Tải bản đầy đủ

LUẬN VĂN THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----

TRỊNH QUANG VINH

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH
XỬ LÝ PHỔ GAMMA TỰ ĐỘNG

Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
Mã số: 604405

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. MAI VĂN NHƠN

Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2014



LỜI CẢM ƠN
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay tác giả xin chân thành cảm ơn cha
mẹ, gia đình, thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng
như thực hiện luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến:
Thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất
nhiều trong quá trình tìm hiểu và thực hiện luận văn, hướng dẫn đề tài cũng như
dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa luận văn cho tôi.
TS Trương Thị Hồng Loan là người đầu tiên đã gợi ý, cung cấp ý tưởng
thực hiện cho tôi về sự cần thiết nghiên cứu cho luận văn này. Cô đã tận tình chỉ
bảo, đóng góp ý kiến cũng như những lời khuyên giúp tôi có thể định hướng, bổ
sung và sửa chữa kịp thời cho tôi. Cô cũng là người đồng hành những lúc tôi gặp
khó khăn.
TS Huỳnh Trúc Phương, TS Trần Thiện Thanh, ThS Nguyễn Thị Cẩm
Thu và ThS Đặng Nguyên Phương đã truyền đạt những kinh nghiệm quý báu
nhiệt tình giúp đỡ, động viên, cung cấp các tài liệu và đóng góp ý kiến cho tôi
hoàn thành tốt luận văn này.
Các đơn vị có đào tạo và nghiên cứu lĩnh vực Vật lý Hạt nhân đã hỗ trợ
cung cấp thông tin phục vụ về tình hình sử dụng phần mềm xử lý phổ gamma tại
đơn vị.
Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô đã giảng dạy trong Bộ
môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm
chúng tôi trong suốt quá trình học tập.
Xin được phép gửi lời biết ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận
xét và đóng góp những ý kiến quý báu cho luận văn.


Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thường trực Ban Cán sự Đoàn ĐHQGHCM, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn tất
khóa học và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh tôi đã
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt khóa học.
Trịnh Quang Vinh


i

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC C C ẢN ...................................................................................... vi


DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1 – SƠ LƢỢC VỀ PHỔ GAMMA ............................................................4
1.1 Bức xạ gamma và sự ghi nhận bức xạ gamma .................................................4
1.1.1

Khái quát về bức xạ gamma ................................................................4

1.1.2

Các tương tác ảnh hưởng đến sự hình thành phổ gamma ...................5

1.1.3

1.1.2.1

Hiệu ứng quang điện ..........................................................5

1.1.2.2

Tán xạ Compton ................................................................7

1.1.2.3

Hiệu ứng tạo cặp ................................................................8

Nguyên lý ghi nhận .............................................................................9

1.2 Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ .......................................................................10
1.2.1

1.2.2

Tổng quan..........................................................................................10
1.2.1.1

Phát hiện và ghi nhận số liệu ...........................................10

1.2.1.2

Phần lưu trữ dữ liệu .........................................................11

1.2.1.3

Hệ điều khiển ...................................................................11

1.2.1.4

Một vài hệ thống điển hình ..............................................11

Các thiết bị trong hệ đo bức xạ .........................................................12
1.2.2.1

Detector............................................................................12

1.2.2.2

Hệ thống điện tử ..............................................................13

1.3 Các đặc trưng của phổ bức xạ ........................................................................14


ii

1.3.1

Hình dạng phổ bức xạ .......................................................................14

1.3.2

Dạng phông .......................................................................................16

1.3.3

Dạng đỉnh quang điện .......................................................................17

Chƣơng 2 – HỆ PHỔ KẾ GAMMA – PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON
VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ PHỔ ..............................................................................19
2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp ........................................................................19
2.1.1

Đầu dò ...............................................................................................19

2.1.2

Buồng chì ..........................................................................................21

2.1.3

Nguồn chuẩn .....................................................................................21
2.1.3.1
133

Các nguồn chuẩn dạng tr

22

Na,

54

Mn,

57

Co,

60

Co,

109

Cd,

Ba, 137Cs ........................................................................................21

2.1.3.2

Nguồn chuẩn dạng Marinelli 152Eu ..................................23

2.1.3.3

Mẫu chuẩn RGU1, RGTh1 dạng Marinelli .....................24

2.1.3.4

Mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli .....................25

2.2 Phân tích kích hoạt neutron ............................................................................26
2.2.1

Giới thiệu...........................................................................................26

2.2.2

Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt..............................26

2.2.3

Hệ thống phân tích kích hoạt neutron ...............................................27
2.2.3.1

Nguồn neutron Am – Be ..................................................27

2.2.3.2

Hệ thống chuyển mẫu tự động .........................................28

2.2.4

Thiết bị và vật liệu.............................................................................29

