Xác định các đặc trưng của hệ phổ kế gamma
bán dẫn Be5030

Lê Đức Thiện

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05
Người hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Văn Loát
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về các dạng đêtectơ bán dẫn Ge, tìm hiểu sơ đồ nguyên lý của
hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra được làm lạnh bằng điện. Thông qua việc
ghi nhận phổ việc ghi nhận phổ của các nguồn chuẩn trên hệ đo đã hiểu rõ hơn quá
trình tương tác của bức xạ gamma với vật liệu đêtectơ và nguyên tắc làm việc của hệ
phổ kế gamma bán dẫn BEGe-Canberra nói riêng và hệ phổ kế gamma nói chung.
Tiến hành đánh giá một số thông số đặc trưng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra: xác định sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng (FWHM) vào thời gian
hình thành xung, kết quả nhận được với thời gian hình thành xung là 4μs độ phân giải
năng lượng là tốt nhất; tìm hiểu quá trình vận hành hệ phổ kế gamma chọn chế độ làm
việc thích hợp kết quả chỉ ra rằng chế độ làm việc thích hợp của hệ phổ kế gamma bán
dẫn BEGe- Canberra: thế nuôi là 4000V, hệ số khuếch đại với chỉnh thô là 20, chỉnh
tinh là 0,9, thời gian hình thành xung là 4μs; khảo sát sự phụ thuộc của độ phân giải
năng lượng vào năng lượng của bức xạ gamma; khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất
ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ; xây dựng được đường cong hiệu suất ghi
đối với cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali
trong 02 mẫu đất đá.

Keywords: Vật lý hạt nhân; Hệ phổ kế gamma bán dẫn; Bức xạ Gamma; Gamma bán
dẫn


40
K
Bản luận văn dài 51 trang gồm 17 hình vẽ và 10 bảng biểu, được hoàn chỉnh dựa trên
12 tài liệu tham khảo.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm ba chương
Chương 1. Tổng quan về các đêtectơ bán dẫn Gecmani
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm
Chương 3. Kết quả thực nghiệm.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐÊTECTƠ BÁN DẪN GECMANI
1.1. Các loại đêtectơ bán dẫn Gecmani
1.1.1. Những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực chế tạo Đêtectơ bức xạ tia gamma và tia X
Năm 1962, Pell và một số nhóm nghiên cứu khác đã chế tạo thành công đêtectơ Ge
(Li) đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu bán dẫn để
chế tạo đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma cũng như các loại đetectơ phát hiện các
hạt mang điện khác. Để tập hợp điện tích tốt, loại đêtectơ này phải chế tạo dưới dạng tinh thể .
Chỉ có một số ít vật liệu bán dẫn như silicon và gecmani mới có thể dùng để chế tạo các loại
đêtectơ ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma có độ phân giải cao này. Các đêtectơ làm bằng vật
liệu bán dẫn Ge cho phép đo được một dải năng lượng rộng, trong khi đó các đêtectơ làm

3
bằng vật liệu bán dẫn Si chỉ đo được ở vùng năng lượng thấp vì số nguyên tử của silicon thấp.
Đêtectơ Ge (Li) có độ phân giải cao ( FWHM cỡ 5 keV tại vạch năng lượng 1332 keV của
đồng vị phóng xạ
60
Co ) và tốt hơn 10 lần so với đêtectơ nhấp nháy NaI (T1). Đặc biệt từ năm
1980 người ta đã chế tạo thành công các đêtectơ bán dẫn gecmani siêu tinh khiết có nhiều tính
chất tốt hơn so với các thế hệ đêtectơ bán dẫn trước đấy và nâng cao đáng kể độ chính xác
trong các phương pháp phân tích hạt nhân. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng
lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo đêtectơ HPGe ở một số cấu hình theo hãng

