nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đặng Quang Thiệu

Hà Nội - 2014

Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Thị Minh

i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập trong suốt hai năm tại

trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình

làm luận văn của bản thân tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân –

Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam.

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Quang

Thiệu - Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những

kiến thức chuyên ngành và hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này.

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện

Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo thêm về kiến

thức chuyên ngành trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này.

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy lớp cao học khóa 2011

- 2013, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân - Trường Đại học

Khoa học tự nhiên đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong

suốt thời gian học tập tại trường.

Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã bên cạnh em, động

viên, giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành được đề tài này.

Mặc dù đã rất nỗ lực cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn không tránh

khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung

của thầy cô và bạn bè.

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thị Minh


Nguyễn Thị Minh

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC..................................................................................................................1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................3

DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ...................................................................................4

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ CẢNH BÁO PHÓNG XẠ MÔI TR ƯỜNG...................................................................................8

1.1. Nhu cầu thực tiễn............................................................................................8

1.2. Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................10

1.2.1. Hiệu ứng quang điện ...............................................................................10

1.2.2. Hiệu ứng Compton...................................................................................12

1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron.......................................................13

1.2.4. Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất .....................14

1.2.5. Cấu trúc phổ gamma ...............................................................................15

1.3. Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường ..............................17

1.3.1. Đầu dò chứa khí.......................................................................................19

a) Buồng ion hóa ............................................................................................22

b) Ống đếm tỉ lệ .............................................................................................22

c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) .................................................................22

1.3.2. Đầu dò bán dẫn .......................................................................................23

1.3.3. Đầu dò nhấp nháy....................................................................................25

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) ....................................................26

2.1. Đầu dò nhấp nháy.........................................................................................26

2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ ..............................................................................26

2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ............................................................................27

2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)...........................................................................29

2.2.1. Đặc điểm cấu tạo.....................................................................................29

2.2.2. Sự hình thành xung lối ra ........................................................................33

2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl)..........36

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THI ẾT BỊ40


Nguyễn Thị Minh

2

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) ..................................................40

3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh ..........................................................40

3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ...........................................................................40

3.2. Nâng cao độ chính xác..................................................................................41

3.2.1. Làm trơn phổ ...........................................................................................42

3.2.2. Xác định đỉnh...........................................................................................44

3.2.3. Chuyển phổ thành liều.............................................................................49

3.3. Nâng cao độ ổn định.....................................................................................51

3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đỉnh phổ K-40 ......................................51

3.3.2. Bù nhiệt độ cho thiết bị ............................................................................53

KẾT LUẬN ..............................................................................................................55

TÀI LI ỆU THAM KH ẢO ......................................................................................56

PHỤ LỤC.................................................................................................................57


Nguyễn Thị Minh

3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm 39

Bảng 3.1: Kết quả đo suất liều của thiết bị tại các vị trí có suất liều chuẩn khác nhau 50

Bảng 3.2: Kết quả đo đỉnh K-40 tại các nhiệt độ khác nhau 52


Nguyễn Thị Minh

4

DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ

Hình 1.1: Mô hình tán xạ Compton 12

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron 13

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [1] 14

Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang

điện; b) tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1] 15

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

17

Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay 18

Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật

Bản 19

Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện

cực hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay

đổi [9] 20

Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa 22

Hình 1.10: Đầu dò bề mặt 24

Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon 24

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số suy giảm của tinh thể NaI(Tl) vào năng

lượng của tia gamma [4] 30

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

Comton và quang điện trong đầu dò NaI(Tl) [5] 31

Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6] 36

Hình 3.1: Sơ đồ quá trình nâng cao độ chính xác cho thiết bị quan trắc và

cảnh báo phóng xạ môi trường 41

Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xác định đỉnh bằng phương pháp fit Gauss 46

Hình 3.3: Số liệu thu được 47


Nguyễn Thị Minh

5

Hình 3.4: Số liệu thu được biểu diễn theo thang log 47

Hình 3.5: Phổ đo được sau khi làm trơn 48

Hình 3.6: Phổ đo được sau khi fit Gauss 49

Hình 3.7: Phổ K-40 tại nhiệt độ T = 20oC và T = 26oC 52

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của đỉnh K-40 vào nhiệt độ 53


Nguyễn Thị Minh

6

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).


Nguyễn Thị Minh

7

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.

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.


Nguyễn Thị Minh

8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT 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,…

Theo thống kê, có khoảng hơn 60 các nhân phóng xạ có nguồn gốc tự

nhiên. Các hạt nhân phóng xạ này chủ yếu nằm trong chuỗi phản ứng hạt

nhân của các nhân tố chính như: Urani, Thori, Radi, Kali-40… Trong đó, các

hạt nhân phóng xạ phổ biến là: Radi-226, Thori-232, Kali-40…

Các hạt nhân phóng xạ này thường 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) là liều bức xạ ion hóa (Sv) trên một

đơn vị thời gian.


Nguyễn Thị Minh

9

Xét trong một khoảng thời gian ngắn, khi ta bỏ qua yếu tố thời gian, thì

cơ thể con người sẽ có những biểu hiện khác nhau với các mức độ nhiễm xạ

khác nhau như sau:

-Khoảng 0.2 Sv: Không có biểu hiện bệnh lý gì

-Khoảng 0.5 Sv: Giảm cầu lympho trong máu

-Khoảng 3 Sv: Rụng tóc

-Khoảng 10 Sv: Gần như 100% tử vong

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 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).

Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới, các bức xạ hạt nhân được

sử dụng khá phổ biến trong y tế (chủ yếu là dưới dạng X quang) và trong các

ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khác. Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng năng lượng

hạt nhân như là một nguồn năng lượng chính để thay thế cho các nguồn năng

lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Do đó, nhu cầu đặt ra là phải có các thiết

bị đo suất liều phóng xạ để theo dõi, kiểm soát mức độ phóng xạ trong môi

trường và đưa ra những cảnh báo để chúng ta có thể kịp thời xử lý các sự cố


Nguyễn Thị Minh

10

liên quan tới rò rỉ bức xạ hạt nhân. Thiết bị này còn được gọi là thiết bị quan

trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.

Các thiết bị này đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật

Bản, Hàn Quốc, … nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong các cơ sở sử dụng

bức xạ hạt nhân của họ từ lâu. Tuy nhiên, bài toán nâng cao độ chính xác và

ổn định cho thiết bị vẫn là một vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới

quan tâm.

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.


