ĐẠi h Ọc qu Ốc gia hÀ n i tr ƯỜng ĐẠi h Ọc khoa h Ọc t … (357).p… · ĐẠi h...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI H ỌC KHOA H ỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Nguyễn Thị Minh

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THI ẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TR ƯỜNG

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014

Tóm tắt luận văn thạc sỹ

1

Luân văn được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Quang Thiệu

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Văn Loát (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên)

Phản biện 2: TS. Trần Ngọc Toàn (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam)

Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp

Họp tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Vào hồi: 15h ngày 10 tháng 04 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội


2

MỞ ĐẦU

Ngày nay, năng lượng nguyên tử đang dần trở thành nguồn năng lượng chính thay

thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Không chỉ vậy, việc sử dụng

nguồn năng lượng hạt nhân còn là cách để giảm thiểu lượng khí thải CO2, một trong

những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên của trái đất. Không

những vậy, các bức xạ hạt nhân còn được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác

như y tế, khoa học, quân sự… đem lại lợi ích to lớn đối với đời sống của chúng ta.

Tuy nhiên, năng lượng nguyên tử cũng tiềm ẩn những nguy hiểm đối với con

người. Thực tế, chúng ta cũng đã từng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm trọng của chúng

trong vụ nổ bom nguyên tử ở Tokyo và Hirosima, vụ nổ nhà máy điện hạt nhân

Chernobyl và gần đây là nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra

đối với các nhà môi trường và các nhà quản lý là phải kiểm soát được liều lượng phóng

xạ trong môi trường để có những biện pháp ứng phó kịp thời với các sự cố liên quan tới

phóng xạ hạt nhân.

Các thiết bị quan trắc môi trường và cảnh báo phóng xạ là công cụ chính để các

nhà quản lý và các nhà môi trường theo dõi và kiểm soát ô nhiễm phóng xạ. Vì thế hầu

hết các nước đều quan tâm tới việc xây dựng các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ

môi trường. Hiện nay, Nhật Bản đã có 37 trạm quan trắc, Hàn Quốc có 13 trạm, Ấn Độ

có 16 trạm,… Tại Vi ệt Nam, chúng ta cũng đã có 3 trạm quan trắc phóng xạ môi trường

tại Vi ện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Năng

lượng nguyên tử, Trung tâm Công nghệ xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng).

Qua thực tế hoạt động, các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường của

nước ta đã bộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả năng thu thập và phân tích chưa

đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu về tính liên tục, độ nhạy theo tiêu chuẩn quốc tế. Ngoài ra

các trạm này chưa có chức năng cảnh báo trực tuyến về các sự cố rò rỉ để phục vụ cho

việc ứng phó với các trường hợp khẩn cấp.


3

Nắm được vai trò quan trọng của các trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi

trường, Viện Năng lượng nguyên tử đã giao cho Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân

nghiên cứu và xây dựng thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Qua quá

trình nghiên cứu và triển khai đo đạc thực nghiệm, thì bài toán được đặt ra cho các nhà

nghiên cứu là làm thế nào để có thể nâng cao được độ chính xác và ổn định cho thiết bị

hơn nữa khi đo đạc trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Luận văn này được thực hiện với mục tiêu nâng cao độ chính xác, tính ổn định

của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường. Trong đó sử dụng phương pháp

JAERI, phương pháp chuyển phổ thành liều dùng hàm G(E), và ổn định phổ bằng

phương pháp bù nhiệt độ và ghim đỉnh K-40. Luận văn gồm 3 chương với nội dung

chính như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò, nguyên lý và cấu tạo của thiết bị quan

trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.

Chương 2 nghiên cứu về đầu dò nhấp nháy và các phương pháp đo số liệu sử dụng

loại đầu dò này.