2.2.5

Chuẩn bị mẫu ....................................................................................30

2.3 Quá trình xử lý phổ ........................................................................................30
2.4 Các bước tiến hành .........................................................................................32
2.4.1

Chuẩn hóa năng lượng và bề rộng đỉnh ............................................32
2.4.1.1

Chuẩn năng lượng ............................................................32


iii

2.4.1.2
2.4.2

2.4.3

Chuẩn bề rộng đỉnh..........................................................33

Chuẩn hiệu suất .................................................................................34
2.4.2.1

Xác định đường cong hiệu suất kép ................................34

2.4.2.2

Xác định đường cong hiệu suất tuyến tính ......................37

2.4.2.3

Xác định đường cong hiệu suất theo kinh nghiệm ..........39

2.4.2.4

Mô phỏng hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu



.........................................................................................41

Làm trơn phổ bằng bộ lọc Sacitzky – Golay 5, 7, 9, 11, 13, 15 điểm ..
...........................................................................................................42

2.4.4

2.4.5

Dò tìm đỉnh tự động ..........................................................................44
2.4.4.1

Phương pháp tìm cực đại .................................................46

2.4.4.2

Phương pháp vi phân bậc nhất cải tiến ............................46

2.4.4.3

Phương pháp vi phân bậc hai...........................................47

2.4.4.4

Phương pháp hàm tương quan chéo ................................47

Các phương pháp tính diện tích đỉnh ................................................48
2.4.5.1

Phương pháp diện tích đỉnh toàn phần ............................48

2.4.5.2

Phương pháp Wasson ......................................................48

2.4.5.3

Phương pháp Cowell .......................................................49

2.4.5.4

Phương pháp Sterlinski ....................................................49

2.4.5.5

Phương pháp Quittner ......................................................50

2.4.5.6

Tính diện tích dựa vào hàm khớp ....................................51

2.4.6

Nguồn gốc phóng xạ môi trường ......................................................51

2.4.7

Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy .................................................52

2.4.8

Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo .......................................................53

2.4.9

Phân tích mẫu môi trường .................................................................54

2.4.10 Các phương pháp tính hoạt độ mẫu môi trường ...............................57


iv

2.4.10.1

Phương pháp tuyệt đối .....................................................57

2.4.10.2

Phương pháp tương đối ...................................................58

2.4.11 Xác định hàm lượng nguyên tố bằng phương pháp k0 – INAA ........58
Chƣơng 3 – CHƢƠN

TRÌNH XỬ LÝ PHỔ TỰ ĐỘNG ..................................63

3.1 Giới thiệu ........................................................................................................63
3.2 Các thành phần của chương trình ...................................................................66
3.2.1

Sơ đồ khối chính ...............................................................................66

3.2.2

Module đọc và hiển thị phổ...............................................................67

3.2.3

Gói làm trơn phổ ...............................................................................69

3.2.4

Gói trừ phông ....................................................................................69

3.2.5

Gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh .............................................71

3.2.6

Module can thiệp đồ thị ....................................................................73

3.2.7

Gói tìm đỉnh phổ tự động ..................................................................73

3.2.8

Gói tính toán diện tích đỉnh và các gói nhận diện đồng vị phóng xạ;

gói xác định hoạt độ phóng xạ, module tra cứu thư viện đồng vị; gói định
tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm
lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư
viện phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường;
module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường..................................75
3.2.8.1

Gói tính toán diện tích đỉnh .............................................77

3.2.8.2

Gói nhận diện đồng vị phóng xạ ......................................77

3.2.8.3

Gói xác định hoạt độ nguồn .............................................78

3.2.8.4

Module tra cứu thư viện đồng vị .....................................80

3.2.8.5

Gói định tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt

neutron

81

3.2.8.6

Gói xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích

kích hoạt neutron ...............................................................................81


v

3.2.8.7

Module tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron......82

3.2.8.8

Gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường .....................83

3.2.8.9

Module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường ..83

Chƣơng 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................84
4.1 Tính diện tích đỉnh, tìm đỉnh phổ tự động, nhận diện đồng vị phóng xạ xác
định hoạt độ phóng xạ............................................................................................84
4.1.1

Tính diện tích đỉnh, tìm đỉnh phổ tự động và nhận diện đồng vị

phóng xạ .........................................................................................................84
4.1.2

Xác định hoạt độ phóng xạ ...............................................................86

4.2 Tìm đỉnh phổ tự động, định tính và xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu
phân tích kích hoạt neutron....................................................................................87
4.3 Tìm đỉnh phổ tự động và xác định hoạt độ phóng xạ môi trường..................88
KẾT LUẬN ..............................................................................................................89
NHỮN