Nguyễn Thị Minh

11

Khi Eγ< IK thì hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra trên lớp L, M... và

không thể xảy ra trên lớp vỏ K, khi Eγ< IL hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy

ra trên lớp vỏ M, N... và không thể xảy ra trên lớp K, L, …

Hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các điện tử tự do - các điện

tử không liên kết với hạt nhân. Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử

càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang

điện càng nhỏ.

Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt

quá năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng

lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm E-3. Xác suất tổng cộng của

hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK với EK là

năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật E-7/2. Nhưng

khi E >> EK thì xác suất tổng cộng lại tuân theo quy luật E-1 [2]

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

quang điện phụ thuộc vào Z theo qui luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện:

5

photon 7/2

Z

Eσ = (Khi ≥ EK)

5

photon

Z

Eσ = (Khi E >> EK)

(1.2)

Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay

cả ở vùng năng lượng cao còn đối với các nguyên tử nhẹ hiệu ứng quang điện

chủ yếu chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.

Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp

nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một

electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình

này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger.


Nguyễn Thị Minh

12

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)

Từ công thức (1.3), góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì hν’

càng bé, nghĩa là gamma càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển năng

lượng lớn nhất cho electron khi bay ra ở góc 1800, tương ứng với tán xạ

ngược. Góc bay ra của gamma tán xạ có thể thay đổi từ 00 đến 1800, trong lúc

electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 00 đến

900.

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)


Nguyễn Thị Minh

13

Trong tán xạ thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo cơ

chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp như hạt beta.

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]. Quá trình tạo cặp không

thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận hạt nhân hoặc điện tử,

khi không có mặt của hạt nhân hoặc electron, quá trình tạo cặp của lượng tử

gamma không thể xảy ra.

Hình 1.2: Mô hình sự tạo cặp electron - positron

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc

proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, 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.


Nguyễn Thị Minh

14

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)

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]

E1 E2


Nguyễn Thị Minh

15

Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện

tích Z của vật chất như trên, suy ra rằng ta có thể chia thành 3 miền năng

lượng đặc trưng bởi các cơ chế tương tác khác nhau. Trong miền năng lượng

E < E1, cơ chế cơ bản trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang

điện, trong miền năng lượng trung gian E1< E < E2 cơ chế chính là quá trình

tán xạ Compton chiếm ưu thế, còn trong miền năng lượng cao E > E2 là quá

trình tạo cặp electron - positron. Các giá trị năng lượng phân giới E1 , E2 phụ

thuộc vào từng môi trường vật chất.

1.2.5. Cấu trúc phổ gamma

Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý tưởng của tia gamma theo các hiệu ứng: a) quang điện; b)

tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1]


Nguyễn Thị Minh

16

Để đơn giản, ta xét trường hợp tia gamma đi đến đầu dò có giá trị năng

lượng E0. Theo hiệu ứng quang điện, năng lượng này biến thành động năng

của photo electron hoặc các electron Auger và bị hấp thụ ngay trong đầu dò.

Kết quả là tất cả năng lượng E0 của photon bị hấp thụ trong đầu dò tạo nên

xung điện, mà xung này có biên độ tỉ lệ với năng lượng E0 và tạo nên một

đỉnh trong phổ gamma. Đỉnh này được gọi là đỉnh quang điện hay đỉnh hấp

thụ toàn phần. Với phổ kế lí tưởng, phổ năng lượng tương ứng với đỉnh quang

điện được biểu diễn bằng một vạch thẳng đứng như hình vẽ. Khi các tia

gamma đơn năng E0 gây nên tán xạ Compton với vật chất, thì các electron tán

xạ có động năng Ec phân bố liên tục từ giá trị 0 đến giá trị cực đại: Emax =

02

1 2

Eαα+

trong đó 02

e

E

m cα

−

= . Trên Hình 1.4.c biểu diễn phổ lí tưởng liên tục

của hiệu ứng Compton.

Giới hạn cực đại của phổ năng lượng liên tục gọi là mép Compton.

Phần năng lượng E0 - Ec của các electron tán xạ có thể bị hấp thụ do các quá

trình khác nhau và đóng góp vào sự hình thành xung điện. Ngoài ra trên hình

còn có thể xuất hiện một đỉnh rất nhỏ nằm ở vùng năng lượng thấp, do tán xạ

ngược của các lượng tử gamma với lớp bảo vệ hay môi trường xung quanh

đầu dò. Năng lượng Eng của tán xạ ngược liên quan với năng lượng E0 của

photon tới và góc tán xạ θ theo công thức:

Khi θ = π thì 0

1 2ng

EE

α=

+ (1.8)

Nếu năng lượng gamma lớn hơn năng lượng E0 = 2mec2= 1.022 MeV,

thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - positron

(positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích

dương +1e). Positron khi dừng lại có thể kết hợp với 1 electron nào đó để tự

huỷ và sinh ra hai photon với năng lượng 0.511 MeV. Các photon này có thể


Nguyễn Thị Minh

17

bị hấp thụ trong đầu dò bởi các quá trình đã biết. Do đó, trên phổ ứng với quá

trình tạo cặp cũng xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần. Ngoài ra có khả

năng một hoặc hai photon thứ cấp bay khỏi đầu dò. Vì thế trên phổ hình thành

thêm hai đỉnh tương ứng với thoát đơn và thoát đôi ứng với năng lượng E0 -

0.511MeV và E0 - 1.022MeV.

Ở trên ta đã xét riêng lẻ từng hiệu ứng của tia gamma khi đi vào đầu dò

tương ứng với các đường phổ hình thành, nhưng trong thực tế cả ba hiệu ứng

nêu trên xảy ra một cách đồng thời, vì thế phổ năng lượng của gamma thu

được có dạng phức tạp hơn, là sự chồng chất của cả ba hiệu ứng. Ngoài ra

trong thực tế chùm gamma là không đơn năng và hệ thống không phải là lí

tưởng, do đó phổ năng lượng gamma thực tế có phân bố như hình d. Độ rộng

của đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với độ rộng nửa chiều cao của đỉnh (FWHM)

gọi là độ phân giải của đầu dò.

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

Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng với

mục đích đo đạc, theo dõi, kiểm soát và cảnh báo về các sự cố liên quan tới rò

rỉ phóng xạ. Qua đó đưa ra những biện pháp xử lý kịp thời nhằm hạn chế ảnh

hưởng xấu đối với sức khỏe của người dân cũng như của các nhân viên làm

việc trong các cơ quan nghiên cứu, ứng dụng liên quan tới kỹ thuật hạt nhân.

