Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn be5030, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Lê Đức Thiện
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI
• 1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
• 1.2. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma và tia X
• 1.3. Đêtectơ Gecmani
• 1.4. Đêtectơ Gecmani năng lượng siêu thấp (Ultra-LEGe)
• 1.5. Đêtectơ Gecmani năng lượng thấp (LEGe)
• 1.6. Đêtectơ Gecmani đồng trục
• 1.7. Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngược (REGe)
• 1.8. Đêtectơ Ge dải rộng XtRa
• 1.9. Đêtectơ giếng Gecmani
• 1.10. Đêtectơ dải năng lượng rộng (BEGe)
• 1.11. Hiệu suất ghi của đêtectơ
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030

Hệ phổ kế gamma bán dẫn Be5030 là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học hạt nhân. Thiết bị này sử dụng công nghệ bán dẫn để phát hiện và phân tích bức xạ gamma, mang lại độ chính xác cao trong việc đo lường năng lượng bức xạ. Đặc trưng nổi bật của Be5030 là khả năng phân giải năng lượng tốt và hiệu suất ghi cao, cho phép ghi nhận các tia gamma với năng lượng khác nhau. Hệ thống này được trang bị các đêtectơ bán dẫn Gecmani, giúp mở rộng dải năng lượng đo được và cải thiện độ nhạy của thiết bị.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của hệ phổ kế gamma Be5030

Hệ phổ kế gamma Be5030 được thiết kế với nhiều tính năng nổi bật. Độ phân giải năng lượng của thiết bị đạt khoảng 1 keV tại vạch năng lượng 662 keV, cho phép phân tích chính xác các nguồn phóng xạ. Hệ thống cũng có khả năng ghi nhận bức xạ gamma từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên như U, Th, K, giúp phục vụ cho các nghiên cứu địa chất và môi trường.

1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ phổ kế Be5030

Hệ phổ kế gamma Be5030 hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ và hấp thụ bức xạ gamma trong các đêtectơ bán dẫn. Khi bức xạ gamma tương tác với vật liệu bán dẫn, nó sẽ tạo ra các electron tự do và lỗ trống, từ đó sinh ra các xung điện. Các xung này được khuếch đại và phân tích để xác định năng lượng của bức xạ gamma.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng hệ phổ kế gamma Be5030

Mặc dù hệ phổ kế gamma Be5030 có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình sử dụng. Một trong những vấn đề chính là độ nhạy của thiết bị có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và độ ẩm. Ngoài ra, việc bảo trì và hiệu chuẩn thiết bị cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

2.1. Ảnh hưởng của môi trường đến độ nhạy của Be5030

Độ nhạy của hệ phổ kế gamma Be5030 có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm. Khi nhiệt độ tăng cao, các hiện tượng nhiễu có thể xảy ra, làm giảm độ chính xác của phép đo. Do đó, việc duy trì môi trường hoạt động ổn định là rất quan trọng.

2.2. Thách thức trong việc bảo trì và hiệu chuẩn thiết bị

Bảo trì và hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma Be5030 là một nhiệm vụ cần thiết để đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả. Việc này bao gồm kiểm tra định kỳ các thông số kỹ thuật và thực hiện các phép đo chuẩn để xác định độ chính xác của thiết bị.

III. Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu hệ phổ kế Be5030

Để xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma Be5030, các phương pháp thực nghiệm được áp dụng bao gồm xây dựng đường chuẩn năng lượng và đường cong hiệu suất ghi. Các phép đo được thực hiện với nhiều nguồn phóng xạ khác nhau để đánh giá độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi của thiết bị.

3.1. Xây dựng đường chuẩn năng lượng cho Be5030

Đường chuẩn năng lượng được xây dựng bằng cách sử dụng các nguồn phóng xạ có năng lượng đã biết. Các phép đo được thực hiện để xác định vị trí cực đại của các đỉnh hấp thụ, từ đó tạo ra đường chuẩn năng lượng cho hệ thống.

