Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGE trong phép đo mẫu môi trường

Chia sẻ: Little Little | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lí "Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGE trong phép đo mẫu môi trường" được thực hiện nhằm đưa ra cấu hình tối ưu của mẫu dạng trụ và dạng Marinelli đối với hệ phổ kế HPGE tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường ĐHKHNTN TPHCM. Những kết quả thu được từ luận văn sẽ góp phần giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu hình một cách tốt nhất cho mẫu đo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGE trong phép đo mẫu môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU KHẢO SÁT PHÔNG NỀN VÀ TỐI ƢU HÓA HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU KHẢO SÁT PHÔNG NỀN VÀ TỐI ƢU HÓA HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƢỢNG CAO MÃ SỐ: 60-44-05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010
LỜI CẢM ƠN Hai năm học cao học và một năm làm đề tài luận văn, một thời gian thử thách đối với tôi khi cuộc sống quanh tôi còn bộn bề công việc cần phải lo lắng. May mắn là tôi đã gặp một môi trường rất thuận lợi cho công việc nghiên cứu, đó là nhóm NMTP của bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh. Nơi đây, các ý tưởng nghiên cứu đã nảy sinh, tôi đã trưởng thành từ môi trường này. Khi việc thực hiện đề tài hoàn tất, việc đầu tiên tôi nghĩ đến là gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong nhóm. Tôi cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn, cũng là người thầy đã sáng lập ra nhóm, đã gợi ý, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa luận văn cho tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn GVC. TS Trương Thị Hồng Loan đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho tôi những lúc tôi gặp khó khăn. Cô cũng là người đồng hành với tôi trong việc làm mẫu đo và đo phổ của mẫu. Một thành viên rất đặc biệt khác của nhóm là bạn Th.S Đặng Nguyên Phương, một người rất nhiệt tình và tâm huyết, đã giúp tôi trưởng thành rất nhiều trong công tác nghiên cứu. Cảm ơn các bạn trong nhóm NMTP đã giúp đỡ, chia sẻ với tôi trong quá trình thực luận văn này. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô đã giảng dạy chúng tôi trong suốt quá trình học tập. Chân thành cảm ơn đến thầy TS.Châu Văn Tạo, người đã động viên tôi rất chân thành lúc đầu khóa học, giúp tôi vững tin bước tiếp con đường mà tôi đã chọn. Tôi chân thành cảm ơn ThS. Thái Mỹ Phê và Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân Tp-HCM trong việc cho mượn một số mẫu chuẩn và mẫu phân tích. Xin được phép gửi lời biết ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp những ý kiến quý báu cho luận văn này.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo của trường THPT Trí Đức, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn tất khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đỗ Văn Hào, người đã miệt mài chế tạo những chiếc hộp cho quá trình nghiên cứu của tôi. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh tôi đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học. Nguyễn Thị Cẩm Thu
MỤC LỤC Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt ................................................................... 1 Danh mục các bảng ................................................................................................... 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị..................................................................................... 4 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1. PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÍ PHỔ GAMMA .................................................................................................................11 1.1 Phổ gamma .........................................................................................................11 1.1.1 Ghi nhận phổ gamma ............................................................................11 1.1.2 Các tương tác ảnh hưởng lên sự hình thành phổ gamma ........................12 1.1.2.1 Hấp thụ quang điện..................................................................12 1.1.2.2 Tán xạ Compton ......................................................................16 1.1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp .....................................................................20 1.1.2.4 Bức xạ hãm .............................................................................22 1.2 Hiệu suất của detector ghi nhận phổ gamma .......................................................22 1.3 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị có trong mẫu .......24 1.3.1 Phương pháp WA..................................................................................24 1.3.1.1 Phương pháp tuyệt đối .............................................................25 1.3.1.2 Phương pháp tương đối ...........................................................25 1.3.1.3 Phương pháp WA trong phân tích mẫu môi trường ..................26 1.3.2 Phương pháp FSA .................................................................................29 1.3.2.1 Sơ lược lịch sử ........................................................................29 1.3.2.2 Phương pháp ...........................................................................30 CHƢƠNG 2. PHÔNG NỀN PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG ..................................32 2.