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


Nguyễn Thị Minh

18

Đây là cấu tạo chung của một thiết bị đo vật lý. Tuy nhiên, điểm khác

biệt giữa các loại thiết bị này là đầu dò và phương pháp tính toán xử lý số liệu

đối với mỗi đại lượng nhất định. Không những vậy, đầu dò còn là bộ phận

đóng vai trò quan trọng quyết định độ nhạy và khả năng thu nhận tín hiệu.

Trong đó, có 3 loại đầu dò chính (phân loại dựa trên nguyên tắc hoạt động của

chúng): đầu dò chứa khí, đầu dò bán dẫn, đầu dò nhấp nháy. Mỗi loại đầu dò

này có đặc điểm riêng, phù hợp với dải đo, yêu cầu khác nhau.

Với cấu tạo như vậy, các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi

trường sử dụng trong những mục đích khác nhau có thể có kích thước khác

nhau rất nhiều. Ví dụ như các thiết bị quan trắc cá nhân, di động có kích

thước rất nhỏ, có thể dễ dàng mang theo (Hình 1.6) trong khi một số trạm đo

chuyên dụng lại có kích thước tương đối lớn (Hình 1.7) chứa nhiều thiết bị để

có thể phân tích chi tiết nhiều thông số khác nhau.

Hình 1.6: Một số thiết bị đo bức xạ cầm tay


Nguyễn Thị Minh

19

Hình 1.7: Hình một thiết bị đo bức xạ đặt tại một trạm quan trắc của Nhật Bản

Để hiểu sâu hơn về cấu tạo của thiết bị này và có thể chọn ra được các

loại đầu dò phù hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau, chúng ta sẽ tìm

hiểu kỹ hơn về nguyên tắc của từng loại đầu dò.

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]. Với số cặp ion dương và điện tử được xác định

như sau:

abs

i

En

E= (1.9)

Trong đó: + Eabs là năng lượng mà chất khí hấp thụ

+ Ei là năng lượng ion hóa của chất khí


Nguyễn Thị Minh

20

Như đã biết, ở điều kiện bình thường các điện tích và phân tử khí

chuyển động tự do. Khi có tác động của điện trường, các điện tích này sẽ

đồng thời bị tác động bởi điện trường giữa 2 phía của điện cực. Với giá trị độ

lớn của điện trường khác nhau thì các hiệu ứng khác nhau xảy ra như sau

(Hình 1.8):

Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện cực

hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay đổi [9]

Nếu cường độ điện trường tăng lên, các ion dương và điện tử sẽ chuyển

động tới các điện cực tạo nên dòng điện giữa 2 bản điện cực. Tuy nhiên, do

cường độ điện trường yếu, nên trong quá trình chuyển động, các điện tử và

ion dương có thể tái hợp với nhau làm suy giảm tín hiệu. Ngoài ra, dòng điện

thu được trong vùng này rất nhỏ do đó khó thu nhận được.

Nếu tăng cường độ điện trường tới một giá trị giới hạn nào đó thì tín

hiệu lối ra sẽ không đổi (ion chamber region). Với cường độ dòng điện lúc đó

được xác định như sau:


Nguyễn Thị Minh

21

ne QI= =

t t (1.10)

Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường thì các điện tử sẽ nhận được

năng lượng lớn dần lên. Khi năng lượng của các điện tử này đủ lớn thì trong

quá trình chuyển động về phía các điện cực, nó sẽ va chạm với các nguyên tử,

phân tử khác sinh ra thêm các điện tử thứ cấp. Các điện tử này cũng tham gia

vào quá trình ion hóa thứ cấp tiếp theo. Do đó, tổng điện tích về các điện cực

sẽ được nhân thêm với một hệ số M phụ thuộc vào độ lớn của cường độ điện

trường.

qM = M.n.e (1.11)

Vùng mà M không phụ thuộc vào n và vị trí tương tác được gọi là vùng

ống đếm tỉ lệ (proportional counting region).

Nếu cường độ điện trường tiếp tục được tăng lên, thì hệ số nhân M

cũng sẽ tăng theo. Đến một giá trị nào đó khi số cặp điện tử thứ cấp tạo ra quá

lớn sẽ tạo nên đám mây ion dương quanh anot gây ra sự suy giảm của cường

độ dòng điện. Vùng này được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn.

Khi cường độ điện trường vượt qua ngưỡng của vùng tỉ lệ giới hạn thì

mỗi một cặp điện tử và ion dương tạo ra sẽ gây ra hiện tượng tự phóng điện

trong môi trường. Vùng này được gọi là vùng Geiger (Geiger region).

Dựa trên ảnh hưởng của độ lớn cường độ điện trường lên các cặp điện

tử và ion dương mà ta có các loại đầu dò chứa khí khác nhau như sau:


Nguyễn Thị Minh

22

a) Buồng ion hóa

Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa

Như đã biết ở trên, trong vùng ion hóa thì giữa hai bản cực sẽ xuất hiện

một dòng điện nhỏ tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay chính là năng

lượng của bức xạ bị hấp thụ). Bằng cách xác định cường độ dòng điện ta sẽ

xác định được năng lượng bức xạ. Tuy nhiên, cường độ dòng điện ở đây là

tương đối nhỏ, nên việc xác định chính xác cũng là một vấn đề khó khăn.

Thông thường, tín hiệu lối ra thường được đo bằng mạch tích phân dòng lên

điện áp của một tụ điện. Do đó, khả năng phân giải thời gian của đầu dò này

là không cao.

b) Ống đếm tỉ lệ

Thông thường ống đếm tỉ lệ thường có dạng tụ hình trụ với catot là mặt

ngoài của trụ và anot là một sợi dây mảnh ở trung tâm. Khi đó thể tích không

gian xung quanh anot sẽ rất nhỏ so với toàn thể tích không gian của buồng và

tín hiệu lối ra sẽ không phụ thuộc vào vị trí của hạt.

Do có hệ số nhân M nên tín hiệu lối ra của ống đếm tỉ lệ lớn hơn khá

nhiều so với buồng ion hóa. Tuy nhiên, hệ số nhân M lại phụ thuộc rất mạnh

vào hiệu điện thế, năng lượng của hạt và áp suất chất khí trong buồng.

c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M)


Nguyễn Thị Minh

23

Trong vùng Geiger-Muller, do cường độ điện trường bên trong là rất

lớn nên mỗi sự ion hóa sơ cấp đều gây ra hiện tượng tự phóng điện dọc theo

anot. Ống đếm G-M sử dụng các chất khí đặc biệt để có thể dập tắt được quá

trình tự phóng điện này. Các loại khí thường được sử dụng là:

+Hỗn hợp 90% Argon và 10% hơi hữu cơ ethyl-alchol.

