Khóa luận: Đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl)

Khóa luận sư phạm vật lý: Đánh giá giới hạn phát hiện của hệ phổ kế gamma NaI(Tl). Nghiên cứu chuyên sâu về đo lường và phân tích hạt nhân.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hằng
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lí
• Đề tài: Đánh Giá Giới Hạn Phát Hiện Của Hệ Phổ Kế Gamma Nal(Tl)
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
• 1.2. Hiệu ứng quang điện
• 1.3. Hiệu ứng Compton
• 1.4. Hiệu ứng tạo cặp electron — positron
• 1.5. Giới hạn phát hiện hoạt độ của đầu dò
• 1.6. Tóm tắt chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hệ phô kế gamma NaI(Tl)
• 2.2. Đầu dò NaI(Tl)
• 2.3. Nguồn chuẩn phát gamma
• 2.4. Đường chuẩn năng lượng và FWHM của đầu dò NaI(Tl)
• 2.5. Đường chuẩn năng lượng
• 2.6. Giá trị FWHM theo kênh của đầu dò NaI(Tl)
• 2.7. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần
• 2.8. Tóm tắt chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Giới hạn phát hiện hoạt độ cho trường hợp đo phông thực nghiệm
• 3.2. Giới hạn phát hiện hoạt độ cho phép đo phổ thực nghiệm đồng vị phóng xạ
• 3.3. Tóm tắt chương 3

Tóm tắt

I. Tổng quan về đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma

Hệ phổ kế gamma, đặc biệt là hệ sử dụng detector nhấp nháy NaI(Tl), là công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực an toàn bức xạ và quan trắc phóng xạ môi trường. Một trong những thông số quan trọng nhất đánh giá năng lực của hệ đo này là Giới hạn phát hiện hoạt độ (MDA). Đây là chỉ số xác định mức hoạt độ thấp nhất của một nguồn phóng xạ mà hệ thống có thể ghi nhận một cách đáng tin cậy. Việc đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl) không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật cơ bản mà còn là nền tảng để đảm bảo độ chính xác trong các phân tích định lượng, đặc biệt với các mẫu có hoạt độ thấp. Nếu hoạt độ thực tế của mẫu thấp hơn giá trị MDA, kết quả đo sẽ không có độ tin cậy thống kê cao. Do đó, hiểu rõ bản chất của MDA, các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định chính xác là nhiệm vụ hàng đầu. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh lý thuyết và thực nghiệm của quá trình đánh giá quan trọng này, từ việc giới thiệu khái niệm cốt lõi, các thách thức trong quá trình đo, đến quy trình tính toán chi tiết và các kết quả nghiên cứu thực tiễn.

1.1. Khái niệm Hoạt độ Tối thiểu Có thể Phát hiện MDA là gì

Hoạt độ Tối thiểu Có thể Phát hiện, hay MDA (Minimum Detectable Activity), được định nghĩa là hoạt độ thấp nhất mà một hệ đo phổ kế có thể phân biệt được với tín hiệu phông (background) với một mức độ tin cậy thống kê cho trước, thường là 95%. Trong các phép đo hoạt độ phóng xạ thấp, MDA là thông số hàng đầu để đánh giá khả năng định lượng của quy trình. Theo tài liệu nghiên cứu [10], do phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên tuân theo phân bố Poisson, việc phân biệt tín hiệu thực từ dao động của phông phóng xạ là cực kỳ quan trọng. Giá trị MDA càng thấp, khả năng phân tích hoạt độ của hệ phổ kế gamma càng tốt, cho phép phát hiện các đồng vị phóng xạ ở nồng độ rất nhỏ. Việc xác định MDA phải được thực hiện trước khi tiến hành các phép đo chính thức và kết quả này phải được báo cáo cùng với kết quả phân tích mẫu.

