Xác định hoạt động của một số nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất

c Tâm đã tận tình hướng dẫn những kiến thức chuyên môn và những kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành luận văn. Các thầy phụ trách phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm. Gia đình và tập thể lớp lý Cử Nhân K-31 đã động viên em trong suốt thời gian học đại học cũng như thời gian thực hiện luận văn này. MỞ ĐẦU Các nhân phóng xạ có ở khắp nơi trong môi trường sống của chúng ta. Môi trường đang chịu tác động ngày càng lớn từ những hoạt động của con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, thăm dò, khai thác tài nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu. Nghiên cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất, nước, bụi khí… Có hai phương pháp xác định hoạt độ mẫu môi trường  Phương pháp tương đối: mẫu cần đo được đo cùng dạng hình học với mẫu chuẩn. Tỉ số của diện tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm trong hai phổ dùng để tính hoạt độ.  Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ. Phương pháp tương đối cho kết quả chính xác cao nhưng việc làm mẫu chuẩn đòi hỏi mất nhiều thời gian và công sức. Và càng khó khăn, tốn kém hơn khi phải chuẩn bị một loạt những mẫu chuẩn với những hoạt độ xác định để đo kèm với mẫu. Do đó, nếu trong một phạm vi sai số cho phép thì phương pháp tuyệt đối - tính hoạt độ dựa vào đường cong hiệu suất - là một phương pháp tương đối hiệu quả, kinh tế và dễ thực hiện. Luận văn này sẽ trình bày chi tiết về “Xác định hoạt độ của một số nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất”. Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế gamma phông thấp - phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, từ đó xây dựng đường cong hiệu suất ghi của detector đối với mẫu khối hình trụ, và áp dụng vào xác định hoạt độ của một nguyên tố điển hình là 40K trong mẫu chuẩn đơn IAEA-RGK-1; mẫu chuẩn đa nguyên IAEA-375 (vì hai mẫu này đã biết hoạt độ 40K do IAEA cung cấp), và một số mẫu đất. Sau đó đem so sánh với kết quả có sẵn để kiểm tra tính đúng đắn của đường cong hiệu suất cũng như phương pháp tính hoạt độ trực tiếp này. Bố cục luận văn gồm:  Mở đầu : giới thiệu nội dung và mục đích đề tài.  Chương I: Tóm tắt về cơ sở lý thuyết và tổng quan về ghi đo bức xạ.  Chương II: Thực nghiệm: trình bày các bước xây dựng đường cong hiệu suất, tính toán hiệu suất detector cho mẫu khối hình trụ, các thao tác chuẩn bị mẫu, đo mẫu, và cách tính hoạt độ 40K bằng đường cong hiệu suất.  Kết luận: tổng kết đề tài và một số nhận xét. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ GHI ĐO BỨC XẠ 1.1. Các nguồn phóng xạ Các nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Các nguồn phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ Trái Đất và các tia vũ trụ. Các nguồn phóng xạ nhân tạo do con người tạo ra bằng cách kích hoạt các hạt nhân trong lò phản ứng, sản phẩm của các phản ứng hạt nhân…Sau đây ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các nguồn phóng xạ này. 1.1.1. Các nguồn phóng xạ trong tự nhiên: 1.1.1.1. Bức xạ vũ trụ Các bức xạ proton, alpha,…năng lượng cao từ không gian rơi vào khí quyển Trái Đất gọi là các tia vũ trụ sơ cấp. Trên đường đi đến Trái Đất, chúng tương tác với bầu khí quyển và sinh ra các tia vũ trụ sơ cấp. Các tia vũ trụ sơ cấp - Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành những nhóm sau:  Nhóm p gồm proton, deutron và trion  Nhóm  gồm  và 32 He  Nhóm các hạt nhân nhẹ (Z= 3 5) gồm Lithium, Beryllium và Boron.  