sao cho với điện áp ngược
thích hợp, thể tích toàn thể giữa các điện cực được làm nghèo và điện trường mở rộng qua
vùng hoạt này. Dải năng lượng sử dụng của đêtectơ Ge đồng trục là 50 keV đến hơn 10 MeV .
Đêtectơ Ge đồng trục điện cực ngƣợc
Đêtectơ điện cực ngược ( REGe ) [1] khác với các đêtectơ đồng trục thông thường
khác đó là điện cực của đêtectơ REGe ngược với đêtectơ đồng trục thông thường trong đó
điện cực loại P, ( B được nuôi cấy ion ) bên ngoài và tiếp xúc loại N ( khuếch tán Li ) bên
trong. Ưu điểm cho bố trí điện cực này: độ dày cửa sổ và chống hỏng hóc do bức xạ.
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa
Đêtectơ Ge dải rộng XtRa [1] là một đetectơ Ge đồng trục có một tiếp xúc cửa sổ
mỏng duy nhất trên mặt trước mở rộng dải năng lượng xuống tới 3 keV. Các đêtectơ đồng
trục thông thường có tiếp xúc khuếch tán Li điển hình với độ dày giữa 0,5 và 1,5 mm. Lớp
chết này dừng hầu hết các photon có năng lượng dưới 40 keV.
Đêtectơ giếng Gecmani
Đêtectơ giếng Ge [1] cung cấp hiệu suất cao cho các mẫu nhỏ gần như được bao
quanh bằng vật liệu đêtectơ hoạt. Đêtectơ giếng được chế tạo bằng một lỗ cụt để lại ít nhất
5mm độ dày đêtectơ hoạt tại đáy của giếng. Đêtectơ giếng được chế tạo từ Ge có độ tinh khiết
cao có thể được vận chuyển và bảo quản tại nhiệt độ phòng mà không bị hỏng .
1.2. Hiệu suất ghi của đêtectơ
Trong các bài toán phân tích và đo phổ gamma, thường quan tâm tới hiệu suất ghi ứng
với đỉnh hấp thụ toàn phần. Hiệu suất ghi ứng với đỉnh hấp thụ toàn phần thường được gọi là
hiệu suất ghi tuyệt đối, được xác định theo công thức sau:

()
abs
rm
N
E
AI t


truyền năng lượng bức xạ ion hóa cho các cặp phần tử tải điện, ω là năng lượng cần thiết để
tạo 1 cặp điện tử lỗ trống.

C

thăng giáng do sự ghi nhận các điện tích trong đetectơ [10].

.
C
CE


(
C
là hệ số tỷ lệ
onsC c t
). (1.5 )

e

thăng giáng do nhiễu điện tử trong việc xử lí các xung [10].

e
A


( A là hằng số tỷ lệ ) ( 1.6 )
Trong các trường hợp có thể bỏ qua thăng giáng do độ rộng mức năng lượng [10]:
Suy ra
2 2 2 2 2 2 2 2

nuôi cao áp

Hình 2. 1b. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe - Canberra
1. Đêtectơ BEGe 5. Khuếch đại tuyến tính
2. Nguồn nuôi cao áp 6. Máy phân tích biên độ nhiều kênh
3. Tiền khuếch đại 7. Máy tính
4. Máy phát xung chuẩn
2.2. Một số thông số kỹ thuật đặc trƣng của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe –
Canberra
2.2.1. Đêtectơ BEGe
Có dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV[6]. Độ phân giải năng lượng ở vùng năng
lượng thấp của BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của đêtectơ Ge năng lượng
thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng
lượng của đêtectơ đối xứng trục chất lượng tốt.
Quan trọng nhất là BEGe có hình dạng ngắn và to giúp tăng hiệu suất ghi dưới 1 MeV
cho mẫu có cấu trúc hình học điển hình. Hình dạng đêtectơ được chọn cho hiệu suất ghi tối ưu
đối với các mẫu thực tế trong dải năng lượng là quan trọng nhất để phân tích phổ gamma.
Trong luận văn này sử dụng đetectơ bán dẫn Gecmani giải năng lượng rộng ( BEGe )
model BE5030l, số Seri 12078311, với tinh thể có đường kính 80.5mm, diện tích 5000 mm
2
,
chiều dày 31mm, làm lạnh bằng điện cần 24 giờ để làm lạnh đêtectơ từ nhiệt độ phòng 300K
xuống nhiệt độ làm việc của hệ là 90K, đetectơ do hãng Canberra sản xuất .
1
2

