ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN THỊ CẨM THU
KHẢO SÁT PHÔNG NỀN VÀ TỐI ƯU HÓA
HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGe
TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
MÃ SỐ: 60-44-05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN
n và mẫu phân tích.
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 này.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo của trường THPT Trí Đức,
nơi tôi công tác, đặc biệt là thầy Võ Duy Khôi đã tạo điều kiện thuận lợi về thời
gian để tôi hoàn tất khóa học này.
Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đỗ Văn Hào, người đã miệt mài chế tạo
những chiếc hộp cho quá trình nghiên cứu của tôi.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạ
n bè xung quanh tôi đã
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học.
Nguyễn Thị Cẩm Thu
2.2.1 Tritium (
3
T) 33
2.2.2 Cacbon-14 (
14
C) 33
2.2.3 Beryllium-7 (
7
Be) 34
2.3 Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy 34
2.4 Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo 39
2.5 Các đồng vị phóng xạ thường hiện diện trong phông nền phổ kế gamma 40
2.6 Khảo sát phông nền của hệ phổ kế HPGE tại bộ môn vật lý hạt nhân 42
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
FSA SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 45
3.1 Thuật toán di truyền 45
3.1.1 Biểu diễn di truyền 47
3.1.2 Tạo quần thể ban đầu 48
3.1.3 Tính
độ thích nghi cho mỗi cá thể 48
3.1.4 Quá trình chọn lọc tự nhiên 48
3.1.5 Quá trình sinh sản 49
3.1.5.1 Quá trình sinh sản 49
3.1.5.2 Lai bố mẹ 50
3.1.5.3 Đột biến cá thể con 51
3.1.6 Tạo quần thể mới 52
3.1.7 Điều kiện dừng 52
3.1.8 Ưu điểm và hạn chế của thuật toán di truyền 52
3.1.8.1 Ưu điểm 52
3.1.8.2 Hạn chế 53
Các kí hiệu
A: hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ tại thời điểm đo
A
m
: hoạt độ riêng của mẫu đo tại thời điểm đo (Bq/kg)
A
s
: hoạt độ riêng của mẫu chuẩn tại thời điểm đo (Bq/kg)
C: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng mà ta quan tâm
c: tốc độ của ánh sáng trong chân không
C
B
: phần đóng góp của phông nền vào trong phổ S
C
K
: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ
40
K
C
m
: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu đo
C
s
: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu chuẩn
C
Th
: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ
232
Th
I
s
: cường độ phát tia gamma của mẫu chuẩn
M: khối lượng mẫu
m
0
: khối lượng nghỉ của electron
P
γ
: xác suất phát tia gamma đang khảo sát
R: tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần (số đếm/giây)
R: bán kính mẫu dạng Marinelli
2
r: bán kính mẫu hình trụ
S: số phân rã của nguồn trong một giây (Bq)
S: phổ cần phân tích
S
B
: phổ phông nền tự nhiên
S
K
: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ
40
K
S
Th
: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ
232
Th
S
CalEff: Calculating Efficiency
FSA: Full Spectrum Analysis
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
TTKTHN: Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân
WA: Windows Analysis
3
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các tia gamma thường được sử dụng trong phân tích mẫu môi trường 27
Bảng 1.2. Những hiệu chỉnh đối với sự nhiễu đỉnh trong phép đo
226
Ra và
235
U 29
Bảng 2.1. Hoạt độ trung bình của một số hạt nhân phóng xạ phổ biến được tạo ra do
bức xạ vũ trụ 34
Bảng 2.2. Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy 39
Bảng 2.3. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên 40
Bảng 2.4. Diện tích đỉnh của những đồng vị đóng góp đáng kể vào phông nền phổ
kế gamma HPGe được đo trong thời gian 3 ngày (259200s) 44
Bảng 3.1. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng trụ được dùng trong
thí nghiệm 56
Bảng 3.2. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng Marinelli được dùng
trong thí nghiệm 56
Bảng 3.3. Hoạt độ của mẫu đá bazan được tính bằng hai phương pháp WA và FSA 59
Bảng 3.4. Hoạt độ của mẫu đá trắng được tính bằng hai phương pháp WA và FSA. 59
Bảng 3.5. Hoạt độ của mẫu Zr-B được tính bằng hai phương pháp WA và FSA 60
Al 21
Hình 1.11. Sự tạo đỉnh hủy 511 keV trên phổ gamma 21
Hình 1.12. Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của
