Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực an toàn bức xạ và vật lý hạt nhân môi trường, việc giám sát và đánh giá phông phóng xạ tự nhiên đóng vai trò thiết yếu nhằm kiểm soát mức độ chiếu xạ lên con người và môi trường sống. Phóng xạ môi trường bắt nguồn từ hai nhóm chính: nguồn tự nhiên (bức xạ vũ trụ, các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy trong vỏ Trái Đất như chuỗi $^{238}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$, $^{235}\text{Ac}$ và đồng vị $^{40}\text{K}$) và nguồn nhân tạo (sản phẩm từ các hoạt động thử nghiệm hạt nhân, vận hành lò phản ứng, ứng dụng công nghiệp và xạ trị y tế). Các khoáng chất trong đất đá và vật liệu xây dựng (bê tông, xi măng, đá hoa cương) liên tục phân rã, giải phóng bức xạ gamma và phát tán khí Radon vào không khí.

Thông thường, việc xác định suất liều chiếu môi trường đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng như buồng ion hóa hoặc liều kế nhiệt huỳnh quang (TLD). Tuy nhiên, các kỹ thuật đo liều truyền thống chỉ cho biết tổng liều mà không cung cấp thông tin về thành phần năng lượng của trường bức xạ. Những năm gần đây, phương pháp phổ kế đo liều (dose rate spectroscopy) sử dụng detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ kích thước $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ (3 inch $\times$ 3 inch) kết hợp với hàm chuyển đổi suất liều $G(E)$ trở thành giải pháp hiệu quả nhờ hiệu suất ghi nhận cao, khả năng ghi nhận đồng thời cả phổ năng lượng lẫn thông tin liều chiếu. Xuất phát từ định hướng phát triển các hệ đo ghi nhận bức xạ hạt nhân của nhóm nghiên cứu TS. Võ Hồng Hải tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TP.HCM), tác giả Ngô Vũ Thiên Quang đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp: "Xác định suất liều phóng xạ môi trường sử dụng detector $\text{NaI(Tl)}$ 7,6cm $\times$ 7,6cm".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

  1. Ghi nhận phổ năng lượng gamma môi trường liên tục trong 24 giờ tại phòng thí nghiệm bằng hai hệ đo: detector bán dẫn siêu tinh khiết $\text{HPGe}$ và detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$.
  2. Phân tích phổ năng lượng gamma bằng phần mềm chuyên dụng Colegram, tra cứu dữ liệu hạt nhân để định danh các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo tồn tại trong môi trường khảo sát; đồng thời so sánh, đánh giá khả năng phân giải phổ giữa hai hệ detector.
  3. Ứng dụng phương pháp hàm chuyển đổi $G(E)$ làm khớp bằng hàm đa thức để xác định suất liều chiếu môi trường tổng cộng từ phổ đo của detector $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ theo hai hướng bức xạ tới (song song và vuông góc với trục detector).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bức xạ gamma môi trường, phổ năng lượng gamma đo được và suất liều chiếu; hàm chuyển đổi ma trận đáp ứng $G(E)$ cho đầu dò $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP.HCM.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm được thu thập liên tục trong 1 ngày đêm (24 giờ); khóa luận hoàn thành vào tháng 05 năm 2018 tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận được xây dựng dựa trên cơ sở vật lý hạt nhân tương tác bức xạ với vật chất và kỹ thuật phổ kế hạt nhân, bao gồm các nội dung lý thuyết và phương pháp cụ thể:

Cơ sở lý thuyết và các mô hình vật lý

  • Lý thuyết nguồn phóng xạ môi trường: Hệ thống hóa 4 dãy phân rã phóng xạ tự nhiên: dãy Thorium ($^{232}\text{Th}$, $T_{1/2} = 1,405 \times 10^{10}$ năm), dãy Uranium ($^{238}\text{U}$, $T_{1/2} = 4,468 \times 10^9$ năm), dãy Actinium ($^{235}\text{U}$, $T_{1/2} = 7,038 \times 10^8$ năm) và dãy Neptunium ($^{237}\text{Np}$, $T_{1/2} = 2,14 \times 10^6$ năm - đã tuyệt chủng trong tự nhiên). Nghiên cứu tập trung vào các hạt nhân con cháu phát gamma cân bằng phóng xạ và sự đóng góp liều của đồng vị đơn lẻ $^{40}\text{K}$ (chiếm $0,012%$ trong kali tự nhiên) cùng khí Radon ($^{222}\text{Rn}, ^{220}\text{Rn}, ^{219}\text{Rn}$).
  • Các đại lượng đo lường bức xạ:
    • Hệ số Kerma ($K$): Năng lượng trung bình truyền cho các hạt mang điện thứ cấp trên một đơn vị khối lượng vật chất ($K = dE_{tr}/dm$, đơn vị Gray, $\text{Gy}$). Kerma được tách thành hai phần: Kerma va chạm ($K_c$) và Kerma phát bức xạ ($K_r$).
    • Liều hấp thụ ($D$): Năng lượng bức xạ tổn hao do ion hóa trên một đơn vị khối lượng ($D = d\bar{\epsilon}/dm$, đơn vị $\text{Gy}$).
    • Liều chiếu ($X$): Khả năng ion hóa không khí khô của chùm bức xạ photon ở điều kiện tiêu chuẩn ($X = dQ/dm$, đơn vị $\text{C/kg}$ hoặc Roentgen, $\text{R}$, với $1\text{ C/kg} = 3876\text{ R}$). Liều chiếu tương đương với Kerma va chạm trong không khí: $X = K_c \cdot (e/W){air}$, trong đó năng lượng trung bình tạo một cặp ion - electron trong không khí khô là $(W/e){air} = 33,97\text{ J/C}$ (hay $33,97\text{ eV/cặp ion}$).
  • Mối tương quan giữa suất liều chiếu và phổ năng lượng gamma - Hàm $G(E)$: Suất liều chiếu $\dot{X}$ được tính trực tiếp từ tốc độ đếm phổ $n(E)$ và hàm chuyển đổi $G(E)$ thông qua tích phân: $$\dot{X} = \int n(E) G(E) dE$$ Hệ số $G_i$ ($\mu\text{R/h/cps}$) là ma trận đáp ứng nghịch đảo: $$G_i = \sum_j \left(\frac{X}{\Phi}\right)j R{ij}^{-1}$$ Trong đó $(X/\Phi)j$ là suất liều chiếu trên một đơn vị thông lượng photon tới mang năng lượng $E_j$, và $R{ij}$ là ma trận đáp ứng của detector $\text{NaI(Tl)}$ thu được bằng mô phỏng Monte Carlo. Giá trị $G(E)$ biến thiên theo năng lượng và phụ thuộc vào góc tới của chùm photon đối với trục hình học của tinh thể.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu

  • Phương pháp đo phổ hạt nhân: Đo đạc thực nghiệm song song phổ phông môi trường trong 24 giờ liên tục bằng hai hệ phổ kế: hệ phổ kế bán dẫn $\text{HPGe}$ độ phân giải cao và hệ phổ kế nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$.
  • Phương pháp phân tích phổ: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Colegram để tìm đỉnh, khử phông nền, bóc tách các đỉnh phổ bị chồng chập (peak deconvolution) dựa trên dạng hàm giải tích Gauss kết hợp hàm mũ.
  • Phương pháp định danh hạt nhân: Kết hợp vị trí đỉnh năng lượng và xác suất phát bức xạ gamma ($I_\gamma$) tra cứu từ bảng Table of Isotopes (Zipkin, 1996) và cơ sở dữ liệu hạt nhân Laraweb (Laboratoire National Henri Becquerel).
  • Phương pháp làm khớp toán học: Sử dụng thuật toán làm khớp đa thức bậc 9 giữa $\log[G(E)]$ và $\log(E)$ để xây dựng hàm liên tục tính toán suất liều chiếu tổng cộng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về bức xạ môi trường và đo lường liều lượng hạt nhân. Tác giả trình bày chi tiết cơ chế phân rã của ba dãy phóng xạ tự nhiên còn tồn tại trên Trái Đất ($^{235}\text{U}$, $^{238}\text{U}$, $^{232}\text{Th}$), phân tích nguồn gốc chiếu xạ từ khí Radon ($^{222}\text{Rn}$ có chu kỳ bán rã $3,82$ ngày, $^{220}\text{Rn}$ $55,6$ giây, $^{219}\text{Rn}$ $3,96$ giây) và các sản phẩm phân rã bám vào bụi khí quyển. Tác giả dẫn dắt các khái niệm Kerma, liều hấp thụ, liều chiếu và chứng minh mối quan hệ giữa suất liều chiếu $\dot{X}$ với thông lượng năng lượng photon $\Psi$ và phổ biên độ xung $n(E)$ thông qua hàm chuyển đổi $G(E)$. Đồ thị hàm $G(E)$ của detector $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ cho hai trường hợp photon tới song song và vuông góc với trục detector được giới thiệu làm cơ sở tính toán cho các chương sau.

Chương 2: Mô tả thực nghiệm đo phóng xạ môi trường

Chương này mô tả thiết bị, sơ đồ bố trí và các thông số kỹ thuật của hai hệ đo phổ được thiết lập tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM:

  • Hệ đo detector $\text{HPGe}$: Model GC2518 do Canberra Inc. sản xuất, sử dụng tinh thể bán dẫn Germanium siêu tinh khiết dạng hình trụ đồng trục có đường kính $61,8\text{ mm}$, bề dày $35,8\text{ mm}$, kết nối với bộ phân tích đa kênh MCA 8k kênh. Detector được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng và đặt trên giá đỡ di động.
  • Hệ đo detector $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$: Thiết bị InSpector™ 1000 của Canberra Inc., trang bị tinh thể nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ hình trụ kích thước $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$, tích hợp khối điện tử xử lý tín hiệu và hiển thị suất liều.

Cả hai detector được đo phông môi trường đồng thời trong thời gian 1 ngày đêm (khoảng 24 giờ). Các thông số thực nghiệm được ghi nhận như sau:

Thông số đo nghiệm Detector $\text{HPGe}$ (GC2518) Detector $\text{NaI(Tl)}$ ($7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$)
Thời gian sống (Livetime) $86.088\text{ s}$ $86.358\text{ s}$
Thời gian thực (Realtime) $86.400\text{ s}$ $86.774\text{ s}$
Thời gian chết (Deadtime) $0,36%$ $0,48%$
Tổng số đếm tích lũy $15.820.500\text{ counts}$ $47.480.000\text{ counts}$
Tốc độ đếm trung bình $183\text{ số đếm/giây (cps)}$ $549\text{ số đếm/giây (cps)}$

Tốc độ đếm của detector $\text{NaI(Tl)}$ cao gấp 3 lần so với $\text{HPGe}$, phản ánh thể tích tinh thể lớn hơn và hiệu suất ghi nhận photon gamma vượt trội của tinh thể nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$.

Chương 3: Phân tích số liệu và đánh giá kết quả

Chương 3 tập trung xử lý dữ liệu thực nghiệm, so sánh phổ và tính toán suất liều chiếu:

  1. So sánh hình thái phổ gamma: Phổ ghi nhận trên detector $\text{HPGe}$ có độ phân giải năng lượng rất cao ($0,3\text{ keV/kênh}$), các đỉnh hấp thu toàn phần sắc nhọn, tách biệt hoàn toàn khỏi nền Compton. Ngược lại, phổ trên detector $\text{NaI(Tl)}$ dãn rộng ($6,7\text{ keV/kênh}$), xảy ra hiện tượng chồng chập nghiêm trọng tại nhiều vùng năng lượng.