+Hỗn hợp gồm 99.8% Neon, 0.1% Ar, 0.1% Br

Thông thường, người ta sử dụng thêm mạch RC nối tiếp để giảm thời

gian dập tắt của ống đếm G-M. Khi đó với mỗi xung điện tạo ra sẽ gây ra sự

sụt áp làm giảm thời gian dập tắt. Thời gian dập tắt của ống đếm G-M cũng

chính là thời gian chết của đầu dò này. Trong thời gian này, ống đếm G-M

không thể thu nhận thêm các bức xạ khác.

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.

Tuy nhiên, đầu dò bán dẫn có một số ưu điểm tốt hơn như sau:

+ Năng lượng ion hóa trung bình Ei thấp, chỉ bằng 1/10 năng lượng ion

hóa trung bình của khí. Ví dụ như năng lượng ion hóa trung bình của Si là

3.72 eV và của Ge là 2.96 eV ở 80K. Do đó, ứng với cùng một năng lượng

hấp thụ, đầu dò bán dẫn sẽ tạo ra được nhiều cặp điện tử và lỗ trống hơn.

+ Độ phân giải năng lượng cao hơn (10 keV đối với hạt α và 1 keV đối

với bức xạ gamma)

+ Do chất bán dẫn ở thể rắn nên có mật độ phân tử lớn hơn rất nhiều so

với chất khí. Và do đó, mật độ ion hóa trong chất bán dẫn lớn hơn rất nhiều so

với buồng ion hóa chất khí.


Nguyễn Thị Minh

24

+ Cặp điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn có độ linh động lớn hơn

gấp hai lần so với cặp điện tử và ion dương trong chất khí. Do đó, thời gian

thu thập điện tích ngắn hơn, độ phân giải thời gian tốt hơn.

Có 2 loại đầu dò bán dẫn phổ biến là: đầu dò hàng rào mặt (Si) (Hình

1.10) và đầu dò Si và Ge-photon (Hình 1.11).

Hình 1.10: Đầu dò bề mặt

Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon

Điểm hạn chế lớn nhất của đầu dò bán dẫn là phải sử dụng nitor lỏng để

làm lạnh khi sử dụng. Ngoài ra, mặc dù dòng điện tử lớn hơn so với buồng

ion hóa khí nhưng vẫn khá nhỏ, do đó chưa đảm bảo khả năng phân giải thời

gian nhanh.


Nguyễn Thị Minh

25

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, …

Do dạng tín hiệu lối ra tỉ lệ với năng lượng của hạt đi vào và thời gian

chết thấp nên đầu dò nhấp nháy có thể được sử dụng trong các ứng dụng cần

có độ chính xác cao. Chi tiết về đầu dò nhấp nháy sẽ được trình bày kỹ hơn

trong chương 2.


Nguyễn Thị Minh

26

CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl)

Chương này sẽ tìm hiểu kỹ về đặc điểm, cấu tạo, nguyên tắc của đầu dò

nhấp nháy, đặc biệt là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Đồng thời đánh giá những

yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo sử dụng đầu dò này.

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.

Như vậy, tinh thể nhấp nháy là phần quan trọng nhất của đầu dò nhấp

nháy. Nó quyết định dải đo, hiệu suất đo, cũng như độ chính xác của đầu dò.

Hiện nay, người ta sử dụng rất nhiều các chất khác nhau để làm đầu dò. Tuy

nhiên, về bản chất ta có thể chia các chất này thành: chất nhấp nháy hữu cơ và

chất nhấp nháy vô cơ [10].

2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ

Chất nhấp nháy vô cơ bao gồm các hợp chất chính sau:


Nguyễn Thị Minh

27

- CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn

so với Sodium iodide, được sử dụng trong các ứng dụng cần các đầu dò có

kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn.

- LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác

định neutron dựa trên phản ứng 6Li(n, α).

- Bismuth Germanate(BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có

mật độ rất cao (7.3g/cm3) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng

quang điện rất lớn. Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra thấp và có độ phân

giải không cao so với các loại tinh thể nhấp nháy khác.

- Barium Fluoride(BaF2): Có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns,

thích hợp dùng cho các đầu dò nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân

giải nhanh.

- NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất là khả năng phát sáng rất tốt và giá

thành rẻ. Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các bức xạ hạt

nhân. Tuy nhiên, tinh thể này có một số hạn chế là dễ bị vỡ do va đập hoặc

sốc nhiệt. Thời gian phân rã của xung nhấp nháy tương đối dài (vào khoảng

230 ns), nên không phù hợp với các ứng dụng cần phân giải thời gian hoặc

yêu cầu tốc độ đếm cao.

2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ

Chất nhấp nháy hữu cơ bao gồm các dạng hợp chất chính sau:

- Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao

nhất còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh

thể nhấp nháy hữu cơ. Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích

thước lớn.


Nguyễn Thị Minh

28

- Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng

dung dịch hòa tan. Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến

trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như C14 và Tritium. Hoặc sử dụng ở

những nơi đòi hỏi thể tích đầu dò lớn, trong trường hợp này, tỉ lệ ánh sáng

phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau). Các chất nhấp

nháy này còn được sử dụng để đo neutron. Đôi khi sự dịch chuyển bước sóng

xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân quang.

- Chất nhấp nháy dẻo: Là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong

dung môi, sau đó polyme hoá và tạo dạng cần thiết. Các đầu dò này không

đắt, được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như

hình trụ, tấm phẳng,… chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng

khác nhau. Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây)

do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng

nhanh.

- Chất nhấp nháy pha tạp: Chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện

cho việc xác định trực tiếp các hạt alpha hoặc beta. Chúng cũng có thể được

sử dụng để xác định các notron nhanh thông qua các proton giật lùi. Vì các

chất nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện

với các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ. Để cải

thiện tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha

thêm vào trong chất nhấp nháy (~ 10% trọng lượng chì hoặc thiếc). Tuy nhiên

sự bổ sung này lại làm giảm cường độ sáng.

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.


Nguyễn Thị Minh

29

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

Đầu dò NaI(Tl) có một số đặc điểm chính cần lưu ý như sau:

Tinh thể có mật độ cao (3.67g/cm3) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma.

Iot cung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn

vị của hấp thụ bức xạ gamma.

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.