28
Al 22
Hình 1.13. Dạng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector đồng trục loại
p trên thang logarit 23
Hình 2.1. Sơ đồ phân rã Kali (40K) 35
Hình 2.2. Chuỗi phân rã Uranium (
238
U) 36
Hình 2.3. Chuỗi phân rã Actinium (
235
U) 37
Hình 2.4. Chuỗi phân rã Thorium (
232
Th) 38
Hình 2.5. Sơ đồ hệ detector – buồng chì 43
Hình 3.1. Cắt chuỗi bit của bố mẹ a và b để tạo con c và d 46
Hình 3.2. Đột biến bằng cách đảo bit của ba mẹ a để tạo cá thể con b 46
Hình 3.3. Sơ đồ của thuật toán di truyền 47
Hình 3.4. Sự biểu diễn di truyền của một nghiệm 48
Hình 3.5. Phép lai hai điểm 51
Hình 3.6. Các kích thước của hộp đựng mẫu hình học dạng trụ và Marinelli 56
5
Hình 3.7. Đèn hồng ngoại và dụng cụ làm phẳng mẫu 57
Hình 3.8. Các mẫu đo dạng trụ 57
Hình 3.9. Các mẫu đo dạng Marinelli 57
Hình 3.10. Sơ đồ khối hiệu chỉnh lệch phổ 58
đạt giá trị cực đại ứng với R = 5,5cm và h
1
= 6,7cm 74
Hình 4.12. Hai hộp đựng mẫu với cấu hình quy ước và cấu hình tối ưu trong [1] 77
6
Hình 4.13. Hiệu suất tối ưu của dạng trụ và Marinelli theo thể tích mẫu đo với tia
gamma năng lượng 100 keV 79
Hình 4.14. Giá trị ‘hiệu suất × thể tích’ của các cấu hình tối ưu dạng trụ và
Marinelli theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV 80
Hình 4.15. Giá trị ‘hiệu suất × thể tích’ của các cấu hình tối ưu dạng trụ và
Marinelli quy ước theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV 81
7
Compton, do thống kê và những sai số về mặt kĩ thuật do hệ đo gây ra. Một ưu điểm
nổi bật khác là có thể rút gọn được thời gian tính toán. Trong phương pháp FSA,
hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tại trong mẫu đo được
8
tính dựa trên kĩ thuật làm khớp giữa phổ mẫu đo và các phổ chuẩn thực nghiệm của
các đồng vị phóng xạ hiện diện trong mẫu.
Một trong những công trình đầu tiên áp dụng phương pháp FSA vào phân
tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe là công trình của Katse Piet Maphoto
(2004) [25]. Tác giả đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy
238
U,
232
Th và
40
K trong các mẫu cát, đất và quặng. Kết quả cho thấy sự phù hợp khá
tốt giữa hai phương pháp WA và FSA. Công trình gần đây nhất về phương pháp
FSA là của R.T. Newman và các cộng sự (2008) [29]. Với các mẫu đo khảo sát
được, nhóm tác giả cũng đã đạt được sự phù hợp của hai phương pháp này là dưới
10%.
Ở trong nước, phương pháp FSA cũng đã lần đầu tiên được tìm hiểu trong
khóa luận tốt nghiệp của Lê Thị H
ổ (2008) [2]. Tuy nhiên, sai số đạt được trong
khóa luận vẫn còn khá cao, khoảng dưới 30%. Do đó, trong luận văn này, tác giả đã
tiếp tục nghiên cứu vấn đề này với mục tiêu nhằm đạt được sự phù hợp tốt hơn giữa
hai phương pháp.
Trong quá trình đo đạc phóng xạ, bên cạnh việc lựa chọn thiết bị đo và
phương pháp xử lý phổ, còn một vấn đề khác đóng vai trò quyết định là ph
ải lựa
chọn cấu hình đo sao cho có thể ghi nhận số đếm đỉnh một cách tốt nhất. Do hoạt độ
phóng xạ trong mẫu môi trường tương đối thấp nên để tăng số gamma được ghi
[1] năm 2008 về cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli thể tích 450ml, tác giả đã
khảo sát trên khoảng mật độ mẫu từ 0,8 đến 1,6g/ml và năng lượng từ 255keV đến
1926keV.
Dù cho đã có không ít công trình nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa hình học
đo, tuy nhiên chưa có công trình nào khảo sát cấu hình tối ưu củ
a cả hai dạng hình
học trụ và Marinelli cùng lúc để giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu
hình tối ưu tốt và thuận tiện nhất. Do vậy, trong luận văn này, một sự khảo sát khá
toàn diện đã được thực hiện nhằm đưa ra cấu hình tối ưu của mẫu dạng trụ và dạng
Marinelli đối với hệ phổ kế HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường ĐHKHNTN
TPHCM. Những kết quả thu được từ luận văn sẽ góp phần giúp cho các nhà thực
nghiệm có thể lựa chọn cấu hình một cách tốt nhất cho mẫu đo.
Với những mục đích nêu trên, tác giả đã thực hiện luận văn với bố cục bao
gồm 4 chương:
10
Chương 1 – Phổ gamma và các phương pháp xử lý phổ gamma: trình bày các
khái niệm cơ bản về phổ gamma, nguyên tắc hình thành phổ gamma, giới thiệu khái
quát về hai phương pháp đang được sử dụng để xử lý phổ gamma là phương pháp
WA và FSA.