Chương 3 đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và tính ổn định cho thiết

bị.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THI ẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TR ƯỜNG

1.1. Nhu cầu thực tiễn

Trong môi trường sống của chúng ta tồn tại rất nhiều các tác nhân phóng xạ. Các

chất này có thể được hình thành từ nguồn gốc tự nhiên trong quá trình hình thành trái đất

hoặc do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trên trái đất. Ngoài ra còn có những tác

nhân có nguồn gốc nhân tạo được sinh ra khi con người bắt đầu sử dụng các phản ứng

hạt nhân, tia phóng xạ để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như y

tế, nghiên cứu, năng lượng,…

Các hạt nhân phóng xạ luôn tồn tại trong môi trường và tạo ra các tia phóng xạ tác

động lên các sinh vật sống cũng như cơ thể con người gây ra những ảnh hưởng từ bên

ngoài với cơ thể con người. Ngoài ra, một số hạt nhân có thể đi vào cơ thể sinh vật sống

thông qua đường thức ăn, nước uống, không khí và do đó tạo ra các tia phóng xạ từ bên

trong, ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ phận bên trong của cơ thể sinh vật cũng như con

người [8].

Các tia phóng xạ này với li ều lượng khác nhau có ảnh hưởng với mức độ khác

nhau. Ngoài ra, các loại bức xạ khác nhau (α, β, γ) do có độ xuyên sâu khác nhau nên

cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tia phóng

xạ lên cơ thể con người, người ta đưa ra khái niệm suất liều phóng xạ (đơn vị là Sv/h)

bao gồm mức độ hấp thụ inon hóa (Sv) trên một đơn vị thời gian.

Mặc dù, với các mức độ nhiễm xạ nhỏ không gây ra những biểu hiện bệnh lý

ngay, nhưng do các tia phóng xạ có thể gây ra những biến đổi trong tế bào, dẫn đến đột

biến gen là nguyên nhân gây ra ung thư ở tất cả các bộ phận trong cơ thể. Vì thế, các tia

phóng xạ có ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe và tính mạng của con người. Điều này càng

trở nên nghiêm trọng hơn khi các tế bào sinh sản bị tác động vào.

Vì vậy, người ta đặt ra tiêu chuẩn an toàn bức xạ suất liều giới hạn cho phép để

đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người dân. Theo tiêu chuẩn này thì mỗi suất liều cho


5

phép với dân chúng là 1mSv/năm; suất liều cho phép đối với nhân viên làm việc với bức

xạ là 20mSv/năm (lấy trung bình trong 5 năm).

1.2. Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ về nguyên tắc hoạt động của các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng

xạ môi trường, ta cần phải hiểu về tương tác của các tia phóng xạ với vật chất. Từ đó ta

có thể đưa ra các phương pháp khác nhau để xác định được suất liều phóng xạ trong môi

trường. Nếu bỏ qua các tương tác hạt nhân thì tia gamma tương tác với vật chất qua các

hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp electron -

positron.

1.2.1. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử liên

kết với hạt nhân, trong quá trình này toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma được

truyền cho điện tử.

Te = Eγ – Ii (1.1)

Trong đó: Te là động năng của electron phát ra photo electron.

Eγ là năng lượng của lượng tử gamma.

Ii là năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i trong hạt nhân.

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện phụ

thuộc cả vào Z. Như vậy tiết diện quang điện:

5

photon 7/2

Z

Eσ = (Khi ≥ EK)

5

photon

Z

Eσ = (Khi E >> EK)

(1.2)


6

1.2.2. Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton

Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ

đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần

năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton

có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do. Công thức tính

năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau [2]:

( ),2

/ 1 1 coshv

hv hvmec

θ = + − (1.3)

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử

và tỷ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy:

compton

Z

Eσ = (1.4)

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron

Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ> E0) cùng với hiệu ứng quang điện và

hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra hiện

tượng tạo cặp electron-positron [2].


7

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron

Năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn

hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron:

20 2 eE m c≥ (1.5)

Khi đó:

22 ee ehv T T m c+ −= + + (1.6)

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng

ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me.c2= 2.04MeV.

Tiết diện tạo cặp electron - positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn tiết

diện hình thành cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết diện tạo cặp

trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5mec2< E <50mec

2, tiết diện

tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.ln(E). Theo công thức, tiết diện tạo cặp electron - positron gần

như tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.

1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Như đã trình bày trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng chính xảy

ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron - positron.

Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng [11]:

σ = σphoton + σcompton + σpair (1.7)


8

Trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoton ~ 5

7/2

Z

E, tiết diện quá trình tán xạ

Compton là σcompton ~Z

E và tiết diện quá trình tạo cặp là σpair ~ Z2.ln(E).

