Đề tài Khảo sát hiệu ứng trùng phùng tổng trong đo phổ gamma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP. HCM KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Giáo viên huớng dẫn: ThS. Trần Thiện Thanh CN. Đặng Nguyên Phương Giáo viên phản biện: ThS. Trương Thị Hồng Loan Sinh viên thực hiện: Lương Tiến Phát – TPHCM 2008 – Lời cảm ơn Đầu tiên con xin gởi lời biết ơn chân thành nhất đến cha mẹ, người đã sinh thành và dưỡng dục con khôn lớn đến ngày hôm nay. Kế đến em xin chân thành cảm ơn đến tất cả các quí thầy cô đã từng giảng dạy và huớng dẫn em trong suốt những năm qua. Em xin cảm ơn toàn thể các thầy cô trong khoa Vật Lý đã truyền thụ kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập, đặc biệt các thầy cô trong Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân. Chính nhờ sự dìu dắt tận tình của các thầy cô đã giúp em đạt được những thành quả như ngày hôm nay. Em xin tỏ lòng biết ơn đến cô Trương Thị Hồng Loan người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo để em có thể hoàn thành khoá luận này một cách tốt nhất. Nhân đây em xin được cảm ơn đến anh Trần Thiện Thanh đã dành thời gian đọc luận văn này và cũng đã giúp đỡ rất nhiều trong thời gian em thực hiện khoá luận. Xin cảm ơn đến các thành viên trong nhóm NMTP của Bộ môn Vật lý hạt nhân, đặc biệt là anh Đặng Nguyên Phương đã luôn tận tình hỗ trợ, giúp đỡ và cùng giải quyết những vấn đề khó khăn trong suốt thời gian qua. Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động viên, sát cách bên em trên suốt quãng đường dài tìm kiếm tri thức. Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Đề mục Trang Lời cảm ơn ......................................................................................................... 2 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................ 6 Danh sách các bảng biểu ................................................................................... 8 Danh mục các hình vẽ và đồ thị ........................................................................ 9 Mở đầu ............................................................................................................. 10 Chương 1: Tổng quan về hệ phổ kế gamma tại Bộ môn Vật lý hạt nhân 12 1.1 Cơ chế hoạt động của các detector để ghi nhận phổ gamma........... 1.2 Mô tả hệ phổ kế tại bộ môn VLHN ................................................. 1.2.1 Các thông số kỹ thuật của đầu dò HPGe ................................. 1.2.2 Cấu tạo của đầu dò HPGe ..................................................... 1.2.3 Buồng chì ................................................................................. 1.2.4 Bình làm lạnh ........................................................................... Chương 2: Tổng quan hệ hiệu suất, đường cong hiệu suất và cách tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ................................................................ 2.1. Hiệu suất và các đại lượng ảnh hưởng đến hiệu suất ..................... 2.1.1 Khái niệm về hiệu suất ............................................................ 2.1.2. Chuẩn hiệu suất ghi ................................................................ 2.1.3 Các loại hiệu suất .................................................................... 2.1.4 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE) ......................... 2.1.5 Hiệu suất tổng .......................................................................... 2.1.6 Tỉ số P/T ................................................................................... 