1.2. Vai trò của Detector nhấp nháy NaI Tl trong phép đo gamma

Detector nhấp nháy NaI(Tl) là loại đầu dò phổ biến nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội. Tinh thể NaI(Tl) có hiệu suất ghi của detector rất cao đối với tia gamma, đặc biệt là so với các detector bán dẫn. Ưu điểm này đến từ số nguyên tử hiệu dụng (Z) cao của Iốt. Hơn nữa, hệ đo sử dụng đầu dò NaI(Tl) thường nhỏ gọn, không yêu cầu làm lạnh phức tạp như detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, và có chi phí vận hành thấp hơn. Tuy nhiên, nhược điểm chính của NaI(Tl) là độ phân giải năng lượng kém hơn so với HPGe. Điều này có thể gây khó khăn trong việc tách các đỉnh năng lượng gần nhau. Mặc dù vậy, với các ứng dụng không yêu cầu độ phân giải quá cao như quan trắc phóng xạ môi trường hay sàng lọc ban đầu, NaI(Tl) vẫn là lựa chọn tối ưu về hiệu quả và chi phí.

II. Thách thức chính khi đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế

Quá trình đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl) phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất chính là phông phóng xạ (background radiation), bao gồm các bức xạ từ môi trường tự nhiên và từ chính các vật liệu cấu thành hệ đo. Tín hiệu phông này gây nhiễu và làm giảm tỷ số đỉnh trên nền, trực tiếp làm tăng giá trị MDA. Một thách thức khác, được chỉ ra trong nghiên cứu của Casanovas và cộng sự [6], là sự không ổn định của hệ đo, đặc biệt là hiện tượng trôi kênh do thay đổi nhiệt độ. Đầu dò NaI(Tl) rất nhạy cảm với nhiệt độ, sự thay đổi dù nhỏ cũng có thể làm dịch chuyển vị trí đỉnh năng lượng trên phổ đồ, dẫn đến sai lệch trong việc xác định vùng quan tâm (ROI) và tính toán số đếm. Việc không kiểm soát tốt các yếu tố này sẽ làm cho kết quả đánh giá MDA mất đi tính chính xác và độ tin cậy, ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình phân tích sau này.

2.1. Ảnh hưởng của phông phóng xạ đến độ chính xác phép đo

Phông phóng xạ là tổng hợp của các bức xạ gamma từ các nguồn tự nhiên (như chuỗi Urani, Thorium, Kali-40 trong đất đá, vật liệu xây dựng) và tia vũ trụ. Trong công thức tính MDA, số đếm phông (B) là một đại lượng quan trọng. Số đếm phông càng cao, phương sai thống kê của nó càng lớn, dẫn đến giá trị MDA càng cao. Điều này có nghĩa là hệ thống sẽ khó phát hiện các nguồn có hoạt độ yếu. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, các hệ phổ kế gamma thường được đặt trong các buồng chì che chắn dày. Nghiên cứu của Lê Quang Vương và cộng sự [3] đã cho thấy việc sử dụng các cấu hình che chắn có thể làm giảm MDA từ 2,6 đến 4,24 lần, chứng tỏ vai trò quyết định của việc kiểm soát phông trong việc cải thiện giới hạn phát hiện.

2.2. Hiện tượng trôi kênh do nhiệt độ và cách khắc phục

Sự ổn định nhiệt độ là yếu tố then chốt đối với detector nhấp nháy NaI(Tl). Tài liệu gốc đã chỉ ra rằng trong quá trình đo kéo dài, nhiệt độ phòng thí nghiệm dao động từ 25°C đến 31°C, dẫn đến hiện tượng dịch chuyển đỉnh (trôi kênh) trên phổ đồ. Khi đỉnh năng lượng bị dịch chuyển khỏi vùng ROI đã xác định ban đầu, việc tính toán số đếm thực của nguồn sẽ bị sai lệch nghiêm trọng. Để khắc phục, nghiên cứu đã phải tiến hành xác định lại vùng ROI và FWHM cho từng phổ đo riêng lẻ. Đây là một công việc tốn nhiều thời gian và công sức. Giải pháp lâu dài hơn là sử dụng các đầu dò có tính ổn định nhiệt tốt hơn hoặc trang bị hệ thống điều hòa nhiệt độ ổn định cho phòng thí nghiệm để duy trì một điều kiện đo không đổi, từ đó đảm bảo tính nhất quán của kết quả phân tích phổ gamma.