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1]

1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

Một thiết bị như vậy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: đầu dò, khối xử lý trung

tâm và khối hiển thị (Hình 1.5). Trong đó, đầu dò biến đổi các tín hiệu phóng xạ thành

tín hiệu điện để đưa vào xử lý ở khối xử lý trung tâm rồi đưa ra hiển thị để cho người sử

dụng đọc số liệu.

Hình 1.5: Sơ đồ khối của thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

1.3.1. Đầu dò chứa khí

Đầu dò chứa khí thường là các tụ phẳng hoặc tụ hình trụ, có chất điện môi là

khí. Giữa hai bản cực của tụ được nuôi bằng một hiệu điện thế cao tạo nên một

cường độ điện trường giữa 2 bản cực, khi một hạt ion hóa (α, β, các hạt nặng) đi

vào không gian của tụ thì nó sẽ ion hóa các phân tử khí tạo thành các ion dương và

điện tử [10].


9

Đầu dò chứa khí bao gồm các loại chính là: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ,

ống đếm Geiger-Muller.

1.3.2. Đầu dò bán dẫn

Đầu dò bán dẫn (hay còn gọi là buồng ion hóa rắn) là những diot lớn Si hoặc Ge,

loại p-n hoặc p-i-n, hoạt động theo chế độ phân cực ngược. Nguyên tắc hoạt động của

đầu dò này giống với buồng ion hóa của đầu dò chứa khí.

1.3.3. Đầu dò nhấp nháy

Đầu dò nhấp nháy bao gồm tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện (PMT).

Khi một hạt tương tác với tinh thể nhấp nháy thì sẽ sinh ra một chớp sáng tỉ lệ với cường

độ và năng lượng của bức xạ đi vào, chớp sáng này đi vào trong ống nhân quang điện tạo

ra một xung dòng lớn ở anot của ống. Chất nhấp nháy đóng vai trò quan trọng quyết định

khả năng thu nhận các bức xạ khác nhau. Các chất nhấp nháy phổ biến là: NaI(Tl) để đo

bức xạ có mật độ cao; ZnS(Ag) để đo α, β, …


10

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl)

2.1. Đầu dò nhấp nháy

Khi bức xạ hạt nhân đi vào thể tích của bản nhấp nháy sẽ kích thích nguyên tử của

môi trường vật chất, khi các nguyên tử và phân tử của bản nhấp nháy trở về trạng thái cơ

bản sẽ phát ra các photon ánh sáng có bước sóng từ 3000 – 4000A0.

Để có thể thu nhận được những photon ánh sáng này, ta phải dùng các ống nhân

quang điện để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại nó lên. Tuy

nhiên, quá trình bị kích thích và phát photon ánh sáng của bản nhấp nháy rất nhanh vì

vậy để thu được các photon ánh sáng này thì đầu dò nhấp nháy phải có khả năng tác động

nhanh. Do đó, người ta dùng ống nhân quang điện đặt sát vào bản nhấp nháy sao cho sự

truyền ánh sáng là tốt nhất.

2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ

- CsI(Tl) và CsI(Na).

- LiI(Eu)

- Bismuth Germanate(BGO).

- Barium Fluoride(BaF2).

- NaI(Tl).

2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ

- Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene, Stilbene.

- Dạng dung dịch.

- Chất nhấp nháy dẻo.

- Chất nhấp nháy pha tạp

So với các loại chất nhấp nháy khác, NaI(Tl) có ưu điểm về cường độ nháy sáng

cao, giá thành rẻ, thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng đo suất liều thấp, không cần

phân giải theo thời gian.


11

2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Cấu tạo chủ yếu của chất nhấp nháy này là tinh thể NaI được thêm khoảng 0.1%

Thalium (Tl) dưới dạng ion để tăng hiệu suất nhấp nháy. Ở nhiệt độ phòng, chất nhấp

nháy này phát ra bước sóng 4200A0 với cường độ tương đối mạnh phù hợp cho việc sử

dụng để đo trong những ứng dụng cơ bản.