2.2 Những ảnh hưởng lên hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE) ... 2.2.1 Ảnh hưởng do khoảng cách của nguồn và đầu dò ........................ 2.2.2 Ảnh hưởng của sự khác biệt hình học nguồn ............................ 2.2.3 Ảnh hưởmg của mật độ nguồn lên hiệu suất. .......................... 2.2.4 Ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu nhiên. ................................. 2.2.5 Hiệu chỉnh phân rã phóng xa ................................................... ï 2.2.6 Ảnh hưởng của trùng phùng thực ............................................. 2.3.Đường cong hiệu suất ................................................................... 2.3.1. Đường cong hiệu suất kép....................................................... 2.3.2 Xác định đường cong hiệu suất tuyến tính ............................... 2.3.3 Xác định đường cong hiệu suất theo kinh nghiệm ................... 2.3.4 Xác định đường cong hiệu suất trung bình ............................... 2.4 Tổng kết ........................................................................................... Chương 3: Hiệu ứng trùng phùng và các phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng 3.1 Hiệu ứng trùng phùng là gì? ............................................................. 3.2 Vì sao phải hiệu chình trùng phùng? ................................................ 3.2.1 Hệ điện tử................................................................................. 3.2.2 Sự tự hấp thụ ............................................................................ 3.3 Các loại trùng phùng ........................................................................ 3.3.1 Trùng phùng được chia thành 2 loại ........................................ 3.3.2 Trùng phùng thực ..................................................................... 3.4 Một số phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng thực ........................... 3.4.1 Phương pháp thực nghiệm ........................................................ 3.4.2 Phương pháp bán thực nghiệm ................................................. B. Phần thực nghiệm Chương 4: Chuẩn hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần 4.1 Nguồn chuẩn 4.2 Hệ phổ kế 4.3.Tính hiệu suất của đầu dò và sai số của nó 4.3.1 Hiệu suất thực nghiệm tuyệt đối 4.3. 2 Sai số tuyệt đối 4.4. Bố trí thí nghiệm và các chương trình tính toán 4.4.1 Cách bố trí thí nghiệm 4.4.2 Các chương trình xử lý và tính toán phổ a) Chương trình Genie-2K b) Chương trình Origin 5.0 4.5 Hiệu chỉnh trùng phùng tổng bằng phương pháp thực nghiệm Chương 5: Kết quả và nhân xét 5.1 Xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần dùng nguồn 152 Eu 5.2 Hiệu chỉnh trùng phùng 5.3 Nhận xét DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Các ký kiệu: p : hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần y : xác suất phát gamma(%) t : hiệu suất tổng t : thời gian đo S : diện tích đỉnh  số biến hoán trong TN : diện tích tổng  : tỉ số nhánh A : hoạt độ của nguồn tại thời điểm đo (Bq)  : hệ số phân rã  : dịch chuyển gamma Rt : tốc độ phân rã tại thời điểm t R0 : tốc độ phân rã tại thời gian lúc đầu E : đỉnh năng lượng của gamma  :góc khối của máy dò được nhìn từ nguồn tw : thời gian phân rã của nguồn abs : hiệu suất tuyệt đối int : hiệu suất nội T1/2 : chu kỳ bán rã  : hệ số suy giảm tuyến tính S : độ lệch chuẩn của số đếm diện tích đỉnh.  : mật độ của mẫu đo  : phương sai hay độ lệch chuẩn của hiệu suất. A : độ lệch chuẩn của hoạt độ nguồn  Các chữ viết tắt: P/T: tỉ số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trên hiệu suất tổng (Peak to total) ETZ: ngoại suy về không (extranpolation to zero) AvgCETZ: số đếm trung bình FEPE: hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency) HPGe: Germanium siêu tinh khiết (Hyper pure Germanium) ADC: bộ đếm đổi tương tự – số (Analog-to-digital converter) MCA: máy phân tích đa kênh (Multi channel analyzer) FWHM: một nửa bề rộng của đỉnh năng lượng cực đại (Full Width an Half Maximum) MCNP: Monte – Carlo N Particle ETNA:Efficiency Transfer for Nuclide Activity DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Các thông số của nguồn 152 Eu và 137 Cs. Bảng 4.2 : Khoảng cách từ vị trí nguồn đến bề mặt của đầu dò Bảng 5.1: Các số liệu về nguồn chuẩn. Bảng 5.2: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo khoảng cách khi chưa hiệu chỉnh trùng phùng tổng Bảng5.3: Các giá trị Rn, Rf tại các khoảng cách Bảng 5.4 : Hệ số trùng phùng theo khoảng cách Bảng 5.5 : Hiệu suất sau khi đã hiệu chỉnh trùng phùng tổng. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ nh 1.1: Phân bố độ cao xung của gamma theo năng lượng của nguồn 152 Eu Hình1.2 : Hệ đo gamma tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý hạt nhân Hình1.3 : Cấu trúc của detector Ge siêu tinh khiết Hình1.4 : Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò – buồng chì –nguồn,kích thước được tính bằng cm Hình 1.5 : Bình làm lạnh. Hình2.1 : Sự phân bố độ cao xung vi phân Hình 2.2: Nguồn phóng xạ thường dùng trong việc xây dựng đường cong hiệu suất Hình 2.3: Tỉ số của hiệu suất đỉnh theo năng lương đươc đo ở các khoảng cách khác nhau. Hình2.4 : Đường cong hiệu suất điển hình ở các detector Ge. Hình 3.1: Phổ năng lượng của 60 Co. Hình 3.2: Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của Co-60. Hình 4.1: Sơ đồ phân rã của 152 Eu. Hình 4.2a: Mặt cắt dọc của nguồn 152 Eu Hình 4.2b: Mặt cắt ngang của nguồn 152 Eu Hình 4.3a : Mặt cắt dọc của nguồn 137 Cs Hình 4.3b: Mặt cắt ngang của nguồn 137 Cs nh 4.4 :Sơ đồ hệ phổ kế gamma Hình 4.5 : Giao diện của chương trình Genie-2K Hình 4.6: Giao diện của chương trình Origin 5.0 Hình 4.7: Tỉ số hiệu suất đỉnh tại các khoảng cách khác nhau của nguồn 152 Eu Hình4.8 : Đường cong hiệu suất của 152 Eu chưa hiệu chỉnh trùng phùng Hình 4.9: Đường cong hiệu suất của 152 Eu sau khi hiệu chỉnh trùng phùng. MỞ ĐẦU Phương pháp phân tích, đo đạc và xử lý mẫu (mẫu môi trường ) bằng hệ phổ kế gamma (sử dụng detector Germanium siêu tinh khiết) được ứng dụng rộng rãi nhờ vào ưu điểm của nó như khả năng phân tích đa nguyên tố, việc sử lý mẫu không quá phức tạp như khi đo alpha và beta. Sự phát triển của kĩ thuật chế tạo tinh thể cũng như công nghệ điện tử ngày càng phát triển cũng đã góp phần làm cho việc ứng dụng phổ kế gamma ngày càng rộng rãi. Khi sử dụng hệ phổ kế này thì chúng ta cần khảo sát các thông số cơ bản của hệ phổ kế chẳng hạn như hiệu suất của detector, khả năng che chắn của buồng chì, . . để thuận tiện trong việc sử dụng hệ phổ kế trong công tác đo đạc và phân tích. Bên cạnh đó để tiết kiệm thời gian tiến hành thực nghiệm, các phòng thí nghiệm thường đo ở gần đầu dò đặc biệt là mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp cỡ ppm (mẫu môi trường). Để thực hiện công việc khảo sát này, chúng ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp thực nghiệm thông thường được sử dụng là dùng một số nguồn phát gamma đơn năng để tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng. Tuy nhiên các nguồn này thường có chu kỳ bán rã ngắn nên sau một thời gian chúng ta phải mua lại, đây là một vấn đề khó khăn đối với các phòng thí nghiệm. Một cách khác là sử dụng những đồng vị có thời gian sống dài chẳng hạn như 152 Eu, 226 Ra, ...