III. Phương pháp hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma NaI Tl chính xác

Trước khi tiến hành đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl), bước hiệu chuẩn là bắt buộc và mang tính quyết định. Quá trình này bao gồm hai phần chính: hiệu chuẩn năng lượng và hiệu chuẩn hiệu suất. Hiệu chuẩn năng lượng thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa kênh của bộ phân tích đa kênh (MCA) và năng lượng tia gamma, cho phép xác định chính xác năng lượng của các đỉnh chưa biết. Trong khi đó, hiệu chuẩn hiệu suất xác định khả năng ghi nhận photon ở một mức năng lượng cụ thể của detector. Hiệu suất này không phải là hằng số mà phụ thuộc vào năng lượng của tia gamma và hình học đo. Một đường chuẩn hiệu suất chính xác là cơ sở để chuyển đổi từ số đếm ghi nhận được (tốc độ đếm) sang hoạt độ thực của nguồn phóng xạ, một đại lượng cần thiết trong công thức tính MDA. Quy trình hiệu chuẩn phải được thực hiện cẩn thận bằng các nguồn chuẩn đã biết rõ hoạt độ và năng lượng.

3.1. Quy trình xây dựng đường chuẩn năng lượng và FWHM

Việc xây dựng đường chuẩn năng lượng được thực hiện bằng cách đo phổ của các nguồn chuẩn phát gamma đơn năng hoặc đa năng như ²²Na, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs. Từ phổ đồ thu được, vị trí kênh trung tâm của các đỉnh hấp thụ toàn phần được xác định. Mối quan hệ giữa năng lượng (E) và vị trí kênh (K) thường là một hàm tuyến tính: E = aK + b. Các hệ số a và b được xác định bằng phương pháp khớp bình phương tối thiểu. Tài liệu gốc đã thực hiện việc này và thu được hệ số tương quan R² = 0,99999, cho thấy độ tin cậy rất cao. Cùng với đó, Bề rộng một nửa chiều cao (FWHM) cũng được xác định cho mỗi đỉnh. FWHM là một thước đo cho độ phân giải năng lượng của detector. Giá trị FWHM giúp xác định vùng ROI (vùng quan tâm) để tính toán tổng số đếm tại đỉnh năng lượng.

3.2. Cách xác định hiệu suất ghi của detector theo năng lượng

Hiệu suất ghi của detector, hay hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ε(E), được xác định bằng công thức ε(E) = N(E) / (A * I(E) * t). Trong đó, N(E) là số đếm thuần tại đỉnh năng lượng E (đã trừ phông), A là hoạt độ của nguồn chuẩn tại thời điểm đo, I(E) là xác suất phát gamma tại năng lượng E, và t là thời gian đo. Bằng cách đo các nguồn chuẩn khác nhau có năng lượng E khác nhau, một tập hợp các giá trị hiệu suất (E, ε(E)) sẽ được thu thập. Từ đó, một đường chuẩn hiệu suất được xây dựng bằng cách khớp dữ liệu này với một hàm toán học phù hợp (thường là hàm đa thức log-log). Đường chuẩn này cho phép nội suy giá trị hiệu suất tại bất kỳ năng lượng nào trong dải hiệu chuẩn, rất quan trọng cho việc tính toán MDA của các đồng vị phóng xạ khác nhau.

IV. Bí quyết tính toán MDA cho hệ phổ kế NaI Tl hiệu quả

Việc tính toán Hoạt độ Tối thiểu Có thể Phát hiện (MDA) là bước cuối cùng trong quá trình đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl). Công thức tính toán MDA không phải là duy nhất mà phụ thuộc vào điều kiện đo cụ thể, ví dụ như đo phông hay đo mẫu có tín hiệu. Phương pháp Currie là một trong những phương pháp phổ biến nhất và được áp dụng trong tài liệu tham khảo [2]. Công thức này liên kết trực tiếp MDA với các thông số của hệ đo như số đếm phông (B), hiệu suất ghi của detector (ε), xác suất phát gamma (I) và thời gian đo phổ (t). Hiểu rõ công thức và ý nghĩa của từng đại lượng cho phép tối ưu hóa các điều kiện đo để đạt được giá trị MDA thấp nhất có thể. Ví dụ, việc kéo dài thời gian đo hoặc tăng hiệu suất ghi đều góp phần cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện của hệ thống, giúp phát hiện được các nguồn phóng xạ yếu hơn.