3.2. Phân tích hiệu suất ghi của hệ phổ kế Be5030

Hiệu suất ghi của hệ phổ kế Be5030 được xác định thông qua việc đo lường diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma. Các kết quả này giúp đánh giá khả năng ghi nhận bức xạ của thiết bị trong các điều kiện khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ phổ kế gamma Be5030

Hệ phổ kế gamma Be5030 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu địa chất đến kiểm tra an toàn bức xạ. Thiết bị này giúp xác định hoạt độ phóng xạ của các mẫu đất đá, phục vụ cho các nghiên cứu về ô nhiễm môi trường và an toàn bức xạ.

4.1. Nghiên cứu ô nhiễm môi trường bằng Be5030

Hệ phổ kế gamma Be5030 được sử dụng để phân tích hoạt độ phóng xạ của các mẫu đất đá, từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường. Các kết quả này có thể cung cấp thông tin quan trọng cho các nghiên cứu về tác động của bức xạ đến sức khỏe con người.

4.2. Kiểm tra an toàn bức xạ trong công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ phổ kế gamma Be5030 được sử dụng để kiểm tra an toàn bức xạ tại các cơ sở sản xuất và xử lý chất thải phóng xạ. Thiết bị giúp đảm bảo rằng mức độ bức xạ trong môi trường làm việc luôn nằm trong giới hạn an toàn.

V. Kết luận và tương lai của hệ phổ kế gamma Be5030

Hệ phổ kế gamma Be5030 đã chứng minh được vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học hạt nhân. Với những đặc trưng nổi bật như độ phân giải năng lượng cao và hiệu suất ghi tốt, thiết bị này sẽ tiếp tục được cải tiến và phát triển trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nâng cao độ nhạy và mở rộng dải năng lượng đo được của hệ thống.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ phổ kế gamma

Công nghệ phổ kế gamma đang trên đà phát triển với nhiều cải tiến về độ nhạy và khả năng ghi nhận bức xạ. Các nghiên cứu mới có thể dẫn đến việc phát triển các thiết bị với hiệu suất cao hơn, phục vụ cho các ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp.

5.2. Tương lai của nghiên cứu bức xạ gamma

Nghiên cứu về bức xạ gamma sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến bảo vệ môi trường. Hệ phổ kế gamma Be5030 sẽ là một công cụ hữu ích trong việc phát hiện và phân tích bức xạ, góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật phổ kế gamma bán dẫn đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát phóng xạ môi trường và nghiên cứu vật lý hạt nhân hiện đại. Với khả năng đo phổ trong dải năng lượng rộng từ 3 keV đến 3 MeV, đầu dò Gecmani siêu tinh khiết dải rộng BEGe (Broad Energy Germanium) model BE5030 do hãng Canberra chế tạo đại diện cho bước tiến vượt bậc về công nghệ ghi nhận bức xạ so với các đầu dò NaI(Tl) truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định có hệ thống các đặc trưng vận hành cốt lõi, độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi tuyệt đối và ứng dụng phân tích hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong mẫu địa chất thực tế.

Mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm: khảo sát thông số làm việc tối ưu của hệ đo, thiết lập đường chuẩn năng lượng tuyến tính từ 59,54 keV đến 2614 keV, xây dựng hàm hiệu suất ghi tuyệt đối phụ thuộc vào năng lượng bức xạ và khoảng cách nguồn - đầu dò, đồng thời định lượng chính xác hàm lượng các nguyên tố Urani, Thori và Kali trong mẫu đất đá. Công trình được tiến hành thực nghiệm tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội ngay sau khi hệ thống được nghiệm thu kỹ thuật vào tháng 11 năm 2011. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác với sai số thống kê dưới 1%, phục vụ đắc lực cho công tác quan trắc phóng xạ môi trường với liều hiệu dụng ghi nhận tại các điểm khảo sát dao động từ 0,09 mSv/năm đến 0,26 mSv/năm, hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn bức xạ theo tiêu chuẩn quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác của bức xạ gamma với vật chất, bao gồm ba cơ chế chính: hiệu ứng quang điện (chiếm ưu thế ở vùng năng lượng thấp), tán xạ Compton (chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trung bình) và hiệu ứng tạo cặp electron - positron (xuất hiện khi năng lượng photon vượt ngưỡng 1,022 MeV). Đầu dò bán dẫn Ge hoạt động theo nguyên lý tiếp xúc P-I-N phân cực ngược, trong đó vùng nghèo (vùng nhạy I) hấp thụ năng lượng photon để giải phóng các cặp điện tử - lỗ trống với năng lượng ion hóa trung bình cực thấp, tạo ra xung điện thế tỷ lệ thuận với năng lượng tia tới.

Hệ thống đánh giá chất lượng phổ kế dựa trên ba chỉ số kỹ thuật then chốt:

1. Độ phân giải năng lượng được định lượng qua độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ (FWHM) và độ rộng tại 1/10 chiều cao đỉnh phổ (FWTM), phản ánh qua sự thăng giáng thống kê của hệ số Fano và nhiễu mạch điện tử. Tỉ số FWTM/FWHM dùng để kiểm tra độ đối xứng đỉnh phổ so với phân bố Gauss chuẩn.
2. Hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần biểu thị tỷ lệ giữa số xung ghi nhận được trong đỉnh phổ so với tổng số photon phát ra từ nguồn phóng xạ trong cùng khoảng thời gian đo.
3. Các hiện tượng phi tuyến tính như hiệu ứng chồng chập xung (pile-up) và hiệu ứng cộng đỉnh (true coincidence summing) đối với các nguồn phát tia gamma nối tầng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống thực nghiệm đồng bộ gồm đầu dò BEGe BE5030 (số seri 12078311, đường kính tinh thể 80,5 mm, diện tích bề mặt 5000 mm², độ dày 31 mm) được làm lạnh bằng điện từ nhiệt độ phòng 300 K xuống nhiệt độ vận hành 90 K trong 24 giờ. Hệ thống được che chắn phông phóng xạ tự nhiên bằng buồng chì khối lượng 950 kg, cấu tạo nhiều lớp gồm thép cacbon dày 9,5 mm, lớp chì dày 10 cm, kẽm dày 1 mm và đồng tinh khiết dày 1,6 mm. Tín hiệu xung từ khối tiền khuếch đại nhạy điện tích được truyền qua khối khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự - số ADC và máy phân tích đa kênh MCA 16.000 kênh, kết nối phần mềm chuyên dụng Genie 2000.

Tập dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 8 nguồn chuẩn gamma điểm đạt chuẩn IAEA gồm Am-241, Cd-109, Co-57, Cs-137, Mn-54, Co-60, Na-22 và Ba-133 nhằm thiết lập đường chuẩn năng lượng và hiệu suất ở các khoảng cách 8 cm và 9 cm. Để phân tích mẫu môi trường, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu chuẩn đồng nhất hình học: mẫu chuẩn RGU (khối lượng 99 g, hoạt độ U-238 là 4940 Bq/kg) và 02 mẫu đất đá môi trường (ký hiệu BN và BT) được nghiền mịn, đầm nén trong hộp trụ nhựa đường kính 10 cm và nhốt kín khí trong 20 ngày nhằm thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ thế kỷ. Dữ liệu phổ được đo liên tục trong khoảng thời gian từ 55.253 giây đến 230.031 giây để đảm bảo số đếm đỉnh phổ tích lũy vượt 10.000 xung, giảm thiểu sai số thống kê dưới ngưỡng 1% đến 3%. Toàn bộ dữ liệu được xử lý khớp hàm phi tuyến bằng phần mềm Origin.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã xác định các đặc tính vận hành và thông số kỹ thuật tối ưu của hệ phổ kế BEGe BE5030 qua các phát hiện nổi bật:

1. Chế độ làm việc tối ưu của hệ phổ kế: Điện áp phân cực cao thế nuôi đầu dò được xác lập ở mức 4000 V kết hợp hệ số khuếch đại thô 20 và chỉnh tinh 0,9. Thời gian hình thành xung (shaping time) tối ưu là 4 µs, mang lại độ phân giải năng lượng FWHM đạt 1,352 keV tại vạch 661,66 keV của Cs-137 (cải thiện 43,05% so với mức 2,374 keV khi chọn thời gian xung 1 µs). Tỉ số bề rộng đỉnh FWTM/FWHM tại mốc 4 µs đạt 1,904, tiệm cận giá trị dạng đỉnh Gauss lý tưởng (1,82).
2. Độ tuyến tính của đường chuẩn năng lượng: Đường chuẩn năng lượng thiết lập trong dải năng lượng từ 59,54 keV đến 2614 keV tuân theo phương trình bậc nhất hoàn hảo với hệ số tương quan R² = 1, cho phép nhận diện chính xác các đỉnh năng lượng cao của Bi-214 (1764 keV) và Tl-208 (2614 keV).
3. Quy luật biến thiên của hiệu suất ghi: Ở khoảng cách đo 8 cm, hiệu suất ghi tuyệt đối đạt giá trị cực đại 0,0471 tại năng lượng 88,04 keV (Cd-109), sau đó giảm dần về 0,0029 tại vạch 1332,5 keV (Co-60). Khi tăng khoảng cách nguồn tới đầu dò từ 8 cm lên 9 cm, hiệu suất ghi giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách do góc đặc hình học suy giảm.
4. Hàm lượng phóng xạ tự nhiên trong mẫu đất đá: Mẫu BN có hàm lượng Urani là 0,85 ppm, Thori là 5,46 ppm và Kali là 0,055%. Mẫu BT có hàm lượng Urani là 0,60 ppm, Thori là 2,64 ppm và Kali là 0,040%. Các đồng vị phóng xạ trong chuỗi U-238 và Th-232 đều đạt trạng thái cân bằng phóng xạ bền vững.

Thảo luận kết quả

Đường cong hiệu suất ghi phản ánh chính xác bản chất vật lý của tinh thể Ge mỏng dải rộng. Trong vùng năng lượng dưới 100 keV, hiệu suất tăng mạnh do photon dễ dàng xuyên qua cửa sổ cacbon màng mỏng và bị hấp thụ toàn phần qua hiệu ứng quang điện. Ở vùng năng lượng cao trên 500 keV, hiệu suất suy giảm theo hàm logarit đa thức bậc 5 do tiết diện tán xạ Compton tăng, khiến xác suất photon thoát ra khỏi thể tích nhạy 5000 mm² tăng cao.

Kết quả phân tích mẫu địa chất được đối chứng trực tiếp với số liệu đo tại phòng thí nghiệm VILAB thuộc Trung tâm Phân tích Môi trường - Viện Hóa học Quân sự. Đối với mẫu BN, giá trị Urani (0,85 ppm so với 0,92 ppm từ VILAB, chênh lệch 7,6%) và Thori (5,46 ppm so với 5,80 ppm từ VILAB, chênh lệch 5,8%) cho thấy độ tin cậy và độ chính xác rất cao của hệ phổ kế BE5030. Riêng hàm lượng Kali có độ lệch lớn hơn do nồng độ K-40 trong mẫu quá thấp (0,055%), đòi hỏi kéo dài thời gian tích lũy phổ trên 100.000 giây để tăng số đếm có nghĩa.