để tính toán hiệu suất, khi ấy chúng ta phải chú ý tới hiện tượng gamma nối tầng[7] gây ra sự mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần khi tiến hành thực nghiệm ở khoảng cách gần đầu dò (hiệu ứng trùng phùng tổng). Có hai loại trùng phùng cần phải phân biệt.:  Trùng phùng ngẫu nhiên hay chập xung xảy ra khi gamma tạo ra từ hơn một phân rã. Nó phụ thuộc vào hoạt độ nguồn và có thể làm giảm bớt bằng cách sử dụng nguồn có hoạt độ thấp ngay cả với hiệu suất ghi nhận cao.  Trùng phùng thực xảy ra khi gamma tạo ra từ cùng một hạt nhân phân rã. Nó không phụ thuộc vào hoạt độ nguồn và không thể tránh bằng cách dùng nguồn có hoạt độ thấp. Vấn đề hiệu chỉnh trùng phùng trong phổ gamma là một chủ đề nghiên cứu rất quan trọng của các bài toán từ những năm 70 của thập kỉ trước và được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu tới[11,15]. Sau khi loại bỏ được trùng phùng ngẫu nhiên bằng cách dùng các nguồn có hoạt độ thấp thì trùng phùng thực là một vấn đề đáng lưu tâm khi ta đo phổ gamma ở khoảng cách gần detector. Vì vậy muốn xây dựng đường cong hiệu suất một cách chính xác thì ta cần phải hiệu chỉnh trùng phùng thực. Với mục đích như trên, trong luận văn này sẽ trình bày phuơng pháp tính toán hệ số trùng phùng và thiết lập đường cong hiệu suất cho detector HPGe một cách đúng đắn nhất bằng cách sử dụng nguồn đa năng 152 Eu. Nội dung của luận văn này gồm 4 chương:  Chương 1: Khảo sát cách hình thành phổ gamma của một detector, tổng quan về hệ phổ kế gamma tại Bộ môn Vật lý hạt nhân  Chương 2: Tổng quan về hiệu suất, định nghĩa các loại hiệu suất, hiệu suất năng lượng toàn phần, hiệu suất tổng, đường cong hiệu suất và cách tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần  Chương 3: Hiệu ứng trùng phùng và các phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng  Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng thực trong phổ gamma của Kafala (phương pháp thực nghiệm), tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có hiệu chỉnh trùng phùng. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ PHỔ KẾ GAMMA TẠI BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN 1.1 Cơ chế hoạt động của các detector để ghi nhận phổ gamma [7]: Bởi vì lượng tử gamma không mang điện tích và cũng không gây ion hoá hoặc kích thích vật chất. Cho nên để ghi nhận phổ gamma thì detector được chia làm hai phần: - Thứ nhất, nó hoạt động như một bộ phận chuyển đổi trung bình mà tại đó các lượng tử gamma có xác suất tương tác trung bình sinh ra một hay nhiều electron nhanh. - Thứ hai, nó hoạt động như thiết bị ghi nhận chuyển đổi electron nhanh thành những tín hiệu điện. Bất kỳ tương tác nào được gây ra trên detector mà tạo ra xung điện đều có biên độ tỉ lệ thuận với năng lượng tương ứng với tương tác đó. Những xung này được tập hợp và lưu trữ cho sự thể hiện sau đó. Con đường thông thường nhất để trình bày thông tin của xung là phân bố độ cao xung vi phân. Hệ trục Descartes bao gồm trục hoành là vi phân biên độ dH, trục tung được biểu thị bởi vi phân của số đếm xung dN quan sát được với biên độ trong khoảng vi phân dH tương ứng, ký hiệu dN/dH. Trục hoành có đơn vị là biên độ xung, trục tung có đơn vị là nghịch đảo của biên độ xung. Số xung mà biên độ của chúng nằm trong khoảng hai giá trị đặc biệt H1 và H2 có thể nhận được bằng cách lấy tích phân của diện tích dưới phân bố được giới hạn giữa chúng. 