I. Tổng Quan Về Hệ Phổ Kế Gamma Giới Thiệu Chi Tiết
Hệ phổ kế gamma với detector bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ hạt nhân. Độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi là hai đặc trưng quan trọng nhất. Cùng với tiến bộ công nghệ, hệ phổ kế gamma dải rộng với tinh thể ngày càng lớn cho phép tăng hiệu suất ghi và mở rộng dải năng lượng đo. Các detector có cửa sổ bằng carbon màng mỏng cho phép mở rộng dải về phía năng lượng thấp để ghi nhận tia gamma mềm và tia X. Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng, làm lạnh bằng điện. Xác định các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế một cách hệ thống là cần thiết để phục vụ vận hành và bảo dưỡng.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Detector Đo Phổ Gamma và Tia X
Phép đo phổ đã có những tiến bộ đáng kể nhờ sự phát triển của thiết bị ghi đo. Các đầu dò hiện đại có độ phân giải tốt, hiệu suất ghi cao, cho phép đo chính xác cường độ và năng lượng của bức xạ. Năm 1895, Röntgen thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện chứa khí. Năm 1896, Becquerel khám phá ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Năm 1900, Villard nhận thấy các chất phóng xạ tự nhiên không chỉ phát ra tia α và β mà còn phát ra bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh, gọi là tia gamma.
1.2. Các Loại Detector Bán Dẫn Ge Ưu Điểm và Ứng Dụng
Năm 1908, Rutherford và Geiger phát minh ra ống đếm chứa khí, cho phép đo cường độ tia X và tia gamma. Năm 1948, Hofstadter chế tạo ra detector nhấp nháy NaI(Tl) có khả năng đo phổ gamma với dải năng lượng rộng hơn. Năm 1962, Pell và các nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công detector Ge(Li), mở ra cuộc cách mạng trong nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo detector ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma.
II. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Phổ Kế Gamma Bán Dẫn BEGe
Detector Ge là những diode bán dẫn có cấu trúc P-I-N, trong đó vùng bên trong (I) nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là đối với tia X và tia γ. Khi photon tương tác với vật chất trong vùng I của detector, các hạt tải điện (lỗ trống và electron) được sinh ra và dưới tác dụng của thế ngược, chúng di chuyển tới cực P và N. Lượng điện tích này tỉ lệ với năng lượng của các photon tới và được chuyển thành các xung điện đưa vào bộ khuếch đại nhạy điện tích. Vì Ge có độ rộng vùng cấm thấp, các detector phải được làm lạnh để giảm nhiệt của việc phát sinh các hạt tải điện tới một mức có thể chấp nhận được.
2.1. Các Hiệu Ứng Tương Tác Của Tia Gamma Với Vật Chất
Khi năng lượng bức xạ gamma bay vào vật chất, nó sẽ tạo nên electron tự do – lỗ trống thông qua ba quá trình tương tác: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp. 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. Thông qua các hiệu ứng tương tác, bức xạ gamma đã tạo ra hàng loạt các electron và các lỗ trống trong tinh thể bán dẫn.
2.2. Các Loại Detector Ge Ultra LEGe LEGe Coaxial Ge
Một số detector Ge do hãng Canberra chế tạo ra: detector Ultra-LEGe, detector năng lượng thấp (LEGe), detector giếng Ge, detector phân cực ngược, detector đồng trục khoảng rộng (XTra), detector Ge siêu tinh khiết (HPGe), detector dải năng lượng rộng (BEGe). Mỗi loại có ưu điểm và ứng dụng riêng biệt trong đo lường phóng xạ.
2.3. Hiệu Suất Ghi Của Detector Yếu Tố Quan Trọng Trong Đo Phổ
Khi photon đi vào detector, tương tác với vật liệu đầu dò theo một trong các hiệu ứng: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Thomson, hiệu ứng tạo cặp. Trong đó, hiệu ứng quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lượng của photon cho detector, còn các hiệu ứng khác chỉ chuyển một phần năng lượng. Để xác định hoạt độ của nguồn từ số đếm, cần biết hiệu suất ghi của detector.
III. Xây Dựng Đường Cong Hiệu Suất Ghi Cho Hệ Phổ Kế Gamma
Để xác định hoạt độ của nguồn từ số đếm, cần phải biết hiệu suất ghi của detector. Không phải bất kỳ hạt nào, đặc biệt là photon và neutron khi đi vào detector đều tương tác với nó, hơn nữa nếu tương tác đã xảy ra thì tín hiệu cũng chỉ ghi nhận được khi độ lớn của nó vượt ngưỡng nhạy của hệ ghi. Xác suất ghi có thể phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng của nó, kích thước hình học của detector, dạng hình học của các nguồn bức xạ, mức phân biệt của thiết bị ghi nhận (mức nhạy). Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần.