Nhóm các hạt nhân trung bình (Z= 69) gồm Cacbon, Oxygen, Nitrogen và Flourine.  Nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z 10.  Nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z 20.  Nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z 30. Bảng 1-1Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp. Nhóm hạt nhân Z N/Nnặng trong tia vũ trụ sơ cấp Giá trị trung bình của N/Nnặng trong vũ trụ p  1 2 650 47 3360 258 6830 1040 Hạt nhẹ Trung bình Nặng Rất nặng Siêu nặng 3-5 6-9  10  20  30 1 3.3 1 0.26  0.3*10-4 10-5 2.64 1 0.06 0.6*10-5 10-5 10.1 1 0.05 Với N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm đang xét so với số hạt của hạt nhân nặng. Hai cột cuối ứng với số liệu thực nghiệm. Từ bảng trên ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, trong vật chất của vũ trụ chủ yếu gồm các hạt proton và anpha. Trong vật chất vũ trụ tỉ số N/Nnặng lớn hơn rất nhiều lần so với trong tia vũ trụ. Ngược lại, thành phần các hạt siêu nặng và các hạt nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều lần so với vật chất trong vũ trụ. Các tia vũ trụ thứ cấp 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 phần: Thành phần kích hoạt hạt nhân gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,). Thành phần cứng gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện:    +  (1.1) 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. Thành phần mềm gồm các electron, psitron 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: o   +  (1.2) Các gamma năng lượng cao này khi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron-positron rồi các cặp eletron-positron này sinh ra các tia gamma hãm. Quá trình này cứ xảy ra cho đến khi năng lượng các eletron và positron giảm đến cỡ 72 MeV. Các hạt sơ cấp có năng lượng rất lớn, sau khi được tạo ra, chúng tiếp tục ion hóa môi trường khí quyển. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Cường độ các tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển. Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên xuống. Thành phần electron- photon có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh, khi xuống mặt đất cường độ không đáng kể so với thành phần hạt muon. 1.1.1.2. Bức xạ có nguồn gốc từ Trái Đất Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất chủ yếu gồm các họ phóng xạ uranium (238U) và actinium (235U), thorium (232Th) và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb,…Sau đây là các sơ đồ phân rã của các họ phóng xạ. Bảng 1-2: Chuỗi 238U  206Pb Đồng vị Kiểu phân rã Năng lượng bức xạ (MeV) Cường độ(%) Chu kỳ bán rã 238U 234Th 234Pa 234U 230Th 226Ra 222Rn 218Po 214Pb 214Bi Po-214 Pb-210 Bi-210 Po-210 Pb-206 α β β α α α α α β β α β β α đồng vị bền 4,2 0,2 và 0,1 0,5 và 1,2 4,8 4,7 và 4,6 4,8 và 4,6 5,5 6,0 0,7 3,2 và 1,7 7,7 0,03 1,2 5,3 - 100 % 56% và 44% 90% và 10% 100% 75% và 25% 93% và 7% 100% 100% 100% 23% và 77% 100% 100% 100% 100% - 4,47*109 năm 24,1 ngày 1,18 phút 2,44*105 năm 7,7*104 năm 1600 năm 2,382 ngày 3,05 phút 26,8 phút 19,8 phút 1,64*104 giây 22,3 năm 5,01 ngày 138,4 ngày - Bảng 1-3: Chuỗi Actinium 235U  207Pb Đồng vị Kiểu phân rã Năng lượng bức xạ (MeV) Cường độ Chu kỳ bán rã 235U 231Th 231Pa 227Ac 227Th 223Ra 219Rn 215Po α β α β α α α α 4,5 0,2 5,0 và 4,7 