ĐIỂM MỚI TRONG LUẬN VĂN ........................................................92

KIẾN NGHỊ VỀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................94
DANH MỤC CÔN

TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ..........................95

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................97
PHỤ LỤC ...............................................................................................................103


vi

ANH MỤC C C ẢN

Trang
Bảng 2 1 Các đặc trưng nguồn chuẩn tr

22

Na, 54Mn, 57Co, 60Co, 109Cd, 133Ba, 137Cs

...................................................................................................................................22
Bảng 2.2. Thông tin về hoạt độ phóng xạ của các mẫu RGU1, RGTh1 ...................24
Bảng 2.3. Thông tin về khối lượng, mật độ các mẫu RGU1, RGTh1 ......................24
Bảng 2.4. Thông tin về hoạt độ phóng xạ có trong mẫu chuẩn IAEA- 375 .............25
Bảng 2.5 Khối lượng mẫu chiếu ..............................................................................30
Bảng 2.6. Hằng số Kn,m và ck,n,m [4] ..........................................................................43
Bảng 2.7. Các giá trị n,m [4] .....................................................................................44
Bảng 2.8. Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy ................................53
Bảng 2.9. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên ...................54
Bảng 2 10 Các tia gamma thường được dùng trong phân tích mẫu môi trường [54]
...................................................................................................................................55
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của đầu dò HPGe-GC2018 được cung cấp bởi nhà sản
xuất [11] ....................................................................................................................80


vii

ANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................................6
Hình 1.2. Tán xạ Compton ..........................................................................................7
Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp .........................................................................................9
Hình 1.4. Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu ....................................................................10
Hình 1.5. Hệ thống đếm trùng phùng........................................................................12
Hình 1 6 Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma ..........................................................16
Hình 2.1. Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe 2018 ......................................................19
Hình 2.2. Cấu trúc đầu dò GC2018 ...........................................................................20
Hình 2.3. Mặt cắt dọc hệ đầu dò – buồng chì ...........................................................21
Hình 2.4. Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của các nguồn chuẩn dạng tr ........22
Hình 2.5. Mặt cắt dọc (a) và mặt cắt ngang (b) của nguồn chuẩn dạng Marinelli....23
Hình 2.6. Vỏ plastic mẫu chuẩn RGU1, RGTh1 dạng Marinelli ..............................24
Hình 2.7. Cấu trúc hình học mẫu chuẩn Soil IAEA-375 dạng Marinelli..................25
Hình 2 8 Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron. ......................................................27
Hình 2 9 Cấu hình nguồn neutron Am – Be ............................................................28
Hình 2 10 Hệ thống chuyển mẫu tự động ................................................................28
Hình 2 11 Sơ đồ phân rã Kali (40K) .........................................................................52
Hình 3.1. Giao diện chính của chương trình VGSpec ..............................................65
Hình 3 2 Sơ đồ khối của chương trình Xử lý phổ gamma tự động VGSpec ...........67
Hình 3 3 Sơ đồ khối của module đọc và hiển thị phổ của chương trình VGSpec ...68
Hình 3.4. Giao diện Đọc và hiển thị phổ của chương trình VGSpec ........................68
Hình 3 5 Sơ đồ khối của gói làm trơn phổ ...............................................................69


viii
Hình 3.6. Giao diện Phổ trước khi làm trơn a và phổ sau khi làm trơn b của
chương trình VGSpec ................................................................................................69
Hình 3 7 Sơ đồ khối của gói trừ phông của chương trình VGSpec .........................70
Hình 3.8. Giao diện Trừ phông của chương trình VGSpec ......................................70
Hình 3.9. Giao diện Chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh của chương trình VGSpec71
Hình 3 10 Sơ đồ khối của gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh của chương trình
VGSpec .....................................................................................................................72
Hình 3.11 Sơ đồ khối của module can thiệp đồ thị của chương trình VGSpec .......73
Hình 3.12. Giao diện Can thiệp đồ thị của chương trình VGSpec............................73
Hình 3 13 Sơ đồ khối của gói tìm đỉnh phổ tự động của chương trình VGSpec .....74
Hình 3.14. Giao diện Tìm đỉnh phổ tự động của chương trình VGSpec đối với 7
nguồn

22

Na,

54

Mn,

57

Co,

60

Co,

109

Cd,

133

Ba,

137

Cs được đo c ng lúc tại sát bề mặt

đầu d ........................................................................................................................75
Hình 3 15 Sơ đồ khối của gói tính toán diện tích đỉnh và các gói nhận diện đồng vị
phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ, module tra cứu thư viện đồng vị; gói định
tính nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng
nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư viện phân tích
kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường; module tra cứu thư
viện đồng vị phóng xạ môi trường của chương trình VGSpec .................................76
Hình 3.16. Giao diện tích toán diện tích đỉnh

