất nhấp nháy thấp hơn mức kích thích thứ nhất của dung môi để dễ dàng xảy ra quá
trình truyền năng lượng kích thích từ phân tử dung môi sang phân tử nhấp nháy.
4.1.2.3. Yêu cầu của một chất nhấp nháy
Chất nhấp nháy được sử dụng làm detector phải có một số tính chất:
-

Biến đổi một phần lớn năng lượng hấp thụ thành năng lượng ánh sáng.

-

Thời gian giữa sự kích thích của electron và sự phát xạ ánh sáng photon phải ngắn.

-

Cho phép các photon ánh sáng được tạo ra đi qua lớp vật chất.

-

Ánh sáng được phát ra cần phải được biến đổi dễ dàng và hiệu suất tạo nên một tín
hiệu điện phải cao.
4.1.2.4.  điện (PMT)

Các photon phát ra từ bản nhấp nháy đập vào photocathode của PMT. Các
photoelectron bật ra, dưới tác dụng của điện trường, được tăng tốc, nhờ một màn hội tụ,


tập trung vào dynode thứ nhất. Điện thế từ dynode đầu đến dynode cuối tăng dần và được
cung cấp bằng một nguồn điện một chiều vài kilovolt qua một bộ chia thế. Số dynode
tổng cộng của một PMT khoảng từ 10-12. Từ dynode thứ nhất phát ra số electron nhiều
hơn số electron đập vào nó. Quá trình này xảy ra tiếp tục trên các dynode thứ hai, thứ
ba,…cứ như vậy cho đến dynode cuối cùng, tới anode sẽ thu được một dòng electron rất
lớn so với dòng ra từ photocathode.
Photon tới
Photoacthode

Cửa sổ
Các dynode

Anode

Màn hội tụ

Các điện trở chia thế
Bộ cấp thế

Đồng hồ

Hình 3: Sơ đồ hoạt động của PMT
4.1.2.5. Nguyên tắc hoạt động của detector nhấp nháy
Hệ đo bức xạ dựa vào detector nhấp nháy gồm ba phần chính: chất nhấp nháy (bao
gồm cả vùng nhạy của detector), hệ thống dẫn quang và PMT, bộ phận xử lý tín hiệu điện
tử.
Khi một bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thích các nguyên tử hay phân tử
chất nhấp nháy. Sau đó, với sự dịch chuyển về trạng thái cơ bản, chúng sẽ phát ra một
ánh sáng nhấp nháy, đó là photon ánh sáng. Số ánh sáng của các photon được phát xạ và
cường độ của ánh sáng này tỷ lệ với năng lượng của bức xạ tới. Qua một lớp dẫn sáng,
các photon này đập vào photocathode của PMT và ở lối ra của PMT xuất hiện một tín
hiệu có biên độ khá lớn. Tín hiệu điện này được đưa vào bộ tiền khuếch đại, thiết bị này
có nhiệm vụ hòa hợp tổng trở giữa lối ra của detector và lối vào của bộ khuếch đại. Xung


sau khi đi qua bộ khuếch đại được tăng biên độ, sau đó được đưa vào bộ phân tích và ghi
nhận.
4.1.3.

Detector bán dẫn

4.1.3.1. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
Các chất bán dẫn thông thường như silicon (Si) và germanium (Ge) có bốn electron
hóa trị tạo nên cấu trúc mạng tinh thể, một nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử bên cạnh
bằng liên kết cộng hóa trị. Theo lý thuyết vùng năng lượng, các electron hóa trị chiếm
đầy các mức năng lượng trong vùng hóa trị. Vùng dẫn không có electron. Vùng dẫn và

vùng hóa trị cách nhau bởi vùng cấm. Để electron trong vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn,
electron phải thu được một năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn. Khi
đó, các electron sẽ được chuyển lên vùng dẫn trở thành các electron tự do. Các electron
còn lại trong vùng hóa trị có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường để lấp lỗ
trống mới và ta xem đó như sự dịch chuyển ngược của lỗ trống trong vùng hóa trị. Như
vậy, các phần tử tải điện trong chất bán dẫn là các electron tự do trong vùng dẫn và các lỗ
trống trong vùng hóa trị. Quá trình chuyển electron từ vùng hóa trị vào vùng dẫn tương
đương với quá trình ion hóa và cặp electron-lỗ trống có thể so sánh với cặp ion trong chất
khí.
Điện tử

Vùng dẫn

Lỗ trống

Vùng cấm
Bức xạ tới

Vùng hóa trị

Hình 4: Sự hình thành một cặp lectron – lỗ trống do sự bức xạ ion hóa
4.1.3.2. Chất bán dẫn loại n, chất bán dẫn loại p
Các nguyên tố silicon, germanium thuộc cột thứ IV trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Trong tinh thể, các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nếu vật liệu
sạch chỉ có thuần silicon hoặc germanium thì số electron tự do và số lỗ trống bằng nhau.


Nếu chất bán dẫn có lẫn tạp chất thì số electron tự do có thể nhiều hơn hay ít hơn số lỗ
trống.
a. Chất bán dẫn loại n