Nguyễn Thị Minh

30

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

tia gamma [4]

Trong chế tạo đầu dò sử dụng NaI(Tl) cần chú ý tới tính hút ẩm mạnh

của NaI (nó có thể hấp thụ hơi nước từ không khí). Vì vậy tinh thể và bề mặt

phản xạ ánh sáng phải được bọc kín trong một bình kín với cặp kính quang

tạo thành ống nhân quang. Ngoài ra ta cần phải tránh sử dụng các vật liệu

chứa Kali trong hệ đầu dò. Bởi lẽ, các chất này có đồng vị K-40 dẫn đến làm

tăng phông phóng xạ của đầu dò.


Nguyễn Thị Minh

31

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. 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 hai 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


Nguyễn Thị Minh

32

cao xung với năng lượng bức xạ tới, độ phân giải của đầu dò, phông của hệ

thống).

Hiệu suất nhấp nháy (tỷ số năng lượng photon phát ra so với năng

lượng bức xạ tới) của NaI(Tl) là lớn nhất trong hợp chất halogen kiềm

(khoảng 12%) và khoảng 2 lần hiệu suất của Antraxen, một chất nhấp nháy

hữu cơ tốt. Hiệu suất của một đầu dò nhấp nháy (nghĩa là tỷ số của tốc độ

đếm so với tốc độ phân rã của một nguồn phóng xạ) phụ thuộc vào kích thước

và hình dạng của tinh thể và dạng hình học của nguồn. Đầu dò NaI(Tl)

thương mại được chọn với nhiều kích thước, phần lớn là dạng hình trụ gắn

liền với ống nhân quang. Một đầu dò nhấp nháy chuẩn với mặt cắt có đường

kính là 3 inch, dài 3 inch. Một đầu dò tốt đôi khi thuận lợi hơn trong phân tích

kích hoạt, đặc biệt khi dùng kết hợp với những máy tách hóa học phóng xạ.

Độ phân giải của một đầu dò là một tiêu chuẩn để đánh giá khả năng

của một hệ thống ghi nhận bức xạ để tạo ra chỉ một giá trị xung cho bức xạ

đơn năng hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò. Độ phân giải hoặc bề rộng đường

theo phần trăm, W1/2 được xác định từ bề rộng của đỉnh năng lượng toàn phần

tại nửa đỉnh cực đại.

1/2

EW

Eθ

∆= (2.1)

Trong đó: Eθ- giá trị năng lượng gamma toàn phần (chiều cao xung

cực đại).

∆E là độ bán rộng năng lượng của đỉnh (FWHM).

Giá trị của Eθ và @E cả hai có thể được biểu diễn theo năng lượng hoặc

điện áp. Khi phân nhỏ tia gamma tới, các tia này sẽ được hấp thụ hoàn toàn

trong một đầu dò có kích thước cụ thể suy giảm theo năng lượng tia gamma,

độ phân giải cũng thay đổi theo năng lượng tia gamma. Như vậy giá trị độ


Nguyễn Thị Minh

33

phân giải của một đầu dò phải xác định theo năng lượng tia gamma riêng biệt.

Tia gamma có năng lượng 0.662MeV của 137Cs thường được sử dụng để đo

độ phân giải của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Giá trị độ phân giải của Cs-137

của các đầu dò tinh thể phẳng vào khoảng từ 7 đến 9%.

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 =∫ (2.2)

Trong đó: e là điện tích electron

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

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

Như vậy, α.δ(λ) sẽ cho ta số photon phát ra trong một đơn vị chiều dài

sóng.

Ta có δ(λ) được chuẩn hóa bởi:

( )0

1dδ λ λ∞

=∫ (2.3)

PmaxΠ(λ) xác định xác suất giải phóng của một photon electron từ catot.

Như vậy, Π(λmax)=1.

Ā là hệ số nhân của ống nhân quang điện trên một photon electron.

C là điện dung của tải ở anot của ống nhân quang điện.

N là số e- đạt được của bộ nhân quang điện.

Như vậy, năng lượng để tạo ra một electron là:


Nguyễn Thị Minh

34

W

Nω ∆= (2.4)

Đối với NaI(Tl), năng lượng để tạo ra một photon của bức xạ gamma

vào khoảng từ 300eV đến 1000eV. Hệ số khuếch đại A của ống nhân quang

điện vào khoảng 106 đến 108.

Sự hình thành xung trải qua các quá trình sau:

Các phân tử hoặc nguyên tử của chất nhấp nháy được kích thích ở thời

điểm t = 0, chúng có một thời gian sống nhất định, bởi vậy cường độ của ánh

sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ:

( ) ( )*

00

expt

L t L H tτ −=

(2.5)

Trong đó, τ0 là thời gian lóe sáng của chất nhấp nháy, H(t)* là hàm

Heaviside.

( ) ( )( )

1 0

0 0

tH t

t

>= <

(2.6)

Như vậy, nếu coi giữa va chạm của photon và sự giải phóng các

electron không có tính trễ thì tốc độ phát electron từ photocatot theo quy luật:

( )0 0

expd N N t

H tdt τ τ

−=

(2.7)

Như vậy, sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng:

( )2

expa

tg

Ae ti t

tt π− =

(2.8)

Trong đó, ttg là thăng giáng của thời gian bay.

Theo điều kiện chuẩn hóa:


Nguyễn Thị Minh

35

( )ai t dt Ae+∞

−∞

=∫ (2.9)

Ta suy ra: với N photo electron, mạch RC ở lối ra của ống nhân quang

tích phân xung dòng ia để tạo nên xung áp:

( ) ( )0 0

1 'exp exp ' 'a

tg tg

AeN t t tI t H t dt

t tτ τπ

+∞

−∞

− −= − ∫ (2.10)

( ) ( )0 00 0

exp expt t

U t U H t dtτ

τ τ τ τ − − = − − −

(2.11)

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.


Nguyễn Thị Minh

36

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

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

Hầu hết các loại đầu dò đều hoạt động theo nguyên tắc tạo ra các xung

điện tương ứng với các hạt phóng xạ đi vào. Theo phương pháp truyền thống

thì suất liều phóng xạ sẽ được tính dựa trên mật độ xung điện xuất hiện trong

một đơn vị thời gian. Tuy nhiên, do chưa tính tới năng lượng của các hạt

phóng xạ đi vào đầu dò nên độ chính xác của phương pháp này là không cao,

đặc biệt là khi suất liều phóng xạ là nhỏ chưa đủ để bỏ qua sự sai khác về

năng lượng giữa các hạt.