2.2.1. Đặc điểm cấu tạo

Hệ số hấp thụ gamma cho NaI được trình bày ở Hình 2.1. Hệ số hấp thụ do ảnh

hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên cân bằng tại năng lượng 0.3

MeV và tạo ra hiệu ứng tạo cặp không quan trọng cho tia gamma với năng lượng nhỏ

hơn 2 MeV.

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ của tinh thể NaI(Tl) vào năng lượng của tia gamma [4]

Tương tác của tia gamma với vật chất luôn có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang

điện với tán xạ Compton và (cho tia gamma có E > 1.02 MeV) hiệu ứng tạo cặp. Hệ số

suy giảm này do tương tác của tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) được trình bày ở Hình 2.1.


12

Một nguồn của tia gamma tạo ra trong tinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng

tương tác của tia gamma và tinh thể, ví dụ như một nguồn với E=0.514 MeV sẽ tạo ra

hiệu ứng quang điện và Compton với một hệ số suy giảm khoảng 0.1 tới 0.6 trong một hệ

thống đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) “lý tưởng”. Lý thuyết phổ gamma thu được trong một

đầu dò “lý tưởng” được trình bày trong Hình 2.2. Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả

dao động trong đầu ra của tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi đinot

trong ống nhân quang.

Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác Compton và quang

điện trong đầu dò NaI(Tl) [5]

Đặc trưng của hệ thống đầu dò nhấp nháy được xác định bởi các thông số sau:

hiệu suất ghi nhận bức xạ, đường chuẩn năng lượng (thể hiện chiều cao xung với năng

lượng bức xạ tới, độ phân giải của đầu dò, phông của hệ thống).

2.2.2. Sự hình thành xung lối ra

Dạng xung lối ra của đầu dò NaI(Tl) được xác định như sau:

( ) ( )0 max

0

A AU e WP d eN

C Cα δ λ λ λ

∞

= ∆ Π =∫ (2.1)

Trong đó: e là điện tích electron


13

α là số photon / 1 đơn vị năng lượng ∆W

δ(λ) là phổ phát xạ của tinh thể nhấp nháy

Giải ra ta được:

( ) ( )0 0

1 'exp exp ' 'a

tg tg

AeN t t tI t H t dt

t tτ τπ

+∞

−∞

− −= − ∫ (2.2)

( ) ( )0 00 0

exp expt t

U t U H t dtτ

τ τ τ τ − − = − − −

(2.3)

Với:

0

RC

AeNU

C

τ =

=

Với các tỉ lệ τ/τ0 khác nhau ta thu được các xung có biên độ và thời gian xung

khác nhau như trong Hình 2.3.

Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6]


14

2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl)

Trong luận văn này, em đã nghiên cứu, áp dụng phương pháp đang sử dụng tại

Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), hay còn được gọi là phương

pháp JAERI. Phương pháp này xác định suất liều phóng xạ dựa trên biên độ xung và

năng lượng lấy từ hàm chuyển đổi phổ - liều G(E).

Giả sử ta có phổ năng lượng thu được bao gồm năng lượng E và số đếm N(E)

tương ứng với năng lượng E. Khi đó, sự chuyển đổi từ đỉnh phổ thành suất liều được biểu

diễn bằng phương trình sau:

( ) ( )

( ) ( )

max

min

max

E

E

I

X N E G E dE

N I G I

=

=

∫

∑ (2.4)

Trong đó:

X là suất liều (2.58.10 -10 C.kg -1.h -1 hoặc uR.h -1 )

N(E) là phổ số đếm tương ứng với các kênh (cpm/keV)

N(I) là phổ cho bởi bộ phân tích đa kênh (cpm/channel)

E là năng lượng (keV)

I là số kênh

Hàm G(E) có thể được xác định thông qua biểu thức sau:

( ) [ ]max

1

101

( ). log ( )K MK

K

G E A K E− −

=

= ∑ (2.5)

Trong đó:

Kmax là số bậc của đa thức

A(K) là hệ số sẽ được xác định theo K

E là năng lượng (keV)

M là số nguyên đặc trưng cho loại đầu dò


15

Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 2.5 cm x 2.5 cm sử dụng trong thiết bị

thì hàm G(E) có dạng:

( ) ( )3 120

101

( ). logK

K

G E A K E− −

=

= ∑ (2.6)