0,02 6,1 và 5,8 5,7 và 5,5 6,7 và 6,3 7,4 100% 100% 8,4% và 16% 100% 46% và 54% 76% và 24% 84% và 16% 100% 7,04*108 năm 25,6 giờ 3,25*104 năm 21,8 năm 18,72 ngày 11,4 ngày 3,96 giây 1,78*10-3 giây 211Pb 211Bi 207Tl 207Pb β α β trạng thái bền 0,5 và 6,6 6,6 và 6,3 1,5 - 20% và 80% 84% và 16% 100% - 36,1 phút 2,13 phút 4,76 phút - Bảng 1-4: Chuỗi thorium: 232Th  208Pb Đồng vị Kiểu phân rã Năng lượng bức xạ (MeV) Cường độ(%) Chu kỳ bán rã 232Th 228Ra 228Ac 228Th 224Ra 220Rn 216Po 212Pb 212Bi 212Po 208Tl 208Pb α β β α α α α và 0,014% β β 66,3% β và 33,7% α α β trạng thái bền 4,0 0,002 1,6% 5,4 và 5,3 5,7 và 5,4 6,3 6,8 0,3 và 0,6 2,3 5,6 và 5,8 6,0 và 6,1 8,8 1,8 - 100% 100% 100% 72% và 28% 95% và 5% 100% 88% và 12% 1% và 2% 70% và 27% 100% 100% - 1,4*1010 năm 5,75 năm 6,13 giờ 9,91 năm 3,64 ngày 55,6 giây 0,15 giây 0,24 60,6 phút 3,0*10-5 giây 3,05 phút - 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 bằng 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 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. Ngoài các họ phóng xạ trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được liệt kê trong bảng 1.5 Bảng 1-5: Một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Năng lượng bức xạ (MeV) Hạt nhân Độ giàu đồng vị (%) T1/2 (năm) Hoạt độ riêng (Bq/kg)    K-40 V-50 Rb-87 Re-187 In-115 Pt-190 La-138 Nd-144 Sm-148 Hf-176 0.0118 0.25 27.9 62.9 95.8 0.013 0.089 23.9 11.27 2.6 1.3*109 6*105 4.8*1010 4.3*1010 6*1014 6.9*1011 1.12*1011 2.4*105 >1014 2.2*1010 31635 0.11 8.88*105 8.88*10-3 184.26 13.32 765.9 9.25 4.07 8.88*10-2 3.18 1.88 4.01 0.043 1.33 0.78 0.28 0.003 0.048 0.28 0.043 1.46 1.55 0.81 0.31 Một trong những nguồn đồng vị trên, 40K rất phổ biến trong môi trường. Hàm lượng trung bình 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. 1.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo Các nguồn đồng vị nhân tạo gồm các đồng vị phóng xạ phát ra các tia bức xạ anpha, bêta và gamma, các nguồn neutron phát ra theo các phản ứng hạt nhân (, n) hoặc (, n). Các chất đồng vị phóng xạ khi phân rã anpha hoặc bêta thường kèm theo phát gamma. Do đó nguồn này có thể được coi là nguồn anpha, bêta hoặc gamma tùy theo mục đích sử dụng. Bảng 1-6: Các nguồn phóng xạ anpha, bêta và gamma thường dùng Tên Ký hiệu Loại bức xạ Năng lượng (MeV) T1/2 Americium 241Am   5.48 0.06 458 năm Krypton 85Kr  0.67 10.6 năm Strontium 90Sr  2.27 28 năm Cobalt 60Co  1.173 ; 1.32 5.27 năm Caesium 137Cs  0.66 30 năm Iodine 131I  0.08; 0.248; 0.364; 0.637 8 ngày Tecnecium 99mTc  140.5 6 giờ Photphorus 32P  1.711 15 ngày 1.2. Sơ lược về hệ phổ kế gamma 1.2.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ 1.2.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất: Hiệu ứng quang điện Photon E Quang electron Epc=E-K Tia X Electron Auger ECA=K-L-M K L M (a) (b) (c) (d) Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất, toàn bộ năng lượng của nó truyền hết cho electron, electron này bay ra khỏi nguyên tử được gọi là quang electron (photoelectron hình a, b ). Phần năng lượng dư ra chuyển thành động năng của quang electron bay ra. Năng lượng dưới dạng động năng của quang electron được tính như sau: Ee= E - b (1.1) Với E = h* là năng lượng photon tới. b là năng lượng liên kết của electron ở lớp vỏ nguyên tử trước khi bị bức ra. Khi electron ở lớp K bay ra để lại một lỗ trống, electron lớp ngoài có thể chuyển vào lấp đầy lỗ trống và phát ra tia X đặc trưng (hình c), hoặc electron Auger (hình d). Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng.Thật vậy: Định luật bảo toàn năng lượng: 'e eE E E  2 2 2 21 e e mhc m c c v c     2 2 2 1 1 1 eE m c v c          2 2 1 1 1e E m c     (1.2) với 22 2vc  Định luật bảo toàn động lượng: eP P   21 emE v c    21 em cE c     2 21e E m c     (1.3) Từ (1.2) và (1.3) ta có: 2 2 1 1 1 1      2 2(1 ) 1     (1.4) Phương trình (1.4) có hai nghiệm =0 Ee=0 (loại); =1 v= c, điều này vô lý vì khối lượng nghỉ của electron khác không. Như vậy để hiệu ứng quang điện xảy ra thì electron phải liên kết và năng lượng photon tới phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron E b , nhưng không được lớn hơn quá nhiều (vì lúc này có thể coi electron này là tự do so với photon). Tiết diện hiệu ứng quang điện: Gọi K, L, M lần lượt là năng lượng liên kết của electron ở lớp vỏ thứ K, L, M. Ta có K> L> M. Hình 1-2: Tiết diện hiệu ứng quang điện  Ở miền năng lượng photon rất lớn E>> K thì hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với lớp K với xác suất hấp thụ quang điện thấp và tuân theo quy luật 1 E  Khi E giảm dần đến K, tiết diện tuân theo quy luật 7 / 21E  Khi E=K thì tiết diện đạt cực đại.  Khi E tiếp tục giảm E< K thì hiện tượng quang điện không xảy ra với lớp K nữa mà xảy ra với lớp L với xác suất thấp, tại E=L thì xác suất cực đại. Tương tự như vậy đối với lớp M… Mặt khác tiết diện hấp thụ quang điện giảm nhanh theo năng lượng và tăng theo Z theo quy luật Z5. Như vậy tiết diện hấp thu quang điện: o photo 5 7 / 2 Z E khi E lớn hơn K một ít (E K). o photo 5Z E khi E>> K. Hiệu ứng Compton: Khi năng lượng gamma tới E>> K thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể, hiệu ứng Compton bắt đầu. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron, và tán xạ của gamma lên electron xem như tán xạ lên electron tự do. Hình 1-3: Hiệu ứng Compton Khi tán xạ, gamma truyền một phần năng lượng cho electron đồng thời gamma bị tán xạ. Tia gamma sau tán xạ có bước sóng ’ lớn hơn bước sóng  của  tới. Gia số tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ  như sau: ' (1 e h c m c os )        Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng của gamma trong hiệu ứng Compton như sau:  E nhỏ:  0 (1- k E)  E lớn:   ZE c.Hiệu ứng tạo cặp Hình 1-4: Hiệu ứng tạo cặp Khi photon tới với năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron, tức là E > 1.02 MeV thì khi đi qua trường Culomb của hạt nhân sẽ xảy ra hiệu ứng tạo cặp. Kết quả là photon biến mất tạo thành một cặp electron – positron. Hai hạt này có khối lượng bằng nhau và điện tích trái dấu. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng giật lùi của hạt nhân rất bé nên có thể xem như toàn bộ năng lượng dư của photon chuyển thành động năng của các hạt tạo thành (hình 1.4). Sau khi được tạo thành, electron mất năng lượng do ion hóa các phân tử môi trường, positron mang điện tích dương, khi gặp electron của nguyên tử sẽ hủy cặp tạo thành hai tia gamma có năng lượng bằng nhau và bằng 0.511 MeV. Sự hình thành phổ gamma: Các quá trình tương tác nói trên dẫn đến sự hình thành các đỉnh trong phổ gamma như sau:  Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn năng lượng photon tới trên detector, do đó trong phổ gamma xuất hiện đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E. 