Không giống như các loại đầu dò khác, biên độ xung điện tạo ra bởi

đầu dò nhấp nháy tỉ lệ với năng lượng của hạt phóng xạ đi vào. Điều này cho

phép chúng ta sử dụng các bộ phân tích MCA (Multi-Chanel Analyzer) để


Nguyễn Thị Minh

37

phân tích xác định phổ năng lượng của các hạt phóng xạ thông qua phổ biên

độ của các xung điện đi vào.

Dựa vào phổ biên độ đó, ta có thể có các phương pháp biến đổi thích

hợp để thu được suất liều phóng xạ. Phương pháp này được gọi là phương

pháp chuyển phổ thành liều. Dễ thấy rằng phương pháp này tối ưu hơn hẳn so

với các phương pháp truyền thống do đã tính tới ảnh hưởng của năng lượng

tia phóng xạ đi vào đầu dò.

Hiện nay, phương pháp chuyển phổ thành liều đã được sử dụng phổ

biến ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản,... Các nước này

sử dụng các biểu thức khác nhau để xác định suất liều dựa vào phổ năng

lượng. Đây cũng chính là cơ sở để phân biệt phương pháp chuyển phổ thành

liều được sử dụng trong các hệ khác nhau.

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

dụng tại Vi ện 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

=

=

∫

∑ (2.12)

Trong đó:

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


Nguyễn Thị Minh

38

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

E min là mức năng lượng thấp nhất mà phân còn biệt được

(keV)

E max là mức năng lượng tối đa để đánh giá suất liều (keV)

I min là số kênh tương ứng với Emin

I max là số kênh tương ứng với Emax

G(E) toán tử biến đổi phổ - liều cho năng lượng E

G(I) toán tử biến đổi phổ - liều cho số kênh I

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− −

=

= ∑ (2.13)

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

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− −

=

= ∑ (2.14)

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


Nguyễn Thị Minh

39

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 (Phụ lục 2). Từ đó, ta có thể dễ

dàng xác định được suất liều phóng xạ dựa vào công thức (2.14) cho ở trên.


Nguyễn Thị Minh

40

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

Dựa vào những đặc tính của đầu dò nhấp nháy đã phân tích trong

chương trước, chương này sẽ tập trung vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng

tới thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng ngoài thực tế.

Qua đó đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và ổn định cho thiết bị.

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

Kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl), đặc biệt là khi sử dụng phương

pháp chuyển phổ thành liều, chịu ảnh hưởng vào rất nhiều các yếu tố bên

ngoài khác nhau. Trong đó, việc xác định đỉnh và nhiệt độ là hai yếu tố có ảnh

hưởng lớn nhất đối với các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi

trường sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm. Các yếu tố này ảnh hưởng tới kết

quả đo đạc như sau:

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 (2.14) 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.


Nguyễn Thị Minh

41

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):

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.

Hiện nay, đã có rất nhiều các chương trình xử lý số liệu mà mã lập trình

của chúng đã được bán dưới dạng thương mại trên thị trường. Tuy nhiên,

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


Nguyễn Thị Minh

42

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

Tín hiệu thu được luôn bao gồm một phần nhiễu do ảnh hưởng của các

điều kiện môi trường. Do vậy, tín hiệu thu được có dạng:

d d δ= + (3.1)

Trong đó, d là trung bình của tín hiệu, δ là thăng giáng gây ra bởi

tổng hợp nhiễu của môi trường.

Do các thành phần thăng giáng δ là ngẫu nhiên ảnh hưởng đến dạng

của phổ tín hiệu thu được nên sẽ gây khó khăn cho các thuật toán phân tích

phổ, thậm chí có thể gây ra sai lệch trong tính toán. Vì vậy, ta cần phải giảm

bớt ảnh hưởng của những thăng giáng này lên kết quả tính toán. Thông

thường người ta thường sử dụng phương pháp làm trơn số liệu, tức là coi giá

trị tại một điểm chịu ảnh hưởng bởi giá trị ở các điểm lân cận và dựa vào các

điểm đấy để xác định giá trị chính xác tại điểm đó.

Để loại bỏ những thăng giáng về số đếm giữa các kênh gần nhau, người

ta thường coi những thăng giáng này là một dạng nhiễu và sử dụng ảnh

Fourier để loại trừ nó. Về bản chất, phương pháp này giống như việc sử dụng

bộ lọc Fourier để loại bỏ các tín hiệu có tần số khác với tần số quan tâm.

Ngoài ra, ta cũng có thể chập phổ đo được với một bộ lọc số có dạng thích

hợp. Tuy nhiên, hai phương pháp này khá phức tạp nên khó phù hợp với hệ

phổ kế thông dụng, cũng như khó áp dụng trên các hệ xử lý sử dụng vi điều

khiển.

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

phổ do Svaitzky và Golay đề xuất.


Nguyễn Thị Minh

43

Giả sử chúng ta có 5 điểm số liệu tại các kênh (-2, -1, 0, 1, 2) với các

giá trị tại các kênh tương ứng là: (d-2, d-1, d0, d1, d2). Dựa vào giá trị tại 5 điểm

này, ta sẽ ước lượng giá trị mới, đã được làm trơn để thay thế cho giá trị của

d0. Để làm được điều này, ta cần phải khớp 5 điểm của đa thức này với một đa

thức bậc nào đó. Thông thường, để đơn giản người ta thường chỉ khớp đến

bậc 2. có dạng như sau:

( ) 20 1 2P x a a x a x= + + (3.2)

Trong đó, a0, a1, a2 là các hệ số của đa thức. Các hệ số này được xác

định từ hệ 5 phương trình từ 5 điểm phổ cho trước:

=

×

−−

−

−

2

1

0

1

2

2

1

0

421

111

001

111

421

d

d

d

d

d

a

a

a

(3.3)

Ta có thể viết hệ 5 phương trình này ngắn gọn như sau:

Aa d=r ur

(3.4)

Yêu cầu đặt ra là phải xác định số đếm d0 tương ứng với x=0 bằng giá

trị của đa thức cũng tại giá trị x=0.

Khi đó:

( ) 00P a= (3.5)

Tuy nhiên, ở đây ta có 5 phương trình nhưng lại chỉ có 3 tham số nên

việc xác định các tham số cần phải được thực hiện bằng phương pháp bình

phương tuyến tính. Qua đó ta sẽ thu được hệ phương trình chuẩn tắc có dạng:

.T TA Aa A d=r ur

(3.6)


Nguyễn Thị Minh

44

Với AT là ma trận chuyển vị của ma trận A. Do đó, tích AT.A là ma trận

đối xứng bậc 3.

