Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế Gamma dùng Detector HPGe Gem 15P4

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ XUÂN ÂN LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình đến: TS. Võ Xuân Ân, người Thầy kính mến, đã mang đến cho tôi kiến thức khoa học và phương pháp nghiên cứu khoa học, truyền đạt cho tôi tinh thần học hỏi và tinh thần trách nhiệm cao trong công việc. Người Thầy luôn tận tâm hướng dẫn, nhắc nhở và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy PGS. TS. Lê Văn Hoàng, Thầy TS. Nguyễn Văn Hoa, hai người Thầy đã gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng góp ý kiến và động viên tôi từ những ngày đầu thực hiện luận văn. Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân và Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM đã đóng góp những ý kiến thảo luận quý báu và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi có thể thực hiện các nghiên cứu phục vụ cho luận văn. Bạn Trịnh Hoài Vinh, Thầy Bá Văn Khôi là những người đã luôn nhiệt tình giúp đỡ tôi từ khi mới bắt đầu cho đến khi hoàn thành luận văn. Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. 1 MỤC LỤC ................................................................................................... 1 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................... 4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN .......................................................................... 4 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN VẤN ĐỀ GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới............................................................................ 4 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 8 1.2. CƠ SỞ VẬT LÝ TƯƠNG TÁC CỦA GAMMA VỚI VẬT CHẤT .................... 9 1.2.1. Hấp thụ quang điện ................................................................................................... 9 1.2.2. Tán xạ Compton ...................................................................................................... 11 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp ..................................................................................................... 14 1.2.4. Bức xạ hãm ............................................................................................................. 15 1.2.5. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất ............................................... 16 1.3. HỆ PHỔ KẾ GAMMA........................................................................................ 17 1.3.1. Cấu trúc của hệ phổ kế gamma ............................................................................... 17 1.3.2. Các đặc trưng kỹ thuật của detetor bán dẫn ............................................................ 18 1.4. PHÔNG PHÓNG XẠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PHÔNG .................. 20 1.4.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường ............................................................................ 20 1.4.2. Phông phóng xạ trong phổ năng lượng gamma ghi nhận bởi detector .................... 25 1.4.3. Các phương pháp giảm phông ................................................................................ 25 Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 .................................................................... 30 2.1. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 .............. 30 2.1.1. Phương pháp Monte Carlo ...................................................................................... 30 2.1.2. Chương trình MCNP5 ............................................................................................. 32 2.2. CÁC TIÊU CHÍ LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHE CHẮN GIẢM PHÔNG ......... 38 2.3. XÂY DỰNG BỘ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO ............................................................. 41 2.3.1. Hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM ................................. 41 2.3.2. Input của chương trình MCNP5.............................................................................. 47 2.4. TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA MÔ HÌNH ................................................................. 50 2.5. TÍNH TOÁN BỀ DÀY LỚP THIẾC VÀ BỀ DÀY LỚP ĐỒNG ...................... 53 Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .............................................................................................. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 70 PHỤ LỤC .................................................................................................. 77 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện số liệu ACTL ACTivation Library ADC Khối biến đổi tương tự – số Analog – to – digital converter CSS Hệ phổ kế triệt Compton Compton Suppression Spectrometer DETEFF Chương trình mô phỏng Monte Carlo DETEFF DETector EFFiciency ĐHKHTN TP.HCM Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ĐHSP TP.HCM Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh ENDF Thư viện số liệu ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu ENDL Evaluated Nuclear Data Library FWFM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/50 chiều cao cực đại Full width at fiftieth maximum FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/2 chiều cao cực đại Full width at haft maximum FWTM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/10 chiều cao cực đại Full width at tenth maximum Ge Germanium GEB Mở rộng năng lượng Gauss Gaussian Energy Broadenning Ge(Li) Detector germanium khuếch tán lithium Germanium(Lithium) GEANT Chương trình mô phỏng Monte Carlo GEANT GEANT A toolkit for the simulation of the passage of particles through matter HPGe Detector germanium siêu tinh khiết High Purity Germanium HQCC Hiệu quả che chắn LN2 Liquid Nitrogen MCA Máy phân tích biên độ đa kênh Multi channel analysis MCG Chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon năng lượng cao Monte Carlo Gamma MCN Chương trình Monte Carlo gamma xử lý bài toán vận chuyển neutron Monte Carlo Neutron MCNG Chương trình Monte Carlo ghép cặp neutron – gamma Monte Carlo Neutron Gamma MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP Monte Carlo N – Particle NPPs Nhà máy điện hạt nhân ở Cofrentes, Tây Ban Nha Nuclear Power Plants at Cofrentes, Valencia, Spain P/C Tỷ số đỉnh/Compton Peak/Compton TTHN TP.HCM Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh PTN VLHN Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Diễn giải Trang 1 1.1 Họ uranium (4n+2) 25 2 1.2 Họ actinium (4n+3) 26 3 1.3 Họ thorium (4n) 27 4 1.4 Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến. 29 5 2.1 Các kiểu tally trong MCNP5. 43 6 2.2 Các phản ứng của neutron với detector. 44 7 2.3 Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện trong phép đo phông đối với hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. 52 8 2.4 Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 185,8 – 609,3 keV. 63 9 2.5 Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. 64 10 2.6 Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 71 11 2.7 Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các trường hợp (2-A), (2-B), (2-C), (2-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 75 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình Diễn giải Trang 1 1.1 Cơ chế của hiện tượng quang điện. 11 2 1.2 Đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E. 12 3 1.3 Tán xạ Compton. 13 4 1.4 Phân bố số photon tán xạ Compton trong một đơn vị góc khối đối với góc tán xạ θ trong hệ tọa độ cực tương ứng với các năng lượng tới khác nhau. 15 5 1.5 Nền Compton ứng với năng lượng gamma tới E. 16 6 1.6 Hiệu ứng tạo cặp. 16 7 1.7 Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của 28Al. 19 8 1.8 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma. 20 9 1.9 Mặt cắt ngang (a) và mặt cắt dọc (b) của sự che chắn thụ động và chủ động. 32 10 1.10 Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản trùng phùng. 33 11 1.11 Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản trùng phùng kép. 33 12 2.1 Sơ đồ phân rã của 210Pb. 45 13 2.2 Cấu trúc bên trong của detector HPGe. 49 14 2.3 Mặt cắt dọc detector HPGe GEM 15P4 (đơn vị mm). 50 15 2.4 Mặt cắt dọc buồng chì che chắn phông phóng xạ tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM (đơn vị mm). 50 16 2.5 Thứ tự các lớp vật liệu dùng để giảm phông môi trường. 57 17 2.6 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1-A) khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. 67 18 2.7 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1-A) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 70 19 2.8 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (2-A) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 74 MỞ ĐẦU Với sự ra đời của detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) và silicon (Si) trong suốt thập kỉ 1960, lĩnh vực đo phổ gamma đã được cách mạng hóa và trở thành công nghệ phát triển. Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, detector ghi bức xạ gamma được sử dụng để xác định hàm lượng của các hạt nhân phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trường. Những detector ghi bức xạ gamma đã đóng vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ trên khắp thế giới nhờ vào kỹ thuật phân tích không phá mẫu và khả năng phân giải cao. Việc sử dụng các detector bán dẫn siêu tinh khiết đã mang lại các kết quả chính xác hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma ở các năng lượng khác nhau. Ở Việt Nam, nhiều cơ sở như Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, TTHN TP.HCM, Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường ĐHKHTN TP.HCM đã trang bị các hệ phổ kế gamma loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp. Ngay cả khi không có nguồn phóng xạ, hệ phổ kế germanium vẫn biểu hiện một tốc độ đếm nào đó do các nguyên tố phóng xạ nguyên thuỷ phát ra xung quanh detector và do các tia vũ trụ. Có thể kể ra như hiện tượng phóng xạ xảy ra tự nhiên bắt nguồn từ ba chuỗi phóng xạ: 232Th, 238U, 235U và từ 40K. Kali tự nhiên chứa 0,0117% 40K, phát ra lượng tử gamma có năng lượng 1460,8 keV mà rất thường thấy vạch này là một trong những thành phần chính của phông. Chì thường được sử dụng làm vật liệu che chắn có thể chứa 210Pb sẽ đóng góp vào phông, trong đó đóng góp chính là bức xạ hãm từ các con cháu của nó, chẳng hạn 210Bi. Trách nhiệm của nhà sản xuất là giảm những đóng góp phóng xạ của bản thân detector và các lớp che chắn thụ động bằng cách lựa chọn cẩn thận những vật liệu sạch phóng xạ. Ngoài ra, các neutron được tạo ra bởi các tia vũ trụ gây ra các phản ứng hạt nhân khác nhau. Các phản ứng đó có thể là sự tán xạ không đàn hồi của các neutron nhanh (n, 'n ) hoặc sự hấp thụ của các neutron nhiệt (n, γ ). Do đó, trong việc đánh giá hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường, kết quả đo phổ gamma không phải chỉ là kết quả của mẫu phân tích mà còn có sự đóng góp của phông do nhiều yếu tố chi phối. Các phóng xạ phông nền này làm cho vùng liên tục trong phổ gamma dâng cao đồng thời gây khó khăn cho việc xác định chính xác diện tích đỉnh tương ứng với vạch gamma quan tâm phát ra từ nguồn. Do đó để phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp đạt hiệu quả thì việc giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma là rất cần thiết. Năm 2007 PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM đã được trang bị một hệ phổ kế gamma dùng detector germanium siêu tinh khiết HPGe GEM 15P4. Qua thực nghiệm đánh giá định lượng [29] cho thấy, hiện tại phông buồng chì của hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM khá cao. Cụ thể là tốc độ đếm phông tổng trong trạng thái che chắn của buồng chì là 3,06 s-1 là tương đối cao so với giá trị cần thiết khoảng 1 s-1 [19], cao gấp 2,71 lần so với tốc độ đếm phông tổng trong cùng trạng thái của buồng chì tại TTHN TP.HCM. Vì vậy tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4”. Mục tiêu của luận văn là lựa chọn và xác định bề dày của các lớp vật liệu che chắn để giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM xuống mức thấp nhất. Điều này sẽ cải thiện chất lượng của hệ phổ kế và nâng cao độ chính xác của phép đo hoạt độ phóng xạ trong các mẫu môi trường có hoạt độ thấp. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe GEM 15P4 loại p được sản xuất bởi EG&G Ortec (Oak Ridge, Tennessee) đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sử dụng mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP5 đã được xây dựng bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kỳ để tính toán bề dày của các lớp vật liệu che chắn. Nội dung của luận văn gồm có ba chương: + Chương 1: TỔNG QUAN, trình bày tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước và liên quan đến vấn đề giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma, cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài, giới thiệu tổng quan về hệ phổ kế gamma và các phương pháp giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma. + Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5, giới thiệu phương pháp mô phỏng Monte Carlo và chương trình MCNP5, trình bày các bước thực hiện bài toán mô phỏng, xây dựng input, tính toán bề dày của các lớp vật liệu che chắn bằng chương trình MCNP5. + Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, tổng kết đánh giá kết quả đã đạt được của luận văn đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo của luận văn. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN VẤN ĐỀ GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1990, Hesser [38] đã cải tiến cấu hình che chắn của một hệ phổ kế trước đó bằng cách đặt thêm ống đếm chắn tia vũ trụ (cosmic ray veto counter) bên ngoài các lớp vật liệu che chắn (từ ngoài vào là 10 cm chì thông thường, 5 cm chì hoạt độ thấp, 2 cm sắt và 3 cm đồng). Ống đếm chắn tia vũ trụ gồm sáu ống đếm tỉ lệ với các điện cực dạng dây làm bằng đồng thau. Hệ phổ kế được vận hành ở độ sâu che chắn tương đương khoảng 15 m nước. Tại độ sâu này, hầu hết các muon bị loại bỏ khỏi các tia vũ trụ thứ cấp. Kết quả tiến hành đo phổ khi có và khi không có che chắn tia vũ trụ lần lượt trong suốt 22,3 ngày và 18,5 ngày cho thấy có sự giảm mạnh tại các năng lượng thấp hơn đỉnh huỷ (511 keV) là 20 lần, khoảng 0,2110 – 0,0107 cpm, trong khi tốc độ đếm tổng trong dải năng lượng 65 – 2680 keV được giảm 13,3 lần khoảng 22,0 – 1,65 cpm. Radon được khử bằng cách mẫu được bỏ ra ngoài, không khí trong buồng kín được thay thế bằng khí nitơ nhờ một xi lanh bằng thép, biện pháp này đảm bảo loại bỏ radon nhanh chóng và hoàn toàn. Trong phòng thí nghiệm hoạt độ radon vào khoảng 100 Bq/m3. Cấu hình che chắn này mang lại hệ số suy giảm bằng 12 quan sát được trong các đỉnh của con cháu 222Rn, 214Pb và 214Bi, nhưng đối với các con cháu của 220Rn, 212Pb và 208Tl thì giảm nhẹ. Để tìm hiểu thêm hiệu quả làm giảm các thành phần phông tia vũ trụ khi có che chắn tia vũ trụ, hệ phổ kế được đặt sâu dưới đất 775 m tại mỏ muối Asse II ở miền Bắc nước Đức. Kết quả cho thấy tốc độ đếm tổng trong dải năng lượng 65 – 2680 keV giảm 29 lần, khoảng 22,0 – 0,76 cpm, tức giảm thêm 2 lần so với khi hệ phổ kế được đặt ở độ sâu 15 m. Năm 1996, Laurec, Blanchard, Pointurier và Adam [46] đã trang bị thêm thiết bị che chắn tia vũ trụ cho hệ phổ kế gamma. Các tấm che chắn tia vũ trụ được chế tạo bởi Cyberstar Corporation, bao gồm bốn tấm chất dẻo nhấp nháy (plastic scintillating plates) 60 cm x 60 cm x 4 cm. Bề dày 4 cm làm mất năng lượng các hạt tích điện hơn 8 MeV. Buồng che chắn được làm bằng chì có hoạt độ rất thấp (chì cổ). Lớp bên ngoài là chì hoạt độ thấp dày 10 cm. Detector germanium phông thấp kết hợp với hệ che chắn tích cực làm bằng các tấm chất dẻo nhấp nháy được nối với mạch điện tử phản trùng phùng đã làm giảm phông từ 4 đến 5 lần trong dải năng lượng 500 keV – 2,7 MeV và từ 5 đến 10 lần trong dải năng lượng dưới 500 keV. Dưới những điều kiện này, tốc độ đếm phông nhỏ hơn 10-4 số đếm/s/keV. Năm 1996, Nunez-Lagos và Virto [51] đã đưa ra các phương pháp giảm phông cho hệ phổ kế về các mặt như giảm nhiễu điện tử, giảm phóng xạ bên trong detector, giảm radon; lựa chọn và sử dụng vật liệu che chắn; che chắn bức xạ vũ trụ và neutron. Năm 2006, Hurtado, Garcia-Leon và Garcia-Tenorio [39] đã thiết kế và lắp đặt một hệ thống giảm phông bao gồm phần che chắn thụ động gồm chì hoạt độ thấp, một hệ thống khử radon đơn giản và một phần che chắn tích cực, làm bằng chất dẻo nhấp nháy kết hợp với các kết cấu phản trùng phùng khác nhau. Phần che chắn thụ động xung quanh detector là chì hoạt độ thấp dày 10 cm, có khoảng 6,2 Bq/kg 210Pb và 5 mm đồng điện phân lót bên trong lớp chì để giảm các tia X huỳnh quang đặc trưng từ lớp chì. Thiết bị che chắn tia vũ trụ là một tấm chất dẻo nhấp nháy được đặt phía trên lớp chì. Chất dẻo nhấp nháy được nối với một ống nhân quang điện Bicron EMI 9266. Các xung đến từ tấm chất dẻo nhấp nháy che chắn tia vũ trụ và detector germanium được xử lý bởi một mạch điện tử nhằm loại bỏ sự trùng phùng tạo ra trong phông tia vũ trụ. Phông do radon và các con cháu được làm giảm nhờ việc đưa khí nitơ từ bình dewar vào buồng che chắn. Những nghiên cứu này nhằm đạt đến mục tiêu là giảm phông tia vũ trụ và giảm những giới hạn phát hiện của các phổ kế gamma đặt tại các phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, có thể cạnh tranh trong các phép đo xác định tuổi 210Pb. Từ năm 1996 đến năm 2000, các phương pháp giảm phông tích cực và thụ động và kết quả của các phép đo phông, đã được nhóm Krzysztof Kozak, Jerzy W. Mietelski, Miroslawa Jasinska và Pawel Gaca nghiên cứu thực hiện [44]. Phông của hệ phổ kế được ghi nhận trong các cấu hình che chắn khác nhau được nghiên cứu cải tiến. Tên của ba hệ phổ kế gamma trong quá trình nghiên cứu giảm phông là hệ phổ kế K, hệ phổ kế S và hệ phổ kế E. Hệ phổ kế K áp dụng phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, đồng, và hơi nitơ lỏng (LN2). Hệ phổ kế S áp dụng phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, đồng điện phân, hơi LN2 và lót thêm cadmium, paraffin gắn phía trên hệ phổ kế. Hệ phổ kế E, có phông siêu thấp, sử dụng cả phương pháp giảm phông thụ động và tích cực. Phương pháp giảm phông thụ động áp dụng cho hệ phổ kế E là sử dụng lớp chắn chì, cadmium, đồng điện phân, paraffin được gắn phía trên và xung quanh hệ phổ kế, hơi LN2 và bên trong thể tích được che chắn của hệ phổ kế một dòng khí nitơ từ bình dewar được thổi vào để giảm sự đóng góp phông do radon và các con cháu của radon. Phương pháp tích cực áp dụng cho hệ phổ kế E là dùng một ống đếm tỉ lệ nhiều dây Charpak đặt phía trên hệ phổ kế, đây là một detector chắn tia vũ trụ chủ động và làm việc theo kiểu phản trùng phùng với một detecdor germanium gắn phía trên hệ phổ kế. Việc che chắn tích cực làm giảm nền phông liên tục của hệ phổ kể từ 80 keV – 3 MeV đến 2 lần khoảng 0,88 – 0,46 cps và nhìn thấy rõ vạch 186 keV. Điều này không xảy ra khi không có che chắn tích cực. Năm 2002, Semkow và cộng sự [54] đã phát triển và vận hành hệ phổ kế gamma phông thấp bao gồm detecdor germanium hiệu suất 131 %, kiểu hình chữ U. Che chắn thụ động bao gồm chì siêu tinh khiết dày 6 inch (1 inch = 0,0254 m) và che chắn tích cực là một tấm chắn muon gắn ở phía trên hệ phổ kế. Toàn bộ hệ thống được đặt bên trong một phòng thép dày 6 inch có từ trước thế chiến thứ II. Phòng thép được đặt bên dưới lớp nước sâu 33 m. Tốc độ đếm phông tổng cộng trong dải năng lượng 50 – 2700 keV là 0,068 số đếm/s/100 cm3 thể tích germanium. Hệ phổ kế phục vụ như một thiết bị mẫu dùng để đo phóng xạ của môi trường hoạt độ thấp có độ chính xác cao. Một ứng dụng đặc biệt là đo hàm lượng 228Ra trong nước uống. Lấy 1 lít mẫu nước uống, sau khi xử lí hóa học, đem đo trong thời gian 1000 phút, đã đạt đến giới hạn phát hiện Ld = 2 mBq/l (0,55 pCi/l), so với giới hạn phát hiện EPA cho phép là 1 pCi/l. Phương pháp khác nâng cấp hệ phổ kế cải tiến sự phát hiện 228Ra, đó là đo trực tiếp nước mà không cần xử lí hóa học, được thảo luận. Năm 2007, Mrđa và cộng sự [50] đã cải tiến cấu hình che chắn tích cực mới cho hệ phổ kế gamma. Phần che chắn thụ động được làm từ 120 mm chì hoạt độ thấp. Hàm lượng 210Pb của lớp che chắn chì đo được là 25 ± 5 Bq/kg. Các tính toán Monte Carlo bằng chương trình PHOTON (Puzovic và Anicin, 1998) đã được thực hiện để lựa chọn vật liệu thích hợp và bề dày tối ưu của các lớp vật liệu lót bên trong. Kết quả nghiên cứu cho thấy thiếc thích hợp hơn cadmium đã thường được sử dụng trước đó do xác suất bắt neutron thấp. Phản ứng 113Cd(n, γ )114Cd gây ra một đỉnh phông có năng lượng 558,2 keV và đỉnh kém hơn có năng lượng 651 keV. Thuận lợi nữa thiếc là kim loại không độc hại. Bề dày tối ưu của thiếc được tìm ra là 3,5 mm. Các tia X của thiếc được làm giảm bởi lớp lót đồng có bề dày 0,5 mm. Sự che chắn tích cực đối với ảnh hưởng từ tia gamma môi trường, các muon vũ trụ và các neutron được khảo sát. Phần che chắn chủ động gồm năm tấm che chắn làm bằng chất dẻo để ngăn cản tia vũ trụ có kích thước 0,5 m x 0,5 m x 0,05 m. Tốc độ đếm của detector khi có che chắn thụ động trong dải năng lượng 50 – 1800 keV là 0,9 c/s. Đây là giá trị tốt khi có che chắn thụ động đặt ở mặt đất. Các detector nhấp nháy R500*50 N 500 được sản xuất bởi SCIONNIX (Netherlands) được bố trí phủ kín nắp (UV – upper veto) và lớp chì che chắn xung quanh (SV – veto). So sánh các phổ phông thu được khi có và không có che chắn tích cực cho thấy rằng hầu hết các bức xạ huỷ gây ra bởi các muon vũ trụ được loại trừ bởi lớp che chắn ngăn cản muon. Các sự kiện trùng phùng được loại bỏ đối với vùng năng lượng thấp của phổ hơn là vùng năng lượng cao, do hiệu suất phát hiện cao hơn của detector germanium tại các năng lượng thấp hơn. Trong vùng năng lượng rộng 150 keV – 75 MeV, hệ phản