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 E= 1461 KeV với hiệu suất 10.67% ; 60Co phát hai gamma có hiệu suất phát cao nhất là 1173 KeV 99.97% và 1332 KeV 99.98%  Trong quá trình tán xạ tán xạ Compton, photon tới với năng lượng E chỉ mất một phần năng lượng, phần năng lượng còn lại chuyển thành năng lượng của photon tán xạ E’ (E’< E). Do đó xuất hiện phổ gamma liên tục bên miền năng lượng nhỏ hơn năng lượng E đặc trưng.  Hiệu ứng tạo cặp dẫn đến sự hình thành hai lượng tử gamma có năng lượng 0.511 MeV. Tùy theo từng trường hợp mà ta thấy trong phổ gamma xuất hiện các đỉnh sau đây: o Cả hai lượng tử gamma đều bị hấp thụ hoàn toàn trong thể tích nhạy của detector: ta được đỉnh hấp thụ toàn phần E. o Một trong hai gamma hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector, ta thu được đỉnh thoát đơn có năng lượng 0.511 MeV. o Cả hai lượng tử hủy cặp thoát khỏi vùng nhạy của detector, ta thu được đỉnh thoát đôi có năng lượng 1.022 MeV. 1.2.2. Các khối điện tử chủ yếu trong hệ phổ kế gamma Như đã trình bày ở các phần trên, khi bức xạ gamma bay vào detector bán dẫn, tương tác của bức xạ gamma với vật chất sẽ tạo nên các cặp điện tích electron-lỗ trống, dưới tác động của điện trường các điện tích này sẽ chuyển về các điện cực và tạo nên một dòng điện dạng xung. Nhiệm vụ của các khối điện tử tiếp theo là xử lý các xung này để hình thành phổ gamma. Sau đây là sơ đồ khối của hệ phổ kế gamma. Hình 1-5: Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma 1.2.2.1. Detector (Det) Để ghi phổ gamma người ta thường dùng hai loại detector: detector nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl) và detector bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe. Detector nhấp nháy với tinh thể NaI (Tl): Bao gồm : Tinh thể nhấp nháy bằng NaI có pha thêm chất hoạt hóa Tl: có tỉ trọng 3.67 g/cm3 , chiết suất 1.85. Ống nhân quang điện (hình 1.6) bao gồm một photocatot, một anode và các hệ dynode trung gian được cung cấp điện áp cao. Hình 1-6: Ống nhân quang điện Khi gamma tương tác với chất nhấp nháy sẽ tạo ra electron tự do có động năng đủ lớn. Những electron này sẽ kích thích những phân tử chất nhấp nháy, các phân tử này khi trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra chớp sáng, tia sáng phát này đập vào photocathode gây ra hiệu ứng quang điện cho ra những photoelectron. Các photoelectron này được gia tốc trong điện trường của các dynode, mỗi lần đập vào một dynode lại tạo ra electron thứ cấp, số electron tăng lên 25 lần sau mỗi lần đập. Kết quả là sau khi đập vào n dynode, số electron được tăng lên M lần: M= (a*V)n, với a=25 Tại anode các electron này tạo ra một xung dòng điện. Xung dòng này tạo ra trên điện trở một xung điện áp có biên độ tỉ lệ với năng lượng tia gamma bị hấp thụ trong tinh thể nhấp nháy. Detector bán dẫn: Chất bán dẫn thuờng dùng là Si hoặc Ge, để ghi phổ gamma người ta dùng Ge siêu tinh khiết (HPGe). Khi gamma tương tác với phân tử chất bán dẫn tạo ra các electron tự do. Electron di chuyển với động năng lớn sẽ kích thích các electron chuyển lên vùng dẫn và để lại lỗ trống. Như vậy, tương tác của gamma đã tạo ra một loạt các electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Dưới tác dụng của điện trường, electron chuyển động về cực dương, lỗ trống chuyển về cực âm tạo thành một xung dòng điện ở lối ra. Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron-lỗ trống trong Ge là =2.96 (= 3.61 đối với Si). Phân biệt detetor bán dẫn Ge:  Theo xuất phát điểm ban đầu: là chất bán dẫn loại p hay n.  