Khi pha vào chất bán dẫn một tạp chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn, sẽ tạo
thành chất bán dẫn loại n. Tạp chất này dùng bốn trong năm hóa trị để liên kết với chất
bán dẫn trong mạng tinh thể, còn thừa một electron liên kết yếu với nguyên tử. Electron
này dễ dàng chuyển động trong mạng tinh thể. Theo cấu trúc vùng năng lượng, trong chất
bán dẫn lúc này hình thành một mức tạp chất nằm gần đỉnh của vùng cấm, mức này gọi là
mức Fermi. Những electron nằm ở mức này sẽ dễ dàng nhảy lên vùng dẫn trở thành
electron tự do. Như vậy, thành phần tải điện chính trong chất bán dẫn loại n là electron tự
do trong vùng dẫn. Tạp chất pha vào gọi là tạp chất donor. Những ion tạp chất được coi
là nằm cố định trong mạng tinh thể, nghĩa là lỗ trống được tạo ra sẽ nằm cố định trong
vùng cấm của chất bán dẫn và không tham gia dẫn điện.
b. Chất bán dẫn loại p
Nếu thêm tạp chất thuộc nhóm III, ta được chất bán dẫn loại p. Do thiếu một electron
hóa trị để liên kết với bốn nguyên tử chất bán dẫn xung quanh nên một nguyên tử bên
cạnh phải nhường một electron để có liên kết đầy đủ, đồng thời để lại một lỗ trống trong
vùng hóa trị. Do nhận thêm một electron nên tạp chất trở thành ion âm. Ion này nằm cố
định trong mạng tinh thể tạo thành mức năng lượng, gọi là mức acceptor. Lỗ trống để lại
trong vùng hóa trị sẽ tham gia dẫn điện.
4.1.3.3. Nguyên lý làm việc của detector bán dẫn
Detector bán dẫn thực tế bao gồm cả vật liệu loại p và loại n liên kết với nhau. Miền p
đặt tiếp xúc với miền n trong chất bán dẫn tạo nên lớp tiếp xúc p-n. Do có sự chênh lệch
mật độ electron-lỗ trống tại vị trí tiếp xúc, các electron sẽ khuếch tán từ n sang p và
ngược lại lỗ trống khuếch tán từ p sang n. Sau một thời gian, tại lớp tiếp xúc hình thành
một điện trường tiếp xúc. Lớp n thiếu electron tích điện dương, lớp p thiếu lỗ trống tích
điện âm. Điện trường sinh ra có tác dụng ngăn cản không cho electron và lỗ trống di
chuyển qua lớp tiếp xúc. Đến một lúc nào đó, trạng thái cân bằng được thiết lập. Một
vùng rất nhỏ tại lớp tiếp xúc sẽ không có các hạt tải điện gọi là vùng nghèo. Khi áp vào


một hiệu điện thế cùng chiều với hiệu điện thế tiếp xúc, một điện trường cùng hướng với
điện trường do thế tiếp xúc được tạo ra. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các hạt tải

điện được kéo ra xa vùng tiếp xúc, vùng nghèo được mở rộng. Độ rộng vùng nghèo được
xác định theo công thức (4.1).

d=

2εε 0 V+V0
eN

(4.1)

Trong đó,
 là hằng số điện môi của chất bán dẫn,
0 là hằng số điện,
V0 là điện thế tiếp xúc,
V là điện thế được áp vào,
N là nồng độ tạp chất đưa vào chất bán dẫn.
Qua đó cho thấy, để có độ rộng vùng nghèo lớn thì chất bán dẫn phải có nồng độ tạp
chất thấp và hiệu điện thế áp vào phải đủ lớn.
Trong detector bán dẫn, vùng nghèo chính là vùng hoạt động của detector. Khi một
bức xạ đi qua vùng nghèo, sẽ tương tác lên các electron, bứt electron ra khỏi liên kết cộng
hóa trị. Các electron này chuyển lên vùng dẫn và trở thành các electron tự do, đồng thời
để lại lỗ trống mang điện tích dương trong vùng hóa trị. Các cặp electron-lỗ trống được
tạo ra trong vùng nghèo dọc theo quỹ đạo của bức xạ tới. Chúng sẽ được kéo về hai điện
cực bởi điện trường do hiệu điện thế ngược áp vào detector, tạo nên tín hiệu điện lối ra có
thể ghi nhận được.
Điện tử

n

Vùng nghèo

p

Lỗ trống


Hình 5: Vùng nghèo và phân cực ngược lớp tiếp xúc p-n
4.1.3.4. Các loại detector bán dẫn
a. Detector mối nối khuếch tán
Phương pháp phổ biến để sản xuất detector bán dẫn là sử dụng tinh thể bán dẫn thuần
loại p và phủ trên bề mặt nó một lớp bán dẫn loại n theo phương pháp khuếch tán hơi. Bề
dày của lớp bán dẫn loại n khoảng 0,1 đến 2 m. Do lớp bán dẫn n là thuần chất nên miền
nghèo chủ yếu nằm phía chất bán dẫn p dưới lớp tiếp xúc. Vì vậy, phần lớn lớp bề mặt
nằm ngoài vùng nghèo hình thành nên lớp chết của detector. Các bức xạ trước khi đến
vùng nghèo phải xuyên qua lớp chết. Trong ghi nhận hạt mang điện, đây là một bất lợi
lớn do hạt mang điện mất đi một phần năng lượng trước khi tới vùng nghèo.
b. Detector hàng rào mặt
Để tạo ra detector bán dẫn hàng rào mặt, một lớp vàng rất mỏng được phủ lên bề mặt
của chất bán dẫn loại n bằng phương pháp bay hơi. Quá trình bay hơi được thực hiện
trong điều kiện sao cho có một lớp mỏng vật liệu bị oxy hóa tạo SiO2 trên bề mặt tinh thể
chất bán dẫn. Lớp oxit giữa lớp vàng và lớp chất bán dẫn đóng vai trò là lớp tiếp xúc, gọi
là hàng rào bề mặt, lớp vàng đóng vai trò điện cực. Cũng có thể chế tạo detector hàng rào
mặt trên cơ sở chất bán dẫn loại p bằng cách khuếch tán nhôm để tạo lớp vật liệu loại n.
Detector hàng rào mặt thường được sử dụng để ghi hạt tích điện.
Nhược điểm chính của detector hàng rào mặt là khá nhạy với ánh sáng do cửa sổ quá
mỏng, dễ bị hư hại bởi hơi ẩm hay tiếp xúc bề mặt. Do lớp chết quá mỏng nên ánh sáng
dễ dàng đi vào vùng nhạy của detector, tạo ra các electron và lỗ trống dẫn đến tạp âm
cao. Các detector ghi hạt mang điện thường được đóng kín trong buồng chân không nên
hiện tượng này không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của detector.
c. Detector cấy ion

Một phương pháp khác được áp dụng để đưa tạp chất vào bề mặt chất bán dẫn là chiếu
vào bề mặt một chùm hạt ion năng lượng cao từ các máy gia tốc. Ví dụ, chiếu chùm hạt
boron lên tinh thể silicon thì ngay sát bề mặt vật liệu sẽ có một lớp tạp chất loại p.
Phương pháp này tạo được một tinh thể bền, ít bị ảnh hưởng bởi môi trường. Detector cấy
ion được dùng để đo hạt mang điện.


Thuận lợi của det cấy ion là:
-

Cửa sổ Al mỏng, cho độ phân giải cao và sự mất năng lượng thấp

-

Cửa sổ Al có khả năng chống tác động cơ học và có thể được làm sạch.