3
5
6
7

2.2.5. Khối cao thế Canberra model 3106D
Là một khối cao thế phù hợp với tất cả các loại đêtectơ có mức điện áp trên 6 kV và
cường độ dòng trên 30μA. Điện thế lối ra có thể thay đổi liên tục từ ± 30 V tới ±6000 V. Với
các đêtectơ dùng thế thấp, có một lối ra thứ 2 với điện thế trung bình trong khoảng từ ±3 V tới
± 600V và phải đảm bảo độ ổn định.
2.2.6. Khối phân tích đa kênh
Gồm có bộ biến đổi tương tự số và bộ phân tích đa kênh (MCA). Bộ biến đổi tương tự
số biến đổi xung lối ra của khối khuyếch đại phổ thành giá trị số. Phương pháp phổ biến nhất
là phương pháp Wilkinson: biên độ xung lối vào V
0
được so sánh với điện áp tăng tuyến tính
V
r
cho đến khi V
r
= V
0
thì xuất hiện một xung mở cổng. Độ rộng của xung này bằng khoảng

8
cách thời gian cần thiết để V
r
= V
0
.Trong thời gian cổng được mở các xung đồng hồ tần số
cao được đi qua cổng và được đếm bởi bộ đếm địa chỉ.
2.3. Đƣờng chuẩn năng lƣợng
Đường chuẩn năng lượng là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của vị trí cực đại đỉnh hấp thụ
toàn phần vào năng lượng của vạch bức xạ gamma tương ứng. Để xây dựng đường chuẩn
năng lượng bằng thực nghiệm cần phải xác định vị trí đỉnh hấp thụ toàn phần của vạch




(2.1)
trong đó: ε là hiệu suất ghi của đêtectơ
E là năng lượng tia gamma
E
0
=1 keV
a
i
là các hệ số làm khớp.
9

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Xác định chế độ làm việc của hệ phổ kế BEGe – Canberra
Theo khuyến cáo của hãng, thế làm việc của đetectơ là 4000 V, trong thực nghiệm của
luận văn, thế luôn được giữ cố định ở mức 4000 V. Để chọn chế độ đo và ghi nhận phổ ban
đầu tiến hành xác định hệ số khuếch đại. Hệ số khuếch đại được chọn sao cho đêtectơ có thể
ghi nhận được các vạch gamma từ 3 keV tới 3 MeV. Kết quả thực nghiệm chọn được hệ số
khuếch đại với chỉnh thô: 20 và chỉnh tinh là: 0,9.
Bảng 3.1. Độ phân giải năng lượng tại vạch 661,66 keV ứng với thời gian hình thành của
xung.
Bảng 3.1 đưa ra giá trị độ phân giải năng lượng tại vạch 661,66 keV ứng với thời gian

1,932

10
0 2 4 6 8 10 12 14
0
2
4
6
8
10FWHM
FWTM
FWTM/FWHM
Do rong
Thoi gian hinh thanh xung (s)

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng của năng lượng tại một nửa chiều cao
của đỉnh (FWHM ) và độ rộng năng lượng tại 1/10 chiều cao của đỉnh (FWTM), tỉ số (
FWTM / FWHM ) vào thời gian hình thành xung, sử dụng nguồn
137
Cs ở khoảng cách từ
nguồn tới đêtectơ 8cm.
Trong thực nghiệm tiếp theo của khóa luận chọn chế độ làm việc của hệ phổ kế gamma
bán dẫn BEGe - Canberra: Cao thế đặt vào nuôi đetectơ là 4000 V, hệ số khuếch đại với chỉnh
tinh (fine): 0,9 và chỉnh thô, (coarse): 20, thời gian hình thành xung là 4μs.
3.2. Đƣờng chuẩn năng lƣợng
Do đêtectơ BEGe là đêtectơ dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV, nên để xây
dựng đường chuẩn năng lượng trong luận văn đã chọn các nguồn chuẩn

E (keV)
I(%)
( kênh )
241
Am
59,541
25,9
174
109
Cd
88,04
3,61
262
57
Co
122,06
85,6
366
136,47
10,68
409
137
Cs
661,66
85,1
2004
54
Mn
834,85
99,976


Hình 3.5. Đường chuẩn năng lượng đêtectơ BEGe – Canberra

3.3. Sự phụ thuộc của độ phân giải năng lƣợng vào năng lƣợng bức xạ gamma.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của độ phân giải năng lượng ( FWHM ) vào năng lượng
của bức xạ gamma tôi đã sử dụng các nguồn chuẩn
241
Am,
109
Cd,
57
Co ,
137
Cs,
54
Mn,
60
Co,
22
Na,
133
Ba, .Các nguồn được đặt cách đêtectơ 8 cm. Phổ gamma của các nguồn chuẩn được
đo sao cho diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các bức xạ gamma đặc trưng được chọn có
sai số thống kê nhở hơn 1%.
Từ số liệu thực nghiệm thu được, sử dụng phần mềm Origin xây dựng đường cong
mô tả sự phụ thuộc độ phân giải năng lượng vào năng lượng bức xạ gamma (Hình 3.6)
Độ phân giải năng lượng tuyệt đối tăng theo năng lượng bức xạ gamma theo hàm số
có dạng:
82
1.0995 10 0.00185 1.40298E E E