Về mặt hình học thì có các kiểu đồng trục, kiểu hình giếng, hay kiểu plana (phẳng). Hình 1-7: Các loại detector bán dẫn HPGe (a) (b) (c) o Dectector HPGe loại p kiểu đồng trục (hình a): Chất bán dẫn xuất phát là loại p. Người ta tạo ra một lớp n+ dày khoảng 0.5  0.8 mm bằng phương pháp khuếch tán Li. Khi sử dụng phải đựa điện áp cao, phân cực dương khoảng 25 KV kéo các cặp electron-lỗ trống tạo ra. Loại này có hiệu suất giảm nhiều ở vùng năng lượng gamma thấp (dưới 100 KeV) do sự hấp thụ trên lớp chết. o Detector HPGe loại n, kiểu đồng trục (hình b): xuất phát từ chất bán dẫn loại n, người ta tạo ra lớp bề mặt p+ dày khoảng 0.3m bằng phương pháp cấy ion B. Khi sử dụng cần đặt cao thế phân cực âm. So với loại trên thì detector loại này hiệu suất ít bị giảm hơn ở vùng năng lượng thấp vì lớp chết p+ mỏng hơn. o Detector hình giếng (hình c). Loại này có hiệu suất hình học cao nên thích hợp cho các phép đo có hoạt độ nhỏ. o Detector phẳng (plana): hiệu suất giảm nhanh ở vùng năng lượng cao nên chỉ thích hợp để đo vùng năng lượng thấp. c.Các đặc trưng kỹ thuật của detector: Độ phân giải năng lượng: Độ phân giải năng lượng của detector cho biết khả năng detector có thể phân biệt hai đỉnh có năng lượng gần nhau trong phổ. Nó được xác định bằng độ rộng ở giữa chiều cao (FWHM) của đỉnh hấp thụ toàn phần, nó có thể được biểu thị bằng keV đối với detector bán dẫn hoặc bằng phần trăm đối với detector nhấp nháy. Độ phân giải năng lượng của detector còn phụ thuộc vào loại detector, thể tích detector và năng lượng tia gamma. Hình 1.8 trình bày phổ năng lượng gamma của nguồn 137Cs (có một đỉnh 661 KeV) và 60Co (có hai đỉnh 1173 keV và 1332 keV) được đo bằng detector HPGe và detector nhấp nháy NaI. Hình 1-8: Độ phân giải năng lượng Ta có FWHM của hai loại detector trong bảng 1.7 Bảng 1-7: Độ phân giải năng lượng của các loại detector bán dẫn FWHM (keV) Đỉnh năng lượng (keV) Dectector HPGe Detector nhấp nháy NaI 661 1.4 50 1332 1.8 100 (8%) Độ phân giải của detector bán dẫn tốt hơn nhiều, nên hiện nay detector loại này được sử dụng rộng rãi trong các hệ đo gamma. Độ phân giải thời gian của detector Độ phân giải thời gian là khoảng thời gian mà detector cùng với hệ thống điện tử có thể phân biệt hai xung liên tiếp nhau theo thời gian, thời gian này càng bé thì độ phân giải thời gian càng tốt và detector càng có khả năng đếm với tốc độ lớn. Độ phân giải của detector chủ yếu do thời gian chết của detector xác định. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện: Hiệu suất ghi đỉnh quang điện cũng là một đặc trưng quan trọng của detector. Nó phụ thuộc vào loại detector, thể tích detector, cấu hình đo và năng lượng tia gamma. Hiệu suất ghi đỉnh quang điện được tính bằng tỉ số giữa số đếm của đỉnh hấp thụ quang điện mà detector ghi nhận được so với số tia gamma do nguồn phát ra theo mọi phương. Tỉ số đỉnh / Compton (peak/Compton): Tỉ số này cho ta đánh giá khả năng của detector có thể phân biệt được các đỉnh yếu, có năng lượng thấp nằm trên nền Compton. Peak/ Compton là tỉ số giữa chiều cao của đỉnh hấp thụ toàn phần (peak) và chiều cao của nền Compton tương ứng (thường lấy độ cao trung bình của nền Compton). Tỉ số này càng cao thì càng có lợi cho phép đo, đặc biệt là đối với các phép đo có hoạt độ nhỏ và phổ gamma phức tạp. Tỉ số này phụ thuộc vào thể tích detector. 