-

Dòng rò nhỏ

d. Detector germanium siêu tinh khiết (HPGe)
Các loại detector trên thông thường chỉ thích hợp đo hạt tích điện có độ xuyên thấu
thấp. Để ghi bức xạ gamma, detector phải có độ rộng vùng nghèo và thể tích vùng hoạt
lớn. Muốn như vậy cần phải tăng điện thế phân cực hoặc giảm nồng độ tạp chất. Đối với
độ tinh khiết thông thường của germanium, độ rộng vùng nghèo không vượt quá 2-3 mm
mặc dù điện thế phân cực lớn gần miền đánh thủng. Do vậy, phương pháp tốt nhất là
giảm nồng độ tạp chất. Với kỹ thuật hiện nay, người ta có thể chế tạo germanium siêu
tinh khiết có nồng độ tạp chất giảm đến 109 – 1010 nguyên tử/cm3. Nếu nồng độ tạp chất
là 1010 nguyên tử /cm3, với điện thế phân cực nhỏ hơn 1000 V, độ rộng vùng nghèo
khoảng 10 mm.

Detector HPGe có thể chế tạo dạng phẳng hoặc đồng trục. Detector dạng phẳng là một
đĩa hình trụ đặc có đường kính tinh thể không vượt quá vài cm nên thể tích vùng hoạt
không vượt quá 10 – 30 cm3. Detector đồng trục có dạng hình trụ vành khuyên rỗng dài
với một cực là mặt ngoài hình trụ và cực kia là mặt phía trong. Do thể tích có thể kéo dài
nên có khả năng tăng thể tích vùng hoạt. Hiện nay, có thể sản xuất các tinh thể HPGe với
thể tích lên đến 400 cm3. Điều này rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất ghi bức
xạ gamma.
Detector đồng trục có dạng hình chữ U đặt ngược, gồm tinh thể germanium và hai điện
cực. Đối với detector loại n, điện cực dương là lớp lithium (Li) khuếch tán ở mặt trên và
mặt xung quanh tinh thể germanium. Lớp lithium có bề dày khoảng 0,5 đến 1,5 mm, là
lớp chết của detector. Với bề dày lớp chết như vậy, các tia gamma có năng lượng dưới 40
keV bị hấp thụ hầu như hết, do đó, bức xạ gamma được đo trong dải năng lượng từ 40
keV đến 3 MeV. Điện cực âm của detector loại n là lớp boron (B) được cấy ion ở mặt
lõm bên trong tinh thể germanium, có bề dày cỡ 0,3 m.


Đối với detector đồng trục loại p, vị trí các cực đặt ngược lại, điện cực dương lithium
nằm ở trong còn điện cực âm boron nằm ở mặt ngoài tinh thể germanium. Do lớp boron
có bề dày khoảng 0,3 m, nên dải năng lượng gamma được mở rộng từ 3 keV đến 3
MeV. Detector loại n được đặt trong vỏ bọc bằng nhôm (Al) với bề dày khoảng 5 mm ở
mặt xung quanh và mặt trên. Đối với detector loại p, vỏ bọc cũng là nhôm dày 5 mm
nhưng chỉ ở mặt bên còn lại mặt trên là cửa sổ beri với bề dày khoảng 0,5 mm.
Một dạng detector loại n được cải tiến là detector mở rộng. Lớp chết n của detector chỉ
bao bọc mặt xung quanh tinh thể germanium còn mặt trên là mặt tiếp xúc mỏng, do đó
miền năng lượng gamma cũng được mở rộng sang cận dưới đến 3 keV. Vỏ bọc detector
giống như vỏ bọc detector đồng trục loại p có cửa sổ berium mỏng.
4.2. Hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe)
Trong ghi đo phóng xạ nói chung và nghiên cứu phóng xạ môi trường nói riêng, phổ
kế gamma đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Phổ kế gamma với detector HPGe được sử
dụng rộng rãi trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công

nghệ hạt nhân.
4.2.1.

Nguyên lý hoạt động
Detector

Cao thế

Tiền khuếch
đại
Nitrogen
lỏng

Khuếch đại

MCA

Máy tính

Buồng chì

Hình 6: Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế gamma gồm detector được đặt trong buồng chì, nguồn hoặc mẫu phóng xạ
được đặt đối diện detector, bình chứa nitrogen lỏng (hoặc bộ làm mát X-Cooler) để làm
lạnh cho detector, nguồn cấp cao thế, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ phân tích đa kênh MCA,
máy tính cá nhân (xem hình 6).
4.2.1.1. Detector


Detector HPGe được đặt trong buồng chì che chắn để giảm phông môi trường và được

làm lạnh bằng nitrogen lỏng hoặc bộ làm mát X-Cooler và được nuôi bằng nguồn cao thế.
Khi bức xạ gamma tương tác với đầu dò, bức xạ gamma truyền năng lượng cho đầu dò
làm xuất hiện các điện tích. Dưới điện áp ở hai cực đầu dò, các điện tích này được tụ về
các điện cực tạo ra thế (tín hiệu). Thế này được xử lý bởi các khối điện tử để hình thành
xung. Phần năng lượng truyền cho đầu dò được thực hiện theo các hiệu ứng tương tác
sau:
- Đầu dò hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng quang điện.
- Đầu dò hấp thụ một phần năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu ứng Compton.
- Khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1022 keV, quá trình tạo cặp xuất hiện và
sinh ra cặp electron - pozitron. Cặp electron- pozitron nhanh chóng bị hủy cặp tạo hai
lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai lượng tử gamma bị hấp thụ thì quá trình này
tương đương với hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra
ngoài thì phần năng lượng hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai lượng tử
gamma bay ra ngoài thì sẽ tạo nên đỉnh thoát kép.
Tín hiệu lối ra từ detector sẽ được khuếch đại qua sơ đồ khuếch đại.
4.2.1.2. Bộ khuếch đại phổ
Do yêu cầu tín hiệu phải đủ lớn để đo đạc trong các khối điện tử phía sau, tín hiệu có
biên độ nhỏ từ lối ra detector cần được khuếch đại.
Một bộ khuếch đại trong thiết bị đo phổ hạt nhân thường được chia làm hai phần chức
năng: tiền khuếch đại và khuếch đại cơ bản. Có sự phân chia này trước hết là do detector
thường đặt ở vùng có độ phóng xạ nguy hiểm. Tín hiệu từ detector cần được đưa qua dây
cáp dài đến bộ tiền khuếch đại nơi con người có thể làm việc. Do điện trở lối ra của
detector rất lớn (hàng chục M đến G), trong khi điện trở lối vào của hệ thống điện tử
là rất nhỏ (vài trăm  đến vài chục k) nên tiền khuếch đại có nhiệm vụ phối hợp trở
kháng. Bộ tiền khuếch đại phải có trở kháng vào lớn để tránh mất mát biên độ tín hiệu lối
ra detector và có điện trở ra nhỏ để truyền tốt tín hiệu trên cáp dài.
Bộ khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu nhưng đồng thời cũng khuếch đại luôn
các thăng giáng dòng và điện thế lối vào (tạp âm lối vào). Trong các bộ khuếch đại phổ,