Trong đó: Kmax = 20, M = 3 và A(K) có giá trị được cho trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm

A(K) Kmax = 20 , M = 3 A(1) 1.49275099570029D+03 A(2) -2.91658773780102D+03 A(3) 1.15926424258823D+03 A(4) 1.14140418958232D+03 A(5) -1.01302040986778D+03 A(6) 9.08322216928152D+01 A(7) 1.23704377416037D+02 A(8) -5.14679285896588D+01 A(9) 3.02223431771800D+01 A(10) -1.28281664110684D+01 A(11) -1.15787023098615D+00 A(12) 8.94041702581576D-01 A(13) 7.87239563912950D-01 A(14) -3.03009156457287D-01 A(15) -7.62288782837513D-02 A(16) 5.27880449195923D-02 A(17) -6.90413288198483D-03 A(18) -7.33025657836061D-04 A(19) 2.45581452872742D-04 A(20) -1.62008901437124D-05

Dựa vào biểu thức trên, ta có thể dễ dàng xác định được hàm G(E). Tuy nhiên,

trong biểu thức của hàm G(E) có chứa một số phép toán phức tạp, gây mất thời gian để

tính toán. Do đó, ta có thể lập bảng tra cứu với các giá trị tính sẵn và các mức năng lượng

cho trước. Từ đó, ta có thể dễ dàng xác định được suất liều phóng xạ dựa vào công thức

(2.6) cho ở trên.


16

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THI ẾT BỊ

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl)

3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh

Phương pháp chuyển phổ thành liều sử dụng phổ biên độ xung như là một tham số

đầu vào để xác định suất liều của bức xạ. Mỗi giá trị của năng lượng đỉnh phổ sẽ tương

ứng với một giá trị của G(E) (Phụ lục 2) sử dụng trong biểu thức (2.6) để tính suất liều.

Do đó, ước lượng vị trí của đỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả suất

liều phóng xạ.

3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất phức tạp tới kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl) [12,

7]. Giải pháp đơn giản nhất để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ lên thiết bị cũng như kết

quả đo là xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị. Tuy nhiên giải pháp này là

không khả thi khi thiết bị được chế tạo với mục đích sử dụng bên ngoài phòng thí

nghiệm.

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sự phụ thuộc vào nhiệt độ ở đây là

không tuyến tính, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thống nhất được mô hình phụ thuộc

nhiệt độ của đầu dò NaI(Tl). Tuy nhiên trong phạm vi thiết bị sử dụng ở ngoài môi

trường với độ chính xác tương đối thì ta hoàn toàn có thể áp dụng mô hình phụ thuộc

tuyến tính vào trong thiết bị.

3.2. Nâng cao độ chính xác

Như đã trình bày trong chương 2, với đầu dò nhấp nháy, ta có thể dùng phương

pháp chuyển phổ thành liều để nâng cao độ chính xác. Quá trình này bao gồm các bước

được mô tả trong sơ đồ sau (Hình 3.1):


17

Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi

trường

Từ sơ đồ (Hình 3.1) ta thấy rằng để áp dụng được phương pháp chuyển phổ thành

liều để nâng cao độ chính xác của thiết bị thì ta phải thực hiện qua một số bước trung

gian như làm trơn phổ, xác định đỉnh.

Trong điều kiện của thiết bị sử dụng vi điều khiển thì không phải bất cứ mã lập

trình thương mại nào cũng có thể sử dụng được. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là chương trình

tính toán, xử lý số liệu phải đơn giản, hiệu quả, dễ dàng lập trình trên môi trường vi điều

khiển.

3.2.1. Làm trơn phổ

Để đơn giản cho thiết bị, chúng em đã sử dụng phương pháp làm trơn phổ do

Svaitzky và Golay đề xuất.

3.2.2. Xác định đỉnh

Trong phân tích phổ gamma thì đỉnh phổ là vị trí chứa nhiều thông tin quan trọng

nhất. Trong đó, vị trí của đỉnh tỉ lệ với năng lượng của chuyển dời và diện tích của đỉnh tỉ

lệ với cường độ của chuyển dời. Vì vậy, yêu cầu đặt ra trước tiên là phải xác định được

số đỉnh cũng như vị trí của các đỉnh trong phổ.