  2. Định danh hạt nhân trên phổ $\text{HPGe}$: Sử dụng phần mềm Colegram phân tích chi tiết phổ $\text{HPGe}$, tác giả định danh được 49 đỉnh năng lượng đặc trưng thuộc về các hạt nhân:

    • Chuỗi $^{232}\text{Th}$: $^{228}\text{Ac}$ ($93,3$; $209,3$; $270,2$; $338,3$; $409,5$; $463,1$; $562,5$; $794,9$; $911,1$; $964,8$; $969,1$; $1495,9$; $1501,6$; $1587,9$; $1630,6$; $1638,2\text{ keV}$); $^{212}\text{Pb}$ ($74,8$; $77,1$; $87,2$; $89,8$; $238,6$; $300,1\text{ keV}$); $^{212}\text{Bi}$ ($727,2$; $785,4$; $1620,6\text{ keV}$); $^{208}\text{Tl}$ ($72,8$; $277,4$; $510,8$; $583,1$; $860,6$; $2614,7\text{ keV}$).
    • Chuỗi $^{238}\text{U}$: $^{226}\text{Ra}$ ($186,2\text{ keV}$); $^{214}\text{Pb}$ ($295,2$; $352,5\text{ keV}$); $^{214}\text{Bi}$ ($609,3$; $768,4$; $806,2$; $934,1$; $1120,3$; $1155,2$; $1238,0$; $1281,0$; $1377,7$; $1385,3$; $1401,5$; $1408,0$; $1509,2$; $1538,5$; $1543,4$; $1583,2$; $1661,3$; $1729,6$; $1764,5$; $1847,4$; $2118,5$; $2204,2$; $2447,8\text{ keV}$).
    • Đồng vị phóng xạ tự nhiên đơn lẻ: $^{40}\text{K}$ tại đỉnh $1460,8\text{ keV}$.
    • Hạt nhân nhân tạo: Đỉnh $661,6\text{ keV}$ của $^{137}\text{Cs}$ ($T_{1/2} = 30,17$ năm) và $834,8\text{ keV}$ của $^{54}\text{Mn}$ ($T_{1/2} = 312,2$ ngày). Đây là các đỉnh xuất phát từ các nguồn phóng xạ chuẩn đang lưu giữ trong phòng thí nghiệm.

  3. Định danh hạt nhân trên phổ $\text{NaI(Tl)}$: Bằng cách lấy phổ $\text{HPGe}$ làm đối chứng chuẩn và áp dụng Colegram bóc tách các vùng phổ dính chùm, tác giả đã tách và xác định được 20 đỉnh đặc trưng của các hạt nhân: $^{212}\text{Pb}$ ($238,6\text{ keV}$), $^{214}\text{Pb}$ ($295,2$; $352,5\text{ keV}$), $^{208}\text{Tl}$ ($583,1$; $2614,7\text{ keV}$), $^{214}\text{Bi}$ ($609,3$; $768,4$; $1120,3$; $1155,2$; $1238,0$; $1281,0$; $1729,6$; $1764,5$; $1847,4$; $2204,2$; $2447,8\text{ keV}$), $^{212}\text{Bi}$ ($727,2\text{ keV}$), $^{228}\text{Ac}$ ($794,9$; $911,1$; $969,1\text{ keV}$) và $^{40}\text{K}$ ($1460,8\text{ keV}$). Các đỉnh yếu hoặc nằm gần vùng tán xạ mạnh như $^{226}\text{Ra}$ ($186,2\text{ keV}$), $^{137}\text{Cs}$ ($661,6\text{ keV}$) và $^{54}\text{Mn}$ ($834,8\text{ keV}$) không thể phân tách trên phổ $\text{NaI(Tl)}$.