4.1. Áp dụng công thức Currie để xác định giới hạn phát hiện

Công thức tính MDA thường được sử dụng dựa trên nền tảng thống kê. Đối với trường hợp đo phông (không có nguồn), công thức được đề xuất trong tài liệu [2] là: MDA = (k² + 2k * sqrt(2B)) / (ε(E) * I(E) * t). Trong đó, k là hệ số bất định (thường là 1,645, tương ứng độ tin cậy 95%), B là tổng số đếm phông trong vùng ROI, ε(E) là hiệu suất đỉnh, I(E) là xác suất phát, và t là thời gian đo. Công thức này cho thấy MDA phụ thuộc mạnh vào căn bậc hai của số đếm phông. Do đó, mọi nỗ lực giảm phông nền đều mang lại hiệu quả trực tiếp trong việc cải thiện MDA. Việc tính toán độ không đảm bảo đo cũng rất quan trọng, được thực hiện bằng phương pháp truyền sai số để đánh giá độ tin cậy của kết quả MDA thu được.

4.2. Tối ưu hóa thời gian đo phổ để cải thiện giá trị MDA

Thời gian đo phổ (t) là một trong những thông số dễ điều chỉnh nhất để cải thiện MDA. Theo công thức, MDA tỉ lệ nghịch với thời gian đo (MDA ∝ 1/t). Điều này có nghĩa là tăng gấp đôi thời gian đo sẽ giúp giảm MDA, nhưng không phải theo tỉ lệ tuyến tính. Nghiên cứu trong tài liệu gốc đã thực hiện 48 phép đo với thời gian từ 0,5 đến 24 giờ. Kết quả cho thấy MDA giảm nhanh trong những giờ đầu và sau đó tiệm cận một giá trị ổn định. Cụ thể, đối với nguồn ¹³⁷Cs, giá trị MDA không thay đổi đáng kể sau 12 giờ đo. Điều này cung cấp một thông tin thực tiễn quan trọng: việc kéo dài thời gian đo một cách vô hạn là không hiệu quả và tốn kém. Cần xác định một thời gian đo phổ tối ưu để cân bằng giữa việc đạt được MDA mong muốn và hiệu quả về mặt thời gian, chi phí.

V. Kết quả đánh giá giới hạn phát hiện và ứng dụng thực tiễn

Kết quả thực nghiệm từ việc đánh giá giới hạn phát hiện hệ phổ kế gamma NaI(Tl) cung cấp những dữ liệu vô giá. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng MDA là một hàm giảm theo thời gian đo, phù hợp với các nghiên cứu trước đây của Done [2] và Lê Quang Vương [3]. Cụ thể, đối với phép đo phông, giá trị MDA giảm dần khi thời gian đo tăng lên. Đối với phép đo nguồn thực nghiệm ¹³⁷Cs, một kết quả quan trọng được phát hiện là MDA đạt trạng thái ổn định sau khoảng 12 giờ đo. Độ lệch tương đối của MDA so với giá trị trung bình trong khoảng 12-24 giờ chỉ là 1,85%, cho thấy việc kéo dài thời gian đo sau mốc này không mang lại cải thiện đáng kể. Những kết quả này có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc xây dựng các quy trình đo lường tối ưu, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu độ nhạy cao như quan trắc phóng xạ môi trường hay kiểm định an toàn thực phẩm.