Ở đây, em đã sử dụng phương pháp fit Gauss để xác định đỉnh. Để thực hiện được

như vậy, ta coi các số liệu trong phạm vi xung quanh mỗi đỉnh tuân theo phân bố Gauss.


18

( )( )2

22e

x b

ay x A C

− − = + (3.1)

Như chúng ta đã biết, nhiễu của tín hiệu hầu hết tuân theo phân bố ngẫu nhiên. Do

đó, khi ta xấp xỉ tín hiệu theo phân bố Gauss thì các thành phần nhiễu sẽ tự triệt tiêu lẫn

nhau. Ngoài ra phân bố Gauss cho phép ta xác định đỉnh cũng như diện tích đỉnh trực

tiếp thông qua các tham số của hàm phân bố.

*2 ln(2)

Px b

FWHM a

=

= (3.2)

Như vậy giá trị đỉnh thu được ở đây là rất chính xác, ít phụ thuộc vào nhiễu và đặc

biệt là không phụ thuộc vào người xử lý số liệu.

Quá trình tính toán, fit Gauss được thực hiện gồm các bước sau:

Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss

Em đã xây dựng chương trình xulysolieu.m được viết bằng Matlab để thực hiện tự

động quá trình trên. Để xem, chương trình hoạt động như thế nào, ta sẽ xem xét một

trường hợp cụ thể với số liệu đo được tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Vật lý hạt


19

nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện năng lượng và nguyên tử Việt Nam vào

ngày 02/11/2013.

Số liệu sau khi đo được có dạng như trong Hình 3.3 và 3.4.

Hình 3.3: Số liệu thu được

Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log

Từ Hình 3.3 và 3.4, ta có thể dễ dàng thấy rằng phổ thu được có lẫn nhiễu tương

đối nhiều. Do vậy ta cần làm trơn để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu (Hình 3.5). Tuy

nhiên ta thấy rằng, phổ này chỉ có một đỉnh ở khoảng kênh gần 400 nên ở đây, ta chỉ cần

quan tâm vùng phổ này.


20

Hình 3.5: Phổ đo được sau khi làm trơn

Bằng cách sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu để xác định phân bố Gauss

của đỉnh, ta thu được hàm Gauss như sau:

21 4072 16

77* 86

x

y e

− − = + (3.3)

Qua đó, ta dễ dàng xác định được đỉnh phổ và độ rộng đỉnh phổ theo (3.2).

( )

407

16*2* ln 2 37

Px

FWHM

=

= ≈

Ta có thể dễ dàng tính được độ lệch bình phương của số liệu so với phân bố

Gauss:

( ) 2

2 25.75i

i

f x ys

N

−= =∑

Hay nói cách khác, độ lệch trung bình:

5.07s≈

Đồng thời ta có hình biểu diễn số liệu và đường fit như Hình 3.6.


21

Hình 3.6: Phổ đo được sau khi fit Gauss

Ta thấy rằng, đường phổ có phân bố gần trùng khít với phân bố Gauss. Điều này

chứng tỏ rằng việc xác định đỉnh phổ bằng phương pháp fit Gauss có độ chính xác tương

đối tốt.

3.2.3. Chuyển phổ thành liều

Quá trình chuyển phổ thành liều được thực hiện một cách tự động dựa vào đỉnh

tính được sử dụng phương pháp Fit Gauss trình bày ở trên và áp dụng vào công thức

(2.4).

Tóm lại, bằng việc kết hợp xác định đỉnh bằng fit hàm Gauss và sử dụng phương

pháp chuyển phổ thành liều ta có thể tăng độ chính xác của thiết bị quan trắc và cảnh báo

phóng xạ môi trường lên tương đối cao, đáp ứng được yêu cầu đối với các thiết bị quan

trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng ngoài thực địa. Điều này được chứng

minh thông qua số liệu thực nghiệm trong Bảng 3.1

Bảng 3.1: Kết quả đo suất liều của thiết bị tại các vị trí có suất liều chuẩn khác

nhau

Suất li ều thiết bị ghi nhận (uSv/hr) STT

Suất li ều chuẩn

(uSv/hr) 1 2 3 4 5

Suất li ều trung bình (uSv/hr)

Độ lệch chuẩn (uSv)