tạp âm tầng đầu là quan trọng nhất, vì nó sẽ được khuếch đại bởi toàn bộ hệ số khuếch
đại ở các tầng sau. Do vậy, khi tách chức năng khuếch đại làm hai phần, thì tiền khuếch
đại còn có nhiệm vụ quan trọng là hạn chế được tạp âm lối vào. Còn bộ khuếch đại cơ
bản có tham gia lọc tạp âm, nhưng chức năng chính là khuếch đại đủ lớn để đưa tín hiệu
từ lối ra của detector phù hợp với khoảng đo của hệ thiết bị phía sau. Cấu trúc và phẩm
chất của mỗi sơ đồ tiền khuếch đại được thiết kế phụ thuộc vào từng loại detector sử
dụng, loại bức xạ và năng lượng bức xạ cần đo.
4.2.1.3. Máy phân tích biên độ đơn kênh (SCA)
SCA là phương pháp cổ điển sử dụng hai ngưỡng năng lượng trên, dưới. Ngưỡng trên
được đặt ở mức cao sao cho tất cả các xung có mức năng lượng cần quan tâm không vượt
quá giá trị ngưỡng này. Ngưỡng dưới được đặt để một mặt giảm phông và mặt khác để
loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu năng lượng thấp. Một bức xạ được phát hiện với mức năng
lượng thấp hơn ngưỡng trên nhưng cao hơn ngưỡng dưới sẽ được chấp nhận là một phân
rã hạt nhân. Bất kỳ xung nào có năng lượng thấp hơn ngưỡng dưới hoặc cao hơn ngưỡng
trên sẽ được coi là phông. Tín hiệu lối ra của SCA được hình thành có dạng xung vuông
góc để đưa vào điều khiển khối đếm. Người ta sử dụng SCA để ghi đo số bức xạ phát ra
từ một đồng vị phóng xạ.
4.2.1.4. Máy phân tích biên độ đa kênh (MCA)
MCA được phát triển trên nguyên lý của SCA. Trong MCA, dải năng lượng quan tâm
được chia thành nhiều kênh năng lượng (thường từ n=100 kênh đến n=16000 kênh), mỗi
kênh là một cửa sổ năng lượng từ Ei đến Ei+E (i=1,2,…n). Kết quả ta có một hàm phân
bố số đếm trong một cửa sổ E với mỗi giá trị năng lượng Ei, thường được gọi là phổ
năng lượng. Về nguyên tắc, MCA là một hệ nhiều SCA nối liên tiếp nhau, ngưỡng trên
của khối ngưỡng vi phân này là ngưỡng dưới của khối vi phân tiếp sau.
SCA thứ n

Khối đếm n

SCA thứ 2

Khối đếm 2

SCA thứ 1

Khối đếm 1

Khối khuếch
đại


Hình7: Sơ đồ MCA cấu tạo từ nhiều SCA
MCA có cấu trúc như trên có nhược điểm là số khối điện tử tăng theo số kênh nên quá
cồng kềnh. Do đó, người ta xây dựng MCA trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành
chuỗi số, ADC.
Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Bộ nhớ có n vị trí ghi
địa chỉ, từ địa chỉ thứ nhất, hay kênh thứ nhất đến kênh thứ n. Khi một xung được ADC
chuyển từ tín hiệu biên độ sang số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ tìm vị trí trong thang
địa chỉ tương ứng với chuỗi số và thêm một đơn vị đếm vào vị trí đó. Như vậy, một đơn
vị đếm được ghi vào ô địa chỉ ứng với biên độ xung vào. Khối đếm thứ i sẽ ghi thêm một
đơn vị nếu xung vào có biên độ rơi vào SCA thứ i. Sau thời gian đo, ta có thể biểu diễn
kết quả trên tọa độ hai chiều, trục hoành là các kênh, trục tung là số đếm từng kênh, số
kênh trên trục hoành tỷ lệ với năng lượng bức xạ.
Các khối khác trong MCA đóng vai trò hỗ trợ. Cổng lối vào dùng để ngăn cản các
xung trong thời gian ADC thực hiện số hóa tín hiệu trước đó. Mạch ADC có một xung
logic đặt ở lối vào cổng sẽ mở cổng khi nó không xử lý tín hiệu. Do cổng lối vào bị đóng
trong thời gian ADC xử lý tín hiệu nên có thể một số xung bị mất trong khoảng thời gian
chết của MCA. Để xác định thời gian đo thực, tức là loại bỏ thời gian chết, trong MCA
dùng đồng hồ thời gian sống phát hiện tín hiệu qua cổng lối vào, chịu sự điều khiển của
xung để khóa khi ADC bận và ghi lại tại kênh zero trong bộ nhớ. Thời gian ghi tại kênh
zero là thời gian sống của MCA, do đó không phải hiệu chỉnh thời gian chết khi xử lý kết

quả đo. Nhiều MCA có thêm một cổng tuyến tính khác được điều khiển bởi một SCA.
Cổng tuyến tính này nhằm đảm bảo cho MCA chỉ xử lý những xung nằm trong giới hạn
biên độ giữa các giá trị ngưỡng dưới và ngưỡng trên của SCA.
Chuỗi xung ra từ MCA được đưa vào máy tính để thu nhận và xử lý phổ bằng các
chương trình phần mềm.
Làm chậm

Khối khuếch
đại
SCA

Bộ nhớ
Cổng tuyến
tính

Cổng lối vào
mở khi ADC
không bận

ADC
Không
bận

Kênh n


Hình 8: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của một MCA.
MCA có thể hiển thị kết quả theo hai dạng khác nhau, tuyến tính hoặc logarit. Ở chế
độ biểu diễn tuyến tính, độ cao của phổ được biểu diễn tuyến tính tương ứng với năng
lượng eV, keV, MeV hoặc số kênh. Mỗi kênh của một MCA tuyến tính thường được

chuẩn tương ứng với mức năng lượng. MCA thang logarit biểu diễn phổ thu được theo
thang logarit tương ứng với năng lượng tính bằng eV, keV, MeV hoặc số kênh.
4.2.2.