1.2.2.2. Khối tiền khuếch đại Khối tiền khuếch đại được nối trực tiếp ngay sau detector. Tín hiệu ở lối ra của detector có biên độ rất bé, nhiệm vụ của khối tền khuếch đại là khuếch đại sơ bộ tín hiệu này nhưng vẫn đảm bảo tỉ số tín hiệu/ồn (S/N). Khối tiền khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng của hệ phổ kế, nó góp phần quyết định độ phân giải năng lượng của hệ. Tùy loại detector mà người ta sử dụng một trong ba loại tiền khuếch đại sau đây:  Tiền khuếch đại dòng điện  Tiền khuếch đại điện áp  Tiền khuếch đại điện tích 1.2.2.3. Khối khuếch đại chính Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tiếp xung ra từ khối tiền khuếch đại (thông thường nhỏ gơn 1V) lên đến khoảng giá trị thích hợp để có thể xử lý tiếp một cách dễ dàng và chính xác. Ngoài ra trong khối này còn có các mạch tạo dạng xung nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu/ồn (S/N) và ngăn ngừa sự chồng chập xung. Hình 1-9: Hình dạng xung ra sau tiền khuếch đại và khuếch đại chính a b 1.2.2.4. Khối biến đổi tương tự - số (Analog to digtal converter) Tín hiệu tương tự từ khối khuếch đại tuyến tính có biên độ V0 sẽ được đưa vào khối biến đổi tương tự-số. Có nhiều biến đổi, kiểu biến đổi phổ biến nhất là kiểu Wilkinson, trình tự biến đổi như sau: Hình 1-10: nguyên lý biến đổi tương tự -số kiểu Wilkinson Biên độ tín hiệu vào V0 được so sánh với một điện áp tăng tuyến tính Vr Khi nào Vr đạt tới bằng V0 thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng thời gian cần thiết để Vr đạt tới giá trị V0. Trong thời gian cổng được mở, các xung đồng hồ tần số cao được đi qua cổng và được đếm bởi máy đếm. Số xung đếm được Nc này tỉ lệ với biên độ tín hiệu V0 và xác định “địa chỉ” của tín hiệu : tại địa chỉ này trong bộ nhớ số đếm sẽ tăng thêm một đơn vị. Với nhiều lượng tử gamma lần lượt được biến đổi như vậy ta được một hình ảnh phân bố số xung theo biên độ xung, tức là một phổ số đếm theo năng lượng mà ta ghi nhận được. 1.2.2.5. Khối phân tích biên độ đa kênh (MCA) Máy phân tích biên độ đa kênh là hệ mà trong đó dãy năng lượng quan tâm được chia thành nhiều kênh năng lượng, mỗi kênh là một cửa sổ năng lượng từ Ei đến Ei + ∆E. Kết quả là ta có một hàm phân bố số đếm trong một cửa sổ ∆E với mỗi giá trị năng lượng Ei. Máy phân tích biên độ đa kênh dựa trên cơ sở nguyên tắc biến đổi biên độ thành chuỗi số ADC (Analog to Digital Converter).(hình 1.11) Các khối chức năng cơ bản của một MCA là ADC và bộ nhớ. Khi một xung được ADC chuyển từ tín hiệu biên độ sang dãy số, các sơ đồ kiểm tra của bộ nhớ sẽ tìm vị trí trong thang địa chỉ tương ứng với dãy số và thêm một đơn vị vào vị trí đó. Như vậy một đơn vị được ghi vào ô địa chỉ ứng với biên độ xung vào, và khối đếm thứ i sẽ ghi thêm một đơn vị nếu xung vào có biên độ rơi vào kênh thứ i. Sau thời gian đo ta có thể biểu diễn kết quả trên hệ trục tọa độ hai chiều: trục hoành là số kênh, trục tung là số đếm của từng kênh, tức là ta có một phổ năng lượng của các bức xạ vào. Hình 1-11: Sơ đồ nguyên tắc MCA Nội dung trong bộ nhớ sau khi ghi nhận được từ MCA được đưa vào máy tính có cài phần mềm xử lý phổ để xử lý, kết quả được hiển thị lên màn hình máy tính. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi đỉnh 1.3.1. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh vào năng lượng Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh vào năng lượng được thể hiện trên hình 1.12. Hiệu suất giảm ở vùng năng lượng thấp là do sự hấp thụ tia gamma thấp trên lớp chết mặt ngoài detector tăng lên. Tại vùng năng lượng cao, hiệu suất giảm là do hạn chế về mặt thể tích của detector. Mỗi điểm trên đồ thị ứng với một đỉnh năng lượng. Đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng có hai phần nằm hai phía của điểm cực đại như trên hình 1.12, ta cần phải xác định hệ số trong phương trình làm khớp của cả hai phần đó. Để làm khớp ta biểu diễn E và  theo thang logarit, khi đó đường làm khớp có dạng như sau: ln() (%) = a + b*X + c*X2 +… (1.5) Với X= ln(E), Ec là giá trị năng lượng ứng với cực đại của đường cong hiệu suất Trong vùng năng lượng E<Ec đường làm khớp có dạng bậc 2. E>Ec đường làm khớp có dạng tuyến tính bậc 1. Ta dùng phần mềm [sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh theo năng lượng] để làm khớp đường này một cách dễ dàng. Các bước thực hiện xin xem phần phụ lục 3 Hình 1-12: Đường cong hiệu suất phụ thuộc năng lượng ở độ cao 1cm 1.3.2. Hiệu ứng tổng cộng Hiệu ứng này gây ra do sự ghi trùng phùng 2 hoặc nhiều tia gamma sinh ra trong quá trình dịch chuyển nối tầng từ các trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản của hạt nhân. Trong hình 1.13 ta thấy hai tia 1, và 2 trong dịch chuyển nối tầng của 60Co. Hình 1-13: Sự hình thành đỉnh tổng trong phổ gamma của Co-60 Hai tia gamma này xuất hiện trong khoảng thời gian cách nhau rất nhỏ khiến cho detector ghi như một tia có năng lượng bằng tổng năng lượng hai tia, dẫn đến hiệu suất ghi hai tia riêng rẽ giảm đi và trên phổ xuất hiện thêm một đỉnh ứng với năng lượng tổng. 1.3.3. Yếu tố hình học và hiện tượng tự hấp thụ Yếu tố hình học gây ảnh hưởng đến hiệu suất detector bởi hình dạng của hộp đựng mẫu. Ta có thể bỏ qua yếu tố này nếu hộp đựng mẫu chuẩn và mẫu đo như nhau. Hiện tượng tự hấp thụ xảy ra khi tia gamma bị hấp thụ trong thể tích của mẫu. Mức độ tự hấp thụ phụ thuộc vào hình học (bề dày, thể tích mẫu) và matrix (thành phần) của mẫu. Để hiệu chỉnh ta có thể dùng phương pháp sau đây:  Dùng các dung dịch mẫu chuẩn đặt trong các hộp có dạng hình học như nhau nhưng chiều cao khác nhau.  Xác định hiệu suất  tương ứng với các mẫu ứng với các chiều cao h đó.  Xác định các hệ số làm khớp , , f trong phương trình làm khớp (h) sau đây: 1 1( ) ah bhf e eh h              (1.6) Với  là hệ số hấp thụ tuyến tính của mẫu chuẩn. Khi đo mẫu khác thì ta chỉ cần thay  bằng x của mẫu cần đo. 1.4. Hệ phổ kế gamma phông thấp – PTN VLHN trường ĐHSP TPHCM 1.4.1. Cấu tạo Hình 1-14: Hệ phổ kế gamma phông thấp trường ĐHSP TPHCM Hệ phổ kế của trường ĐHSP có sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc của hệ điện tử tuyến tính cũng tương tự hệ phổ kế gamma đã trình bày ở 1.2, sử dụng detector bán dẫn tinh thể Ge siêu tinh khiết (HPGe) loại plana (hình phẳng) của hãng ORTEC. Detector được nuôi ở nhiệt độ nitơ lỏng (77 K). Máy tính có cài phần mềm Maestro – 32 để thu nhận và xử lý phổ. 1.4.2. Các thông số kỹ thuật  Ngày nhập: 12/12/2007  Model detector: Gem 15 P4  Model tiền khuếch đại: A257P  Tỉ số S/N khối tiền khuếch đại: 7082523  Model vỏ bọc H.V: 138 Em1  Đường kính detector: 5.12 cm  Chiều dài detector: 45 cm  Bề dày lớp tinh thể bất hoạt: 0.07 cm  Bề dày lớp nhôm 0.127cm  Độ phân giải năng lượng ở đỉnh 1.33 MeV của 60Co là 1.8 keV.  Hiệu suất tương đối:15%  Tỉ số đỉnh/Compton: 46.1 1.4.3. Phông buồng chì Ngoài sự đóng góp của ba hiệu ứng quang điện._.