3.1. Phương Pháp Xác Định Hiệu Suất Ghi Tuyệt Đối
Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần thường được gọi là hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức: εabs (E) = N / (A * Iγ * tm). Trong đó: εabs là hiệu suất ghi tuyệt đối, N là diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần, A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo, tm là thời gian đo, Iγ là hệ số phân nhánh của bức xạ gamma năng lượng E.
3.2. Ảnh Hưởng Của Khoảng Cách Đến Hiệu Suất Ghi
Khoảng cách từ nguồn đến detector ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất ghi. Khi khoảng cách tăng, hiệu suất ghi giảm do góc chắn của detector đối với nguồn giảm. Cần khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách để tối ưu hóa phép đo.
3.3. Sử Dụng Mẫu Chuẩn Để Xây Dựng Đường Cong Hiệu Suất
Để xây dựng đường cong hiệu suất ghi, cần sử dụng các mẫu chuẩn có hoạt độ đã biết của các đồng vị phóng xạ. Đo phổ gamma của mẫu chuẩn và xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các đồng vị. Từ đó, tính toán hiệu suất ghi tương ứng và xây dựng đường cong hiệu suất ghi theo năng lượng.
IV. Ứng Dụng Hệ Phổ Kế Gamma Trong Phân Tích Mẫu Đất Đá
Hệ phổ kế gamma có thể được sử dụng để phân tích thành phần phóng xạ trong mẫu đất đá. Bằng cách đo phổ gamma của mẫu, có thể xác định hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên như 238U, 232Th và 40K. Thông tin này có giá trị trong địa chất học, môi trường học và các lĩnh vực liên quan.
4.1. Xác Định Hoạt Độ Phóng Xạ Riêng Của U Th K Trong Mẫu
Hoạt độ phóng xạ riêng của 238U, 232Th và 40K trong mẫu đất đá có thể được xác định bằng cách so sánh diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các đồng vị này trong phổ gamma của mẫu với đường cong hiệu suất ghi đã xây dựng.
4.2. Phân Tích Phổ Gamma Của Mẫu Đất Đá Quy Trình Chi Tiết
Quy trình phân tích phổ gamma của mẫu đất đá bao gồm các bước: chuẩn bị mẫu, đo phổ gamma, xử lý số liệu, xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần và tính toán hoạt độ phóng xạ riêng. Cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo như thời gian đo, khoảng cách từ mẫu đến detector và hiệu chuẩn năng lượng.
4.3. Đánh Giá Sai Số Trong Phép Đo Phổ Gamma
Sai số trong phép đo phổ gamma có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như sai số thống kê, sai số hệ thống và sai số do chồng chập đỉnh. Cần đánh giá và giảm thiểu các nguồn sai số này để đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Phổ Kế Gamma
Luận văn đã trình bày các đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe, bao gồm nguyên lý hoạt động, phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất ghi và ứng dụng trong phân tích mẫu đất đá. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để vận hành và bảo dưỡng hệ phổ kế, cũng như ứng dụng trong các nghiên cứu khoa học và công nghệ khác.
5.1. Tối Ưu Hóa Hệ Phổ Kế Gamma Để Nâng Cao Độ Chính Xác
Để nâng cao độ chính xác của phép đo phổ gamma, cần tối ưu hóa các thông số của hệ phổ kế như thời gian đo, khoảng cách từ mẫu đến detector và hiệu chuẩn năng lượng. Ngoài ra, cần sử dụng các phương pháp xử lý số liệu tiên tiến để giảm thiểu sai số.
5.2. Phát Triển Các Detector Gamma Mới Với Hiệu Suất Cao Hơn
Nghiên cứu và phát triển các detector gamma mới với hiệu suất ghi cao hơn và độ phân giải tốt hơn là một hướng đi quan trọng trong lĩnh vực phổ kế gamma. Các vật liệu mới như LaBr3 và CeBr3 đang được nghiên cứu và ứng dụng để chế tạo các detector có hiệu suất vượt trội.
5.3. Ứng Dụng Phổ Kế Gamma Trong Y Học Hạt Nhân và Công Nghiệp
Phổ kế gamma có nhiều ứng dụng quan trọng trong y học hạt nhân và công nghiệp. Trong y học, phổ kế gamma được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Trong công nghiệp, phổ kế gamma được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm và giám sát môi trường.
