Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4 tập trung tìm hiểu về phương pháp monte carlo và chương trình MCNP5, các tiêu chí lựa chọn vật liệu che chắn giảm phông, xây dựng bộ số liệu đầu vào, tính đúng đắn của mô hình, tính toán bề dày lớp thiếc và bề dày lớp đồng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ ĐỖ THỊ THANH VƯỢNG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 TP. HỒ CHÍ MINH – 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ XUÂN ÂN ĐỖ THỊ THANH VƯỢNG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 TP. HỒ CHÍ MINH – 2011
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 DETector EFFiciency Carlo DETEFF 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 Full width at fiftieth phần tại 1/50 chiều cao cực đại maximum FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn Full width at haft phần tại 1/2 chiều cao cực đại maximum FWTM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn Full width at tenth phần tại 1/10 chiều cao cực đại maximum Ge Germanium GEB Mở rộng năng lượng Gauss Gaussian Energy Broadenning Ge(Li) Detector germanium khuếch tán Germanium(Lithium) lithium GEANT Chương trình mô phỏng Monte GEANT Carlo GEANT A toolkit for the
simulation of the passage of particles through matter HPGe Detector germanium siêu tinh High Purity khiết Germanium HQCC Hiệu quả che chắn LN 2 Liquid Nitrogen MCA Máy phân tích biên độ đa kênh Multi channel analysis MCG Chương trình Monte Carlo Monte Carlo Gamma gamma xử lý các photon năng lượng cao MCN Chương trình Monte Carlo Monte Carlo Neutron gamma xử lý bài toán vận chuyển neutron MCNG Chương trình Monte Carlo ghép Monte Carlo Neutron cặp neutron – gamma Gamma MCNP Chương trình mô phỏng Monte Monte Carlo N – Carlo MCNP Particle NPPs Nhà máy điện hạt nhân ở Nuclear Power Plants Cofrentes, Tây Ban Nha 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 Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện 7 2.3 trong phép đo phông đối với hệ phổ kế gamma 52 tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi 8 2.4 63 vào buồng chì có năng lượng từ 185,8 – 609,3 keV. Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi 9 2.5 64 vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày 10 2.6 lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các 71 trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày 11 2.7 lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các 75 trường hợp (2-A), (2-B), (2-C), (2-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb.
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 Phân bố số photon tán xạ Compton trong một đơn vị góc khối đối với góc tán xạ θ trong hệ 4 1.4 15 tọa độ cực tương ứng với các năng lượng tới khác nhau. Nền Compton ứng với năng lượng gamma tới 5 1.5 16 E. 6 1.6 Hiệu ứng tạo cặp. 16 Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng 7 1.7 19 cực đại 2,8 MeV của 28Al. 8 1.8 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma. 20 Mặt cắt ngang (a) và mặt cắt dọc (b) của sự che 9 1.9 32 chắn thụ động và chủ động. Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản 10 1.10 33 trùng phùng. Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản 11 1.11 33 trùng phùng kép. 12 2.1 Sơ đồ phân rã của 210Pb. 45 13 2.2 Cấu trúc bên trong của detector HPGe. 49 Mặt cắt dọc detector HPGe GEM 15P4 (đơn vị 14 2.3 50 mm). Mặt cắt dọc buồng chì che chắn phông phóng 15 2.4 xạ tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM 50 (đơn vị mm). Thứ tự các lớp vật liệu dùng để giảm phông 16 2.5 57 môi trường.
Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1-A) 17 2.6 khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường 67 bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1-A) 18 2.7 70 của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (2-A) 19 2.8 74 của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb.
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: 232 Th, 238 U, U và từ 235 K. Kali tự nhiên chứa 0,0117% 40 K, phát ra lượng tử 40 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 Bi. Trách nhiệm của nhà sản xuất là giảm những đóng góp phóng xạ của bản thân 210 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 222 Rn, 214 Pb và Bi, nhưng đối với các con 214 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 Pb và 5 mm đồng điện phân lót bên trong 210 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 (LN 2 ). Hệ phổ kế S áp dụng phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, đồng điện phân, hơi LN 2 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 LN 2 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 L d = 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 Pb của lớp che chắn chì đo được là 25 ± 5 Bq/kg. Các tính toán Monte Carlo bằng chương 210 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 Cd(n, γ )114Cd gây ra một đỉnh phông có năng lượng 558,2 keV và đỉnh kém hơn có năng 113 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 Ra. Hệ phổ kế với tấm che chắn 222 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 Ra và 228Ra là vài mBq/l. Đồng dùng lót thêm bên trong làm suy giảm bức xạ hãm và các 226 tia X gây ra do các tia beta từ phân rã của 210Bi ( Eβ max = 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 210 Pb 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 d trong = 30 cm, đường kính ngoài d ngoài = 50 cm, chiều cao trong h trong = 30 cm và chiều cao ngoài h ngoài = 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 đ ặc 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 E e bằng đúng hiệu số giữa năng lượng của gamma tới E và năng lượng liên kết ε lk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra: E = E e − ε lk (1.1) Trong đó: ε lk = ε K đối với lớp K, ε lk = ε L đối với lớp L và ε K > ε L . 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 σa . Qui luật của σa như sau [27]: σa ~ Zn / E mγ (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 Z5 / E 3,5 γ và Z4,5 / E 3γ . 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