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường ........................................................................32 2.2 Các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ .............................................................33 2.2.1 Tritium (3T)...........................................................................................33 2.2.2 Cacbon-14 (14C) ...................................................................................33
2.2.3 Beryllium-7 (7Be)..................................................................................34 2.3 Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy....................................................................34 2.4 Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo..........................................................................39 2.5 Các đồng vị phóng xạ thường hiện diện trong phông nền phổ kế gamma ............40 2.6 Khảo sát phông nền của hệ phổ kế HPGE tại bộ môn vật lý hạt nhân ..................42 CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP FULL SPECTRUM ANALYSIS VÀ THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ...................45 3.1 Thuật toán di truyền............................................................................................45 3.1.1 Biểu diễn di truyền ................................................................................47 3.1.2 Tạo quần thể ban đầu ............................................................................48 3.1.3 Tính độ thích nghi cho mỗi cá thể .........................................................48 3.1.4 Quá trình chọn lọc tự nhiên ...................................................................48 3.1.5 Quá trình sinh sản .................................................................................49 3.1.5.1 Quá trình sinh sản ....................................................................49 3.1.5.2 Lai bố mẹ ................................................................................50 3.1.5.3 Đột biến cá thể con ..................................................................51 3.1.6 Tạo quần thể mới ..................................................................................52 3.1.7 Điều kiện dừng......................................................................................52 3.1.8 Ưu điểm và hạn chế của thuật toán di truyền .........................................52 3.1.8.1 Ưu điểm ..................................................................................52 3.1.8.2 Hạn chế ...................................................................................53 3.2 Áp dụng thuật toán di truyền trong phương pháp FSA ........................................53 3.2.1 Chi bình phương ( 2) trong phương pháp FSA .....................................53 3.2.2 Áp dụng thuật toán di truyền để tìm hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên ........................................................................................54 3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường bằng phương pháp FSA..................55 3.3.1 Chuẩn bị mẫu đo ...................................................................................55 3.3.2 Hiệu chỉnh các phổ................................................................................58 3.4 Kết quả tính toán và nhận xét ..............................................................................59
3.4.1 Kết quả tính toán ...................................................................................59 3.4.2 Nhận xét ...............................................................................................60 CHƢƠNG 4. TỐI ƢU HÓA HÌNH HỌC ĐO CỦA MẪU THỂ TÍCH ...............62 4.1 Tính toán giá trị hiệu suất ...................................................................................62 4.2 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng trụ ...........................................................64 4.2.1 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và chiều cao mẫu tối ưu ......65 4.2.2 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và mật độ mẫu .....................69 4.2.3 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính mẫu ..........................................70 4.3 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng Marinelli .................................................72 4.3.1 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính R và chiều cao h1......................73 4.3.2 Khảo sát cấu hình tối ưu của hộp Marinelli với thể tích mẫu 450ml ......75 4.4 Lựa chọn cấu hình tối ưu trong đo đạc mẫu phóng xạ môi trường .......................78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................