Do vậy, ta hoàn toàn có thể dễ dàng xác định được ar

như sau:

1.T Ta A A A d

− =

r ur (3.7)

Qua đó, a0 là số hạng đầu tiên của đa thức sẽ thu được có dạng:

[ ]

2

1

0 0 1 2 3 4 0

1

2

x

d

d

a s s s s s d

d

d

−

−

=

(3.8)

Trong đó, [s0, s1, s2, s3, s4] là hàng thứ nhất trong ma trận 1

.T TA A A−

Tương tự như vậy, ta có thể xác định đạo hàm của phổ bằng đa thức

Savitzky-Golay bằng cách xấp xỉ đạo hàm tại một kênh nào đó ứng với đạo

hàm của đa thức tại x=0.

Ta có:

( )1

0dPa

dx= (3.9)

Do đó, đạo hàm có thể tính được dễ dàng từ số hạng thứ hai của ma

trận 1

.T TA A A−

.

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


Nguyễn Thị Minh

45

trước tiên là phải xác định được số đỉnh cũng như vị trí của các đỉnh trong

phổ.

Khi nghiên cứu về phổ thì người ta thường quan sát thật kỹ để có thể

phát hiện được tối đa số đỉnh xuất hiện trong phổ. Tuy nhiên, trong ứng dụng,

đặc biệt là trong các thiết bị đo tự động thì điều này là không khả thi. Do vậy,

các thiết bị phải sử dụng các phương pháp khác nhau để có thể tự động xác

định được các đỉnh của phổ.

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để có thể xác định đỉnh một

cách tự động. Ví dụ như: tìm cực đại, đạo hàm phổ, phân tích biến đổi của

đạo hàm khi qua vùng đỉnh, làm khớp bình phương tối thiểu,... Trong đó, mỗi

phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng có thể áp dụng

trong những trường hợp cụ thể.

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.

( )( )2

22e

x b

ay x A C

− − = + (3.10)

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

=

= (3.11)


Nguyễn Thị Minh

46

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

Trong đó, số liệu được đo bằng bộ phân tích MCA (Multi-Chanel

Analyzer), kết quả đo được lưu lại dưới dạng file .mca bao gồm số liệu và

một số thông số của bộ MCA. Để xử lý được số liệu, trước tiên ta phải tách

phần số liệu ra khỏi phần cấu hình. Tiếp theo số liệu cần được làm trơn để

giảm bớt nhiễu trong số liệu và xác định khoảng mà đỉnh tồn tại. Việc cuối

cùng là sử dụng phương pháp fit để tìm ra các thông số của phân bố Gauss đối

với số liệu.


Nguyễn Thị Minh

47

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 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


Nguyễn Thị Minh

48

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.

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

− − = + (3.12)

Qua đó, ta dễ dàng xác định được đỉnh phổ và độ rộng đỉnh phổ theo

(3.11).

( )

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:


Nguyễn Thị Minh

49

( ) 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.

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

Như đã trình bày trong chương 2, đầu dò NaI(Tl) cho phép chúng ta sử

dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với ưu điểm là xét đến cả năng

lượng của bức xạ thu được thông qua hàm G(E) để xác định suất liều phóng

xạ. Do vậy, hiển nhiên là phương pháp này cũng góp phần cải thiện độ chính

xác của thiết bị đo quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.


Nguyễn Thị Minh

50

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 (2.12).

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

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


Nguyễn Thị Minh

51

3.3. Nâng cao độ ổn định

Như đã biết, biên độ lối ra của đầu dò này phụ thuộc vào nhiều thông

số khác nhau như: nhiệt độ, thời gian sử dụng, thế nuôi cho PMT... Đối với

các thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm, thì ta có thể liên tục thực hiện

chuẩn thiết bị với một nguồn chuẩn. Tuy nhiên, đối với các thiết bị sử dụng

ngoài môi trường thì đây là một vấn đề tương đối phức tạp.

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.


Nguyễn Thị Minh

52

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

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


Nguyễn Thị Minh

53

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) (3.13)

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).

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.


Nguyễn Thị Minh

54

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

thực nghiệm đo được trong Bảng 3.1.


Nguyễn Thị Minh

55

KẾT LUẬN 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.


Nguyễn Thị Minh

56

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 detectors”, 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 Detectors Over Temperature -50ºC to +60ºC”, Pacific Northwest National Laboratory.


Nguyễn Thị Minh

57

PHỤ LỤC 1-Code chương trình tìm đỉnh tự động sử dụng phần mềm MATLAB

clear all; close all; clc; [filename, pathname] = uigetfile('*.mca', 'Select a data file file'); fid=fopen([pathname filename]); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); y=fscanf(fid,'%d'); fclose(fid); plot(y); x=200:500; figure; yy=smooth(y,5); plot(yy,'r'); xlim([250 600]); [xmin ymin]=ginput(1); [xmax ymax]=ginput(1); xmin=round(xmin); xmax=round(xmax); figure; ydata=yy(xmin:xmax); xdata=xmin:xmax;


Nguyễn Thị Minh

58

ymax=max(ydata(:)); plot(xdata,ydata); [a, resnorm]=lsqcurvefit(@(a,xdata) mygausian(a,xdata),[ymax

(xmax+xmin)/2 50 0],xdata',ydata); y2=mygausian(a,xdata); hold on; plot(xdata,y2,'g'); Peak=round(a(2)) FWHM=round(a(3)*2*sqrt(2*log(2))) s2=resnorm/(xmax-xmin) hold off; function f=mygausian(a,xdata) f=a(1)*exp(-1/2*((xdata-a(2))/a(3)).^2)+a(4); end

2- Hệ số G(E) tính cho đầu dò NaI(Tl) 2.5 cm x 2.5 cm

E(MeV) G(E) E(MeV) G(E) E(MeV) G(E) 0.050 6.425E-03 0.890 2.391E-01 2.460 4.884E-01 0.055 4.589E-03 0.895 2.406E-01 2.470 4.895E-01 0.060 4.085E-03 0.900 2.421E-01 2.480 4.907E-01 0.065 3.966E-03 0.905 2.435E-01 2.490 4.918E-01 0.070 3.936E-03 0.910 2.451E-01 2.500 4.930E-01 0.075 3.926E-03 0.915 2.465E-01 2.510 4.941E-01 0.080 3.937E-03 0.920 2.480E-01 2.520 4.953E-01 0.085 3.883E-03 0.925 2.494E-01 2.530 4.964E-01 0.090 4.072E-03 0.930 2.508E-01 2.540 4.975E-01 0.095 4.208E-03 0.935 2.522E-01 2.550 4.987E-01 0.100 4.390E-03 0.940 2.537E-01 2.560 4.998E-01 0.105 4.611E-03 0.945 2.551E-01 2.570 5.010E-01 0.110 4.855E-03 0.950 2.565E-01 2.580 5.021E-01 0.115 5.145E-03 0.955 2.578E-01 2.590 5.032E-01 0.120 5.445E-03 0.960 2.592E-01 2.600 5.044E-01 0.125 5.758E-03 0.965 2.606E-01 2.610 5.055E-01 0.130 6.081E-03 0.970 2.619E-01 2.620 5.067E-01 0.135 6.412E-03 0.975 2.633E-01 2.630 5.078E-01 0.140 6.749E-03 0.980 2.646E-01 2.640 5.089E-01 0.145 7.090E-03 0.985 2.660E-01 2.650 5.101E-01 0.150 7.437E-03 0.990 2.673E-01 2.660 5.112E-01 0.155 7.790E-03 0.995 2.686E-01 2.670 5.124E-01