Về phương diện an toàn bức xạ, mức liều hiệu dụng hàng năm ước tính từ các mẫu phân tích dao động từ 0,09 mSv/năm đến 0,26 mSv/năm. Các giá trị này thấp hơn đáng kể so với mức phông gamma tự nhiên trung bình toàn cầu 0,5 mSv/năm do Ủy ban Khoa học của Liên Hợp Quốc về Tác dụng của Bức xạ Nguyên tử (UNSCEAR) công bố và thấp hơn giới hạn liều an toàn 1,0 mSv/năm đối với dân chúng theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6866:2001. Dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa trực quan thông qua 10 bảng số liệu chi tiết và 17 đồ thị phổ chuẩn hóa trong công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa quy trình vận hành và kiểm tra định kỳ hệ phổ kế BEGe: Thiết lập chế độ đo cố định với cao áp nuôi 4000 V, hệ số khuếch đại 18 và thời gian hình thành xung 4 µs; thực hiện kiểm tra độ phân giải FWHM và độ trôi kênh định kỳ 30 ngày/lần bằng nguồn chuẩn Cs-137 nhằm duy trì độ trôi kênh dưới 0,1%. Trách nhiệm thực hiện thuộc về kỹ thuật viên phòng thí nghiệm hạt nhân.
2. Nghiêm ngặt hóa quy trình tiền xử lý mẫu môi trường: Bắt buộc duy trì thời gian lưu mẫu kín khí tối thiểu từ 20 đến 30 ngày trong hộp đo chuyên dụng trước khi phân tích để đảm bảo chuỗi phân rã phóng xạ giữa Ra-226 và sản phẩm phân rã khí Radon đạt trạng thái cân bằng phóng xạ trên 98%. Nhóm nghiên cứu môi trường phóng xạ cần giám sát chặt chẽ quy trình này.
3. Kéo dài thời gian đo phổ đối với mẫu có hàm lượng hoạt độ thấp: Đối với các mẫu đất đá có nồng độ Kali-40 dưới 0,1%, khuyến nghị tăng thời gian tích lũy số đếm từ 55.000 giây lên mức tối thiểu 200.000 đến 250.000 giây nhằm giảm sai số diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần xuống dưới 2%, khắc phục sai số tiệm cận ngưỡng phát hiện. Nghiên cứu viên đo phổ chịu trách nhiệm thiết lập lịch đo.
4. Ứng dụng mô phỏng Monte Carlo bổ trợ thực nghiệm: Triển khai tích hợp các công cụ mô phỏng MCNP hoặc Geant4 trong giai đoạn 2026-2027 để tính toán hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh và hiện tượng tự hấp thụ bức xạ trong mẫu thể tích lớn, giúp giảm 40% chi phí sử dụng nguồn chuẩn vật lý đắt tiền. Đơn vị chủ trì là các viện nghiên cứu và khoa vật lý hạt nhân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý địa cầu: Nắm vững phương pháp đo phổ kế gamma thực nghiệm, cơ chế tương tác bức xạ và kỹ năng vận hành phần mềm xử lý phổ chuyên nghiệp Genie 2000.
2. Cán bộ quan trắc môi trường và an toàn bức xạ: Ứng dụng quy trình định lượng hoạt độ chuỗi Urani, Thori, Kali trong mẫu đất đá, bùn lắng và đánh giá liều hiệu dụng chiếu xạ ngoài theo tiêu chuẩn TCVN 6866:2001.
3. Kỹ sư vận hành thiết bị phân tích phóng xạ tại các phòng thí nghiệm: Sử dụng bộ thông số thực nghiệm tối ưu (điện áp 4000 V, shaping time 4 µs) và kỹ thuật bảo dưỡng hệ thống làm lạnh điện 90 K để nâng cao tuổi thọ đầu dò Ge.
4. Nhà nghiên cứu địa chất và khoáng sản hạt nhân: Tham khảo phương pháp phân tích không phá hủy mẫu để khảo sát hàm lượng nguyên tố phóng xạ trong các khối đá magma, trầm tích phục vụ điều tra tài nguyên.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đầu dò BEGe BE5030 cần làm lạnh xuống 90 K trong 24 giờ trước khi vận hành? Gecmani có độ rộng vùng cấm hẹp (khoảng 0,67 eV ở nhiệt độ phòng). Việc làm lạnh bằng điện xuống 90 K trong 24 giờ giúp triệt tiêu dòng nhiệt sinh hạt tải điện tự do, giảm thiểu tối đa tiếng ồn nhiệt và ngăn ngừa nguy cơ đánh thủng điện môi khi đặt điện thế phân cực cao áp 4000 V.