Các đặc trưng của hệ phổ kế gamma

4.2.2.1. Hiệu sất ghi của detector
Về nguyên tắc, tất cả các detector sẽ cho xung ra khi có bức xạ tương tác với môi
trường vật chất của detector. Bức xạ gamma khi đi vào detector phải qua nhiều quá trình
tương tác thứ cấp trước khi được ghi nhận, chúng cũng có thể thoát ra vùng làm việc của
detector. Vì vậy, hiệu suất ghi nhận được thường nhỏ hơn 100%. Hiệu suất của detector
cho biết số xung nhận được khi có lượng bức xạ tới cho trước. Có hai định nghĩa hiệu
suất ghi thường dùng:
- Hiệu suất tuyệt đối là tỷ số giữa số đếm do detector ghi nhận được so với tổng số tia
gamma do nguồn phát ra theo mọi hướng.
- Hiệu suất tương đối là hiệu suất của detector này so với hiệu suất của detector khác.
Đối với detector HPGe thì hiệu suất tương đối sẽ là tỷ số hiệu suất của nó và hiệu
suất của detector nhấp nháy NaI(Tl) hình trụ có kích thước 3’’x3’’, trong điều kiện cả
hai detector đều đặt cách nguồn 25 cm và đo cho vạch năng lượng 1332 keV. Các
detector đồng trục hiện nay có hiệu suất tương đối từ 10% đến 100%.
4.2.2.2. Độ phân giải năng lượng của detecctor


Độ phân giải năng lượng của detector được xác định bằng độ rộng ở nửa chiều cao
đỉnh phổ (FWHM). Độ phân giải năng lượng càng tốt, (FWHM) càng nhỏ, detector càng
có khả năng phân biệt các đỉnh phổ năng lượng tốt. Quá trình tụ tập điện tích không hoàn
toàn và sự mất mát năng lượng khác nhau trong cửa sổ vào detector góp phần làm mở
rộng đỉnh phổ, làm giảm khả năng phân giải của detector. Khả năng phân giải không chỉ
phụ thuộc vào bản thân detector mà còn phụ thuộc vào hệ thiết bị điện tử đi kèm, chủ yếu
là bộ tiền khuếch đại. Nếu tạp âm lớn sẽ làm độ phân giải của hệ thống kém. Detector

HPGe có độ phân giải tốt hơn nhiều lần so với detector NaI(Tl). Các detector HPGe đồng
trục có độ phân giải năng lượng từ 1,8 keV đến 2,2 keV tại vạch năng lượng 1332 keV.
4.2.2.3. Tỷ số đỉnh/nền Compton
Đối với đỉnh năng lượng 1332 keV, tỷ số đỉnh/nền phông Compton là tỷ số giữa diện
tích đỉnh năng lượng 1332 keV và diện tích phông Compton trong khoảng năng lượng từ
1040 keV đến 1096 keV. Tỷ số này càng lớn, hệ đo làm việc càng tốt. Đối với các
detector HPGe đồng trục hiện đại, tỷ số này đạt từ 30 đến 80.
4.2.2.4. Ưu điểm của đầu dò HPGe:
- Không phải bảo quản liên tục trong nitrogen lỏng
- Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi hơn hẳn đầu dò bán dẫn khuếch tán có cùng
thể tích. Số phần tử mang điện được sinh ra trong đầu dò bán dẫn germanium cao hơn
cỡ một đến hai bậc độ lớn so với đầu dò nhấp nháy và đầu dò chứa khí.
4.2.3.

Phông đối với hệ đo gamma và các phương pháp giảm phông

Một trong các vấn đề quan trọng đối với một hệ đo bức xạ là phông và cách làm giảm
phông, đặc biệt trong trường hợp cần đo phóng xạ trong các mẫu môi trường. Phông ảnh
hưởng đến hệ đo gamma có nguồn gốc từ các đồng vị phóng xạ hình thành do tương tác
bức xạ vũ trụ với vật chất trong Trái đất, bức xạ từ lớp vỏ Trái đất, bức xạ do các nguồn
phóng xạ nhân tạo.
Có hai phương pháp giảm phông là phương pháp chủ động và phương pháp thụ động.
Phương pháp thụ động là dùng vật liệu che chắn để hấp thụ bức xạ . Phương pháp chủ
động là dùng các thiết bị đo bổ sung để loại trừ các tín hiệu do phông gây ra.
4.2.3.1. Phương pháp thụ động


Vật liệu dùng để che chắn phông  thường là chì với bề dày khoảng 10 cm. Tuy nhiên,
chì chứa khá nhiều các nhân phóng xạ và khi hấp thụ các bức xạ phông sẽ phát ra tia X
đặc trưng năng lượng khoảng 77 keV. Do đó, ở mặt trong buồng chì nên lót thêm một số

lớp vật liệu có bậc số nguyên tử nhỏ hơn để hấp thụ các tia X này. Quá trình cứ tiếp tục
cho đến khi tia X đặc trưng của lớp vật liệu cuối cùng không được đầu dò ghi nhận. Các
vật liệu lớp trong thường dùng như: tantan, thiếc, cadmium, đồng,…
Phông  do neutron tác dụng lên vật liệu detector theo phản ứng (n,) cũng đóng vai
trò quan trọng. Để giảm phông này, nên dùng vật liệu che chắn như parafin, boron,
lithium, bên trong đặt thêm cadmium và chì.
4.2.3.2. Phương pháp chủ động
Đối với bức xạ vũ trụ (chủ yếu là muon), buồng chì không thể che chắn được. Do đó,
cần phải dùng phương pháp chủ động để loại bỏ muon bằng phương pháp điện tử.
Phương pháp này kết hợp hệ đầu dò plastic bên ngoài và đầu dò HPGe bên trong qua hệ
điện tử phản trùng phùng. Giả sử một bức xạ vũ trụ đến tương tác với đầu dò plastic tạo
thành tín hiệu ban đầu, tiếp tục xuyên qua lớp chì bên trong và tương tác với đầu dò
HPGe hình thành một xung tín hiệu thì tín hiệu này sẽ được hệ điện tử nhận diện là tín
hiệu từ bức xạ vũ trụ và không được ghi nhận trên bộ phân tích đa kênh MCA của hệ phổ
kế gamma.
4.2.4.