133

Ba (267,3 keV) của chương trình

VGSpec đối với 7 nguồn 22Na, 54Mn, 57Co, 60Co,

109

Cd,

133

Ba,

137

Cs được đo c ng

lúc tại sát bề mặt đầu d ............................................................................................77
Hình 3.17. Giao diện Nhận diện đồng vị phóng xạ
trình VGSpec đối với 7 nguồn

22

Na, 54Mn, 57Co,

60

137

Cs (661,7 keV) của chương

Co,

109

Cd,

133

Ba,

137

Cs được đo

c ng lúc tại sát bề mặt đầu d ...................................................................................78
Hình 3.18 Giao diện Xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ
chương trình VGSpec đối với 7 nguồn

22

Na,

54

Mn,

57

Co,

60

60

Co (1173,2 keV) của

Co,

109

Cd,

133

Ba,

137

Cs

được đo c ng lúc tại sát bề mặt đầu d .....................................................................79


ix
Hình 3.19. Giao diện mô phỏng hiệu suất của đầu dò bằng phương pháp Monte
Carlo kết nối trong chương trình VGSpec ................................................................80
Hình 3.20. Giao diện Tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ của chương trình VGSpec
...................................................................................................................................81
Hình 3.21. Giao diện Xác định hàm lượng nguyên tố 115In trong mẫu phân tích kích
hoạt neutron của chương trình VGSpec ....................................................................82
Hình 3.22. Giao diện Tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron của chương trình
VGSpec. ....................................................................................................................83


1

MỞ ĐẦU

Trong quy trình phân tích đồng vị phóng xạ dựa trên việc đo phổ gamma,
vấn đề xử lý và tính toán các thông số của các đỉnh Gamma xuất hiện trong phổ có
vai trò rất quan trọng, quyết định thành công của cả một quy trình. Các thao tác xử
lý phổ hiện nay phần lớn đều dựa vào các phần mềm chuyên d ng chẳng hạn như
các Genie 2000, GammaVision, Ganaas, Sampo, Hypermet, . . . Các phần mềm này
dựa trên nhiều thuật toán khác nhau và đều có những ưu khuyết điểm riêng. Ðặc
biệt trong việc xử lý phổ của các mẫu có hoạt độ thấp như mẫu môi trường thì có sự
sai biệt khá lớn giữa các kết quả tính toán của những phần mềm này; hoặc thậm chí
là giữa các phương thức tính toán khác nhau trong cùng một phần mềm (như trường
hợp của Genie 2000).
Ðể thúc đẩy sự phát triển của các phương thức xử lý phổ, IAEA trong những
năm qua đã tổ chức một số chương trình kiểm tra năng lực của các phần mềm xử lý
phổ, trong đó về lĩnh vực xử lý phổ gamma có hai chương trình kiểm tra: IAEA
Gamma-ray Test Spectra (1995) và IAEA Gamma-ray Test Spectra for Low-Level
Spectrometry (2002). M c đích chính là nhằm kiểm tra khả năng của các phần mềm
xử lý phổ trong việc tìm kiếm đỉnh phổ tự động, tính diện tích đỉnh độc lập với tỉ lệ
đỉnh/phông nền. Do vậy, vấn đề tìm kiếm một chương trình xử lý phổ toàn diện vẫn
đang là m c tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Hiện tại, hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân,
khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia
Tp. Hồ Chí Minh ph thuộc quá lớn vào chương trình xử lý phổ đang được sử d ng
duy nhất hiện nay là Genie 2000 (phần mềm kèm theo hệ phổ kế gamma phông thấp
HPGe của hãng Canberra). Phiên bản phần mềm Genie 2000 tại Bộ môn mắc phải
một số khuyết điểm như: thư viện đồng vị phóng xạ đã cũ, kết quả tính diện tích
đỉnh không đúng trong trường hợp chồng chập phổ, không định tính nguyên tố và
xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron,.. Đối với