trùng phùng được sử dụng. Nếu lắp đặt tối ưu, tốc độ đếm phông đạt đến 0,31 c/s đối với vùng năng lượng 50 – 3000 keV. Đỉnh hủy 511 keV cũng bị giảm xuống đến 7 lần nhờ hệ phản trùng phùng. Năm 2007, Kohler và cộng sự [43] đã chế tạo một hệ phổ kế gamma mới. Phần che chắn thụ động theo thứ tự từ trong ra ngoài gồm 5 cm đồng, 5 cm chì hoạt độ thấp (2,7 ± 0,6) Bq/kg 210Pb và 10 cm chì thông thường (33 ± 4) Bq/kg 210 Pb. Bên ngoài là lớp vỏ kín được lấp đầy bằng khí nitơ nhằm giảm phông do 222Ra. Hệ phổ kế với tấm che chắn ngăn cản muon (anti – muon veto) được đặt trong buồng số 2 Phòng thí nghiệm Felsenkeller ở độ sâu 110 m dưới mặt đất. Các tường dày 50 cm của buồng với kích thước bên trong là 3 m x 6 m x 2,2 m được thiết kế theo cấu trúc xếp lớp gồm thép và chì. Dòng muon trong phòng thí nghiệm được giảm 42 lần và tốc độ đếm phông trong dải năng lượng 40 – 2700 keV là 0,034 Bq/kg tốt hơn 38 lần so với khi đặt hệ phổ kế ở trên mặt đất. Hệ đo này thích hợp tốt trong việc kiểm tra nước sinh hoạt của con người với những giới hạn cho phép của 226Ra và 228Ra là vài mBq/l. Đồng dùng lót thêm bên trong làm suy giảm bức xạ hãm và các tia X gây ra do các tia beta từ phân rã của 210Bi ( maxEβ = 1,2 MeV) từ lớp chì. Năm 2007, Mrđa và cộng sự [49] đã thực hiện những kiểm tra đầu tiên hoạt động của hệ phổ kế gamma phông siêu thấp thể tích lớn. Vật liệu che chắn detector chủ yếu là các lớp chì được sắp xếp cạnh nhau. Lớp ngoài có bề dày 5 inch là chì sạch phóng xạ loại thông thường, lớp trong cùng có bề dày 1 inch là chì sạch phóng xạ có hàm lượng 210Pb không vượt quá 20 Bq/kg. Ngoài ra còn có một số lớp vật liệu lót bên trong để hấp thụ các tia X lớp K của chì trong dải năng lượng 70 – 85 keV. Các vật liệu lót là thiếc sạch phóng xạ có bề dày 1 mm và đồng tinh khiết cao có bề dày 1,5 mm. Để hấp thụ các tia X phát ra từ Sn trong dải năng lượng 25 – 28 keV, trên các lớp che chắn có một lỗ thông khí để đưa khí nitơ vào từ bình dewar nhằm giảm phông do radon và con cháu của radon gây ra. Việc so sánh phổ phông của detector khi để trần và khi có che chắn được thực hiện. Tổng số các sự kiện được ghi nhận trong thời gian 517 ks, kết quả cho thấy hệ số suy giảm trên toàn phổ là 238 trong dải năng lượng 40 – 2768 keV. Năm 2010, Breier và Povinec [32] đã sử dụng chương trình GEANT4 để tính toán các thành phần phông có nguồn gốc từ tia vũ trụ của một hệ phổ kế dùng detector germanium. Các kết quả cho thấy phông của detector germanium đặt tại độ sâu 100 m nước giảm 30 và 100 lần tương ứng với trường hợp khi không có và khi có sự che chắn tia vũ trụ so với trường hợp phông của detector germanium khi đặt trong phòng thí nghiệm trên mặt đất. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2005, tác giả Trần Văn Luyến [19] đã thiết kế buồng chì giảm phông cho hệ phổ kế gamma của TTHN TP.HCM. Cấu hình buồng chì gồm chì, thiếc và đồng theo thứ tự từ ngoài vào trong. Buồng chì được thiết kế bởi 17 tấm chì dày 3 cm, đặt chồng khít lên nhau theo dạng hình trụ với đường kính trong dtrong = 30 cm, đường kính ngoài dngoài = 50 cm, chiều cao trong htrong = 30 cm và chiều cao ngoài hngoài = 50 cm. Trong buồng chì có lót một lớp thiếc sạch phóng xạ dày 10 mm, ba lớp đồng lá dày 2 mm dọc theo thành, mặt dưới và mặt trên buồng chì. Kết quả là phông trong buồng chì rất sạch và ổn định. Đặc biệt, sau khi lót thêm một lớp thiếc dày 1 cm vào tháng 1/99 và lớp paraffin vào tháng 5/99 vào bên trong. Phông buồng chì giảm rõ rệt trong vùng năng lượng thấp. Chất lượng phông buồng chì này cho phép đo các mẫu phóng xạ môi trường hoạt độ thấp. Điều này sẽ làm cho buồng chì có khả năng đo được các tia gamma mềm như 46,5 keV của 210Pb và 63,3 keV của 234Th. Năm 2009, tác giả Trương Thị Hồng Loan [18] đã khảo sát bằng mô phỏng MCNP sự hấp thụ tia X đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì của hệ phổ kế gamma thuộc Phòng thí nghiệm chuyên đề 2, Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường ĐHKHTN TP.HCM. Thí nghiệm mô phỏng phổ khi buồng chì có lót hai lớp thiếc, đồng và khi không có chúng được thực hiện. Kết quả cho thấy với sự có mặt của lớp thiếc dày 1,0 mm và lớp đồng 1,5 mm có thể hấp thụ được khoảng 97,3% các tia X từ chì. Giá trị này phù hợp khá tốt với kết quả khảo sát 98,5% của hãng Canberra [61] với độ sai biệt khoảng 1,2%. Hệ phổ kế gamma phông thấp của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội [5] đã được giảm phông bằng phương pháp bảo vệ thụ động đối với bức xạ gamma, neutron và bảo vệ tích cực bằng phương pháp phản trùng phùng đối với thành phần cứng của tia vũ trụ. Thứ tự từ trong ra ngoài là detector HPGe, 15 cm chì sạch phóng xạ (chì cổ), 10 cm paraffin pha B hoặc paraffin kết hợp với 1 mm Cd, các tấm plastic để ghi các hạt tích điện trong tia vũ trụ. Ống nhân quang điện gắn với tấm plastic thông qua lớp dẫn sáng. 1.2. CƠ SỞ VẬT LÝ TƯƠNG TÁC CỦA GAMMA VỚI VẬT CHẤT Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn nhỏ hơn 10-8cm. Tia gamma không bị lệch trong điện trường và từ trường có khả năng đâm xuyên lớn, gây nguy hiểm cho con người. Bức xạ này ngoài tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên gọi là lượng tử gamma hay photon. Khi đi xuyên qua vật chất, tia gamma sẽ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau, có thể là tương tác quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh, hiệu ứng tạo cặp, hay phản ứng quang hạt nhân ... Tuy nhiên, đối với các tia gamma phát ra từ những đồng vị phóng xạ thông thường, chỉ có tương tác quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp là tham gia chủ yếu vào việc tạo thành tín hiệu xung trong detector. Ngoài ra, hiệu ứng bức xạ hãm của các electron cũng đóng góp vào sự hình thành phông nền của phổ gamma. 1.2.1. Hấp thụ quang điện Trong hiệu ứng hấp thụ quang điện, một lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo và hoàn toàn biến mất, khi đó toàn bộ năng lượng của gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là electron quang điện. Electron quang điện bay ra với động năng Ee bằng đúng hiệu số giữa năng lượng của gamma tới E và năng lượng liên kết lkε của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra: lkeEE ε−= (1.1) Trong đó: Klk ε=ε đối với lớp K, Llk ε=ε đối với lớp L và LK ε>ε . Theo hệ thức (1.1) thì năng lượng của tia gamma phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới có thể xảy ra. Những tia gamma có năng lượng vào khoảng vài trăm keV sẽ truyền phần lớn năng lượng của mình cho electron quang điện. Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do vì không thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng [6]. Như vậy, muốn có hiệu ứng quang điện cần có thêm một ._.điều kiện nữa là các electron phải ở trạng thái liên kết với nguyên tử đồng thời năng lượng của tia gamma không quá lớn. Vì tia gamma năng lượng lớn sẽ coi các electron như những electron liên kết rất yếu, gần như là các electron tự do và hiện tượng quang điện không xảy ra. Hình 1.1. Cơ chế của hiện tượng quang điện. Trong hiệu ứng quang điện, khi một electron quang điện bị bứt ra ngoài, nó sẽ tạo ra một lỗ trống tại lớp vỏ mà nó bứt ra. Lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi những electron tự do trong môi trường vật chất hoặc sự dịch chuyển của các electron ở những lớp ngoài của nguyên tử. Kèm với sự dịch chuyển của electron giữa hai lớp trong nguyên tử là việc phát ra tia X đặc trưng hay còn gọi là tia X huỳnh quang. Tia X đặc trưng này sẽ bị hấp thụ bởi những nguyên tử khác trong vật chất thông qua hiệu ứng quang điện ở các lớp vỏ có liên kết yếu với nguyên tử, tuy nhiên sự góp mặt của nó vẫn có thể ảnh hưởng đến hàm đáp ứng của detector. Ngoài ra, trong một số trường hợp, tia X đặc trưng được hấp thụ bởi electron ở những lớp ngoài của chính nguyên tử đó. Kết quả là electron này sẽ bị bật ra khỏi nguyên tử và được gọi là electron Auger. Hai quá trình phát tia X đặc trưng và phát electron Auger cạnh tranh lẫn nhau. Trong tương tác của tia gamma hoặc tia X có năng lượng tương đối thấp, quá trình tương tác quang điện là quá trình chiếm ưu thế. Ngoài ra, xác suất để một photon chịu hấp thụ quang điện có thể được biểu diễn qua tiết diện hấp thụ aσ . Qui luật của aσ như sau [27]: n m a ~ Z / Eγσ (1.2) Trong đó: n và m nằm trong dải từ 3 đến 5 tùy thuộc vào năng lượng của tia gamma. Ví dụ, một số hàm đã được đưa ra là 5 3,5Z / Eγ và 4,5 3Z / Eγ . Tiết diện hấp thụ quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của tia gamma tới và nguyên tử số Z của môi trường. Theo công thức (1.2), đối với những vật liệu nặng, tiết diện hấp thụ quang điện lớn ngay cả với tia gamma có năng lượng cao, đối với vật liệu nhẹ thì hấp thụ quang điện chỉ có ý nghĩa đối với những tia gamma có năng lượng thấp. Đây là lý do cần thiết phải chọn các vật liệu có Z cao để sử dụng trong che chắn tia gamma, chẳng hạn chì, uranium. Cũng với lý do tương tự mà rất nhiều hệ phổ kế gamma sử dụng detector với các thành phần vật liệu có nguyên tử số Z lớn. Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ toàn bộ năng lượng của gamma tới E. Trong điều kiện lý tưởng, toàn bộ năng lượng này được truyền cho động năng của electron, đây là một hằng số ứng với chùm gamma đơn năng chiếu vào detector. Khi đó, phân bố tích phân động năng của electron sẽ là một hàm delta đơn giản như hình 1.2 và trong phổ gamma xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng với năng lượng E của gamma tới. Đây chính là đỉnh E đặc trưng của mỗi đồng vị. Mỗi loại đồng vị có thể có 1, 2 … đỉnh hấp thụ toàn phần với những hiệu suất phát tương ứng. Ví dụ 40K phát gamma có năng lượng 1461 keV với hiệu suất phát là 10,67%. Hình 1.2. Đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E. 1.2.2. Tán xạ Compton Khi tăng năng lượng của tia gamma lên giá trị lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron lớp K thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và hiệu ứng tán xạ Compton bắt đầu chiếm ưu thế. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi giữa gamma với các electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ, lượng tử gamma sẽ bị lệch hướng bay và mất một phần năng lượng. Đồng thời, electron cũng được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Vì lượng tử gamma có thể bị tán xạ theo mọi góc nên năng lượng truyền cho electron sẽ có giá trị biến thiên từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó. Tán xạ Comton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng 150 keV – 9 MeV đối với germanium và ở vùng năng lượng 50 keV – 15 MeV đối với silicon. Hình 1.3 trình bày cơ chế tán xạ Compton của tia gamma lên electron liên kết yếu với nguyên tử của môi trường. Hình 1.3. Tán xạ Compton. Dựa vào định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng, ta có thể rút ra được năng lượng của tia gamma sau khi tán xạ và năng lượng của electron bị bứt ra là một hàm theo góc tán xạ θ như sau: ( ) ' 2 0 hh h1 1 cos m c ν ν = ν + − θ (1.3) ( ) ( ) 2 ' 0 e 2 0 h 1 cos m cE h h h h1 1 cos m c ν − θ = ν − ν = ν ν + − θ (1.4) Trong đó: m0 là khối lượng nghỉ của electron. Đối với các góc tán xạ nhỏ thì tia gamma tới truyền rất ít năng lượng cho electron. Electron nhận được năng lượng lớn nhất tương ứng với góc tán xạ 1800, đồng thời vẫn còn một phần năng lượng của tia gamma tới nằm trong tia gamma tán xạ. Ngoài ra, ta có thể tính được góc bay của electron sau tán xạ cũng như độ tăng bước sóng của chùm tia gamma tán xạ theo các công thức sau: ' 1tan cot anh 21 h θ ϕ = − ν − ν (1.5) ( )2/sin2' 2c θλ=λ−λ=λ∆ (1.6) Trong đó: m10.42,2 cm h 12 0 c −==λ được gọi là bước sóng Compton. Tiết diện vi phân Ω σ d d của tán xạ Compton được tính theo công thức Klein – Nishina:       θ−α+θ+ θ−α +      θ+       θ−α+ = Ω σ )]cos1(1)[cos1( )cos1(1 2 cos1 )cos1(1 1Zr d d 2 2222 2 0 (1.7) Trong đó: 2 0 h m c ν α = và r0 là bán kính electron theo lý thuyết cổ điển. Hình 1.4. Phân bố số photon tán xạ Compton trong một đơn vị góc khối đối với góc tán xạ θ trong hệ tọa độ cực tương ứng với các năng lượng tới khác nhau [42]. Phân bố mô tả trong hình 1.4 cho thấy những tia gamma có năng lượng lớn thì sẽ có xu hướng tán xạ với góc nhỏ. Khi tán xạ Compton xảy ra trong vùng nhạy của detector, electron Compton sẽ bị mất toàn bộ động năng trong detector và detector sẽ tạo ra xung tương ứng với phần động năng này. Do đó, trên phổ xuất hiện nền Compton liên tục chứa các xung trải dài từ động năng bằng 0 đến động năng cực đại của electron Compton. Trên phổ gamma, tại vị trí ứng với động năng cực đại của electron Compton tán xạ sẽ xuất hiện một chổ dốc được gọi là cạnh Compton. Các tia gamma thứ cấp có thể thoát khỏi bề mặt tinh thể nhưng cũng có thể tương tác tiếp bằng các hiệu ứng đã biết. Như vậy bằng hiệu ứng tán xạ Compton, tia gamma cũng có thể cho xung đóng góp vào đỉnh năng lượng toàn phần nếu tia gamma mất hoàn toàn năng lượng trong tinh thể sau những tán xạ liên tiếp. Hình 1.5. Nền Compton ứng với năng lượng gamma tới E. 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp Nếu gamma tới có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (1022 keV) thì nó sẽ sinh ra một cặp electron – positron khi qua trường của hạt nhân. Hiệu ứng tạo cặp chỉ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trên 10 MeV. Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên cần phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Vì vậy, quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân. Do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân là rất bé nên phần năng lượng còn lại sẽ biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thể diễn ra gần electron nhưng có xác suất bé hơn khoảng 1000 lần so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân. Hình 1.6. Hiệu ứng tạo cặp. Khi xảy ra hiện tượng tạo cặp thì hiệu năng lượng E – 2m0c2 bằng tổng động năng của electron và positron, do hai hạt này có khối lượng gần bằng nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có động năng bằng nhau. Electron mất dần năng lượng của mình khi di chuyển trong vật chất do quá trình ion hóa các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương cũng mất dần năng lượng, khi gặp electron của nguyên tử sẽ tạo ra hiện tượng hủy cặp electron – positron. Kết quả của quá trình hủy cặp là hai lượng tử gamma được sinh ra và bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử gamma có năng lượng 511 keV (bằng năng lượng nghỉ của electron). Tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân có dạng tương đối phức tạp. Trường hợp 3/12 0 2 0 Zcm137Ecm −<<<< và không tính đến hiệu ứng màn che thì:         −=σ 27 218 cm E2ln 9 28r 137 Z 2 0 2 0 2 (1.8) Trong đó: Z là nguyên tử số của chất hấp thụ, r0 là bán kính electron theo lý thuyết cổ điển, E là năng lượng của photon tới và 20cm là năng lượng nghỉ của electron. Trong trường hợp 3/120 Zcm137E −>> và tính đến hiệu ứng màn che toàn phần thì: ( )       −=σ − 27 2Z183ln 9 28r 137 Z 3/12 o 2 (1.9) Trong đó: 3/120 Zcm137 − = 30 MeV đối với nhôm và bằng 15 MeV đối với chì. Trong miền năng lượng 20 2 0 cm10Ecm5 << , tiết diện tạo cặp tỉ lệ với Z 2 và lnE: ElnZ~ 2σ (1.10) Theo công thức (1.10) thì tiết diện tạo cặp electron – positron gần tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có nguyên tử số lớn chẳng hạn như chì hay uranium. Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0,511 MeV. Tùy theo trường hợp, cả hai lượng tử này bị hấp thụ hoặc một hoặc cả hai đều bay ra khỏi detector mà ta thấy xuất hiện các đỉnh sau: + Cả hai lượng tử gamma hủy cặp đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của detector: có sự xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần E do năng lượng của tia gamma bị mất là (E – 1022 + 1022) = E keV. Nghĩa là có sự đóng góp vào đỉnh hấp thụ toàn phần. + Một trong hai lượng tử gamma hủy cặp thoát ra khỏi vùng nhạy của detector: có sự xuất hiện đỉnh thoát đơn (E – 511) keV. + Cả hai lượng tử gamma hủy cặp thoát ra khỏi vùng nhạy của detector: có sự xuất hiện đỉnh thoát đôi tương ứng với năng lượng (E – 1022) keV. Do xác suất tạo ra đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi thường rất thấp. Do đó cần phải sử dụng nguồn phát gamma có cường độ mạnh hoặc đo trong thời gian dài mới khảo sát được các đỉnh này. 1.2.4. Bức xạ hãm Hầu hết các nguồn phát gamma đi kèm với phóng xạ −β . Các electron phát ra bị hấp thụ trong nguồn, trong lớp bọc nguồn hoặc lớp ngăn electron đi tới detector và tạo ra các bức xạ hãm. Các bức xạ hãm này đi đến detector và đóng góp vào phổ bức xạ gamma. Phổ bức xạ hãm kéo dài từ 0 đến năng lượng của electron, tập trung chủ yếu trong miền năng lượng thấp. Như vậy bức xạ hãm không tạo đỉnh phổ mà làm cho vùng phổ có năng lượng thấp bị dâng cao. Điều này làm tăng nền phông của các đỉnh có năng lượng thấp và ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Để hạn chế bức xạ hãm phải sử dụng chất hấp thụ electron làm từ vật liệu nhẹ. Sự sinh ra bức xạ hãm càng đáng kể khi năng lượng của electron càng lớn và môi trường làm chậm có nguyên tử số Z càng lớn. Ví dụ như electron có năng lượng 1 MeV sinh ra bức xạ hãm đáng kể trong chì (Z = 82) nhưng không đáng kể trong nhôm (Z = 13). Trong trường hợp của nguồn 28Al, do electron phát ra có năng lượng cực đại 2,8 MeV nên làm tăng phông vùng năng lượng thấp đáng kể như trong hình 1.7. Hình 1.7. Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của 28Al [27]. 1.2.5. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất Cho một chùm bức xạ gamma hẹp đi qua lớp vật chất, cường độ dòng bức xạ I sau khi qua lớp vật chất phụ thuộc vào cường độ chùm gamma trước khi qua lớp vật chất I0 được cho bởi công thức [25]: x 0I I e −µ= (1.11) Trong đó: µ là hệ số suy giảm tuyến tính, x là bề dày của lớp vật chất. Trong thực tế khi chùm lượng tử gamma đi qua lớp vật chất dày, cường độ dòng bức xạ qua lớp vật chất được đóng góp bởi bức xạ tán xạ và bức xạ không tán xạ. Nghĩa là cường độ của chùm bức xạ rộng sau khi qua tấm vật chất được đóng góp thêm bởi các bức xạ tán xạ thứ cấp và được mô tả bằng công thức [25]: x 0I I e −µ= BN(hν ,Z,µ x) (1.12) Trong đó: BN(hν ,Z,µ x) 1≥ là hệ số tích lũy năng lượng khi có chú ý tới đóng góp của bức xạ tán xạ, Z là bậc số nguyên tử của môi trường, hν là năng lượng của bức xạ tới. 1.3. HỆ PHỔ KẾ GAMMA Nghiên cứu mẫu môi trường là một trong những lĩnh vực đang được quan tâm trong nghiên cứu Vật lý Hạt nhân ngày nay. Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để nghiên cứu mẫu môi trường chẳng hạn như phương pháp đo phân rã alpha, beta, gamma, các phương pháp huỳnh quang tia X, phương pháp phân tích kích hoạt neutron … Trong đó, các phương pháp đo bằng hệ phổ kế gamma được ứng dụng rất rộng rãi nhờ vào ưu điểm của nó như khả năng phân tích đa nguyên tố, việc xử lý mẫu không quá phức tạp như khi đo bức xạ alpha hay beta. Sự phát triển của các kỹ thuật chế tạo tinh thể cũng như kỹ thuật điện tử ngày càng phát triển cũng đã góp phần làm cho việc ứng dụng phổ kế gamma vào nghiên cứu môi trường ngày càng rộng rãi. 1.3.1. Cấu trúc của hệ phổ kế gamma Sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma phông thấp được mô tả bởi hình 1.8. Trong đó, detector được đặt trong buồng chì để giảm phông phóng xạ. Vì tính chất phụ thuộc vào nhiệt độ của chất bán dẫn, các electron nhiệt sẽ được sinh ra nếu chất bán dẫn chịu điều kiện nhiệt độ cao trong thời gian dài. Hiện tượng này sẽ gây ảnh hưởng đến kết quả đo khi sử dụng detector bán dẫn. Do đó detector bán dẫn thường được làm lạnh bằng nitơ lỏng ở nhiệt độ – 1960 C. Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma. 1.3.2. Các đặc trưng kỹ thuật của detetor bán dẫn 1.3.2.1. Độ phân giải năng lượng Độ phân giải năng lượng của detector được định nghĩa là tỉ số giữa FWHM và vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần H0, trong đó FWHM là bề rộng của phân bố tại tọa độ bằng một nửa độ cao cực đại của đỉnh. Detector HPGe có thể đạt độ phân giải vào khoảng 1,8 keV ở đỉnh năng lượng 1332 keV của 60Co. Trong khi detector NaI chỉ đạt độ phân giải vào khoảng 100 keV ở đỉnh 1332 keV. Độ phân giải tốt không những giúp nhận biết các đỉnh kề nhau mà còn giúp ghi nhận được các nguồn yếu có năng lượng riêng biệt khi nó nằm chồng lên miền liên tục. Các detector có hiệu suất bằng nhau sẽ có kết quả là các diện tích đỉnh bằng nhau, nhưng những detector có độ phân giải năng lượng tốt sẽ tạo nên các đỉnh năng lượng hẹp và cao, các đỉnh năng lượng này có thể nhô lên cao hơn so với vùng nhiễu thống kê của miền liên tục. 1.3.2.2. Tỉ số đỉnh/Compton (P/C) Tỉ số này cho phép đánh giá khả năng phân biệt được các đỉnh yếu có năng lượng thấp nằm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao của detector. Đó là tỉ số chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần với chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy ở mép Compton). Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo hoạt độ thấp và phổ gamma phức tạp. Tỉ số này phụ thuộc vào thể tích của detector, các detector lớn có tỉ số P/C lớn vì phần đóng góp của tán xạ Compton vào đỉnh hấp thụ toàn phần lớn. Tỉ số P/C theo quy định thường được tính bằng cách chia độ cao của đỉnh 1332 keV cho độ cao trung bình của nền Compton trong khoảng 1040 – 1096 keV. Đối với detector HPGe, tỉ số P/C thông thường nằm trong khoảng 40:1 đến 60:1 ứng với đỉnh năng lượng 1332 keV. 1.3.2.3. Dạng của đỉnh Dạng chi tiết của các đỉnh quan sát được trong phổ gamma là một thông số quan trọng nếu diện tích đỉnh cần được đo một cách chính xác. Hầu hết sự làm khớp dạng đỉnh đều sử dụng dạng sửa đổi của phân bố Gauss cho phép thể hiện phần đuôi ở phía năng lượng thấp của phân bố. Phần đuôi có thể xuất hiện do nhiều hiệu ứng vật lý, bao gồm sự thu gom điện tích không hoàn toàn trong một số vùng của detector hoặc do các electron thứ cấp và bức xạ hãm trong vùng thể tích hoạt động. Để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi, người ta thường sử dụng đại lượng 1/10 chiều cao (FWTM) của đỉnh năng lượng toàn phần. Đối với các detector tốt, phần đuôi của đỉnh sẽ nhỏ, FWTM sẽ nhỏ hơn hai lần FWHM (tỷ lệ FWTM/FWHM đối với đỉnh dạng Gauss là 1,823) [30]. 