Phương pháp phân tích hoạt độ phóng xạ môi trường đất bằng hệ phổ kế

gamma
Các mẫu phóng xạ môi trường là các mẫu tự nhiên như đất, đá, nước, bụi, khí, động
thực vật,…Trong đó, phóng xạ trong môi trường đất đóng vai trò chủ yếu. Các mẫu này
chứa các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong chuỗi uranium, thorium và đồng vị 40K. Các hạt
nhân có hàm lượng cao, thường được phân tích bằng hệ phổ kế gamma là
của chuỗi uranium,

238

U và

226

Ra

Th của chuỗi thorium và đồng vị 40K. Trong điều kiện được trang

232

bị buồng chì phông thấp, hệ phổ kế gamma có thể ghi được hầu hết các vạch năng lượng
từ 40 keV đến vài MeV.
4.2.4.1. Thu thập và xử lý mẫu đất


Mẫu được lấy phải có tính đại diện cho loại đất cần phân tích và phản ánh được hiệu
ứng chiếu xạ lên dân cư. Đất được lấy phải xa vùng canh tác, xa đường xá và các công
trình xây dựng.
Trên vùng đất đã chọn lấy mẫu, việc lấy mẫu được tiến hành tại các đỉnh và tâm của
các tam giác đều, tam giác lớn nhất có cạnh 50cm. Độ sâu lấy mẫu tùy theo mục đích
khảo sát. Đất được lấy tại 10 vị trí được trộn đều với nhau và lấy khoảng (2 – 4) kg.

Hình 9: Bố trí các điểm lấy mẫu đất trung bình đại diện tại một vị trí lấy mẫu.
Trước hết, nhặt rễ cây và gạch đá, nghiền nhỏ đất đến kích thước bé hơn 1 cm và trộn
lại với nhau. Sấy đất thật khô, nghiền, rây qua rây 1 mm để loại hết rễ cây và đá vụn.
Sau đó, mẫu được đóng trong các hộp Marinelli (khoảng 500 g).
4.2.4.2. Đo hoạt độ 40K
Hoạt độ phóng xạ 40K được đo trực tiếp dựa vào tia gamma năng lượng 1461 keV do
40

K phát ra.
4.2.4.3. Đo hoạt độ 232Th trong họ thorium

Chuỗi phân rã họ 232Th bao gồm:
232

Th

228

212

Po

208

Ra

Tl

228
208

Ac

228

Th

224

Ra

232

Th

220

Rn

216

Po

212

Pb

212

Bi

Pb

Nhân 232Th phát  năng lượng 63,8 keV (0,27%) có cường độ quá thấp nên không thể
sử dụng để đo trực tiếp hoạt độ.
Trong chuỗi

232

Th, có một số đồng vị phóng xạ phát nhiều tia  với năng lượng thích

hợp để đo, sau đó suy ra hoạt độ 232Th. Các đồng vị này có thời gian sống ngắn nên có sự
cân bằng giữa các đồng vị này với đồng vị 232Th mà không cần nhốt mẫu. Có thể dựa vào


các đồng vị 212Pb (T1/2=10,64 giờ) với vạch 238,6 keV (43,6%), 212Bi (T1/2=60,6 phút) với
vạch 727,3 keV (6,65%),

208

Tl (T1/2=3,05 phút) với vạch 583,2 keV (84,5%),

228

Ac

(T1/2=6,15 giờ) với vạch 338,3 keV (11,25%) và 911,1 keV (26,6%). Các hạt nhân này có
thời gian sống ngắn nên có sự cân bằng giữa các đồng vị này với đồng vị 232Th. Như vậy,
đo nồng độ 232Th trong mẫu đất bằng hệ phổ kế gamma cho kết quả tốt do các đỉnh năng
lượng có cường độ lớn và không bị mất cân bằng.
4.2.4.4. Đo hoạt độ 226Ra trong họ uranium
Chuỗi phân rã họ 238U bao gồm:
238

U

234

218

At

226

Ra chủ yếu phát , phát tia  năng lượng 186, 2 keV (3,6%) với xác suất khá thấp.

Th

218

234m

Pa

214

Rn

234

214

Pb

234

Pa
Bi

230

U
214

Th

226

210

210

Po

Tl

Ra
Pb

222
210

Rn

Bi

218
210

Po
206

Po

Pb

Do đó, để kết quả đạt sai số thấp, trên thực tế, phân tích hoạt độ phóng xạ 226Ra trong các
mẫu môi trường thường thông qua các đồng vị con cháu.
Trong chuỗi 238U có một số đồng vị phát  với năng lượng và xác suất thích hợp để đo
nồng độ và suy ra nồng độ 226Ra. Hai đồng vị thường sử dụng là 214Pb (T1/2=26,8 phút) và
214

Bi (T1/2=19,9 phút). Đồng vị

214

Pb phát các tia  có năng lượng 241,9 keV (7,46%),

295,2 keV (19,2%), 351,9 keV (37,1%).

Bi phát các tia  năng lượng 609,3 keV

214

(46,1%), 768,4 keV (4,88%) 1120,4 keV (15,0%) và 1764,6 keV (15,9%). Trong phân
tích, ta thường sử dụng các tia 295,2 keV, 351,9 keV và 609,3 keV vì chúng có cường độ
lớn. Hai đồng vị

214

Pb và

214

Bi là con cháu của

222

Rn, ở dạng khí trơ phóng xạ.