1 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu A: hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ tại thời điểm đo Am: hoạt độ riêng của mẫu đo tại thời điểm đo (Bq/kg) As: hoạt độ riêng của mẫu chuẩn tại thời điểm đo (Bq/kg) C: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng mà ta quan tâm c: tốc độ của ánh sáng trong chân không CB: phần đóng góp của phông nền vào trong phổ S CK: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 40K Cm: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu đo Cs: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu chuẩn CTh: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 232Th CU: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 238U Eb: năng lượng liên kết của electron. Ee: động năng của electron EK: năng lượng của tia X lớp K E : năng lượng của tia gamma tới h: chiều cao mẫu hình trụ h1: chiều cao phần trụ rỗng của hộp dạng Marinelli h2: chiều cao phần trụ đặc của hộp dạng Marinelli I: cường độ phát tia gamma Im: cường độ phát tia gamma của mẫu đo Is: cường độ phát tia gamma của mẫu chuẩn M: khối lượng mẫu m0: khối lượng nghỉ của electron P : xác suất phát tia gamma đang khảo sát R: tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần (số đếm/giây) R: bán kính mẫu dạng Marinelli
2 r: bán kính mẫu hình trụ S: số phân rã của nguồn trong một giây (Bq) S: phổ cần phân tích SB: phổ phông nền tự nhiên SK: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 40K STh: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 232Th SU: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 238U t: thời gian đo mẫu tm: thời gian đo mẫu đo (s) ts: thời gian đo mẫu chuẩn (s) Z: nguyên tử số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối của tia gamma : góc tán xạ của tia gamma mật độ mẫu a: tiết diện hấp thụ c: tiết diện tán xạ Compton : góc tán xạ của electron Compton. 2 : Chi bình phương Các chữ viết tắt ANSI: American National Standards Institute BMVLHN: Bộ môn Vật lý Hạt nhân CalEff: Calculating Efficiency FSA: Full Spectrum Analysis IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers TTKTHN: Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân WA: Windows Analysis
3 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các tia gamma thường được sử dụng trong phân tích mẫu môi trường .....27 Bảng 1.2. Những hiệu chỉnh đối với sự nhiễu đỉnh trong phép đo 226Ra và 235U .......29 Bảng 2.1. Hoạt độ trung bình của một số hạt nhân phóng xạ phổ biến được tạo ra do bức xạ vũ trụ ............................................................................................................34 Bảng 2.2. Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy .................................39 Bảng 2.3. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên .....................40 Bảng 2.4. Diện tích đỉnh của những đồng vị đóng góp đáng kể vào phông nền phổ kế gamma HPGe được đo trong thời gian 3 ngày (259200s) .....................................44 Bảng 3.1. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng trụ được dùng trong thí nghiệm ................................................................................................................56 Bảng 3.2. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng Marinelli được dùng trong thí nghiệm .......................................................................................................56 Bảng 3.3. Hoạt độ của mẫu đá bazan được tính bằng hai phương pháp WA và FSA 59 Bảng 3.4. Hoạt độ của mẫu đá trắng được tính bằng hai phương pháp WA và FSA .59 Bảng 3.5. Hoạt độ của mẫu Zr-B được tính bằng hai phương pháp WA và FSA ......60 Bảng 3.6. Hoạt độ của mẫu Zr-Rv được tính bằng hai phương pháp WA và FSA.....60 Bảng 4.1. Một số cấu hình tối ưu dạng Marinelli ứng với các thể tích mẫu và năng lượng tia gamma khác nhau ......................................................................................75 Bảng 4.2. Cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli có thể tích 450ml với các giá trị năng lượng gamma khác nhau .................................................................................76 Bảng 4.3. Kết quả đo đạc mẫu chuẩn IAEA-RGTh-1 với cấu hình Marinelli quy ước và cấu hình tối ưu trong [1] ................................................................................77