Thời gian hình thành xung (shaping time) 4 µs mang lại ưu thế gì cho hệ phổ kế? Ở mốc 4 µs, mạch tạo dạng CR-RC đạt tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) tối ưu, cho độ phân giải FWHM tốt nhất là 1,352 keV tại đỉnh 661,66 keV của Cs-137. Thời gian xung ngắn hơn (1 µs) làm tăng nhiễu chuỗi, trong khi thời gian quá dài (12 µs) gây trôi đường nền và méo đỉnh.

Vì sao mẫu đất đá cần được nhốt kín ít nhất 20 ngày trước khi phân tích phổ? Đồng vị Ra-226 phân rã sinh ra khí phóng xạ Rn-222 có chu kỳ bán rã 3,82 ngày. Việc nhốt kín mẫu trong 20 ngày (tương đương hơn 5 chu kỳ bán rã) đảm bảo xác lập trạng thái cân bằng phóng xạ thế kỷ giữa Radi và các sản phẩm con cháu (Pb-214, Bi-214), giúp kết quả định lượng đạt độ chính xác cao.

Hiệu suất ghi của đầu dò BEGe biến thiên thế nào trong dải năng lượng từ 3 keV đến 3 MeV? Hiệu suất ghi tăng nhanh ở dải năng lượng thấp, đạt đỉnh cực đại tại khoảng 88 keV (Cd-109 với hiệu suất 0,0471 ở khoảng cách 8 cm) nhờ cửa sổ mỏng. Sau đó, hiệu suất giảm dần theo hàm số mũ ở dải năng lượng cao trên 500 keV do xác suất tán xạ Compton tăng làm photon thất thoát khỏi tinh thể.

Mức phóng xạ tự nhiên trong mẫu đất đá phân tích có nguy hại cho sức khỏe con người không? Không nguy hại. Liều hiệu dụng chiếu xạ ngoài tính toán từ hai mẫu đất đá BN và BT dao động từ 0,09 đến 0,26 mSv/năm, thấp hơn nhiều so với phông bức xạ tự nhiên trung bình toàn cầu (0,5 mSv/năm theo UNSCEAR) và nằm dưới giới hạn an toàn 1,0 mSv/năm theo TCVN 6866:2001.

Kết luận

• Xác định thành công chế độ vận hành tối ưu cho hệ phổ kế gamma bán dẫn dải rộng BEGe BE5030 với cao áp 4000 V và thời gian định hình xung 4 µs, đạt độ phân giải FWHM ấn tượng 1,352 keV tại đỉnh 661,66 keV của Cs-137.
• Xây dựng hoàn chỉnh đường chuẩn năng lượng tuyến tính tuyệt đối (R² = 1) và hàm hiệu suất ghi thực nghiệm chính xác cao trong dải năng lượng bức xạ từ 59,54 keV đến 2614 keV.
• Ứng dụng phân tích thành công hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong 02 mẫu đất đá môi trường, xác định hàm lượng Urani từ 0,60 đến 0,85 ppm và Thori từ 2,64 đến 5,46 ppm với kết quả phù hợp với phân tích đối chứng tại Viện Hóa học Quân sự.
• Khẳng định mức độ an toàn bức xạ môi trường tại khu vực lấy mẫu với liều hiệu dụng hàng năm đạt 0,09 - 0,26 mSv/năm, thấp hơn giới hạn tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6866:2001 (1,0 mSv/năm).
• Định hướng giai đoạn tiếp theo cần mở rộng áp dụng mô phỏng Monte Carlo để tối ưu hóa hình học mẫu đo phức tạp và nâng cao thời gian tích lũy phổ cho các nguyên tố có hàm lượng vết.