2
người làm thực nghiệm thì việc đánh giá hoạt độ phóng xạ của mẫu là vô cùng cần
thiết.
Các phần mềm tính toán hoạt độ phóng xạ gần đây chỉ kế thừa từ kết quả
tính diện tích đỉnh từ phần mềm Genie 2000 tại Bộ môn chứ chưa hoàn toàn tự
động hóa từ quá trình phân tích, xử lý phổ đến các quá trình nhận diện đồng vị
phóng xạ, đánh giá hoạt độ nguồn. Vì vậy, vấn đề xây dựng một chương trình xử lý
phổ gamma tự động vẫn đang là m c tiêu nghiên cứu của nhiều tác giả.
M c đích chính của luận văn là xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma
tự động cho phân tích hoạt độ môi trường và xác định hàm lượng nguyên tố trong
mẫu phân tích kích hoạt neutron bao gồm module đọc và hiển thị phổ; gói làm trơn
phổ; gói trừ phông; gói chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh; module can thiệp đồ thị;
gói tìm kiếm đỉnh phổ tự động; gói tính toán diện tích đỉnh; gói nhận diện các đồng
vị phóng xạ; gói xác định hoạt độ phóng xạ, tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính
nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng nguyên tố
trong mẫu phân tích kích hoạt neutron, tra cứu thư viện phân tích kích hoạt neutron;
gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường. Sau đó thực nghiệm đo mẫu phóng xạ
chuẩn bằng hệ phổ kế gamma phông thấp HPGe so sánh với kết quả từ chương trình
xử lý phổ gamma tự động.
Với m c đích nêu trên, luận văn bao gồm các nội dung như sau:
– Chương 1: Kết quả khảo sát các đơn vị đào tạo và nghiên cứu lĩnh vực Vật lý
Hạt nhân về tình hình sử d ng phần mềm xử lý phổ gamma ở Việt Nam; Sơ
lược về phổ gamma và sự hình thành phổ gamma, các hệ thống thiết bị
thường được d ng để ghi nhận phổ gamma và nguyên lý ghi nhận tín hiệu
trong hệ phổ kế gamma. Ðồng thời một số đặc trưng quan trọng của phổ
gamma chẳng hạn như dạng của đỉnh, phông nền cũng như các đỉnh đặc
trưng của phổ gamma cũng được nêu trong chương này
– Chương 2: Giới thiệu về hệ phổ kế gamma, phương pháp phân tích kích hoạt
neutron và các quá trình xử lý phổ Quá trình và phương pháp xử lý phổ tự


3
động bao gồm các bước: chuẩn năng lượng và bề rộng đỉnh, các thuật toán
làm trơn, tìm đỉnh tự động, tính toán làm khớp các thông số và tính toán diện
tích của đỉnh, xác định hoạt độ phóng xạ, xác định hàm lượng nguyên tố
trong mẫu bằng phương pháp phân tích kích hoạt neutron INAA sử d ng hệ
số k0.
– Chương 3: Xây dựng một chương trình xử lý phổ gamma tự động bao gồm
các module đọc và hiển thị phổ; gói làm trơn phổ; gói trừ phông; gói chuẩn
năng lượng và bề rộng đỉnh; module can thiệp đồ thị; gói tìm kiếm đỉnh phổ
tự động; gói tính toán diện tích đỉnh; gói nhận diện đồng vị phóng xạ; gói xác
định hoạt độ phóng xạ; module tra cứu thư viện đồng vị; gói định tính
nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hàm lượng
nguyên tố trong mẫu phân tích kích hoạt neutron; module tra cứu thư viện
phân tích kích hoạt neutron; gói xác định hoạt độ phóng xạ môi trường;
module tra cứu thư viện đồng vị phóng xạ môi trường Các sơ đồ khối, đặc
điểm và cách thức hoạt động của các module xử lý trong chương trình cũng
được nêu ra c thể.
– Chương 4: Một số kết quả tính toán từ chương trình đối với các nguồn chuẩn
tr

(22Na,

54

Mn,

57

Co,

60

Co,

109

Cd,

133

Ba,

137

Cs), nguồn chuẩn Marinelli

(152Eu); các mẫu môi trường chuẩn Marinelli RGU1, RGTh1, Soil IAEA-375
và các nguyên tố phân tích kích hoạt neutron (197Au, 115In, 55Mn, 98Mo, 81Br).
Các mẫu được đo từ detector HPGe tại Bộ môn, các kết quả tính toán diện
tích đỉnh, tìm kiếm đỉnh phổ tự động và nhận diện đồng vị phóng xạ được so
sánh với kết quả thu được từ Genie 2000 để kiểm định tính đúng đắn của
chương trình Ðồng thời đánh giá hoạt độ phóng xạ; định tính nguyên tố
trong mẫu, xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu bằng phương pháp phân
tích kích hoạt neutron INAA sử d ng hệ số k0; xác định hoạt độ phóng xạ
môi trường bằng chương trình đối với các mẫu chuẩn này.