222

Rn

được sinh ra từ đồng vị 226Ra. Sau khi được sinh ra, do ở dạng khí 222Rn dễ dàng thoát ra
ngoài, do đó, thường không có sự cân bằng giữa
hàm lượng

214

Pb và

214

226

Ra và

Bi đo được không phải hoạt độ

222

226

Rn trong đất mặt. Như vậy,

Ra. Để đo hoạt độ

phải nhốt mẫu khoảng 30 ngày để đạt được cân bằng thế kỷ giữa

226

Ra và

222

226

Ra, cần

Rn. Khi đó

có thể coi hoạt độ 214Pb và 214Bi là hoạt độ 226Ra. Tuy nhiên, hoạt độ 226Ra vẫn chưa phải
là hoạt độ 238U vì giữa hai đồng vị này đã bị mất cân bằng phóng xạ do các quá trình địa
hóa (trừ trường hợp lớp đất không chịu ảnh hưởng của các quá trình này). Như vậy,
phương pháp nhốt mẫu chỉ xác định được hoạt độ 226Ra, không đo được hoạt độ 238U.


Có thể đo hoạt độ 238U thông qua 234Th (T1/2=24,1 ngày) với vạch 63,3 keV (4,49%), là
sản phẩm phân rã trực tiếp từ 238U. Đồng vị 234Th có chu kỳ bán rất ngắn so với 238U nên
có thể coi hai đồng vị này giữ được cân bằng phóng xạ qua các quá trình địa hóa. Vì vậy,

hàm lượng

234

Th đo được sẽ là nồng độ

238

U. Tuy nhiên, việc đo theo tia 63,3 keV gặp

phải hai khó khăn chủ yếu. Thứ nhất, đỉnh 63,3 keV nằm trên nền phông cao do tán xạ
Compton. Thứ hai, do năng lượng thấp, tia  này bị hấp thụ nhiều trong mẫu đo. Vì vậy,
cần có một số hiệu chỉnh nhất định.
4.2.4.5. Xử lý kết quả
Hàm lượng đồng vị phóng xạ trong mẫu đất được xác định theo công thức (4.2)

Am =

Nm
I γ εM m

(4.2)

Trong đó,
Am: hàm lượng mẫu tại thời điểm lấy mẫu (Bq.kg-1),
I: xác suất phát  của đỉnh năng lượng quan tâm,
Nm: tốc độ đếm  tại đỉnh năng lượng quan tâm (số đếm/giây),
: hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế tại đỉnh năng lượng quan tâm,
Mm: khối lượng mẫu phân tích (kg).
Nếu sai số của phép cân khối lượng mẫu không đáng kể so với các nguồn sai số khác

thì sai số kết quả phân tích có thể được tính theo công thức (4.3).
2

σ Am =A m

2

2
 σ Nm   σ Iγ   σ ε 
   

 + 
 Nm   Iγ   ε 

(4.3)

σ Nm , σ I , σ ε : lần lượt là sai số tuyệt đối của tốc độ đếm mẫu, xác suất phát  và
γ

hiệu suất đếm tại đỉnh năng lượng quan tâm .
4.3. Hệ phổ kế Alpha
Phổ kế alpha được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như phân tích hóa
phóng xạ, quan trắc và nghiên cứu môi trường, y vật lý, nghiên cứu địa chất, định tuổi địa
chất,…


4.3.1.

Nguyên lý hoạt động

Về cơ bản, hệ phổ kế alpha gồm hệ detector và mẫu hoặc nguồn đo được đặt bên trong
một buồng đo, hệ điện tử và máy tính xử lý, hiển thị kết quả (hình 10). Vì quãng chạy của
hạt alpha trong không khí rất ngắn, trong quá trình đo, buồng đo cần được hút chân
không để giảm sự mất năng lượng của các hạt alpha phát ra từ mẫu đo. Vì vậy, buồng
chứa detector và mẫu đo cũng có thể được gọi là buồng chân không. Việc hút chân không
để đo alpha là điều cực kỳ quan trọng trong việc giảm tối thiểu sự mất năng lượng hạt
alpha. Buồng chân không được thiết kế có các khe rãnh cách đều nhau, khe gần detector
nhất phải cách detector một khoảng cách nhất định để đảm bảo an toàn cho đầu dò khỏi
hư hại và kéo dài thời gian sử dụng. Với các khe cách đều nhau, ta có thể thay đổi khoảng
cách giữa mẫu đo và detector theo ý muốn.
Máy hút
chân không

Tiền
khuếch đại

Khuếch
đại

MCA

Máy tính

Detector
Mẫu đo

Cao
thế

Hình 10: Sơ đồ hệ phổ kế alpha

Hoạt động của hệ phổ kế alpha dựa trên nguyên lý tương tác giữa các hạt alpha với vật
liệu detector được chế tạo từ chất bán dẫn, thường là silicon. Hạt alpha tương tác với vật
liệu bán dẫn sẽ tạo ra trong vật liệu các cặp điện tử và lỗ trống. Điện tử nhận năng lượng
từ hạt alpha sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị.
Nếu có một hiệu điện thế áp vào hai mặt vật liệu thì điện tử sẽ di chuyển về anode, lỗ
trống sẽ được điện tử từ vùng lân cận lấn chiếm, nên có thể xem như lỗ trống di chuyển
về cathode, tạo ra trong mạch điện tử một xung điện. Như vậy, mỗi tương tác của hạt