5.1. Phân tích kết quả MDA của đồng vị ¹³⁷Cs ⁶⁰Co và ²²Na

Nghiên cứu đã tiến hành tính toán giá trị MDA cho các đồng vị phổ biến ¹³⁷Cs (661,67 keV), ⁶⁰Co (1173,23 keV & 1332,50 keV), và ²²Na (1274,54 keV) từ phổ phông thực nghiệm. Dữ liệu cho thấy MDA giảm theo hàm mũ với thời gian đo. Ví dụ, MDA của ¹³⁷Cs giảm từ 124,36 Bq sau 0,5 giờ xuống còn 26,87 Bq sau 12,5 giờ. Kết quả này được khớp với hàm toán học và cho hệ số tương quan R² rất cao (trên 0,999), khẳng định mối quan hệ chặt chẽ giữa MDA và thời gian đo. Sai số của phép đo MDA được tính toán bằng phương pháp truyền sai số và luôn giữ ở mức dưới 3%, cho thấy độ tin cậy của kết quả thực nghiệm. Đây là những con số cụ thể giúp người vận hành hệ thống biết được khả năng phát hiện của thiết bị tại các mốc thời gian khác nhau.

5.2. Ứng dụng kết quả trong quan trắc phóng xạ và an toàn bức xạ

Việc xác định chính xác MDA của một hệ phổ kế là nền tảng cho nhiều ứng dụng quan trọng. Trong lĩnh vực quan trắc phóng xạ môi trường, MDA cho phép xác định nồng độ tối thiểu của các chất gây ô nhiễm phóng xạ trong các mẫu đất, nước, không khí có thể được phát hiện. Điều này giúp các cơ quan quản lý đưa ra cảnh báo sớm và đánh giá mức độ rủi ro. Trong an toàn bức xạ, việc biết trước MDA của thiết bị giúp thiết lập các quy trình kiểm tra, đảm bảo không bỏ sót các nguồn phóng xạ có hoạt độ thấp nhưng vẫn có khả năng gây hại. Kết quả nghiên cứu về thời gian đo tối ưu (ví dụ 12 giờ cho ¹³⁷Cs) giúp tiết kiệm tài nguyên, thời gian và chi phí cho các phòng thí nghiệm mà vẫn đảm bảo được chất lượng phân tích yêu cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYÉT Bức xa gamma có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ (cỡ 10 cm) so với kích thước nguyên tử. Tia gamma không bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng đâm xuyên lớn. Bức xạ gamma có cả tính sóng và tính hạt nên được gọi là lượng tử gamma hay photon.

Tương tắc của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp nhưng khi tương tác với nguyên tử, nó làm bit electron quỹ đạo ra khỏi nguyên từ hoặc sinh ra các cặp electron — positron và các electron này gây ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử được kế đến là hiệu ứng quang điện, tin xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp electron — positron. Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Ngoài ra, chúng tôi cũng trình bày về khái niệm giới hạn phát hiện hoạt độ của đầu dò.

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma với electron quỹ đạo của nguyên tứ, khi đó gamma biến mắt và năng lượng toàn phần của bức xạ gamma được truyền cho electron quỹ đạo làm cho electron bị birt ra khỏi nguyên tử. Electron này gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được động nang E; bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết e, trên lớp Vỏ trước khi bị burt ra.

Qua trình này được thẻ hiện qua Hình 1.: động năng của quang electron e hv: năng lượng gamma tới s® 8, năng lượng liên kết của electron với hạt nhân Từ công thức (1.1) chúng ta thấy rằng, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng của lượng tử gamma ít nhất bằng năng lượng liên kết của electron, nghĩa là nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng chỉ 3 xây ra với các lớp L, M,. nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng liên kết ở lớp L thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với các lớp M, N,. Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự đo. Khi electron được butt ra từ một lớp vỏ nguyên tử sẽ tạo ra một lỗ trồng, lỗ trồng này sẽ được một electron từ lớp vỏ ngoài lap vào.

Quá trình nay sẽ tạo ra các tia X đặc trưng va electron Auger. Hiệu ứng quang điện 1. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton được khám phá bởi A. Compton vào năm 1923 và được trao giải Nobel vật lý nam 1927.

Hiệu ứng Compton xuất hiện khi năng lượng gamma tăng đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron trong lớp K của nguyên tử. Khi đó có thê bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với tán xạ gamma và tắn xạ gamma lên electron có thé coi như tán xạ với electron tự do. Tan xạ này gọi là tán xạ Compton, là tán xạ đản hồi của gamma tới với các electron chủ yếu ở qu¥ đạo ngoài cùng của nguyên tử.2 minh họa quá trình tấn xạ Compton của của lượng tử gamma lên các electron tự do. Hiệu ứng Compton 4 Sau tán xạ, lượng tử gamma thay đôi phương bay và mat một phan năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tứ (Hình 1.