Nguyễn Thị Minh

59

0.160 8.152E-03 1.000 2.699E-01 2.680 5.135E-01 0.165 8.523E-03 1.010 2.725E-01 2.690 5.147E-01 0.170 8.906E-03 1.020 2.751E-01 2.700 5.158E-01 0.175 9.353E-03 1.030 2.776E-01 2.710 5.169E-01 0.180 9.717E-03 1.040 2.801E-01 2.720 5.181E-01 0.185 1.015E-02 1.050 2.826E-01 2.730 5.192E-01 0.190 1.061E-02 1.060 2.850E-01 2.740 5.204E-01 0.195 1.108E-02 1.070 2.874E-01 2.750 5.215E-01 0.200 1.159E-02 1.080 2.898E-01 2.760 5.227E-01 0.205 1.212E-02 1.090 2.922E-01 2.770 5.238E-01 0.210 1.268E-02 1.100 2.945E-01 2.780 5.249E-01 0.215 1.327E-02 1.110 2.968E-01 2.790 5.261E-01 0.220 1.390E-02 1.120 2.991E-01 2.800 5.272E-01 0.225 1.456E-02 1.130 3.013E-01 2.810 5.284E-01 0.230 1.525E-02 1.140 3.030E-01 2.820 5.295E-01 0.235 1.598E-02 1.150 3.057E-01 2.830 5.307E-01 0.240 1.675E-02 1.160 3.079E-01 2.840 5.318E-01 0.245 1.756E-02 1.170 3.108E-01 2.850 5.329E-01 0.250 1.810E-02 1.180 3.121E-01 2.860 5.341E-01 0.255 1.928E-02 1.190 3.142E-01 2.870 5.352E-01 0.260 2.020E-02 1.200 3.162E-01 2.880 5.364E-01 0.265 2.116E-02 1.210 3.183E-01 2.890 5.375E-01 0.270 2.215E-02 1.220 3.203E-01 2.900 5.387E-01 0.275 2.319E-02 1.230 3.223E-01 2.910 5.398E-01 0.280 2.426E-02 1.240 3.243E-01 2.920 5.410E-01 0.285 2.537E-02 1.250 3.262E-01 2.930 5.421E-01 0.290 2.651E-02 1.260 3.281E-01 2.940 5.433E-01 0.295 2.770E-02 1.270 3.301E-01 2.950 5.444E-01 0.300 2.892E-02 1.280 3.319E-01 2.960 5.455E-01 0.305 3.017E-02 1.290 3.338E-01 2.970 5.467E-01 0.310 3.146E-02 1.300 3.357E-01 2.980 5.478E-01 0.315 3.278E-02 1.310 3.375E-01 2.990 5.490E-01 0.320 3.414E-02 1.320 3.393E-01 3.000 5.501E-01 0.325 3.553E-02 1.330 3.411E-01 3.050 5.559E-01 0.330 6.950E-03 1.340 3.429E-01 3.100 5.616E-01 0.335 3.840E-02 1.350 3.446E-01 3.150 5.673E-01 0.340 3.988E-02 1.360 3.463E-01 3.200 5.731E-01 0.345 4.139E-02 1.370 3.481E-01 3.250 5.788E-01 0.350 4.293E-02 1.380 3.498E-01 3.300 5.845E-01 0.355 4.450E-02 1.390 3.515E-01 3.350 5.902E-01


Nguyễn Thị Minh

60



Nguyễn Thị Minh

61



Nguyễn Thị Minh

62

0.760 1.972E-01 2.200 4.586E-01 7.800 1.006E+00 0.765 1.989E-01 2.210 4.597E-01 7.900 1.014E+00 0.770 2.006E-01 2.220 4.609E-01 8.000 1.022E+00 0.775 2.023E-01 2.230 4.621E-01 8.100 1.030E+00 0.780 2.040E-01 2.240 4.632E-01 8.200 1.038E+00 0.785 2.057E-01 2.250 4.644E-01 8.300 1.046E+00 0.790 2.074E-01 2.260 4.655E-01 8.400 1.054E+00 0.795 2.091E-01 2.270 4.667E-01 8.500 1.083E+00 0.800 2.107E-01 2.280 4.678E-01 8.600 1.071E+00 0.805 2.124E-01 2.290 4.690E-01 8.700 1.079E+00 0.810 2.140E-01 2.300 4.701E-01 8.800 1.088E+00 0.815 2.157E-01 2.310 4.713E-01 8.900 1.096E+00 0.820 2.173E-01 2.320 4.724E-01 9.000 1.105E+00 0.825 2.189E-01 2.330 4.735E-01 9.100 1.114E+00 0.830 2.205E-01 2.340 4.747E-01 9.200 1.122E+00 0.835 2.221E-01 2.350 4.758E-01 9.300 1.131E+00 0.840 2.237E-01 2.360 4.770E-01 9.400 1.140E+00 0.845 2.253E-01 2.370 4.781E-01 9.500 1.150E+00 0.850 2.269E-01 2.380 4.793E-01 9.600 1.159E+00 0.855 2.285E-01 2.390 4.804E-01 9.700 1.168E+00 0.860 2.300E-01 2.400 4.816E-01 9.800 1.178E+00 0.865 2.316E-01 2.410 4.827E-01 9.900 1.181E+00 0.870 2.331E-01 2.420 4.838E-01 10.000 1.197E+00 0.875 2.346E-01 2.430 4.850E-01 10.100 1.207E+00 0.880 2.361E-01 2.440 4.861E-01 10.200 1.217E+00

0.885 2.376E-01 2.450 4.873E-01 10.300 1.227E+00

nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo

Documents