4

Chƣơng 1 – SƠ LƢỢC VỀ PHỔ

1.1

AMMA

Bức xạ gamma và sự ghi nhận bức xạ gamma

1.1.1 Khái quát về bức xạ gamma
Khi hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao
chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, hoặc trở về trạng thái cơ bản sẽ
phát ra 1 lượng tử có năng lượng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng mà nó dịch
chuyển và có dạng phổ vạch Đó chính là bức xạ gamma, có bản chất của sóng điện
từ với bước sóng nhỏ hơn 10-8 cm. Tia gamma không bị lệch trong điện trường và
từ trường, có khả năng đâm xuyên rất lớn, gây nguy hiểm cho con người [42].
Bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình
hấp th và tán xạ Năng lượng của tia gamma sẽ giảm dần theo quy luật hàm mũ:

I  Ioemt

(1.1)

Trong đó:
I là cường độ chùm tia gamma sau khi qua vật chất;
Io là cường độ ch m tia gamma ban đầu;
μm là hệ số suy giảm khối (cm2/g);
ρ là mật độ khối vật chất (g/cm3);
t là bề dày của khối vật chất (cm).
Quá trình hấp th là quá trình mà tia gamma truyền toàn bộ năng lượng cho
các hạt vật chất, làm cho chúng chuyển động và tia gamma biến mất.
Quá trình tán xạ là quá trình tia gamma truyền một phần năng lượng cho các
hạt vật chất. Tia gamma sẽ giảm năng lượng đồng thời phương chuyển động cũng
thay đổi.


5
Để ghi nhận sự tương tác của bức xạ gamma với vật chất, người ta dựa vào
các hiệu ứng cơ bản mà tia gamma gây ra trong môi trường vật chất:


Hiệu ứng quang điện



Tán xạ Compton



Hiệu ứng tạo cặp
Ngoài ra còn có một số hiệu ứng khác như tán xạ Thomson (có xác suất thấp

nên có thể được bỏ qua), phản ứng quang hạt nhân…
1.1.2 Các tƣơng tác ảnh hƣởng đến sự hình thành phổ gamma
Khi đi xuyên qua vật chất, tia gamma sẽ tương tác với vật chất theo nhiều cơ
chế khác nhau, có thể là tương tác quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh,
hiệu ứng tạo cặp, hay phản ứng quang hạt nhân Tuy nhiên, đối với các tia gamma
phát ra từ những đồng vị phóng xạ thông thường, chỉ có tương tác quang điện, tán
xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp là tham gia chủ yếu vào việc tạo thành tín hiệu
xung trong detector. Ngoài ra, hiệu ứng bremsstrahlung của các electron cũng đóng
góp vào sự hình thành phông nền của phổ gamma [44].
1.1.2.1

Hiệu ứng quang điện
Là quá trình tương tác mà năng lượng bức xạ tới bị electron hấp th hoàn

toàn và bứt ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức
xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Hiệu ứng quang điện không xảy ra
với electron tự do.
Tiết diện của hiệu ứng quang điện qd 

1
E

Khi năng lượng bức xạ E tiến dần đến năng lượng liên kết Elk thì tiết diện
quang điện tăng theo tỉ lệ qd 

1
E

7

.
2

Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra với các electron ở lớp K. Tiết diện của


6
nó ph thuộc chủ yếu vào năng lượng bức xạ và điện tích hạt nhân môi trường.

Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
Với năng lượng liên kết nhỏ (cỡ eV) và E> Elk:
7

 

qd K


2
16 5 13,61
 1,09.10 Z 
 E 
  

(1.2)

 Z5 
 1,34 1023  
E 
 

(1.3)

Với E>>Elk thì

 

qd K

Đối với những vật liệu nặng (Z lớn) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện
lớn ngay cả với những tia gamma có năng lượng cao Đối với những vật liệu nhẹ thì
hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với những tia gamma có năng lượng thấp.
Tỉ số tiết diện của hiệu ứng quang điện ở các tầng khác nhau

 
 

qd L

qd K



 qd M  1
1

5
 qd  20

(1.4)

K

Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra đối với bức xạ có năng lượng thấp và
vật chất nặng (Z lớn). Ngoài ra, hiệu ứng quang điện còn kèm theo việc phát tia X
đặc trưng và electron Auger


7
Hiệu ứng quang điện là cơ chế hấp th bức xạ chủ yếu trong vật chất nặng
[44].
1.1.2.2

Tán xạ Compton
Là tương tác của bức xạ với các electron tự do trong đó bức xạ truyền một

phần năng lượng cho electron và lệch hướng so với ban đầu.