Gamma tới có động lượng P, và ning lượng E tương tác với một electron dang đứng yên. Sau quá trình này, xuất hiện gamma tán xạ có động lượng p,' va năng lượng E', còn electron có năng lượng E, và động lượng p,. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do Từ định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của photon sau tan xạ, động năng cua electron bật ra và góc tấn xạ được xác định bằng công thức (1.3) 1+ a{l—cos@) tg0 =— T cực (1:4) l-—= “ E Trong đó: E e a= > m c7 e E: năng lượng gamma tới e© E: năng lượng gamma sau tắn xa e E.: năng lượng electron sau tan xạ ¢ ©: góc bay cua gamma sau tan xạ e @: góc bay cua electron sau tan xạ 1. Hiệu ứng tạo cặp electron — positrion Theo công thức Einstein, electron có năng lượng tĩnh m.

Nếu gamma vao có năng lượng lớn hơn hai lan năng lượng tinh electron (1,02 MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nguyên tử nó sinh ra một cặp electron ~ positron. Kết qua này gọi là hiệu ứng tao cặp electron — positron. Tổng động năng của electron và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E— 2m c”. Quá trình tạo cặp xáy ra gần hat nhân do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rat bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron.

Electron mat dan năng lượng dé ion hóa các phan tử môi trường. Positron và electron gặp nhau sẽ nhanh chóng hủy lan nhau do điện tích của chúng bị trung hòa, gọi là hiện tượng hủy electron — positron. Khi đó, hai lượng tử gamma được sinh ra bay ngược chiêu nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,51 MeV, nghĩa là năng lượng tông cộng của hai hạt electron và positron 1,02 MeV. Mô hình hiệu ứng tạo cặp và hủy cặp electron — positron 1.

Giới hạn phát hiện hoạt độ của đầu dò Phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên và tốc độ phân rã phóng xạ tuân theo phân bố Poisson. Ta có thể xác định nền phông bằng mẫu “tring” lý tưởng giống mẫu phóng xạ nhưng không có nguồn cần đo như trong mẫu thật. Nếu xét trong khoảng thời gian AL thì [10]: N, = NrT—Ng (1.5) Trong đó: ® N,: số đếm thuần của lượng phóng xạ cần khảo sát © ˆN,: số đêm tông của mau e Ng: số đếm phông Trong trường hợp mẫu có hoạt độ thấp, cần phải xác định giới hạn Nạ —N„ với độ tin cậy cho trước đê khang định số đếm ghi nhận có được coi là số đếm phóng xạ hay không. Giới hạn này gọi là giới hạn tới han Le.

Giá trị Le chỉ xác định số đếm Ns thuộc nén phông hay thuộc hiệu ứng phóng xạ. Do đó giá trị giới hạn dưới phép do Lp được đưa vào là giới hạn dưới mà với độ tin cay cho trước, các giá trị N, > Lụ mới được xem là thuần phóng xạ tạo ra. Đối với mức tới han Lc và giới han dưới Lp được sử dung với đỗi tượng là số đếm, còn trong giới hạn phát hiện hoạt độ tính cho hoạt độ phóng xạ. Nhằm đánh giá khả năng phát hiện hay ước lượng tín hiệu nhỏ nhất mà dau dò có thé ghi nhận được bức xa đến với độ tin cậy cho trước có thé xác định giới hạn phát hiện hoạt độ MDA trên cơ sở giới hạn do Lp [ 10].