1.3.2.4. Hiệu suất detector Trong thực nghiệm hiệu suất detector được tính theo công thức sau [34]: w 1/2 pe e t ln 2 T m N t yAke − ε = (1.13) Trong đó: eε là hiệu suất thực nghiệm của detector, peN là số đếm đóng góp trong quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm, mt là thời gian đo, y là cường độ phát của tia gamma, A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm chứng nhận, k là hệ số chuyển đổi từ đơn vị đo hoạt độ phóng xạ khác sang đơn vị Bq, wt là thời gian phân rã từ thời điểm chứng nhận đến thời điểm đo và 1/2T là chu kỳ bán rã. Sai số tương đối của hiệu suất thực nghiệm Ue được tính theo công thức: 2 2 2 e p y aU U U U= + + (1.14) Trong đó: Up, Uy, Ua là sai số tương đối của số đếm đóng góp trong quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm (Npe), cường độ phát xạ của tia gamma (y) và hoạt độ nguồn đo (A) tương ứng. Trong tính toán bằng chương trình MCNP5, hiệu suất của detector được xác định bằng công thức [36]: pc c s N N ε = (1.15) Trong đó: cε là hiệu suất tính toán của detector, Ns là số photon phát ra từ nguồn theo mọi hướng, Npc là số photon đóng góp vào quang đỉnh của phổ gamma mô phỏng bằng chương trình MCNP. Sai số tương đối của hiệu suất tính toán Uc được xác định theo công thức: c pc 1U N = (1.16) 1.4. PHÔNG PHÓNG XẠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PHÔNG 1.4.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường Từ tro bụi của những vụ nổ các ngôi sao, khoảng 4,5 tỷ năm trước đây đã hình thành Mặt Trời và hệ thống hành tinh của chúng ta. Trong đám tro bụi đó, có một lượng rất lớn các nguyên tố phóng xạ. Theo thời gian, đa số các nguyên tố phóng xạ này phân rã và trở thành các nguyên tố bền, chúng là thành phần chính của hệ thống hành tinh của chúng ta ngày nay. Tuy nhiên, trong vỏ Trái Đất vẫn còn những nguyên tố phóng xạ, đó là những nguyên tố phóng xạ có thời gian bán rã cỡ tuổi của Trái Đất hoặc lớn hơn. Các đồng vị phóng xạ này cùng với sản phẩm phân rã của chúng là nguồn chính của bức xạ ion hoá tự nhiên tác dụng lên mọi sinh vật trên Trái Đất. Một nguồn của các bức xạ ion hoá tự nhiên khác là các tia vũ trụ khi chúng đi vào tầng khí quyển và bề mặt Trái Đất. Do đó các nguồn phóng xạ được chia thành hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Các nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thuỷ (có từ khi tạo thành Trái Đất và vũ trụ) và nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ (được tia vũ trụ tạo ra). Các nguồn phóng xạ nhân tạo do con người tạo ra bằng cách kích hoạt hạt nhân trong lò phản ứng hay máy gia tốc, sản phẩm của các phản ứng hạt nhân hoặc từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân … 1.4.1.1. Các nguồn phóng xạ tự nhiên a. Các nhân phóng xạ nguyên thủy Các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ Trái Đất xuất hiện từ lúc hình thành vũ trụ. Đa số các hạt nhân này có chu kì bán rã rất lớn, khoảng hàng trăm triệu năm. Nếu tính từ lúc Trái Đất được tạo thành, các hạt nhân nào đã trải qua khoảng vài chục chu kì bán rã thì hầu như không còn tồn tại nữa. Chỉ những hạt nhân có chu kì bán rã lớn, so sánh được với tuổi của Trái Đất thì vẫn còn tồn tại như 238U, 235U, 232Th. Các sản phẩm của các hạt nhân này cũng không bền nên chúng tiếp tục phân rã tạo thành ba họ phóng xạ trong tự nhiên. Ba họ phóng xạ có đặc điểm chung là: hạt nhân thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu. Họ thorium với hạt nhân đầu tiên là 232Th với thời gian bán rã khoảng 1,4.1010 năm nên hầu như thorium không giảm trong quá trình tồn tại của Trái Đất. Hạt nhân đầu tiên 238U của họ uranium có thời gian sống 4,5.109 năm nên nó bị phân rã một phần, còn 235U có thời gian bán rã 7.108 năm nên phân rã đáng kể. Vì vậy trong vỏ Trái Đất có rất nhiều thorium, còn lượng 235U bé hơn 140 lần so với thorium. Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon: trong họ uranium khí 222Rn được gọi là radon, trong họ thorium khí 220Rn được gọi là thoron và trong họ actinium khí 219Rn được gọi là actinion. Radon là khí trơ, không tham gia bất kỳ phản ứng hóa học nào, là tác nhân gây ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi. Trong không khí radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây dựng, đất đá, chúng phân rã thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu, nguy hiểm nhất là 218Po. Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ đều là chì: 206Pb trong họ uranium, 207Pb trong họ actinium và 208Pb trong họ thorium. Các họ phóng xạ này tồn tại ở mọi nơi, mọi vật, có trong đất đá, trong không khí, trong vật liệu xây dựng … Các bảng 1.1, 1.2, 1.3 trình bày ba họ phóng xạ uranium (238U), actinium (235U) và thorium (232Th). Bảng 1.1. Họ uranium (4n+2) [6]. Đồng vị Kiểu phân rã Chu kỳ bán rã 238U α 4,56.109 năm 234Th β 24 ngày 234Pa β 6,7 giờ 234U α 2,48.105 năm 230Th α 6.104 năm 226Ra α 1617 năm 222Rn α 3,8 ngày 218Po α 3,8 ngày 214Pb β 27 phút 214Bi α 20 phút β 20 phút 210Tl β 1,32 phút 214Po α 3.10-7 s 210Pb β 22,3 năm 210Bi α 5 ngày β 5 ngày 206Tl β 4,2 phút 210Po α 138 ngày 206Pb trạng thái bền Bảng 1.2. Họ actinium (4n+3) [6]. Đồng vị Kiểu phân rã Chu kỳ bán rã 235U α 7.108 năm 231Th β 25,6 giờ 231Pa α 3,4.104 năm 227Ac β 13,5 năm α 13,5 năm 227Th α 18,9 ngày 223Fr β 22 phút 223Ra α 11,4 ngày 219Rn α 4 s 215Po α 1,8 ms β 1,8 ms 211Pb β 36,1 phút 215At α 211Tl α 2,16 phút β 2,16 phút 207Bi β 1,32 phút 211Po α 5 ms 207Pb trạng thái bền Bảng 1.3. Họ thorium (4n) [6]. Đồng vị Kiểu phân rã Chu kỳ bán rã 232Th α 1,4.1010 năm 228Ra β 6,7 năm 228Ac β 6,1 giờ 228Th α 1,9 năm 224Ra α 3,6 ngày 220Rn α 54 giây 216Po α 0,16 giây 212Pb β 10,6 giờ 212Bi β 60,5 phút α 60,5 phút 212Po α 3.10-7 giây 208Tl β 3,1 phút 208Pb trạng thái bền Ngoài các họ phóng xạ trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với nguyên tử số thấp như 40K, 50V, 87Rb, 187Re, 115In, 190Pt, 138La, 144Nd, 148Sm, 176Hf ... Trong các đồng vị phóng xạ trên, 40K rất phổ biến trong môi trường. Hàm lượng trung bình của 40K trong đất đá khoảng 27 g/kg, trong đại dương khoảng 380 mg/l, trong động vật, thực vật và cơ thể con người vào khoảng 1,7 g/kg b. Các tia vũ trụ Các bức xạ proton, alpha … năng lượng cao từ không gian bên ngoài rơi vào khí quyển Trái Đất gọi là các tia vũ trụ. Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ hàng chục MeV đến 1020 eV hay cao hơn. Trên đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dày khoảng 103 g/cm2 của khí quyển và do tương tác với vật chất nên thành phần các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy. Tia vũ trụ nguyên thủy gọi là tia vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi là tia vũ trụ thứ cấp. Các tia vũ trụ sơ cấp gồm 2 thành phần là thành phần thiên hà, chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái Đất, và thành phần Mặt Trời, sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời. Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutron … Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng ≤ 400 MeV và có cường độ rất lớn ≈ 106 – 107 hạt/cm2.s. Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV. Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do các tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp được chia thành ba thành phần: + Thành phần kích hoạt hạt nhân gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron…). + Thành phần mềm gồm các electron, positron và gamma. Tia gamma năng lượng cao được sinh ra đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã hạt pion trung hòa: 0π → γ + γ (1.17) + Thành phần cứng gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện: ( )± ± µ µπ →µ + ν ν (1.18) Các muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất ít đối với các quá trình ion hóa và bức xạ hãm trong môi trường. 1.4.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo Trong quá trình sử dụng phóng xạ hơn một trăm năm qua, loài người đã đưa vào tự nhiên những hạt nhân phóng xạ mới, đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên. Các nguồn phát phóng xạ nhân tạo có thể kể đến như các lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc hạt tích điện, các nhà máy điện hạt nhân, các vụ thử vũ khí hạt nhân, các khu chứa chất thải phóng xạ, chất thải rắn, đồng vị phóng xạ đánh dấu … Những hạt nhân phóng xạ này ngày càng tăng trong những lần thử vũ khí hạt nhân và trong những sự cố hạt nhân. Tuy nhiên chúng có chu kì bán rã ngắn hơn nhiều so với các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Nếu kể đến đóng góp vào lượng phóng xạ tự nhiên thì các hạt nhân phóng xạ nhân tạo đóng góp ít hơn cả, kế đến là các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ và chiếm phần lớn lượng phóng xạ là các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Bảng 1.4 liệt kê một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến. Bảng 1.4. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến [6]. Tên Ký hiệu Loại bức xạ Năng lượng (MeV) T1/2 Americium 241Am α γ 5,48 0,06 458 năm Krypton 85Kr β 0,67 10,6 năm Strontium 90Sr β 2,27 28 năm Cobalt 60Co γ 1,173 ; 1,332 5,27 năm Caesium 137Cs γ 0,66 30 năm Iodine 131I γ 0,080; 0,248; 0,364; 0,637 8 ngày Tecnecium 99mTc γ 140,5 6 giờ Phosphorus 32P β 1,711 15 ngày 1.4.2. Phông phóng xạ trong phổ năng lượng gamma ghi nhận bởi detector Phông được ghi nhận trong detector là sự hưởng ứng đơn giản của detector ngay trong sự vắng mặt của nguồn. Phổ phông của các detector germanium là do sự kết hợp của các nguyên nhân sau: 1.1. Khối điện tử 1.2. Bức xạ gamma của môi trường 1.3. Phóng xạ từ vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn. 1.4. Bức xạ vũ trụ 1.4.3. Các phương pháp giảm phông 1.4.3.1. Khối điện tử Bản thân detector, mạch điện RC với một diode, cũng như chuỗi điện tử, bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC và bộ nhớ hay PC, có thể bị ảnh hưởng bởi sự phát tần số vô tuyến, các bộ chuyển đổi, tiếng ồn, tạp âm và ảnh hưởng của các hiệu ứng microphone, chủ yếu là do sự dao động cơ học từ tường và sàn nhà. Tất cả chúng có thể phát các tín hiệu tạp nhiễu khó tách rời khỏi các tín hiệu thật trong phổ. Vùng ảnh hưởng chính là phổ năng lượng thấp và thường đóng góp một phần nhỏ vào phông. Nhưng nếu các nguồn phông khác bị xóa bỏ những tín hiệu tạp nhiễu này có thể bị phát hiện. Để tránh các ảnh hưởng của tần số vô tuyến, sự che chắn Faraday là cần thiết cũng như sự chắn của các dây. Cách đơn giản để tránh các dao động là đặt detector và lớp chắn trên một bề mặt chống dao động. Bình dewar nên được đặt trên một bề mặt cô lập khác để tránh sự truyền các dao động tạo ra do sự sôi của nitơ lỏng. 1.4.3.2. Bức xạ gamma của môi trường Phông của một hệ phổ kế gamma còn do các nhân phóng xạ nguyên thủy và nhân tạo đã đóng góp từ không gian xung quanh detector. Có thể dùng phương pháp bảo vệ thụ động để ngăn cản các bức xạ này. Cách thực hiện bảo vệ thụ động là dùng một tổ hợp các vật liệu có nguyên tử số Z giảm dần tính từ ngoài vào đến detector như là chì cổ, thiếc, đồng, nhôm … Lớp vật liệu ngoài cùng có Z lớn nhất sẽ hấp thụ các bức xạ của môi trường bên ngoài, còn các tia X thứ cấp do tương tác của tia gamma môi trường với vật liệu có Z lớn nhất sẽ được lớp vật liệu có nguyên tử số Z nhỏ hơn kế tiếp bên trong hấp thụ, quá trình cứ tiếp tục cho đến khi bức xạ tia X đặc trưng của vật liệu cuối cùng không xuyên vào được detector hoặc đã bị suy giảm đến cường độ nhỏ không đáng kể. Radon là một trong các nguồn chính của phông phóng xạ môi trường, ngay cả với các detector được che chắn rất tốt. Các đồng vị 222Rn (T1/2 = 3,8 ngày), 220Rn (T1/2 = 54 s) và 219Rn (T1/2 = 4 s) cùng với bụi thông thường là các nhân tố chính của sự khuếch tán. Khi khí radon lọt vào không gian trống giữa các lớp vật liệu che chắn và tinh detector, các con cháu của nó tích tụ dần và làm dày đặc không gian này. Dải hoạt độ tự nhiên của các đồng vị này là từ dưới 0,04 Bql-1 đến hơn 4 Bql-1. Trong đó, sự đóng góp vào phông chủ yếu là do 222Rn, là một con cháu của 238U, phụ thuộc vào số lượng của uranium hoặc 226Ra trong các vật liệu. Để giảm bớt ảnh hưởng của radon lên các phổ là làm thông khí vùng đo gần detector bằng cách đưa vào một khí sạch phóng xạ. Một giải pháp tốt là sử dụng khí nitơ được làm bay hơi từ bình dewar. Vì radon nặng hơn không khí, sự làm sạch hiệu quả hơn nếu khí nitơ được đưa vào từ nắp của buồng đo và được thông hơi tại đáy và cần bịt kín hệ thống thỏa đáng để duy trì một áp suất dương. 