4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma ......................................................12 Hình 1.2. Cơ chế của hấp thụ quang điện .................................................................13 Hình 1.3. Hệ số suy giảm tuyến tính theo năng lượng của một số vật liệu ................14 Hình 1.4. Cơ chế phát tia X......................................................................................15 Hình 1.5. Đỉnh thóat Iodine trong phổ của nguồn 57Co.............................................15 Hình 1.6. Tán xạ Compton .......................................................................................16 Hình 1.7. Đồ thị trên tọa độ cực của tiết diện tán xạ Compton ứng với một vài giá trị năng lượng tiêu biểu từ 1keV đến 10 MeV ...........................................................17 Hình 1.8. Phổ của nguồn 137Cs .................................................................................19 Hình 1.9. (a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector ....................19 (b) Năng lượng của photon tán xạ theo góc tán xạ .................................19 Hình 1.10. Phổ của tia gamma 1778,9 keV của 28Al .................................................21 Hình 1.11. Sự tạo đỉnh hủy 511 keV trên phổ gamma ..............................................21 Hình 1.12. Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của 28Al ..22 Hình 1.13. Dạng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector đồng trục loại p trên thang logarit ...................................................................................................23 Hình 2.1. Sơ đồ phân rã Kali (40K)..........................................................................35 Hình 2.2. Chuỗi phân rã Uranium (238U) ..................................................................36 Hình 2.3. Chuỗi phân rã Actinium (235U) .................................................................37 Hình 2.4. Chuỗi phân rã Thorium (232Th) .................................................................38 Hình 2.5. Sơ đồ hệ detector – buồng chì...................................................................43 Hình 3.1. Cắt chuỗi bit của bố mẹ a và b để tạo con c và d .......................................46 Hình 3.2. Đột biến bằng cách đảo bit của ba mẹ a để tạo cá thể con b ......................46 Hình 3.3. Sơ đồ của thuật toán di truyền ..................................................................47 Hình 3.4. Sự biểu diễn di truyền của một nghiệm .....................................................48 Hình 3.5. Phép lai hai điểm ......................................................................................51 Hình 3.6. Các kích thước của hộp đựng mẫu hình học dạng trụ và Marinelli ............56
5 Hình 3.7. Đèn hồng ngoại và dụng cụ làm phẳng mẫu ............................................57 Hình 3.8. Các mẫu đo dạng trụ .................................................................................57 Hình 3.9. Các mẫu đo dạng Marinelli.......................................................................57 Hình 3.10. Sơ đồ khối hiệu chỉnh lệch phổ ...............................................................58 Hình 3.11. Biểu đồ phân tán giữa các hoạt độ tính bằng hai phương pháp ................61 Hình 4.1. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC2018 ..................................................63 Hình 4.2. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng 63 keV ......................................................................................................................65 Hình 4.3. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng 1000 keV ..................................................................................................................66 Hình 4.4. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu với các năng lượng khác nhau ở thể tích 150 ml ............................................................................67 Hình 4.5. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng lượng 63 keV ............................................................................................................68 Hình 4.6. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng lượng 1000 keV ........................................................................................................69 Hình 4.7. Sự thay đổi của hiệu suất theo mật độ và bán kính mẫu đối với tia gamma năng lượng 63 keV, thể tích mẫu 150 ml ..................................................................70 Hình 4.8. Sự thay đổi của hiệu suất theo thể tích và bán kính mẫu đối với tia gamma năng lượng 63 keV, mật độ mẫu 1,5g/ml ......................................................71 Hình 4.9. Quy luật thay đổi bán kính tối ưu của mẫu đo theo thể tích.......................72 Hình 4.10. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1 và bán kính R tại năng lượng 63 keV khi thể tích mẫu đo bằng 200 ml; hiệu suất đạt giá trị cực đại ứng với R = 4,8cm và h1 = 6,2cm .......................................................73 Hình 4.11. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1 và bán kính R tại năng lượng 1000 keV khi thể tích mẫu đo bằng 450 ml; hiệu suất đạt giá trị cực đại ứng với R = 5,5cm và h1 = 6,7cm .................................................74 Hình 4.12. Hai hộp đựng mẫu với cấu hình quy ước và cấu hình tối ưu trong [1] .....77
6 Hình 4.13. Hiệu suất tối ưu của dạng trụ và Marinelli theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV .....................................................................................79 Hình 4.14. Giá trị „hiệu suất × thể tích‟ của các cấu hình tối ưu dạng trụ và Marinelli theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV ..........................80 Hình 4.15. Giá trị „hiệu suất × thể tích‟ của các cấu hình tối ưu dạng trụ và Marinelli quy ước theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV ............81
7 MỞ ĐẦU Vấn đề xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp một cách chính xác và nhanh chóng là một trong những hướng nghiên cứu đã và đang được phát triển. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thiết bị đo đạc bức xạ ngày càng được cải tiến về khả năng phát hiện sự tồn tại và xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu đo. Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần phải cải thiện quy trình đo từ khâu đầu tiên là chuẩn bị mẫu đo đến khâu cuối cùng là xử lí phổ đo được. Với những mục đích đó, luận văn này được thực hiện tập trung vào cả hai khâu quan trọng đó. Trong việc xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến nhất là phương pháp Window Analysis (WA) truyền thống. Trong phương pháp này, trước tiên diện tích các đỉnh gamma được xác định bởi người dùng hoặc bằng các chương trình có sẵn như Genie-2000 của hãng Canberra. Sau đó, hoạt độ của mẫu sẽ được xác định dựa trên các diện tích đỉnh tính được kết hợp với các thông số như xác suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận của detector,… Việc xác định hoạt độ bằng phương pháp này đòi hỏi sự công phu và tốn nhiều thời gian trong việc xử lý. Bên cạnh đó, các hiệu ứng trong quá trình đo đạc như sự trùng phùng thực, tự hấp thụ hay các sai số trong số liệu từ các thư viện hạt nhân sẽ dẫn đến sự tăng thêm hay giảm bớt diện tích đỉnh và gây sai lệch đáng kể cho kết quả đo bằng phương pháp WA. Để hạn chế điều này, thay vì xác định hoạt độ dựa trên các đỉnh gamma riêng rẽ, chúng ta sẽ sử dụng một phương pháp mới nhằm xác định hoạt độ dựa trên toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp này được gọi là phương pháp Full Spectrum Analysis (FSA). Do phương pháp FSA lên quan đến việc tính toán trên toàn phổ nên có một số ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống chẳng hạn như loại bỏ phần lớn các sai số do trùng phùng, do trừ phông nền Compton, do thống kê và những sai số về mặt kĩ thuật do hệ đo gây ra. Một ưu điểm nổi bật khác là có thể rút gọn được thời gian tính toán. Trong phương pháp FSA, hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tại trong mẫu đo được
8 tính dựa trên kĩ thuật làm khớp giữa phổ mẫu đo và các phổ chuẩn thực nghiệm của các đồng vị phóng xạ hiện diện trong mẫu. Một trong những công trình đầu tiên áp dụng phương pháp FSA vào phân tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe là công trình của Katse Piet Maphoto (2004) [25]. Tác giả đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238 U, 232Th và 40K trong các mẫu cát, đất và quặng. Kết quả cho thấy sự phù hợp khá tốt giữa hai phương pháp WA và FSA. Công trình gần đây nhất về phương pháp FSA là của R.T. Newman và các cộng sự (2008) [29]. Với các mẫu đo khảo sát được, nhóm tác giả cũng đã đạt được sự phù hợp của hai phương pháp này là dưới 10%. Ở trong nước, phương pháp FSA cũng đã lần đầu tiên được tìm hiểu trong khóa luận tốt nghiệp của Lê Thị Hổ (2008) [2]. Tuy nhiên, sai số đạt được trong khóa luận