Giới hạn phát hiện hoạt độ (MDA, Minimum Detectable Activity) là hoạt độ thấp nhất mà hệ có thé đo được với một mức độ tin cậy cho trước, được xác định bằng công thức [2]: L MDA = —2— (1.6) el(E)t Trong trường hợp đo phông không nguồn, không che chắn, khoảng giá trị tin cậy 95% thì giới hạn phát hiện hoạt độ MDA được tính bằng công thức [2]: k? + 2kV2B MDA = (1.7) cl (E)t Trong trường hợp do nguồn. không che chan, phông có đỉnh định xứ, MDA được tính theo công thức [2]: k?+2k,|B+B N 2m MDA =———————— 1.8 el (E)t Trong đó: e© k= 1,645: hệ số bat định (tương ứng với độ tin cậy 95%); e B: tông số đêm phông tại đỉnh nang lượng tương ứng: e N: số kênh trong vùng ROL; em: số kênh bên trái và bên phải vùng ROI; ee: hiệu suất đỉnh của đầu đò ứng với năng lượng E: ¢ _I (E):xác suất phát bức xạ gamma có năng lượng E của đồng vị phóng xạ; e t: thời gian ghi nhận bức xa. Tổng số đếm phông tại đỉnh năng lượng tương ứng B được xác định bằng số dém trong vùng ROI. Vùng ROI được xác định bằng 4 lần FWHM cộng với hai kênh bên trái và hai kênh bên phải từ kênh trung tâm được xác định trước.

Hệ số m được xác định là số kênh bên trái và bên phải của vùng ROI [2]. Tóm tắt chương 1 Trong chương | của khóa luận, chúng tôi đã trình bay cơ sở lý thuyết về các cơ chế tương tác cơ bản của bức xạ gamma với vật chất, cũng như khái niệm giới hạn phát hiện hoạt độ của đầu đò. Các cơ sở lý thuyết trên là nền tảng để chúng tôi thực hiện việc đo đạc, tính toán và đánh giá giới hạn phát hiện hoạt độ của hệ phô kế gamma sử dụng dau dò Nal(T)). ĐÓI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.

Hệ pho kế gamma Nal(TI) 2. Đầu dò Nal(TI) Đầu dd Nal(TI) là loại dau đò sử dụng tinh thé nhấp nháy vô cơ Nal(TI) ngày càng được sử dụng phô biến. Tinh thé Nal sạch là chất nhấp nháy chi ở nhiệt độ nito lỏng (-192°C) và trở thành chất nhấp nháy ở phòng thí nghiệm khi thêm vào một lượng nhỏ thallium [10]. Ưu điểm của tính thê vô cơ là hiệu suất biến đôi cao nên biên độ điện ở lỗi ra của đầu đò khá lớn và ít phụ thuộc vào khả năng ion hóa của hạt ghi.

Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng đầu dò nhấp nháy Nal(TI) được trang bị tại Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh đề thực hiện đánh giá giới hạn phát hiện hoạt độ. Dau đò này sử dụng tính thể nhấp nháy Nal(TI) với kích thước 76x 76mm do nhà sản xuất Amptek, Hoa Kỳ cung cấp. Bộ phân tích đa kênh (MCA) có thẻ điều chính và cai đặt tối đa 8192 kênh [8]. Dau dò nhấp nháy Nal(TI) có thê làm việc với mọi điện thế cung cap, có thé kết nối với máy tính qua công USB.

Nguồn chuẩn phát gamma Py x a ‘ 5 ` Py la Các nguồn chuẩn phát được sử dụng là nguồn '*”Cs, Co, “Na với các đặc trưng năng lượng bức xa gamma được chi ra trong Bang 2. Thông tin các nguồn phóng xạ Chu kì bán rã Cường độ phát (nam) 1173. Bồ trí thực nghiệm Khóa luận sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua đầu đò Nal(TI) với tinh thê là một khối hình trụ. kích thước 76mmx 76mm do nhà sản xuất Amptek (Hoa Kỳ) cung cap [8].

Thực nghiệm được bồ trí như Hình 2.1 với khoảng cách từ đầu đò đến nguồn là 20 cm. Phần mềm ghi nhận phô ADMCA với MCA của hệ đo được cài đặt ở chế độ 8192 kênh. Thời gian thực hiện mỗi phép đo thực nghiệm từ 0,5 h đến 24 h, bước tang 0,5 h. Đường chuẩn năng lượng và FWHM của dau dò Nal(T) 2.