Quý độc giả, nghiên cứu viên và cơ sở đào tạo quan tâm có thể khai thác các thông số thực nghiệm và quy trình phân tích trong luận văn để chuẩn hóa hoạt động đo phổ kế gamma bán dẫn tại đơn vị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu và kết luận, bản luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng Chƣơng 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani Chƣơng 2. Phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3. Kết quả thực nghiệm.

Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI 1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani 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 đƣợc cƣờng độ bức xạ nhƣng thông tin về năng lƣợng cung cấp đƣợc còn rất hạn chế. Ngày nay các đầu dò hiện đại có độ phân giải tốt hiệu suất ghi cao cho phép đo đƣợc chính xác cƣòng độ và năng lƣợng 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 đƣợc đo bằng phƣơng pháp huỳnh quang vì chúng có khả năng làm phát quang một số vật liệu. Phổ kế quang học ứng dụng hiện tƣợng tán sắc ánh sáng có thể đƣợc dùng để đo bƣớc sóng tia X nhƣng cũng chỉ đo đƣợc bƣớc sóng tia X lớn hơn 0,1nm. Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể tinh khiết tự nhiên, Bragg đã đo đƣợc tia X có bƣớc 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 tƣợng 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 trƣờng mà còn phát ra một loại bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh đƣợc 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. Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện Năm 1908, Rutherford và Geiger đã phát minh ra ống đếm chứa khí cho phép đo cƣờng độ của chùm tia X và tia gamma, đây là tiến bộ nhảy vọt so với kỹ thuật xử lý bằng kính ảnh trƣớc đó. Năm 1948, Hofstadter đã chế tạo ra đêtectơ nhấp nháy NaI(T1) có khả năng đo đƣợc phổ gamma với dải năng lƣợng rộng hơn.

Tinh thể chất nhấp nháy đƣợc chế tạo có kích thƣớc ngày càng lớn cho nên có khả năng hấp thụ các tia gamma có năng lƣợng cao thậm chí lên tới 1 MeV. Các đặc trƣng cơ bản của đêtectơ nhấp nháy là có hiệu suất ghi và độ phân giải tƣơng đối cao ( FWHM cỡ 45 keV tại vạch năng lƣợng 662 keV của đồng vị phóng xạ 137Cs), 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 đƣợc sử dụng khá phổ biến vì chúng đơn giản và dễ vận hành, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng ,giá thành rẻ. Năm 1960, một thế hệ phổ kế gamma mới đƣợc 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 lƣợng 100 keV) ở vùng năng lƣợng thấp. Nhƣợc 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 cƣờng độ lớn và nhờ có độ chính xác cao nên chúng đƣợc 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 nhƣ các loại đetectơ phát hiện các hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại đêtectơ này phải chế tạo dƣới dạng tinh thể.

Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn nhƣ 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 đƣợc một dải năng lƣợng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm bằng vật liệu bán dẫn Si chỉ đo đƣợc ở vùng năng lƣợng thấp vì số nguyên tử của silicon Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện thấp. 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 ngƣời 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 trƣớc đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phƣơng pháp phân tích hạt nhân.

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng lƣợng tia gamma quan tâm, ngƣời ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng Canberra nhƣ Ultra LEGe, LEGe, BEGe, coaxial Ge hoặc HPGe, XtRa, REGe, Well [6]. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani Đêtectơ Gecmani 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 tƣơng tác với vật chất trong vùng I của đêtectơ sẽ sinh ra các hạt tải điện (lỗ trống và electron) và dƣới tác dụng của thế ngƣợc chúng di chuyển tới cực P và N. Lƣợng điện tích này tỉ lệ với năng lƣợng của các photon tới và đƣợc chuyển thành các xung điện đƣa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích.