vẫn còn khá cao, khoảng dưới 30%. Do đó, trong luận văn này, tác giả đã tiếp tục nghiên cứu vấn đề này với mục tiêu nhằm đạt được sự phù hợp tốt hơn giữa hai phương pháp. Trong quá trình đo đạc phóng xạ, bên cạnh việc lựa chọn thiết bị đo và phương pháp xử lý phổ, còn một vấn đề khác đóng vai trò quyết định là phải lựa chọn cấu hình đo sao cho có thể ghi nhận số đếm đỉnh một cách tốt nhất. Do hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường tương đối thấp nên để tăng số gamma được ghi nhận tại mỗi đỉnh thường phải đo mẫu trong thời gian tương đối dài. Thêm vào đó phải sử dụng lượng mẫu đủ lớn để tăng lượng tia gamma đến bề mặt của detector. Việc sử dụng lượng mẫu bao nhiêu với cấu hình như thế nào để vừa không bị lãng phí mẫu vừa ghi nhận được nhiều tia gamma nhất là một bài toán đã tốn khá nhiều giấy mực của các nhà nghiên cứu. Một trong những nhóm đầu tiên trên thế giới nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa mẫu đo là nhóm của Takashi Suzuki và cộng sự. Trong suốt 5 năm (1983 – 1988) với việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo, các tác giả đã nghiên cứu cấu hình tối ưu dạng Marinelli trên detector Ge(Li) đối với các thể tích từ 5–100l trên dải năng lượng từ 100keV đến 2MeV [27][33][34]. Sau đó, vào năm 1991, Chien Chung và cộng sự [11] đã làm thực
9 nghiệm với mẫu đo dạng nước để tìm ra cấu hình tối ưu dạng Marinelli. Công trình này được thực hiện khá công phu và đã đưa ra được các cấu hình tối ưu cho thể tích từ 0,1–4l. Năm 1996, Seppo Klemola [23] sử dụng chương trình máy tính để khảo sát 3 dạng hình học trụ cố định với bán kính nhỏ hơn, lớn hơn và bằng bán kính của detector với thể tích từ 3ml đến 500ml đối với hai loại detector HPGe 99,8% và 39,5%. Trong công trình này, tác giả có so sánh các cấu hình tối ưu dạng trụ và cấu hình dạng Marinelli 500ml nhằm ước lượng cấu hình tối ưu. Tiếp đó, vào năm 1999, M.Barrera và cộng sự [9] đã khảo sát cấu hình tối ưu dạng trụ theo bán kính và chiều cao mẫu bằng mô phỏng Monte Carlo, đồng thời cũng xét đến sự phụ thuộc của cấu hình vào mật độ của mẫu đo trong khoảng từ 100keV đến 2000keV. Năm 2007, Z.B. Alfassi và F. Groppi [8] đã xây dựng công thức bán giải tích và từ đó tìm ra chiều cao tối ưu của mẫu hình trụ đối với một thể tích cho trước. Gần đây nhất, năm 2009, Asm Sabbir Ahmed và cộng sự [7] đã khảo sát cấu hình tối ưu mẫu dạng Marinelli đối với detector HPGe bằng mô phỏng Monte Carlo. Công trình này bị hạn chế do chiều cao của phần hốc được giữ không đổi do đó các cấu hình tìm được chỉ là gần tối ưu. Ở trong nước có thể kể đến luận án tiến sĩ của Võ Xuân Ân [1] năm 2008 về cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli thể tích 450ml, tác giả đã khảo sát trên khoảng mật độ mẫu từ 0,8 đến 1,6g/ml và năng lượng từ 255keV đến 1926keV. Dù cho đã có không ít công trình nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa hình học đo, tuy nhiên chưa có công trình nào khảo sát cấu hình tối ưu của cả hai dạng hình học trụ và Marinelli cùng lúc để giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu hình tối ưu tốt và thuận tiện nhất. Do vậy, trong luận văn này, một sự khảo sát khá toàn diện đã được thực hiện nhằm đưa ra cấu hình tối ưu của mẫu dạng trụ và dạng Marinelli đối với hệ phổ kế HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường ĐHKHNTN TPHCM. Những kết quả thu được từ luận văn sẽ góp phần giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu hình một cách tốt nhất cho mẫu đo. Với những mục đích nêu trên, tác giả đã thực hiện luận văn với bố cục bao gồm 4 chương:
10 Chương 1 – Phổ gamma và các phương pháp xử lý phổ gamma: trình bày các khái niệm cơ bản về phổ gamma, nguyên tắc hình thành phổ gamma, giới thiệu khái quát về hai phương pháp đang được sử dụng để xử lý phổ gamma là phương pháp WA và FSA. Chương 2 – Phông nền phóng xạ môi trường: trình bày về nguồn gốc hình thành phông nền phóng xạ môi trường, các loại phông nền phóng xạ, khảo sát các chuỗi và đồng vị phóng xạ có trong phông nền hệ phổ kế HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân. Chương 3 – Xác định hoạt độ phóng xạ bằng phương pháp Full Spectrum Analysis và thuật toán di truyền: giới thiệu về thuật toán di truyền và ứng dụng của nó trong việc phân tích hoạt độ mẫu bằng phương pháp FSA. Chương 4 – Tối ưu hóa hình học đo của mẫu thể tích: khảo sát cấu hình tối ưu của các mẫu dạng trụ và Marinelli theo thể tích và năng lượng tia gamma tới.