Độ lệch chuẩn (%)

Sai số chuẩn (%)

1 11.19 10.63 10.60 10.66 10.57 10.40 10.57 0.10 0.95 -5.54

2 7.77 7.38 7.47 7.32 7.37 7.46 7.40 0.06 0.81 -4.76

3 5.71 5.40 5.42 5.51 5.41 5.49 5.45 0.05 0.92 -4.55

4 4.37 4.16 4.13 4.16 4.21 4.12 4.16 0.04 0.96 -4.81

5 3.45 3.32 3.28 3.31 3.32 3.34 3.31 0.02 0.60 -4.06


22

6 2.80 2.63 2.67 2.71 2.66 2.73 2.68 0.04 1.49 -4.29

7 1.94 1.91 1.95 1.94 1.89 1.90 1.92 0.03 1.56 -1.03

8 1.66 1.67 1.62 1.62 1.60 1.68 1.64 0.03 1.83 -1.20

9 1.43 1.43 1.45 1.42 1.41 1.41 1.42 0.02 1.41 -0.70

10 1.24 1.25 1.25 1.23 1.23 1.23 1.24 0.01 0.81 0.00

11 1.06 1.09 1.11 1.11 1.08 1.09 1.10 0.01 0.91 3.77

12 0.86 0.88 0.88 0.86 0.88 0.88 0.88 0.01 1.14 2.33

13 0.78 0.80 0.79 0.80 0.81 0.81 0.80 0.01 1.25 2.56

14 0.70 0.72 0.74 0.71 0.74 0.73 0.73 0.01 1.37 4.29

15 0.63 0.67 0.65 0.70 0.67 0.68 0.67 0.02 2.99 6.35

16 0.58 0.59 0.64 0.61 0.62 0.62 0.62 0.02 3.23 6.90

17 0.17 0.14 0.15 0.13 0.14 0.14 0.14 0.01 7.14 -19.22

3.3. Nâng cao độ ổn định

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn

nhất gây ra sự trôi của kết quả đo được. Do đó, luận án đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng

của nhiệt độ tới phổ thu được, đặc biệt là với đỉnh K-40 là một đỉnh phóng xạ tự nhiên

xuất hiện nhiều trong môi trường. Qua đó, đưa ra các hệ số bù nhiệt độ thích hợp.

3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40

Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với phổ đo được cũng như đỉnh phổ K-40 được mô

tả trong Hình 3.7. Ta thấy rằng, khi nhiệt độ giảm xuống thì phổ thu được gần như không

thay đổi, tuy nhiên có sự dịch chuyển của đỉnh phổ tương ứng với sự thay đổi của nhiệt

độ.

Hình 3.7: Phổ K-40 tại nhiệt độ T = 20oC và T = 26oC


23

Ngoài ra, chúng tôi đã khảo sát vị trí của đỉnh phổ K-40 ở các nhiệt độ khác nhau.

Kết quả thực nghiệm được ghi lại trong Bảng 3.2 và hình 3.8 với giá trị đỉnh được xác

định bằng phương pháp Fit Gauss như đã trình bày trong phần 3.1.

Bảng 3.2: Kết quả đo đỉnh K-40 tại các nhiệt độ khác nhau

T 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Kênh 315 317 320 322 325 327 329 333 336 338

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

314

316

318

320

322

324

326

328

330

332

334

336

338

Kªn

h

NhiÖt ®é (C)

Sè liÖu

y=1.3x+293.8

(R=0.9978)

Sù phô thuéc cña ®Ønh K40 vµo nhiÖt ®é

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của đỉnh K-40 vào nhiệt độ

Từ Hình 3.8, ta thấy rằng, vị trí của đỉnh K-40 phụ thuộc vào nhiệt độ là tương đối

tuyến tính với mức độ lệch khoảng 1.3 kênh/oC.

3.3.2. Bù nhiệt độ cho thiết bị

Ta thấy rằng khi nhiệt độ ảnh hưởng tương đối tuyến tính lên các giá trị đo được.