1.4.3.3. Phóng xạ từ vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn Phổ phông gây ra bởi vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn xung quanh detector chủ yếu là do các tia gamma của những đồng vị thuộc các họ phóng xạ nguyên thủy 238U, 232Th, 235U cũng như 40K và một vài đồng vị phóng xạ nhân tạo như 60Co, 137Cs … Sự lựa chọn nghiêm ngặt các vật liệu sạch phóng xạ, có hoạt độ phóng xạ thấp làm vật liệu cấu trúc detector và các vật liệu che chắn xung quanh detector có thể làm giảm mạnh phông phóng xạ này. 1.4.3.4. Bức xạ vũ trụ và neutron Tại mức mặt biển, bức xạ vũ trụ chủ yếu là các muon (75%), các tia gamma và các electron, chỉ có 0,1% là proton. Các hạt tích điện năng lượng cao có thể chạm thể tích hoạt động của tinh thể detector, phát một xung tức thời với phân bố năng lượng liên tục. Các electron với năng lượng trên 10 MeV, các muon với năng lượng trên 100 MeV và các proton với năng lượng trên 1 GeV, rất thường xuyên có mặt trong bức xạ vũ trụ ở bề mặt Trái Đất. Chúng gây ra một tín hiệu khoảng 6 – 7 MeV đối với mỗi centimet chúng đi trong tinh thể detector. Bên cạnh các đỉnh hấp thụ toàn phần chúng còn gây ra sự tăng phông trong phổ năng lượng thấp. Các muon làm tăng phông do bức xạ hãm của các electron δ , được tạo ra khi các muon tác dụng với tinh thể germanium, lớp chắn chì và các vật liệu xung quanh. Các quá trình khác là sự tạo cặp phân rã muon, bức xạ hãm muon và sự ion hóa trực tiếp. Kết quả của những tương tác này là tạo ra phổ liên tục với một đỉnh hủy nhô lên. Ngoài ra, phản ứng giữa các muon với germanium, chì và các vật liệu xung quanh thông qua sự bắt giữ muon dẫn tới hạt nhân Z – 1 bị kích thích cao và mất kích thích bởi sự phát neutro._. 74,9694 0,0015488 – 0,0000074 y = 0,0015964e-0,8428305x 4,23 84,936 0,0017839 – 0,0000324 y = 0,0018483e-0,6259876x 4,44 87,4 0,0018293 – 0,0000423 y = 0,0018970e-0,5869932x 4,49 Trung bình±độ lệch chuẩn 3,64± 0,15 (1-C) Không lót lớp Cu, thay đổi bề dày lớp Sn từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0011792 – 0,0000002 y = 0,0000940e-1,2577834x 2,11 74,9694 0,0012489 – 0,0000002 y = 0,0001353e-1,3156039x 2,16 84,936 0,0015358 – 0,0000003 y = 0,0005687e-1,4038014x 2,29 87,4 0,0015901 – 0,0000004 y = 0,0007176e-1,3753354x 2,33 Trung bình±độ lệch chuẩn 2,22± 0,10 (1-D) Cố định bề dày lớp Cu 1,5 mm, thay đổi bề dày lớp Sn từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0002813 – 0,0000002 y = 0,0000186e-0,9516092x 2,14 74,9694 0,0003312 – 0,0000002 y = 0,0000291e-1,0336656x 2,19 84,936 0,0005859 – 0,0000003 y = 0,0000171e-1,2090772x 2,27 87,4 0,0006487 – 0,0000004 y = 0,0002382e-1,2176545x 2,35 Trung bình±độ lệch chuẩn 2,24± 0,09 Bảng 2.6 cho thấy trong các trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) thì hiệu suất tính toán của detector trong trường hợp (1-B) lớn nhất. Như vậy nếu chỉ lót lớp Cu bên trong lớp Pb thì do nguyên tử số của Cu khá nhỏ (Z = 29) nên hấp thụ rất kém các tia X đặc trưng của Pb. Do đó, có một số lượng lớn các tia X đặc trưng của Pb đến được detector và làm hiệu suất ghi của detector lớn nhất trong các trường hợp trên. Bảng 2.6 còn cho thấy hiệu suất tính toán của detector trong trường hợp (1-A) và (1-D) nhỏ hơn hiệu suất tính toán của detector trong trường hợp (1-B) và (1-C). Như vậy, nếu bên trong lớp Pb được lót cả lớp Sn và lớp Cu thì sẽ hấp thụ được nhiều hơn các tia X đặc trưng của Pb, nên làm giảm số lượng các tia X đặc trưng của Pb đi đến detector và làm giảm hiệu suất ghi của detector so với trường hợp bên trong lớp Pb chỉ được lót lớp Sn hoặc chỉ lót lớp Cu. Kết quả này có thể giải thích là khi có mặt đồng thời lớp lót Sn và Cu thì các tia X đặc trưng của Pb có năng lượng từ 70 – 85 keV sẽ được lớp Sn bên trong hấp thụ. Lớp Sn sau đó cũng phát ra các tia X đặc trưng có năng lượng từ 25 – 28 keV và được lớp Cu bên trong hấp thụ. Các tia X đặc trưng của Cu có năng lượng nhỏ từ 8 – 9 keV nên không ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector. Như vậy, khi có sự kết hợp Sn và Cu che chắn thì do Sn có nguyên tử số (Z = 50) lớn hơn nguyên tử số của Cu (Z = 29) nên đã hấp thụ rất tốt các tia X đặc trưng của Pb và tạo ra tia X đặc trưng của Sn có năng lượng nhỏ và được lớp Cu hấp thụ dễ dàng. Ngoài ra khi sự có mặt cả lớp Sn và lớp Cu thì lớp Cu ngoài sự hấp thụ tia X đặc trưng của Sn cũng tham gia hấp thụ các tia X đặc trưng của Pb nên cũng góp phần làm giảm hiệu suất ghi của detector trong trường hợp (1-A), (1-D). a b c d Hình 2.8. Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (2-A) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. a) ứng với trường hợp (2-A) của năng lượng 72,8042 keV b) ứng với trường hợp (2-A) của năng lượng 74,9694 keV c) ứng với trường hợp (2-A) của năng lượng 84,936 keV d) ứng với trường hợp (2-A) của năng lượng 87,4 keV Bảng 2.7. Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các trường hợp (2-A), (2-B), (2-C), (2- D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. Năng lượng (keV) Khoảng giá trị hiệu suất Hàm làm khớp Bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% (mm) (2-A) Cố định bề dày lớp Sn 1 mm, thay đổi bề dày lớp Cu từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0000579 – 0,0000008 y = 0,0000481e-0,7072821x 4,53 74,9694 0,0000793 – 0,0000012 y = 0,0000655e-0,6744033x 4,57 84,936 0,0002179 – 0,0000080 y = 0,0002018e-0,5233764x 4,71 87,4 0,0002592 – 0,0000115 y = 0,0002411e-0,4916750x 4,79 Trung bình±độ lệch chuẩn 4,45± 0,12 (2-B) Không lót lớp Sn, thay đổi bề dày lớp Cu từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0014881 – 0,0000056 y = 0,0001483e-0,8864361x 4,26 74,9694 0,0015494 – 0,0000080 y = 0,0015693e-0,8327353x 4,34 84,936 0,0017848 – 0,0000356 y = 0,0018160e-0,6134351x 4,55 87,4 0,0018308 – 0,0000465 y = 0,0018649e-0,5745538x 4,60 Trung bình±độ lệch chuẩn 4,44± 0,16 (2-C) Không lót lớp Cu, thay đổi bề dày lớp Sn từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0011801 – 0,0000006 y = 0,0000807e-1,0204975x 2,22 74,9694 0,0012497 – 0,0000008 y = 0,0001089e-1,0150984x 2,26 84,936 0,0015365 – 0,0000037 y = 0,0003243e-0,9016532x 2,38 87,4 0,0015911 – 0,0000047 y = 0,0004005e-0,8867291x 2,45 Trung bình±độ lệch chuẩn 2,33± 0,11 (2-D) Cố định bề dày lớp Cu 1,5 mm, thay đổi bề dày lớp Sn từ 0,1 – 6,5 mm 72,8042 0,0002822 – 0,0000006 y = 0,0000189e-0,7333333x 2,31 74,9694 0,0003319 – 0,0000008 y = 0,0000284e-0,7477973x 2,36 84,936 0,0005871 – 0,0000036 y = 0,0001132e-0,7075670x 2,42 87,4 0,0006498 – 0,0000047 y = 0,0001472e-0,7014216x 2,58 Trung bình±độ lệch chuẩn 2,42± 0,12 Bảng 2.6 và 2.7 cho thấy, trong tám trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D), (2-A), (2- B), (2-C), (2-D) đều có những kết quả như sau: + Hiệu suất tính toán của detector nghịch biến với bề dày lớp Sn và Cu, kết quả này tương tự như khảo sát ban đầu về khả năng che chắn của buồng chì đối với các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì. + Hiệu suất tính toán của detector tỉ lệ thuận với năng lượng tia X đặc trưng của Pb. Kết quả này có thể giải thích là do các tia X của Pb có năng lượng càng nhiều thì khả năng đi đến detector để đóng góp vào quang đỉnh của phổ gamma càng lớn, nên làm tăng hiệu suất ghi của detector. Trong các trường hợp (1-B), (1-C), (2-B), (2-C) có kết quả hiệu suất tính toán của detector lớn hơn nghĩa là có khả năng che chắn kém hơn các trường hợp (1-A), (1-D), (2-A), (2-D). Như vậy, bên trong lớp Pb nên có mặt đồng thời lớp Sn và lớp Cu thì khả năng che chắn sẽ tốt hơn nếu chỉ có lớp Sn hoặc chỉ có lớp Cu lót bên trong buồng chì. Ngoài ra, trong các trường hợp (1-B), (1-C), (2-B), (2-C) thì hiệu suất tính toán của detector trong hai trường (1-B), (2-B) lớn hơn nghĩa là có khả năng che chắn kém hơn trong trường hợp (1-C), (2-C). Như vậy nếu chỉ lót lớp Cu bên trong lớp Pb thì khả năng che chắn của buồng chì sẽ kém nhất. Điều này cho thấy, khả năng che chắn của buồng chì hiện tại đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP. HCM chỉ được lót một lớp Cu bên trong dày 1,5 mm là chưa tốt. Khả năng che chắn của buồng chì này sẽ được cải thiện nếu trong lớp Pb được lót thêm cả lớp Sn và lớp Cu với bề dày thích hợp. Trong các trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) có kết quả hiệu suất tính toán của detector nhỏ hơn nghĩa là có khả năng che chắn tốt hơn các trường hợp (2-A), (2-B), (2-C), (2-D). Như vậy, khả năng che chắn của buồng chì sẽ tốt hơn nếu có lót lớp Sn và Cu ở nắp buồng chì. Ngoài ra, kết quả tính toán bề dày của lớp Sn và Cu trong các trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) nhỏ hơn bề dày của lớp Sn và Cu trong các trường hợp (2-A), (2-B), (2- C), (2-D). Như vậy nếu không lót lớp Sn và Cu ở nắp buồng chì thì để HQCC đạt 95% phải sử dụng lớp lót Sn và Cu có bề dày lớn hơn nhưng lại có khả năng che chắn kém hơn so với khi có lót lớp Sn và Cu ở nắp buồng chì. Từ các so sánh và giải thích trên cho thấy trong tám trường hợp khảo sát thì trường hợp (1-A) và (1-D) có khả năng che chắn tốt nhất. Bề dày lớp Cu che chắn tốt nhất tìm được ứng với HQCC 95% trong trường hợp (1-A) là 4,41± 0,11 mm. Bề dày lớp Sn che chắn tốt nhất tìm được ứng với HQCC 95% trong trường hợp (1-D) là 2,24± 0,09 mm. Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Với mục tiêu ban đầu là lựa chọn và xác định bề dày thích hợp của các lớp vật liệu che chắn để giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM, luận văn đã đạt được những kết quả cụ thể như sau: 1. Tìm hiểu các nguyên nhân gây ra phông của hệ phổ kế gamma và giới thiệu các phương pháp để giảm phông tương ứng với từng nguyên nhân. 2. Đề xuất các tiêu chí lựa chọn vật liệu che chắn và kết cấu giảm phông hiệu quả nhất. Cụ thể là cách bố trí các lớp vật liệu gồm chì, thiếc, đồng theo thứ tự từ ngoài vào trong, khe hở giữa detector và thành buồng chì co hẹp còn 1 mm. 3. Xây dựng được bộ số liệu đầu vào của chương trình MCNP5 để mô hình hóa hệ phổ kế gamma và sử dụng tính toán bề dày tốt nhất của các lớp vật liệu che chắn Sn và Cu. Mô hình tính toán của chúng tôi phù hợp tốt với mô hình của tác giả Trịnh Hoài Vinh đã xây dựng trong công trình [28]. 4. Khảo sát và đánh giá khả năng che chắn của các lớp vật liệu Pb, Sn, Cu đối với các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì trên cơ sở khảo sát hiệu suất tính toán MCNP5 của detector. Kết quả cho thấy lớp Pb hấp thụ gần như toàn bộ các bức xạ gamma của môi trường có năng lượng nhỏ từ 185,8 – 609,3 keV, không có sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu ứng với mỗi mức năng lượng. Còn các bức xạ gamma của môi trường có năng lượng lớn từ 1120,3 – 1764,5 keV, khi bị lớp Pb hấp thụ đã tạo ra các tia X đặc trưng của Pb và bị lớp Sn bên trong hấp thụ, lớp Sn sau đó cũng tạo ra tia X đặc trưng của Sn và bị lớp Cu bên trong hấp thụ. Hiệu suất tính toán của detector giảm không đáng kể khi tăng bề dày lớp Sn, Cu ứng với mỗi mức năng lượng. 5. Đã xác định bề dày của các lớp vật liệu che chắn Sn và Cu dựa trên cơ sở khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán MCNP5 của detector theo bề dày lớp Sn, Cu đối với các năng lượng tia X đặc trưng của Pb. Bề dày lớp Cu che chắn tốt nhất tìm được ứng với HQCC 95% trong trường hợp (1-A) là 4,41± 0,11 mm. Bề dày lớp Sn che chắn tốt nhất tìm được ứng với HQCC 95% trong trường hợp (1-D) là 2,24± 0,09 mm. Các kiến nghị: 1. Hiện tại hệ phổ kế bị hư hỏng và tạm ngừng hoạt động nên chưa có những đo đạc thực nghiệm. Trong tương lai khi hệ phổ kế hoạt động trở lại, chúng tôi sẽ thiết kế thí nghiệm để kiểm chứng bề dày các lớp che chắn Sn và Cu như đã đưa ra. 2. Để đạt được hiệu quả giảm phông tốt hơn nữa cần phải tiếp tục nghiên cứu các phương pháp giảm phông gây ra bởi các nguyên nhân khác như phông do neutron, tia vũ trụ, nhiễu điện tử … TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Võ Xuân Ân (2008), Nghiên cứu hiệu suất ghi nhận của detector bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) trong phổ kế gamma bằng phương pháp Monte Carlo và thuật toán di truyền, luận án tiến sĩ, Trường ĐHKHTN TP.HCM. [2] Trần Khắc Ân, Cao Văn Chung, Trần Văn Hùng (2007), “Sử dụng code MCNP4C xác định vị trí liều cực tiểu trong thùng hàng ở các tỷ trọng hàng chiếu khác nhau phục vụ công tác vận hành máy chiếu xạ STSV- Co60/B tại trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ”, Báo cáo Hội nghị Khoa học & Công nghệ Hạt nhân toàn quốc lần thứ VII, Đà Nẵng, trang 39. [3] Nguyễn Văn Đỗ, Phạm Đức Khuê (2000), “Phân tích Uran bằng phương pháp đo phổ gamma tự nhiên và kích hoạt neutron”, Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ 5. Hà Nội 2/2000. [4] Võ Văn Hoàng (2004), Mô phỏng trong Vật lý, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP. HCM. [5] Phạm Quốc Hùng (2007), Vật lý hạt nhân và ứng dụng, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội. [6] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [7] Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2005), “Nghiên cứu sự tăng bề dày lớp germanium bất hoạt trong detector bán dẫn siêu tinh khiết bằng chương trình MCNP”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP.HCM, tập 8, số 12, trang 35 – 43. [8] Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2006), “Mô phỏng các phổ gamma phức tạp đo trên hệ phổ kế gamma dùng detector bằng chương trình MCNP”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP.HCM, tập 9, số 9, trang 63 – 70. [9] Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2007), “Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vật lý đến hiệu suất đếm của detector bán dẫn siêu tinh khiết bằng chương trình MCNP4C2”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP.HCM, tập 10, số 5, trang 21 – 26. [10] Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Mai văn Nhơn (2008), “Khảo sát ảnh hưởng của việc trừ phông có và không có che chắn mẫu trong hệ phổ kế gamma”, Hội nghị Khoa học lần thứ 6, Trường ĐHKHTN, Đại học Quốc Gia TP.HCM, trang 54. [11] Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Mai văn Nhơn (2008), “Làm khớp miền liên tục của phổ gamma bằng kỹ thuật B-Spline”, Báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 6, Trường ĐHKHTN, Đại học Quốc Gia TP.HCM, trang 54. [12] Trương Thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh và Trần Thiện Thanh (2007), “Mô phỏng Monte Carlo đường cong hiệu suất đỉnh của detector HPGe trong hệ phổ kế gamma môi trường sử dụng chương trình MCNP4C2”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP. HCM, tập 10, số 5, trang 33 – 40. [13] Trương Thị Hồng Loan, Phan Quý Trúc, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh, Trần Đăng Hoàng (2008), “Nghiên cứu phổ gamma tán xạ ngược của detector HPGe bằng phương pháp Monte Carlo”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP. HCM, tập 11, số 6, trang 61 – 66. [14] Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Mai văn Nhơn (2008), “Mô phỏng hàm đáp ứng cho hệ phổ kế gamma bằng phương pháp Monte Carlo kết hợp với kỹ thuật nội suy”, Hội nghị Khoa học lần thứ 6, Trường ĐHKHTN, Đại học Quốc Gia TP.HCM, trang 54. [15] Trương Thị Hồng Loan, Trần Ái Khanh, Đặng Nguyên Phương, Đỗ Phạm Hữu Phong (2008), “Chuẩn hiệu suất của detector HPGe với hình học mẫu lớn bằng phương pháp Monte Carlo”, Báo cáo tổng kết kết quả đề tài KHCN cấp ĐHQG, Mã số B2007-18- 08, Trường ĐHKHTN Đại học Quốc Gia, TP. HCM. [16] Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Mai Văn Nhơn, Lê Văn Ngọc (2009), “Giải cuộn phổ gamma của hệ detector HPGe đối với một số nguồn dạng điểm”, Báo cáo oral Hội nghị Khoa học & Công nghệ Hạt nhân toàn quốc lần thứ VIII, Nha Trang, trang 12. [17] Trương Thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương, Nguyễn Thị Hoàng Oanh (2009), “Nâng cao khả năng phát hiện trong phép đo hoạt độ thấp của hệ phổ kế gamma bằng phương pháp giải cuộn”, Báo cáo Hội nghị Khoa học & Công nghệ Hạt nhân toàn quốc lần thứ VIII, Nha Trang, trang 14. [18] Trương Thị Hồng Loan (2009), Áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để nâng cao chất lượng hệ phổ kế gamma sử dụng detector bán dẫn HPGe, Luận án tiến sĩ, Trường ĐHKHTN TP.HCM. [19] Trần Văn Luyến (2005), Nghiên cứu nền phông phóng xạ vùng Nam bộ Việt Nam, Luận án tiến sĩ Trường ĐHKHTN TP.HCM. [20] Lê Văn Ngọc, Trần Văn Hùng (2005), Bài giảng tại lớp tập huấn MCNP, Trung Tâm Đào Tạo, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. [21] Mai Văn Nhơn, Lê Văn Ngọc, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương (2009), “Bước đầu nghiên cứu phổ gốc của hệ phổ kế gamma bằng thuật toán ML-EM và mô phỏng MCNP”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP.HCM. [22] Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh, Đặng Nguyên Phương (2008), “Nghiên cứu ảnh hưởng tán xạ nhiều lần từ vật liệu xung quanh detector lên phổ năng lượng gamma của đầu dò bằng chương trình MCNP”, Tạp chí phát triển Khoa học & Công nghệ, Đại học Quốc Gia TP.HCM, tập 11, số 10, trang 66 – 76. [23] Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Trần Thiện Thanh, Đặng Nguyên Phương, Lê Văn Ngọc, Trần Văn Hùng (2009), “Nghiên cứu hàm đáp ứng của detector HPGe với gamma năng lượng thấp dưới 100 keV bằng chương trình MCNP5 với kỹ thuật SSW – SSR”, Báo cáo oral Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân toàn quốc lần thứ VIII, Nha Trang, trang 10. [24] Đặng Nguyên Phương, Nguyễn Võ Hoài Thơ, Trương Thị Hồng Loan (2008), “Xây dựng chương trình hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế gamma”, Hội nghị khoa học lần thứ 6, Trường ĐHKHTN Đại Học Quốc Gia TP.HCM, trang 53. [25] Châu Văn Tạo (2004), An toàn bức xạ ion hóa, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. HCM. [26] Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Xuân Hải, Trần Tuấn Anh, Nguyễn Kiên Cường (2007), “Ứng dụng MCNP4C2 xác định cấu hình che chắn tối ưu cho hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng”, Báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân toàn quốc lần thứ VII, Đà Nẵng, trang 55. [27] Nguyễn Thị Cẩm Thu (2010), Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGe trong phép đo mẫu môi trường, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐHKHTN TP.HCM. [28] Trịnh Hoài Vinh (2011), Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15P4, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐHSP TP.HCM. [29] Phạm Nguyễn Thành Vinh (2011), Nghiên cứu đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐHSP TP.HCM. Tiếng Anh [30] AMETEK, INC. ORTEC Technical Support Specialist (2007), Solid – state photon detector. [31] AMETEK, INC. ORTEC Technical Support Specialist (2010), Germanium Detector Diagram. [32] Breier R., Povinec P.P. (2010), “Simulation of background characteristics of low-level gamma-ray spectrometers using MonteCarlo method”, Applied Radiation and Isotopes 68, p. 1231 – 1235. [33] Briesmeister J.F., Ed. (2001), MCNP4C2- Monte Carlo N – particle Transport Code System, Los Alamos National Laboratory, LA-13709-M. [34] Canberra Industries, Inc. (1999), “Genie – 2000 Spectroscopy System Operation”, Canberra Industries, Inc., Connecticut. [35] Debertin K., Helmer R.G. (1988), Gamma – ray and X – ray spectromery with semiconductor detectors, Science Publishing Copany, Inc., Amsterdam. [36] Dryak P., Kovar P. (2006), “Experimental and MC determination of detector efficiency in the 40 – 2754 keV energy range for measuring point source geometry with the source – to – detector distance of 25 cm”, Appl. Rad. and Isot., 1346 – 1349. [37] Gordon R. Gilmore (2008), Partical Gamma – ray Spectrometry, 2nd Edition, Nuclear Training Services Ltd Warrington, UK. [38] Heusser G. (1990), “Studies of γ – ray background with a low level germanium spectrometer”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B58, p. 79 – 84. [39] Hurtado S., Garcia-Leon M., Gercia-Tenorio R (2006), “Optimized background reduction in low – level gamma – ray spectrometry at a surface laboratory”, Applied Radiation and Isotopes 64, p. 1006 – 1012. [40] Huy N.Q., Binh D.Q., An V.X. (2007), “Study on the increase of inactive germanium layer in a high purity germanium detector after a long time operation applying MCNP code”, Nucl. Instr. and Meth., A573 384 – 388. [41] Kim K.H., Burnett W.C., (1985). “226Ra in phosphate nodules from the Peru/Chileseafloor”. Geochimica et Cosmoschimica Acta 49, p. 1073 – 1081. [42] Knoll G.F. (1999), Radiation detection and measurement, third edition, John Wiley & Sons, Inc., New York. [43] Kohler M., Degering D., Laubenstein M., Quirin P., Lampert M-O., Hult M., Arnold D., Neumaier S., Reyss J.