11 CHƢƠNG 1 PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỔ GAMMA Trong tất cả các phương pháp phân tích, đo đạc phóng xạ môi trường, phương pháp đo hoạt độ bằng cách sử dụng các hệ phổ kế gamma (đặc biệt là các phổ kế germanium) được ứng dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm của nó như khả năng phân tích đa nguyên tố, việc xử lý mẫu không quá phức tạp như khi đo alpha và beta,... Bên cạnh đó, sự phát triển của kĩ thuật chế tạo tinh thể cũng như công nghệ điện tử cũng đã góp phần làm cho việc ứng dụng phổ kế gamma ngày càng rộng rãi. Hệ phổ kế gamma có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ khỏi chất nền của mẫu, giúp ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này có thể là các mẫu sinh học, môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, các loại rau,… Việc nắm rõ các đặc trưng của phổ gamma cùng với các cách thức xử lý phổ, tính toán hoạt độ nguồn là điều cần thiết đối với bất cứ người làm thực nghiệm nào liên quan đến việc đo đạc hoạt độ phóng xạ bằng các hệ phổ kế gamma. 1.1 PHỔ GAMMA 1.1.1 Ghi nhận phổ gamma Phần lớn các đồng vị phóng xạ đều có khả năng phát ra bức xạ gamma với các mức năng lượng và cường độ khác nhau. Để ghi nhận phổ gamma do một đồng vị phát ra, ta phải dựa vào tương tác giữa tia gamma với vật chất, ở đây chính là detector. Tương tác giữa vật chất trong detector với tia gamma rất phức tạp nên các vạch phổ này bị nở ra. Kết quả là phổ gamma trong thực nghiệm là hệ thống các đỉnh năng lượng toàn phần có bề rộng xác định.
12 detector Tiền Khuếch đại Chuyển đổi Bộ chia khuếch đại tuyến tính tương tự- số xung Bộ nhớ Cao thế Thiết bị xuất Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma 1.1.2 Các tƣơng tác ảnh hƣởng lên sự hình thành phổ gamma 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 bremsstrahlung của các electron cũng đóng góp vào sự hình thành phông nền của phổ gamma. 1.1.2.1 Hấp thụ quang điện Hiện tượng hấp thụ quang điện xảy ra do tương tác giữa photon với một trong những electron liên kết trong một nguyên tử. Electron bay ra từ lớp vỏ của nguyên tử (Hình 1.2) với động năng Ee được cho bởi Ee E Eb (1.1) ở đây E là năng lượng của tia gamma tới và Eb là năng lượng liên kết của electron. Từ công thức (1.1), ta có thể thấy rằng hiện tượng quang điện xảy ra khi photon tới có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
13 Hình 1.2. Cơ chế của hấp thụ quang điện Mức năng lượng mà từ đó electron được giải phóng phụ thuộc vào năng lượng của tia gamma. Hầu hết các electron phóng ra là electron ở lớp K. Trong trường hợp năng lượng tia gamma không đủ để bứt electron lớp K thì nó sẽ bứt các electron ở các mức cao hơn chẳng hạn như L hoặc M. Điều này dẫn đến những điểm gián đoạn trong đường cong hấp thụ quang điện. Những cạnh hấp thụ này xảy ra tại những giá trị năng lượng liên kết tương ứng với các lớp vỏ electron. Ví dụ, trong đường cong của germanium (Hình 1.3), cạnh hấp thụ K xảy ra tại 11,1 keV. Đối với CsI, có 2 cạnh K, một cạnh tương ứng với lớp K của iodine tại 33,16 keV, một cạnh tại lớp K của caesium 35,96 keV. Nếu photon có năng lượng dưới những giá trị năng lượng này, chỉ có các electron ở lớp cao hơn bị bứt ra. Xác suất để một photon chịu hấp thụ quang điện có thể được biểu diễn qua tiết diện hấp thụ a. Qui luật của a như sau [16] a Zn E m (1.2) ở đây 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 Z5 E 3.5 và Z4.5 E 3 . Tiết diện hấp thụ quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của tia gamma tới và nguyên tử số 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.