  4. Xác định suất liều chiếu bằng hàm $G(E)$: Dữ liệu hệ số $G(E)$ được làm khớp bằng hàm đa thức bậc 9 theo biến $\log(E)$: $$\log[G(E)] = A_0 + A_1 \log E + A_2 \log^2 E + \dots + A_9 \log^9 E$$ Kết quả xác định bộ hệ số hồi quy:

    • Hướng photon tới song song trục detector ($R^2 = 0,99998$): $A_0 = -1232,80706$; $A_1 = 5288,20962$; $A_2 = -9584,54726$; $A_3 = 9752,82964$; $A_4 = -6193,51923$; $A_5 = 2559,84742$; $A_6 = -691,24776$; $A_7 = 117,93858$; $A_8 = -11,56348$; $A_9 = 0,49737$.
    • Hướng photon tới vuông góc trục detector ($R^2 = 0,99996$): $A_0 = -1603,43163$; $A_1 = 7758,24172$; $A_2 = -3176,31261$; $A_3 = \dots$; $A_6 = -12,01750$; $A_7 = 142,69653$; $A_8 = -13,75718$; $A_9 = 0,57981$.

    Tích phân phổ xung đo được với hàm $G(E)$ đã hiệu chỉnh cho kết quả suất liều chiếu tổng cộng:

    • Theo hướng song song với trục detector: $\dot{X}_{song_song} = 12,43 \pm 0,53\ \mu\text{R/h}$.
    • Theo hướng vuông góc với trục detector: $\dot{X}_{vuong_goc} = 10,66 \pm 0,45\ \mu\text{R/h}$.

    Suất liều chiếu phông môi trường thực tế tại phòng thí nghiệm dao động trong khoảng $10,66 - 12,43\ \mu\text{R/h}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Thu thập thành công bộ số liệu phổ bức xạ gamma môi trường 24 giờ liên tục với độ ổn định cao (thời gian chết dưới $0,5%$).
  • Xác định đầy đủ các chuỗi phóng xạ môi trường tự nhiên trong phòng thí nghiệm thông qua hệ detector $\text{HPGe}$, định danh chính xác 49 đỉnh năng lượng từ các hạt nhân con cháu của chuỗi Uranium, Thorium và hạt nhân $^{40}\text{K}$, đồng thời phát hiện sự có mặt của hai hạt nhân nhân tạo $^{137}\text{Cs}$ và $^{54}\text{Mn}$ từ nguồn lưu trữ.
  • Thiết lập quy trình phân tích phổ $\text{NaI(Tl)}$ bằng cách đối chiếu tương quan với phổ chuẩn $\text{HPGe}$, cho phép định danh 20 đỉnh năng lượng chính bất chấp sự chồng chập phổ.
  • Thiết lập các phương trình giải tích bậc 9 biểu diễn hàm chuyển đổi $G(E)$ với hệ số tương quan rất cao ($R^2 > 0,9999$), từ đó tính toán chính xác dải suất liều chiếu môi trường tổng cộng tại phòng thí nghiệm là $10,66 \pm 0,45\ \mu\text{R/h}$ đến $12,43 \pm 0,53\ \mu\text{R/h}$.

Đóng góp của đề tài

  • Chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp phổ kế đo liều sử dụng detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ kết hợp hàm chuyển đổi $G(E)$ trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam.
  • Cung cấp phương pháp luận kết hợp giữa phổ bán dẫn phân giải cao ($\text{HPGe}$) và phần mềm Colegram để giải mã, bóc tách đỉnh phổ cho các detector nhấp nháy có độ phân giải thấp nhưng hiệu suất cao.