Hình 1.2. Tán xạ Compton
Tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton được tính bởi Tamn và KleinNishina và kiểm chứng bằng thực nghiệm:
2

 2 1  cos  
d C
1  cos 2 
 

2
 re 
1

2 
2
d
 2 1   1  cos      1  cos   1   1  cos    

Trong đó:

e2
là bán kính cổ điển của electron;
re 
mec2



hv
m0c2

 là góc tán xạ.
Từ đó:

(1.5)


8

1  3k 
1  k  2 1  k  ln 1  2k   ln 1  2k 

C  2re2  2 




2
k
2k
1  2k  


 k  1  2k

(1.6)

Trường hợp đặc biệt
α << 1:

26


C  Th 1  2   2  ... 
5


với Th

(1.7)

8 e4
là tiết diện Thomson

3 me2c4

α >> 1:

C  re2
1.1.2.3

11

  ln 2 
2


(1.8)

Hiệu ứng tạo cặp
Là quá trình tương tác trong đó bức xạ biến mất trong trường hạt nhân sinh

ra một cặp electron và positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electronpositron này và nhân giật l i Quá trình tương tác xảy ra chủ yếu với bức xạ có E ≥
1,022 MeV.
Các electron và positron sinh ra trong trường điện từ của hạt nhân nên dưới
tác động của lực Coulomb:
– Positron bay ra khỏi và electron bị hãm lại Do đó, phổ năng lượng đo được
khác nhau với hai loại bức xạ này. Sự khác biệt càng lớn khi Z của môi
trường lớn.
– Năng lượng giật lùi của hạt nhân là đáng kể trong trường hợp hai hạt bay ra
vuông góc với bức xạ tới và ngược chiều nhau
Xác suất của hiệu ứng tạo cặp thay đổi xấp xỉ tỉ lệ với Z2 và tăng đối với các
nguyên tố có Z cao chẳng hạn như chì hay uranium Trong chì, xấp xỉ 20% số tương


9
tác là của tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp, và tỉ lệ là 50% đối với tia gamma
có năng lượng 2 MeV Đối với cacbon thì các tỉ lệ tương ứng là 2% và 4% [44].

Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Trong khoảng năng lượng cao, do tiết diện của hiệu ứng quang điện và
Compton giảm đến 0, vì vậy hiệu ứng tạo cặp trở thành cơ chế hấp th năng lượng
chủ yếu.
1.1.3 Nguyên lý ghi nhận
Việc ghi nhận bức xạ hạt nhân thông qua những tương tác của bức xạ với vật
chất Năng lượng trao đổi (mất mát) của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ được
biến đổi thành một dạng năng lượng khác phù hợp với quá trình ghi nhận. Thông
thường, năng lượng mất mát của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ được chuyển
thành các xung điện. Các xung này mang những thông tin đặc trưng về bức xạ và
được xử lý thông qua các thiết bị điện tử của hệ thống ghi nhận. Cuối cùng các xung
này được biểu diễn dưới dạng số đếm hoặc các phổ bức xạ tùy vào thiết bị lưu trữ
hay m c đích ban đầu của thí nghiệm.


10

1.2

Hệ thống ghi nhận phổ bức xạ

1.2.1 Tổng quan

Hình 1.4. Hệ thiết bị hạt nhân tiêu biểu
Một hệ thống ghi nhận bức xạ có thể chia làm ba phần cơ bản, và tùy thuộc
vào yêu cầu và m c đích của việc ghi nhận mà mỗi hệ sẽ có mức độ đơn giản hay
phức tạp khác nhau.
– Phát hiện bức xạ và chọn lựa số liệu
– Lưu trữ số liệu
– Điều khiển.
1.2.1.1

Phát hiện và ghi nhận số liệu
Phần này bao gồm detector là nơi bức xạ tương tác với môi trường vật chất

của detector qua đó chuyển hóa năng lượng tiêu hao của bức xạ thành các xung
điện Các xung điện này mang những thông tin về bức xạ ghi nhận như cường độ,
năng lượng cũng như loại bức xạ Sau đó, các xung điện này được chuyển qua bộ
khuếch đại để làm tăng biên độ xung. Tiếp đến, bộ phận phân tách có nhiệm v loại


11
bỏ các xung không phù hợp với m c đích ghi nhận, các xung có biên độ nhỏ hơn
một giá trị ngưỡng đặt trước. Ngoài ra, với m c đích đặc biệt, phần ghi nhận còn có
bộ trùng phùng hoặc đối tr ng ph ng để xem xét các xung điện xuất hiện đồng thời
hay không đồng thời từ hai hay nhiều kênh đo
Phần lƣu trữ dữ liệu

1.2.1.2

Phần tiếp theo của hệ ghi nhận bức xạ là một hệ thống bao gồm các thiết bị
điện tử có tác d ng lưu trữ các thông số về bức xạ được ghi nhận thông qua phần
phát hiện và ghi nhận. Tùy thuộc vào m c đích thực nghiệm cũng như thiết kế hệ đo
mà phần này có thể là một máy đếm, máy đo tốc độ đếm hoặc thiết bị phân tích
xung hay là một hệ thống các thiết bị trên. Nếu phần này là một máy phân tích độ
cao xung thì chức năng của nó nối tiếp ngay sau bộ phân thứ nhất vì máy phân tích
có thể phân chia các xung theo biên độ vào các phần khác nhau của bộ phân lưu trữ
dữ liệu trong chính nó.
Hệ điều khiển