Vì Gecmani có độ rộng vùng cấm thấp cho nên các đêtectơ phải đƣợc làm lạnh để làm giảm nhiệt của việc phát sinh các hạt tải điện tới một mức có thể chấp nhận đƣợc, nếu không việc rò rỉ tiếng ồn có thể làm phá hủy độ phân giải năng lƣợng của đêtectơ. Nitơ lỏng, có nhiệt độ 770K là nguyên liệu phổ biến để làm lạnh cho các đêtectơ. Các đêtectơ thƣờng đƣợc gắn vào một buồng chân không đƣợc kết nối hoặc chèn vào hệ thống làm mát LN2, khi đó các bề mặt rất nhạy của đetectơ sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc độ ẩm và những chất gây ô nhiễm khác. Khi năng lƣợng bức xạ gamma bay vào vật chất nó sẽ tạo nên electron tự do – lỗ trống thông qua ba quá trình tƣơng 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. Nhƣ vậy thông qua các hiệu Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện ứng tƣơng tác, bức xạ gamma đã tạo ra hàng loạt các electron và các lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dƣới tác dụng của điện trƣờng các electron chuyển động về cực dƣơng, 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 lƣợng thấp (LEGe), đêtectơ giếng Gecmani, đêtectơ phân cực ngƣợc, đêtectơ đồng trục khoảng rộng (XtRa), đêtectơ Ge siêu tinh khiết (HPGe), đêtectơ dải năng lƣợng rộng ( BEGe).

Đêtectơ Gecmani năng lƣợng 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 đƣợc đối với đêtectơ Ge có số nguyên tử ( Z=32) và do đó phủ một dải rộng năng lƣợng lớn hơn bất kỳ đêtectơ photon nào trên thị trƣờng. Đêtectơ ULEGe có khả năng phân giải là bé hơn 150 eV (FWHM) tại 5,9 keV. Do đặc trƣng năng lƣợng thấp của ULEGe, Canberra cung cấp sự chọn lựa cửa sổ cryostat màng polymer. Cửa sổ Polymer này là một màng nhiều lớp đƣợc đỡ bằng cấu trúc xƣơng Silic.

Màng đƣợc mở rộng ra trên các xƣơng Silic cỡ 100μm, có độ dày 0,3mm và hoạt động nhƣ một Collimator. Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp Đêtectơ Gecmani năng lƣợng thấp ( LEGe ) [1] miêu tả một hình học mới trong hình học đêtectơ Ge với những ƣu điểm cơ bản so với các đêtectơ tinh thể bản mỏng (planar) hoặc đồng trục thông thƣờng có nhiều ứng dụng. Đêtectơ LEGe đƣợc chế tạo với tiếp xúc phía trƣớc 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 thƣớc.

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 lƣợng 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 trƣng tần số và tỷ số đỉnh trên nền đƣợc cải thiện. Đêtectơ LEGe có vùng hoạt từ 50 mm2 tới 38 cm2 Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Lê Đức Thiện và với độ dày từ 5 tới 25mm.

Đối với các ứng dụng liên quan tới năng lƣợng gamma trung bình, LEGe có thể thay thế một đêtectơ đồng trục dung tích lớn đắt tiền. Lợi dụng ƣu điểm đáp ứng năng lƣợng thấp của đetectơ cửa sổ mỏng cơ bản này, LEGe thƣờng đƣợc trang bị với cửa sổ Be mỏng. Đối với bài toán đo bức xạ gamma hoặc tia X có năng lƣợng trên 30 keV hoặc hơn, LEGe có thể đƣợc trang bị với một cửa sổ nhôm 0,5 mm thông thƣờng.