Nguồn
E ( keV )
Hệ số phân
nhánh
I
γ
(%)
Diện tích đỉnh
hấp thụ toàn
phần S
Thời gian
đo t
m
(s)
Hiệu suất ghi
ε
241
Am
59,541±2%
35,90±4%
578820±0,14%
196,65
0,0275±0,0012
109
Cd
88,04±5%
3,61±10%
10199±1,1%
759,33
0,0471±0,0052

99,97±7%
11646±0,98%
142,26
0,0032±0,0002
1332,501±5%
99,98±4%
10472±0,99%
142,26
0,0029±0,0001
133
Ba
53,161±1%
2,19±22%
3380±2,67%
161,50
0,0308±0,0068
356,017±2%
62,05±19%
33612±0,56%
161,50
0,0108±0,0021
22
Na
1274,520±2%
99,94±14%
15610±0,81%
229,48
0,0039±0,0054
Hàm số mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần vào năng lượng
của bức xạ gamma có dạng:

thụ toàn bộ năng lượng. Khi đó năng lượng tăng hiệu suất ghi không thay đổi.
Phần giảm của hiệu suất ghi theo năng lượng được giải thích là do kích thước đêtectơ
là hữu hạn và khi năng lượng bức xạ gamma tăng xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm

16
dần và hiện tượng tán xạ Compton nhiều lần chiếm ưu thế, xác suất để tia gamma bay ra khỏi
đêtectơ tăng dẫn tới hiệu suất ghi giảm khi năng lượng tăng.
3.5. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ,
đỉnh 834,848 keV của
54
Mn được chọn để nghiên cứu. Với khoảng cách từ nguồn tới đêtectơ
thay đổi, thời gian ghi nhận phổ được thay đổi tương ứng để sao cho diện tích đỉnh hấp thụ
toàn phần được xác định với sai số nhỏ hơn 1%.
0 50 100 150 200 250
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
HiÖu suÊt ghi
Kho¶ng c¸ch tõ nguån tíi ®Çu dß (mm)
etectơ

3.6. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi, phân tích mẫu đất đá.

U là : 228 ± 2 Bq/kg .
Để đảm bảo đồng nhất hình học đo giữa mẫu chuẩn và mẫu phân tích , mẫu chuẩn và
mẫu phân tích được đựng trong hộp hình trụ plastic có đường kính trong 10cm. Mẫu chuẩn và
mẫu phân tích được đầm nén sao cho chiều cao của mẫu phân tích và mẫu chuẩn xấp xỉ nhau.
Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được nhốt ít nhất trong vòng 20 ngày trước khi đo để thiết lập
trạng thái cân bằng phóng xạ. Mẫu chuẩn và mẫu phân tích được đặt ngay sát đêtectơ . Khối
lượng mẫu chuẫn là 99 gam.
. Đường cong hiệu suất ghi đối với hình học đo mẫu phân tích đất đá được đưa ra trên
hình 3.10. Sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng có dạng:
ln 43,19419 27,16359ln 6,41001(ln )^ 2 0,63866(ln )^3 0,02338ln( )^4E E E E

     2
0.99511R 

Trong đó: R là hệ số làm khớp.
Bảng 3.7. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng cho các
đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn .
Nguồn
E ( keV)
Hoạt độ
phóng xạ
A (Bq)
Hệ số phân
nhánh
Iγ (%)
Diện tích
đỉnh hấp thụ

6466
0,0831±0,0061

18

Hình 3.11. Đường cong hiệu suất ghi được ghi nhận bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn với mẫu
chuẩn RGU1 được đặt trên nắp đêtectơ.
3.7. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của U, Th, K trong mẫu đất đá.
Hoạt độ phóng xạ của Thori và Uran được xác định dựa vào các vạch gamma của các
đồng vị phóng xạ trong dãy. Các mẫu đất đá sau khi gia công nghiền nhỏ được nhốt trong 20
ngày để thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ giữa Rađi và sản phẩm con cháu của Rađi. Sau
khi nhốt, mẫu được đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn siêu tinh khiết dải rộng BEGe-BE 5030
do hãng Canberra cung cấp với cấu hình đo giống như đo mẫu chuẩn RGU. Sử dung phần
mềm Genie 2000- 3.0 để phân tích phổ gamma. Việc tính toán hoạt độ của các đồng vị phóng
xạ được thực hiện bằng phần mềm đi kèm với hệ đo.