1.2.1.3

Tầng cuối cùng trong một hệ ghi nhận có chức năng điều khiển toàn bộ thiết
bị và ghi nhận, biểu diễn số liệu. Việc biểu diễn số liệu có thể thông qua các thiết bị
vẽ đồ thị, các màn hình biểu diễn hay suất ra dưới dạng băng từ, file số liệu. Hiện
nay, thành phần này có thể tích hợp vào một máy vi tính cá nhân.
Một vài hệ thống điển hình

1.2.1.4

Hệ thống đếm xung: Đây là một trong những hệ thống đơn giản với m c đích
chủ yếu là thống kê số lượng bức xạ được phát ra ở một giới hạn năng lượng đặt
trước.
Hệ đo tr ng ph ng: Là hệ thống tương đối phức tạp, có thể đếm số xung
trùng phùng ở lối ra từ hai detector đồng thời tiến hành lấy phổ biên độ một cách
độc lập.
Hệ thống đo phổ bức xạ: đây là hệ phổ kế được sử d ng để đo năng lượng
của bức xạ. Detector và khuếch đại sẽ được chọn sao cho biên độ tín hiệu xung ra


12
có quan hệ tuyến tính với năng lượng bức xạ. Xung ra sẽ được xử lý thông qua một
máy phân tích độ cao xung đơn kênh hoặc đa kênh rồi qua máy đếm. Hệ thiết bị
được kiểm soát tốc độ đếm một cách liên t c nhờ máy đo tốc độ đếm.

Hình 1.5. Hệ thống đếm trùng phùng
1.2.2 Các thiết bị trong hệ đo bức xạ
1.2.2.1

Detector
Detector là thành phần chính của một hệ ghi nhận bức xạ.. Chức năng chính

của chúng là phát hiện và chuyển đổi năng lượng của các bức xạ. Khi bức xạ đi vào
detector, nó sẽ tương tác với môi trường vật chất của detector và mất toàn bộ hay
một phần năng lượng của nó cho detector Năng lượng hao h t này sẽ được chuyển
đổi thành xung điện ở lối ra.
Một vài loại detector thường dùng là:
– Detector nhấp nháy (NaI, Plastic . . .)
– Detector bán dẫn (HPGe, Si(Li). . .)


13
– Detectorchứa khí (buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, detector Geiger Muller)
– Ống đếm Cerenkov
1.2.2.2

Hệ thống điện tử
Một hệ thống điện tử ph c v cho việc ghi nhận bức xạ bao gồm rất nhiều

thành phần Chúng thường được chia thành các khối (Module) khác nhau, mỗi khối
thực hiện một công việc c thể. Các khối chủ yếu của hệ ghi nhận bức xạ:
– Khối cao thế: cung cấp điện áp cho detector hoạt động.
– Khối tiền khuếch đại: tạo ra kết nối tối ưu giữa lối ra của detector và các khối
điện tử phía sau của hệ phổ kế, loại bỏ ảnh hưởng của các xung nhiễu.
– Khối khuếch đại: chức năng chính là khuếch đại biên độ của xung. Nó có thể
khuếch đại biên độ xung lên hàng nghìn lần hoặc nhiều hơn Một chức năng
quan trọng nữa của khối khuếch đại là biến đổi dạng xung của khối tiền
khuếch đại thành dạng phù hợp với m c đích của thực nghiệm Đa số khối
khuếch đại cho ra hai dạng xung: xung đơn cực và xung đa cực.
– Khối phân biệt biên độ hay khối phân tích đơn kênh: nhiệm v chính của
khối này là loại bỏ nhiễu hay loại bỏ các xung không mong muốn Thường
khối này có hai chế độ làm việc: là phân biệt chế độ xung và phân tích đơn
kênh.
– Bộ đếm: bộ đếm d ng để đếm số xung xuất hiện ở lối ra của khối phân tích
đơn kênh phân biệt biên độ xung). Cứ mỗi lần xuất hiện xung đến bộ đếm
thì số đến sẽ tăng một đơn vị. Khi thời gian đo kết thúc, bộ đếm sẽ hiển thị
tổng số đếm.
– Khối thời gian: được nối với khối đếm. chức năng chính của khối này là điều
khiển hoạt động của khối đếm.
– Khối phân tích đa kênh: chức năng chính của khối này là số hóa biên độ của
xung. Khối này c n được gọi là khối biến đổi tương tự – số ADC (Analog to


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×