Kiến nghị của tác giả

  • Tiếp tục nghiên cứu định danh các đỉnh năng lượng nhỏ còn chưa xác định trên phổ gamma đo bởi detector $\text{HPGe}$.
  • Phát triển kỹ thuật hàm chuyển đổi $G(E)$ để phân rã và xác định suất liều chiếu riêng phần (individual dose rate) cho từng đỉnh năng lượng và từng đồng vị phóng xạ cụ thể trong phổ $\text{NaI(Tl)}$.
  • Mở rộng phạm vi đo đạc thực nghiệm từ môi trường phòng thí nghiệm kín ra môi trường tự nhiên ngoài trời.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Detector $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ có độ phân giải năng lượng kém, dẫn đến việc không thể phát hiện các hạt nhân có hoạt độ thấp hoặc có đỉnh năng lượng nằm sát các đỉnh mạnh khác như $^{226}\text{Ra}$ ($186,2\text{ keV}$), $^{137}\text{Cs}$ ($661,6\text{ keV}$) và $^{54}\text{Mn}$ ($834,8\text{ keV}$).
  • Vẫn còn một số đỉnh phổ năng lượng ghi nhận trên detector $\text{HPGe}$ chưa được định danh trọn vẹn do hạn chế về cường độ phát và số liệu thư viện.
  • Khóa luận mới chỉ tính toán được suất liều chiếu tổng cộng mà chưa bóc tách được phần trăm đóng góp suất liều của từng đồng vị riêng biệt.
  • Phạm vi thực nghiệm giới hạn tại một vị trí phòng thí nghiệm kín trong nhà, chưa phản ánh được sự biến động phông phóng xạ theo điều kiện thời tiết ngoài trời.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Ứng dụng hàm ma trận đáp ứng mở rộng để tính toán suất liều riêng phần cho từng hạt nhân ($^{232}\text{Th}, ^{238}\text{U}, ^{40}\text{K}$).
  • Tiến hành các đợt đo dã ngoại ngoài hiện trường nhằm khảo sát bản đồ bức xạ phông môi trường tự nhiên.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng chuyên ngành:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân: Nắm vững phương pháp thực nghiệm đo phổ gamma, quy trình vận hành hệ đo $\text{HPGe}$ làm lạnh nitơ lỏng và đầu dò nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ InSpector™ 1000.
  • Cán bộ nghiên cứu an toàn bức xạ và quan trắc môi trường: Tham khảo phương pháp toán học sử dụng hàm $G(E)$ và thuật toán khử chập đỉnh bằng phần mềm Colegram để ứng dụng cho các thiết bị đo phổ nhấp nháy xách tay ngoài hiện trường.
  • Các đề tài nghiên cứu tương tự: Sử dụng trực tiếp bộ hệ số hồi quy đa thức bậc 9 của hàm $G(E)$ đã được tác giả tối ưu hóa cho tinh thể $\text{NaI(Tl)}$ kích thước $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ để tính toán liều chiếu mà không cần mô phỏng lại từ đầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao khóa luận phải đo phổ song song bằng cả detector HPGe và NaI(Tl)?

Detector $\text{HPGe}$ là detector bán dẫn có độ phân giải năng lượng rất cao, cho phép nhận diện chính xác từng đỉnh năng lượng riêng biệt nhưng hiệu suất ghi nhận thấp và thiết bị cồng kềnh (cần làm lạnh bằng nitơ lỏng). Detector nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ có tính cơ động cao, hiệu suất ghi nhận lớn (tốc độ đếm đạt $549\text{ cps}$ so với $183\text{ cps}$ của $\text{HPGe}$) nhưng độ phân giải năng lượng kém, gây chồng chập đỉnh. Việc đo song song cho phép dùng phổ $\text{HPGe}$ làm đối chứng chuẩn để bóc tách và định danh chính xác các đỉnh phổ trên $\text{NaI(Tl)}$.