Do đó, ta hoàn toàn có thể thêm một giá trị xác định vào kết quả đo để bù lại sự thay đổi

do nhiệt độ. Giá trị bù được xác định như sau:

∆kênh = k * (T - T0) (3.4)

Trong đó, ∆kênh là giá trị bù tương ứng với nhiệt độ T, T0 là nhiệt độ mà ta đã xác

định vị trí đỉnh K-40 và chuẩn thiết bị và K là hệ số bù được xác định bằng độ dịch của

đỉnh K-40 theo nhiệt độ (1.3 kênh/oC).


24

Bằng cách bù nhiệt độ như vậy, ta hoàn toàn có thể hạn chế được ảnh hưởng của

nhiệt độ tới kết quả đo. Ngoài ra, để góp phần nâng cao độ chính xác, ta có thể kết hợp

kiểm tra đỉnh K-40 (xuất hiện trong đất đá ngoài tự nhiên) tại vị trí sau khi bù.

Phương pháp ổn định bù nhiệt độ này cũng đã góp phần vào kết quả thực nghiệm

đo được trong Bảng 3.1.


25

KẾT LU ẬN

Trong thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài: “nâng cao độ chính xác, ổn định cho

thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường”, tác giả đã thực hiện được các nội

dung sau:

- Nghiên cứu, tìm hiểu về nguyên lý, cấu tạo của thiết bị quan trắc và cảnh báo

phóng xạ môi trường. Đồng thời tìm hiểu về khối đầu dò sử dụng NaI(Tl).

- Nghiên cứu về phương pháp xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss và sử

dụng thuật toán chuyển phổ thành liều để nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và

cảnh báo phóng xạ môi trường.

- Nghiên cứu sự phụ thuộc của vị trí đỉnh phổ vào nhiệt độ, đề xuất sử dụng bù

nhiệt độ để nâng cao tính ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi

trường.

Kết quả như vậy, đã hoàn toàn phù hợp với mục tiêu của đề tài. Tuy nhiên, do thời

gian thực hiện đề tài có hạn nên luận văn vẫn còn một số hạn chế như chưa khảo sát được

sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đỉnh của các nguồn phóng xạ khác ngoài K-40 và cũng

chưa thực hiện khảo sát đo suất liều ứng với các nhiệt độ khác nhau.


26

TÀI LI ỆU THAM KH ẢO

Tiếng Việt:

1. Nguyễn Đức Hòa (2012), Điện tử hạt nhân, NXB Giáo dục Việt Nam

2. Trần Đại Nghiệp (2007), Giáo trình xử lý bức xạ và cơ sở của công nghệ bức xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.

Tiếng Anh:

3. Baba H., Fukuchi T., Kurokawa M. and Shimoura S. (2004), Study of Digital Pulse Shape Analysis for NaI(Tl) Scintillator, CNS Anual Report.

4. Hamamatsu, Photomultiplier Tubes handbook.

5. Heath R. L. (1997), Sintillation Spectrometry gamma-ray spectrum catalogue, Gamma-ray spectrometry center.

6. Helmuth S. (2002), Pulse processing and analysis, IEEE NPSS short course on Radiation detection and measurement

7. Ianakiev K. D., Alexandrov B. S., Littlewood P. B., Browne M. C. (2009), “Temperature behavior of NaI (Tl) scintillation đầu dòs”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Đầu dòs and Associated Equipment, Vol. 607(2).

8. Kamiya K, Sasatani M, “Effects of radiation exposure on human body”, Nihon rinsho. Japanese journal of clinical medicine, Vol 70(3), pp. 367-374.

9. LoveLock J. E. (1961), “Ionization Methods for Analysis of Gases and Vapors”, Analytical Chemistry, Vol. 33(2), pp. 162-178.

10. Miglierini M. (2004), Đầu dò of Radiation, E. Wigner Course on reactor physics experiments.

11. Nelson G., Reilly D. (1991), “Gamma-Ray Interactions with Matter”, Passive Nondestructive Analysis of Nuclear Material, Los Almos National Laboratory, pp. 27-42.

12. Reeder P. L., Stromswold D. C., “Performance of Large NaI(Tl) Gamma-Ray Đầu dòs Over Temperature -50ºC to +60ºC”, Pacific Northwest National Laboratory.

ĐẠi h Ọc qu Ốc gia hÀ n i tr ƯỜng ĐẠi h Ọc khoa h Ọc t … (357).p… · ĐẠi h...

Documents