2 1 2 1 H H H H H dN N dH dH     (1.1) Sự tỉ lệ giữa biên độ xung và năng lượng cho phép đổi đơn vị của trục hoành từ đơn vị của biên độ thành đơn vị của nănh lượng (thường dùng là keV hoặc MeV), đơn vị của trục tung thành đơn vị của nghịch đảo năng lượng, phương trình (1.1) được viết lại như sau: 2 1 2 1 E E E E E dN N dE dE     (1.2) Nó thể hiện số photon tương tác với năng lượng giữa E1 và E2. Phổ độ cao xung lúc này đựơc gọi là phổ năng lượng gamma. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 dN (E )/d E E(KeV) nh 1.1: Phân bố độ cao xung của gamma theo năng lượng của nguồn 152 Eu. 1.2 Mô tả hệ phổ kế tại bộ môn: Năm 2004 Bộ môn Vật lý hạt nhân có lắp ráp một hệ phổ kế gamma sử dụng detector Germanium siêu tinh khiết (HPGe). Đó là loại detector có cấu hình đồng trục của hãng Canberra. 1.2.1 Các thông số kỹ thuật của detector HPGe: - Detector model : GC 2018 - Cryostat Model : 7500SL. - Detector S/N : 07047811 - Dewar 30 lít. - Bộ tiền khuếch đại 2002 C. - Hiệu suất ghi 20 % so với đầu dò nhấp nháy NaI(Ti) kích thước 7.62cm x 7.62cm. - Độ phân giải năng lượng 1,8 KeV tại vạch năng lượng 1332 KeV của Co 60 . - Tỉ số của đỉnh / Comton 50:1. 1.2.2 Cấu tạo của đầu dò HPGe: - Tinh thể Ge đường kính ngoài 52 mm. - Chiều cao 49,5 mm. - Hốc hình trụ đường kính 7 mm. - Độ sâu của hốc 35 mm. - Mặt ngoài là lớp tiếp xúc loại n nối với điện cực dương. - Mặt trong là lớp tiếp xúc loại p nối với điện cực âm. - Mặt ngoài hình trụ có lớp Lithium với bề dày tương đương 0,86 mm Ge. - Mặt trong hốc là lớp Bo với bề dày tương đương 3.10-3 mm Ge. - Mặt trên có lớp chết với bề dày tương đương 0,86 mm Ge. - Đựng trong hộp kín nhôm với bề dày 1,5 mm. - Các điện cực cách điện bằng Teflon. - Vật liệu làm cửa sổ IR có 1/3 mil metalized mylar + 4 mil Kapton. - Vật liệu chứa tinh thể bằng nhôm bề dày 0,76 mm. - Vật liệu của lớp endcap bằng nhôm bề dày 1,5 mm. - Lớp nhôm bên ngoài có bề dày 1,5 mm. - Khoảng cách giữa mặt trên của tinh thể với lớp nhôm là 5 mm. Hình1.2: Hệ đo gamma tại Phòng thí nghiệm bộ môn Vật Lý Hạt Nhân Hình1.3: Cấu trúc của detector Ge siêu tinh khiết 1.2.3 Buồng chì: Chì là vật liệu dùng để che chắn detector bởi phông phóng xạ từ môi trường xung quanh. Detector GC2018 được đặt trong một buồng chì hình trụ cao 53,1cm, đường kính ngoài 50,8cm, đường kính trong 28,2cm. Cấu trúc buồng chì được biểu diễn trong hình 1.4. Tương tác của tia gamma với Pb cũng tạo ra các tia X có năng lượng trong khoảng 75-80 keV. Các tia X này của Pb có thể đựoc ghi nhận bởi detector và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Vì vậy nên ngoài lớp chì dày khoảng 11 cm mặt trong buồng chì có phủ lớp đồng(Cu) dày 1,6 mm, dưới lớp đồng là lớp thiếc(Sn) dày 1,0 mm. Hai lớp này dùng để giảm (hấp thụ) tia X phát ra từ chì. Hình1.4: Sơ đồ cắt dọc của hệ detector – buồng chì –nguồn kích thước được tính bằng cm. 1.2.4 Bình làm lạnh: Có tác dụng làm giảm nhiệt từ đetector, thiết kế đặc biệt để chống tạp âm cũng như tránh sự suy giảm photon có năng lượng thấp. Đồng Thiếc Chì Detector ì Bình điều lạnh bao gồm bình chân không trong đó đặt detector và bình Dewar. Buồng detector và bình Dewar được nối cố định với nhau.Detector được đặt trong bởi một vật giữ, vật này được cách ly khỏi nhiệt và nối với thanh làm lạnh bằng đồng. Thanh làm lạnh này có tác dụng truyền nhiệt từ hệ detector đến bình chứa Nitơ lỏng. Vật giữ detector được giữ yên bởi một chất ổn định chống tạp âm. Vật giữ này cũng như là vỏ chân không bên ngoài hoăc nắp chụp thì mỏng để tránh sự suy giảm của c