2. Sự khác biệt về số lượng đồng vị phóng xạ nhận diện được giữa hai hệ đo là gì?

Trên hệ đo $\text{HPGe}$, tác giả nhận diện được 49 đỉnh năng lượng thuộc các hạt nhân $^{208}\text{Tl}, ^{212}\text{Pb}, ^{228}\text{Ac}, ^{212}\text{Bi}$ (chuỗi Thorium), $^{226}\text{Ra}, ^{214}\text{Pb}, ^{214}\text{Bi}$ (chuỗi Uranium), $^{40}\text{K}$ tự nhiên, cùng 2 hạt nhân nhân tạo $^{137}\text{Cs}$ và $^{54}\text{Mn}$. Trong khi đó, trên hệ đo $\text{NaI(Tl)}$, tác giả chỉ bóc tách được 20 đỉnh đặc trưng của $^{212}\text{Pb}, ^{214}\text{Pb}, ^{208}\text{Tl}, ^{214}\text{Bi}, ^{212}\text{Bi}, ^{228}\text{Ac}$ và $^{40}\text{K}$; hoàn toàn không quan sát được các đỉnh $^{226}\text{Ra}$, $^{137}\text{Cs}$ và $^{54}\text{Mn}$ do bị lấn át bởi phông tán xạ.

3. Tại sao lại xuất hiện hai đồng vị nhân tạo Cs-137 và Mn-54 trong kết quả đo phổ HPGe?

Đồng vị $^{137}\text{Cs}$ (đỉnh $661,6\text{ keV}$) và $^{54}\text{Mn}$ (đỉnh $834,8\text{ keV}$) không thuộc các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Theo ghi nhận của tác giả sau khi đối chiếu với cơ sở thực nghiệm, sự xuất hiện của hai đỉnh này là do trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật hạt nhân nơi đặt hệ đo có lưu giữ một số nguồn phóng xạ chuẩn phục vụ giảng dạy và nghiên cứu.

4. Suất liều chiếu môi trường xác định được từ detector NaI(Tl) có giá trị bao nhiêu?

Thông qua tích phân phổ đo với hàm chuyển đổi $G(E)$ đa thức bậc 9, suất liều chiếu tổng cộng trong phòng thí nghiệm được xác định là $12,43 \pm 0,53\ \mu\text{R/h}$ đối với hướng photon tới song song với trục detector, và $10,66 \pm 0,45\ \mu\text{R/h}$ đối với hướng photon tới vuông góc với trục detector. Dải suất liều dao động từ $10,66$ đến $12,43\ \mu\text{R/h}$.

5. Hàm chuyển đổi G(E) có vai trò gì trong việc tính toán suất liều chiếu?

Hàm $G(E)$ đại diện cho ma trận đáp ứng nghịch đảo của detector, biểu diễn suất liều chiếu trên mỗi đơn vị tốc độ đếm ở từng mức năng lượng photon tới ($\mu\text{R/h/cps}$). Nhờ có hàm $G(E)$, phổ đếm xung thực nghiệm $n(E)$ của detector nhấp nháy được chuyển đổi trực tiếp thành giá trị suất liều chiếu vật lý mà không cần sử dụng thêm liều kế độc lập.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Ngô Vũ Thiên Quang đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác định suất liều chiếu môi trường tại phòng thí nghiệm thông qua phổ kế nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ $7,6\text{ cm} \times 7,6\text{ cm}$ kết hợp hàm chuyển đổi $G(E)$. Bằng việc phân tích đối chiếu với hệ đo bán dẫn phân giải cao $\text{HPGe}$ và ứng dụng phần mềm Colegram, nghiên cứu đã định danh thành công các chuỗi phóng xạ môi trường và bóc tách hiệu quả các đỉnh phổ bị chồng chập. Kết quả tính toán cho thấy suất liều chiếu phông môi trường tại phòng thí nghiệm nằm trong khoảng tin cậy từ $10,66 \pm 0,45\ \mu\text{R/h}$ đến $12,43 \pm 0,53\ \mu\text{R/h}$. Đây là công trình thực nghiệm hạt nhân có phương pháp luận chặt chẽ, dữ liệu xử lý tin cậy và mở ra hướng ứng dụng quan trọng trong việc xác định suất liều riêng phần cho các nghiên cứu tiếp theo.