Kết quả phân tích
214
Pb
242,2
446.4772
7,258
1.35E+05
0,0436±0,0043
234Th

295,22
446.4772
19,3
3.11E+05

0,0143±0,0009
1238,11
446.4772
5,79
25200
0,0132±0,0009
1764,49
446.4772
15,4
14674
0,0111±0,0076
100 1000
1E-3
0.01
0.1
1
Hieu suat ghi
Nang luong gamma E(keV)
Diem thuc nghiem
Duong khop

19
Căn cứ vào tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần đã trừ phông, và đường cong hiệu
suất ghi đã xác định được hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị phóng xạ Uran, Thori và Kali.
Kết quả được cho ở Bảng số 3.8a
Bảng 3.8.a. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy Uran,
Thori và kali trong mẫu đất đá BN
Đồng vị phóng xạ
Hoạt độ riêng (Bq/Kg)
Ghi chú

Dãy
232
Th
40
K
15,2±1,2
40
K

Trên Hình 3.12b đưa ra phổ gamma mẫu đất đá có ký hiệu BT, hoạt độ riêng của một
số đồng vị phát bức xạ gamma cường độ mạnh trong dãy
238
U,
232
Th và vạch gamma của
40
K.
Bảng số 3.8b là kết quả xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ trong
hai dãy phóng xạ tự nhiên và Kali.
Bảng 3.8b. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong dãy Uran,
Thori và kali trong mẫu đất đá BT
Đồng vị phóng xạ
Hoạt độ riêng (Bq/Kg)
Ghi chú
214
Pb
8,68±1,16
Dãy
238
U

K
10,9 ± 1,5
40
K

Trong phạm vi sai số các đồng vị trong dãy
238
U và
232
Th ở trạng thái cân bằng phóng
xạ. Kết quả này phù hợp với kết quả lý thuyết được chỉ ra[5]. Các dãy phóng xạ tự nhiên
trong đất đá nằm ở trạng thái cân bằng phóng xạ. Sử dụng hoạt độ phóng xạ của các đồng vị
trong 2 bảng trên tiến hành xác định hàm lượng của Uran, Thori và kali trong 2 mẫu trên. Kết
quả cho trong bảng số 3.8c
Bảng 3.8c. Hàm lượng U,Th,K trong 02 mẫu đất đá phân tích
STT
Tên mẫu
Màu đất đá
U (ppm)
Th (ppm)
K (%)
1
BN
Màu vàng
0,85
5,46
0,055
4
BT
Màu vàng

gamma.
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào khoảng cách từ nguồn tới đetectơ.
Đã xây dựng được đường cong hiệu suất ghi đối với cấu hình đo mẫu đất đá, áp dụng
để xác định hàm lượng Uran, Thori, Kali trong 02 mẫu đất đá. Kết quả chỉ ra rằng: Trong
phạm vi sai số các đồng vị phóng xạ trong dãy
238
U và
232
Th ở trạng thái cân bằng.

References
Tiếng Việt
[1]. Đinh Sỹ Hiền (2005), Điện tử hạt nhân đầu dò bán dẫn và xử lý tín hiệu,
NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh.
[2]. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và kỹ thuật, TP Hồ
Chí Minh.
[3]. Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội.
[4]. Nguyễn Triệu Tú ( 2007 ), Ghi nhận và đo lường bức xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà
Nội, Hà Nội.
[5]. Đặng Huy Uyên (2004), Vật lý hạt nhân đại cương, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà
Nội.
Tiếng Anh
[6]. Canberra industries Inc (1999), Germanium detector, User’s Manual 12
th
Edition, New
York.
[7]. Canberra industries Inc (1999), Model 2026 spectroscopy Amplifier, User’s Manual 12
th

Edition, New York .