-L., (2009), “A new low – level γ – ray spectrometry system for environmental radioactivity at the underground laboratory Felsenkeller”, Applied Radiation and Isotopes 67, p. 736 – 740. [44] Krzysztof Kozak, Jerzy W. Mietelski, Miroslawa Jasinska, Pawel Gaca, (2001) “Decreasing of the natural background counting – passive and active method”, NUKLEONIKA 46 (4), p. 165 – 169. [45] Lau H.M., Sakanoue M., Komura K., (1982), “Absolute determination of uranium concentration by hyperpure Germanium LEPS”. Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A, p. 200. [46] Laurec J., Blanchard X., Pointurier F., Adam A., (1996), “A new low background gamma spectrometer equipped with an anti-cosmic device”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 369, p. 566 – 571. [47] Le Van Ngoc (2005), “Study on determination of the detector’s registering characteristics by MCNP4C2”, Internal Report, CD/05/04-13, VAEC. [48] Le Van Ngoc, Nguyen Thi Thanh Huyen and Nguyen Hao Quang (2007), “Study on Monte Carlo calculation of peak efficiencies of the superpure HPGe detector (GMX) in environmental gamma spectrometry with using MCNP4C2”, VNU Journal of Science, Hanoi, Vol. 23, No.2, 99 – 104. [49] Mrđa D., Bikit I., Veskovic M., Forkapic S., Todorovic N., Harissopulus S. (2007), “Fist tests of the big volume ultra background gammaspectrometer”, Low and medium energy nuclear physics, p. 157 – 162. [50] Mđra D., Bikit I., Zikic-Todorovic N., Forkapic S., Slivka J., Veskovic M. (2007), “First tests of the active shield for a gamma ray spectrometer”, Radiation Measurements 42, p. 1361 – 1367. [51] Nunez-Lagos R., Virto A., (1996), “Shielding and Background Reduction”, Applied Radiation and Isotopes 47, p. 1011 – 1021. [52] Rodenas J., Martinavarro A. and Rius V. (2000), “Validation of the MCNP code for the simulation of GE-detector calibration”, Nucl. Instr. and Meth. A450 88 – 97. [53] Salgado C.M., Claudio C. Conti and Paulo H.B. Becker (2006), “Determination of Detector Response using MCNP5 for 20 – 150 keV X – rays”, Appl. Rad. and Isot., 64 700 – 705. [54] Semkow T.M., Parekh P.P., Schwenker C.D., Khan A.J., Bari A., Colaresi J.F., Tench O.K., David G., Guryn W. (2002), “Low – background gamma spectrometry for environmental radioactivity”, Applied Radiation and Isotopes 57, p. 213 – 223. [55] Salgado C.M., Conti C.C., Becker P.H.H. (2006), “Determination of HPGe detector response using MCNP5 for 20 – 150 keV X-rays”, Appl. Radiat. Isot., 64 700 – 705. [56] Truong Thi Hong Loan, Dang Nguyen Phuong, Tran Ai Khanh, Tran Thien Thanh and Mai Van Nhon (2007), “Monte – Carlo simulation of HPGe detector response function with using MCNP code”, Communication in Physics, Vol. 17, No. 1, p. 59 – 64. [57] Truong thi Hong Loan, Mai Van Nhon, Le Van Ngoc, Tran Ai Khanh, Tran Thien Thanh and Dang Nguyen Phuong (2007), “Study on the peak efficiency curve of HPGe detector with Marinelli beakers by Monte Carlo method”, The 7th National Conference on Nuclear Science and Technology, Da Nang, p. 50. [58] Truong Thi Hong Loan, Tran Thien Thanh, Mai Van Nhon, Le Van Ngoc, Dang Nguyen Phuong, Tran Ai Khanh (2007), “Gamma spectrum simulation and coincidence summing factor calculation for point sources with using MCNP code”, Communication in Physics, Vol. 17, No. 2, p. 110 – 116. [59] Truong thi Hong Loan, Dang Nguyen Phuong, Do Pham Huu Phong, Tran Ai Khanh (2009), “Investigating the effect of matrices and density on the efficiency of the HPGe gamma spectroscopy using MCNP code”, Communication in Physics, Vol. 19, No. 1, p. 45 – 52. [60] X – 5 Monte Carlo Team (2003), MCNP – A General Purpose Monte Carlo N – Particle Transport Code, Version 5, Volume I: Overview and Theory, Los Alamos National Laboratory, LA-UR-03-1987. [61] [62] PHỤ LỤC Phụ lục 1: Hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM Phụ lục 2: Thông tin về detector do nhà sản xuất cung cấp Phụ lục 3. Phổ phông phóng xạ tự nhiên Phông buồng chì khi mở nắp buồng chì Phông buồng chì khi đóng nắp buồng chì Counts Counts Phụ lục 4. Một input điển hình của chương trình MCNP5 1- problem - hpge coaxial detector efficiencies and pulse height distribution 2- c cell cards 3- c ------------------------------------ dectector --------------------------------- 4- 1 5 -8.94 -2 -24 20 imp:p,e=1 $ loi Cu dan tin hieu 5- 2 8 -2.31 (-3 -25 24):(2 -3 -24 23) imp:p,e=1 $ lop Boron 6- 3 1 -5.35 (-6 -26 25):(3 -6 -25 23) imp:p=1 imp:e=0 $ tinh the HPGe 7- 4 9 -5.05 (-7 -27 26):(6 -7 -26 23) imp:p,e=1 $ lop Li khuech tan 8- 5 2 -2.6989 ((7 -8 -27 22):(4 -8 -22 21):(4 -5 -21 19) & 9- :(1 -5 -19 18))#10#11 imp:p,e=1 $ holder Al 10- 6 3 -0.00129 ((-9 -30 29):(8 -9 -29 21):(5 -9 -21 18) & 11- :(-9 -18 15))#10#11 imp:p,e=1 $ khong khi trong detector 12- 7 2 -2.6989 (-10 -31 30):(9 -10 -30 15) imp:p,e=1 $ vo Al 13- 8 11 -1.11 -8 -29 28 imp:p,e=1 $ lop Kapton 14- 9 10 -1.435 -8 -28 27 imp:p,e=1 $ lop Mylar 15- 10 4 -0.92 (35 -37 -23 22):(35 -36 -22 20) imp:p,e=1 $ vo cach dien in/out 16- 11 3 -0.00129 -35 -23 20 imp:p,e=1 $ loi day dan in/out 17- 12 3 -0.00129 (2 -7 -23 22)#1#10#11 imp:p,e=1 $ khoang chan khong 18- 13 12 -2.2 (-4 2 -22 20):(-4 -20 19) imp:p,e=1 $ coc Teflon 19- 14 5 -8.94 -1 -19 18 imp:p,e=1 $ que dan lanh bang Cu 20- c ------------------------------------ lead shield ------------------------------------ 21- c 15 3 -0.00129 ((-12 -32 31):(10 -12 -31 17) & 22- c :(10 -11 -17 15))#(-40 -44 41) imp:p,e=1 $ khong khi trong buong chi 23- 15 3 -0.00129 (-12 -32 31):(10 -12 -31 17) & 24- :(10 -11 -17 15) imp:p,e=1 $ khong khi trong buong chi 25- 16 6 -11.34 (-14 -34 33) imp:p,e=1 $ nap buong chi 26- 17 6 -11.34 (1301 -14 -32 1601):(11 -14 -1601 15) imp:p,e=1 $ than buong chi 27- 18 7 -7.86 -14 -33 32 imp:p,e=1 $ lop Fe 28- 19 5 -8.94 (12 -13 -32 16):(11 -12 -17 16) imp:p,e=1 $ lop Cu 29- 20 17 -7.28 (13 -1301 -32 1601):(11 -13 -16 1601) imp:p,e=1 $ lop Sn 30- c ------------------------------------ standard source ------------------------------------ 31- c 20 16 -8.92 -38 -43 42 imp:p,e=1 $ active element 32- c 21 13 -1.15 (-39 -44 42)#20 imp:p,e=1 $ holder Epoxy 33- c 22 15 -1.19 (-40 -44 41)#(-39 -44 42) imp:p,e=1 $ dia Plexiglas 34- c ------------------------------------ void card ------------------------------------ 35- 23 0 1401:-1501:3401 imp:p,e=0 $ universe 36- c ------------------------------------ pseudo source ------------------------------------ 37- 24 3 -0.00129 -1401 -3401 34 imp:p,e=1 $ the upper part of radioactive source 38- 25 3 -0.00129 -1401 14 -34 15 imp:p,e=1 $ the cylindrical part of radioactive source 39- 26 3 -0.00129 -1401 -15 1501 imp:p,e=1 $ the lower part of radioactive source 40- 41- c surface cards 42- c ------------------------------- from inner to outer------------------------------ 43- 1 cz 0.13 $ que dan lanh bang Cu 44- 2 cz 0.54997 $ mat ngoai loi Cu dan tin hieu 45- 3 cz 0.55 $ mat ngoai lop Boron 46- 4 cz 0.88 $ mat ngoai lop Teflon 47- 5 cz 1.546 $ mat ngoai holder Al 1 48- 6 cz 2.56 $ ban kinh tinh the Ge 49- 7 cz 2.63 $ mat ngoai lop Li khuech tan 50- 8 cz 2.706 $ mat ngoai holder Al 2 51- 9 cz 3.37 $ mat trong vo Al 52- 10 cz 3.5 $ mat ngoai vo Al 53- 11 cz 3.6 $ mat trong than buong Pb 54- 12 cz 21.75 $ mat trong lop Cu 55- 13 cz 21.9 $ mat ngoai lop Cu 56- 1301 cz 22 $ mat ngoai lop Sn 57- 14 cz 30.1 $ mat ngoai than buong Pb 58- 1401 cz 30.2 $ mat ngoai than buong Pb 2 59- c ----------------------------- from bottom to top -------------------------------- 60- 1501 pz 0.0 $ mat day than buong Pb 2 61- 15 pz 0.1 $ mat day than buong Pb 62- 1601 pz 6.05 $ mat duoi lop Sn 63- 16 pz 6.45 $ mat duoi lop Cu 64- 17 pz 6.6 $ mat tren lop Cu 65- 18 pz 18.514 $ mat day mount cup 66- 19 pz 20.114 $ mat duoi coc Teflon 67- 20 pz 20.644 $ mat duoi loi Cu dan tin hieu 68- 21 pz 21.164 $ mat duoi mount cup 69- 22 pz 21.484 $ mat duoi lop chan khong 70- 23 pz 22.484 $ mat duoi tinh the Ge 71- 24 pz 25.83397 $ mat tren loi Cu dan tin hieu 72- 25 pz 25.834 $ mat tren lop Boron 73- 26 pz 26.984 $ mat duoi lop Li khuech tan 74- 27 pz 27.054 $ mat tren lop Li khuech tan 75- 28 pz 27.06 $ mat tren lop Mylar 76- 29 pz 27.07 $ mat tren lop Kapton 77- 30 pz 27.37 $ mat duoi end cap 78- 31 pz 27.5 $ mat tren end cap 79- 32 pz 46.0 $ mat duoi lop Fe 80- 33 pz 46.93 $ mat tren lop Fe 81- 34 pz 51.93 $ mat tren nap Pb 82- 3401 pz 52.03 $ mat tren nap Pb 2 83- c ----------------------------- high voltage contact ------------------------------ 84- 35 c/z 0 -2.14 0.1 $ loi day dan in/out 85- 36 c/z 0 -2.14 0.2 $ lop cach dien day dan in/out 1 85- 37 c/z 0 -2.14 0.48 $ lop cach dien day dan in/out 2 87- c ----------------------------- standard source ----------------------------------- 88- c 38 c/y 0 16.2 0.1524 $ ban kinh vien phong xa 89- c 39 c/y 0 16.2 0.3175 $ ban kinh holder Epoxy 90- c 40 c/y 0 16.2 1.27 $ ban kinh dia Plexiglas 91- c 41 py 12 $ mat duoi dia Plexiglas 92- c 42 py 12.0381 $ mat duoi vien phong xa 93- c 43 py 12.0508 $ mat tren vien phong xa 94- c 44 py 12.3 $ mat tren dia Plexigla 95- 96- c data cards 97- mode p 98- m1 32000 -1.0 cond=-1 $ Ge 99- m2 13000 -1.0 cond=-1 $ Al 100- m3 7000 -0.755 8000 -0.232 18000 -0.013 $ Atmosphere 101- m4 1000 -0.14372 6000 -0.85628 $ Polyethylene 102- m5 29000 -1.0 cond=-1 $ Cu 103- m6 82000 -1.0 cond=-1 $ Pb 104- m7 26000 -1.0 cond=-1 $ Fe 105- m8 5000 -1.0 cond=-1 $ B 106- m9 32000 -0.9999 3000 -0.0001 cond=-1 $ Ge Li 107- m10 1000 -0.053 6000 -0.526 8000 -0.421 $ Mylar C10H12O6 108- m11 1000 -0.028 6000 -0.720 7000 -0.077 8000 -0.175 $ Kapton C22H10N2O4 109- m12 6000 -0.24 9000 -0.76 $ Teflon (C2F4)n 110- c m13 1000 -0.06 6000 -0.721 8000 -0.219 $ Epoxy 111- c m14 30000 -1.0 cond=-1 $ Zn 112- c m15 1000 -0.054 6000 -0.405 8000 -0.541 $ Plexiglas (C5H8O5)n 113- c m16 27000 -1.0 cond=-1 $ Co 114- m17 50000 -1.0 cond=-1 $ Sn 115- c ==> standard source 116- c sdef cel=20 pos=0 0 16.2 axs=0 1 0 ext d1 rad d2 erg=d3 par=2 wgt=10 117- c si1 12.0381 12.0508 118- c sp1 -21 0 119- c si2 0.0 0.1524 120- c sp2 -21 1 121- c si3 l 1.173 1.332 122- c sp3 d 0.9990 0.9998 $ Co60 123- c ==> pseudo sources 124- sdef cel=d1 axs=0 0 1 ext=fcel=d2 rad=fcel=d6 erg=0.1858 par=2 wgt=10 125- si1 l 24 25 26 126- sp1 v 127- ds2 s d3 d4 d5 128- si3 h 51.93 52.03 129- sp3 d -21 0 130- si4 h 0.1 51.93 131- sp4 d -21 0 132- si5 h 0.0 0.1 133- sp5 d -21 0 134- ds6 s d7 d8 d9 135- si7 h 0.0 30.2 136- sp7 -21 1 137- si8 h 30.1 30.2 138- sp8 -21 1 139- si9 h 0.0 30.2 140- sp9 -21 1 141- ft8 geb 0.00091 0.00082 0.35560 142- f8:p 3 143- e8 0.0 0.00001 0.0002 8190i 1.99839 144- phys:p $ produce bremsstrahlung radiations 145- phys:e 146- cut:p 2j 0 0 $ because of taking a tally f8 147- cut:e 148- nps 2000000000 149- ctme 15000 ._.