apha với vật liệu làm detector sẽ tạo ra một xung điện có biên độ tỷ lệ với năng lượng của
hạt. Số các xung tạo ra trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với hoạt độ phóng xạ của nguồn.
Các xung này sẽ được các bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại nhân lên rồi chuyển sang
bộ xử lý tín hiệu MCA. Chuỗi xung ra từ MCA được đưa vào máy tính để thu nhận và xử
lý phổ bằng các chương trình phần mềm.
Hiện nay, detector silicon hàng rào mặt (SSB) và detector silicon phẳng thụ động cấy
ion (PIPS) được sử dụng phổ biến trong các hệ phổ kế alpha. SSB là loại detector thuần
silicon. Detector SSB loại n được chế tạo bằng cách oxy hóa bề mặt tinh thể silicon để
tạo một lớp silicon dioxide (SiO2), sau đó phủ lên một lớp vàng mỏng (khoảng 40
g.cm2). Bề mặt detector SSB loại p được phủ một lớp nhôm. Detector SSB có nhược
điểm là nhạy với ánh sáng. Do vậy, detector phải được bọc kín bởi một vật liệu khác và
như vậy bề dày cửa sổ sẽ tăng làm cho độ phân giải của detector không cao. Loại detector
PIPS được chế tạo bằng phương pháp cấy ion vào tinh thể silicon. Tinh thể PIPS loại n là
tinh thể silic được cấy ion photpho, PIPS loại p cấy ion boron. Sau khi cấy ion, vật liệu
được nung ở nhiệt độ 500oC để khôi phục lại những sai lệch trong mạng tinh thể do bức
xạ. Detector PIPS có bề dày cửa sổ rất mỏng (khoảng 30 nm) nên độ phân giải rất tốt.
Hơn nữa, detector PIPS có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ phòng nhưng vẫn đảm
bảo dòng dò ở mức thấp. Độ nhạy của detector bán dẫn phụ thuộc vào độ rộng vùng
nghèo. Vùng nghèo của detector rộng khoảng 140 m là đủ để hấp thụ hoàn toàn các hạt
alpha năng lượng đến 15 MeV. Diện tích vùng hoạt của đầu dò lớn sẽ làm tăng hiệu suất
đếm của detector. Cần lựa chọn vật liệu phụ trợ phù hợp để sao cho không gây nhiễm bẩn

bề mặt làm tăng phông.
Để có độ phân giải tốt (FWHM hẹp), bề dày cửa sổ của detector phải mỏng để giảm
phần năng lượng hạt mất do tương tác ngẫu nhiên giữa hạt với vật liệu cửa sổ.
4.3.2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải và hiệu suất đếm trong hệ phổ kế

alpha
4.3.2.1. Khoảng cách giữa nguồn và detector


Các đồng vị phát alpha với năng lượng rất lớn (4 – 9 MeV), vì vậy, hiệu suất ghi nhận
của detector alpha thường không thay đổi theo năng lượng mà chỉ thay đổi theo dạng
hình học của nguồn và khoảng cách từ nguồn đến detector.
Hiệu suất tuyệt đối được xác định dựa vào nguồn chuẩn của detector. Mối liên hệ giữa
hiệu suất nội và hiệu suất tuyệt đối được thể hiện qua công thức (4.4).

ε abs =ε int

Ω
4π

(4.4)

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,

Trường hợp nguồn có dạng đĩa với bán kính RS (dạng phổ biến nhất), detector có bán
kính RD đặt cách nhau một đoạn H. Hiệu suất tuyệt đối được xác định theo công thức
(4.5).
ε abs =

1 R 2D
3 R S2 R D2 H 5 R S4 R D2 H  2 3 2 
+
 H - RD 
2 D  D+H  16 D5
32 D9 
4


(4.5)

Detector

RD

H

D

RS

Nguồn, mẫu

Hình 11: Sắp xếp hình học giữa nguồn và detector trong hệ phổ kế alpha
Trên thực tế, giá trị hiệu suất đo được có thể có sự chênh lệch với giá trị hiệu suất thực

do có hiệu ứng hấp thụ trong mẫu đo. Khi đặt nguồn gần detector, đỉnh phổ sẽ bị mở rộng
do góc nghiêng của các hạt alpha tới detector bị mở rộng dẫn đến phần năng lượng bị mất


của hạt tăng lên. Có thể thấy độ phân giải và hiệu suất đếm của detector là hai đại lượng
phụ thuộc ngược nhau vào khoảng cách giữa nguồn và detector. Hiệu suất tăng khi
khoảng cách này giảm, trong khi độ phân giải thì ngược lại. Tuy nhiên, độ phân giải sẽ
hầu như không thay đổi khi đặt nguồn cách xa detector hơn 10 mm.
4.3.2.2. Đường kính và bề dày nguồn
Nguồn thường được chế tạo dưới dạng các đĩa tròn kim loại, được phủ một lớp thật
mỏng các đồng vị phóng xạ bằng phương pháp mạ điện phân (hoặc bằng các phương
pháp tách hóa khác). Lớp mạ điện phân này phải rất mỏng để giảm hiệu ứng tự hấp thụ.
Vậy, để tạo được nguồn có hoạt độ không quá nhỏ, diện tích đĩa nguồn cần phải lớn. Tuy
nhiên, nếu bán kính nguồn lớn hơn bán kính vùng hoạt của detector thì hiệu suất đếm sẽ
giảm. Do vậy, kích thước nguồn tối ưu là đường kính nguồn bằng đường kính detector và
nguyên tắc này đúng cho mọi khoảng cách từ nguồn đến detector. Nguồn (hoặc mẫu)
được chế tạo phải đạt độ đồng nhất và mỏng đến mức có thể để tránh sự mất mát năng
lượng do hiệu ứng tự hấp thụ trong mẫu, làm giảm hiệu suất đếm của detector.
4.3.3.

Một số ứng dụng của hệ phổ kế alpha trong môi trường

Đối với ứng dụng trong môi trường, hệ phổ kế alpha thường được sử dụng để xác định
hoạt độ phóng xạ một số đồng vị

238

U,

232

Th,

226

Ra,

210

Po. Tuy nhiên, trong phân tích

alpha, ta không thể đo trực tiếp các đồng vị phóng xạ từ mẫu môi trường khi được lấy về
mà phải qua các giai đoạn tạo mẫu đo, nguồn đo khá phức tạp. Việc chuẩn bị mẫu đo cần
phải thỏa mãn một số yêu cầu như mẫu mỏng, độ phân giải phổ alpha tốt, sự mất năng
lượng là tối thiểu,…
Về cơ bản, việc xác định các đồng vị phóng xạ phát alpha bằng hệ phổ kế bao gồm ba
bước chính: mẫu được xử lý hóa học, tách hóa các đồng vị quan tâm và tạo nguồn alpha
phù hợp với hệ đo. Việc tách hóa các đồng vị quan tâm phải được thực hiện thật tốt vì nó
ảnh hưởng đến việc tạo mẫu đo thỏa mãn được các yêu cầu của phép phân tích. Có rất
nhiều phương pháp tách hóa để tạo mẫu trong phân tích alpha. Chương này chỉ trình bày
một số phương pháp phổ biến đã được tiến hành tại bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh.
4.3.3.1. Định lượng các đồng vị 238U và 232Th trong môi trường đất