Chương 2 – Phông nền phóng xạ môi trường: trình bày về nguồn gốc hình
thành phông nền phóng xạ môi trường, các loại phông nền phóng xạ, khảo sát các
chuỗi và đồng vị phóng xạ có trong phông nền hệ phổ kế HPGe tại B
ộ môn Vật lý
Hạt nhân.
Chương 3 – Xác định hoạt độ phóng xạ bằng phương pháp Full Spectrum
Analysis và thuật toán di truyền: giới thiệu về thuật toán di truyền và ứng dụng của
nó trong việc phân tích hoạt độ mẫu bằng phương pháp FSA.
Chương 4 – Tối ưu hóa hình học đo của mẫu thể tích: khảo sát cấu hình tối
ưu của các mẫu dạng trụ và Marinelli theo thể tích và năng lượng tia gamma tới.
đo đạc hoạt độ phóng xạ bằng các hệ phổ kế gamma.
1.1 PHỔ GAMMA
1.1.1 Ghi nhận phổ gamma
Phần lớn các đồng vị phóng xạ đều có khả năng phát ra bức xạ gamma với
các mức năng lượng và cường độ khác nhau. Để ghi nhận phổ gamma do một đồng
vị phát ra phải dựa vào tương tác giữa tia gamma với vật chất, ở đây chính là
detector. Do tương tác giữa vật chất trong detector với tia gamma rất phức tạp nên
các vạch phổ này bị nở ra. Kết quả
là phổ gamma trong thực nghiệm là một sự phân
bố liên tục của độ cao xung trong đó có chứa hệ thống các đỉnh năng lượng toàn
phần có bề rộng xác định. Hình 1.1 mô tả sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma.
12
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma
1.1.2 Các tương tác ảnh hưởng lên 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.
1.1.2.1 Hấp thụ quang điện
Hiện tượng hấp thụ quang điện xảy ra do tương tác gi
ữa photon với một
trong những electron liên kết trong một nguyên tử.
Electron bay ra từ lớp vỏ của nguyên tử (Hình 1.2) với động năng E
e
được
Hình 1.2. Cơ chế của hấp thụ quang điện
Mức năng lượng mà từ đó electron được giải phóng phụ thuộc vào năng
lượng của tia gamma. Hầu hết các electron phóng ra là electron ở lớp K. Trong
trường hợp năng lượng tia gamma không đủ để bứt electron lớp K thì nó sẽ bứt các
electron ở các mức cao hơn chẳng hạn như L hoặc M. Điều này dẫn đến những
điểm gián
đoạn trong đường cong hấp thụ quang điện. Những cạnh hấp thụ này xảy
ra tại những giá trị năng lượng liên kết tương ứng với các lớp vỏ electron. Ví dụ
trong hình 1.3, đối với Ge cạnh hấp thụ K xảy ra tại 11,1keV. Đối với CsI, có 2
cạnh K, một cạnh tương ứng với lớp K của iodine tại 33,16 keV, một cạnh tại lớp K
của caesium 35,96 keV. Nếu photon có năng lượng dưới những giá trị năng lượng
này, chỉ có các electron ở lớp cao hơn bị bứt ra.
Xác suất để một photon chịu hấp thụ quang điện có thể được biểu diễn qua
tiết diện hấp thụ σ
a
. Qui luật của σ
a
như sau [16]
mn
a
EZ
γ
∝σ (1.2)
ở đây n và m nằm trong dải từ 3 đến 5 tùy thuộc vào năng lượng của tia gamma. Ví
dụ, một số hàm đã được đưa ra là
5.35
EZ
γ
và
năng lượng của tia gamma đều bị hấp thụ và tạo thành đỉnh quang điệ
n toàn phần.
(Do nguyên lý bảo toàn động lượng, một lượng rất nhỏ năng lượng của photon được
chuyển thành năng lượng giật lùi của nguyên tử và có thể được bỏ qua trong thực
nghiệm.)
Cạnh hấp thụ K
Cạnh hấp thụ L
N
ăn
g
lư
ợ
n
g
tia
g
amma
(
keV
)
Hệ
số
suy
giảm
tuyến
tính
(m
-1
)
α
Năng lượng tia gamma (keV)
Cường
độ
tương
đốiĐỉnh thoát tia X của Iodine
16
Khi nguyên tử chì có trong các vật liệu che chắn xung quanh detector hấp thụ
photon, phát ra từ nguồn đo hay từ các nguồn xung quanh, nó sẽ phát ra tia X đặc
trưng. Các tia X này thường có năng lượng nằm trong khoảng 70 – 85 keV. Trong
thực tế, người ta thường sử dụng thêm một số lớp vật liệu bọc bên trong buồng chì
để chắn các tia X này. Có thể đặt kế tiếp với lớp chì là một lớp cadmium, lớp này
hấp thụ gần như toàn bộ tia X do chì phát ra. Sau
đó đến lượt cadmium phát ra tia X
đặc trưng của nó và được lớp đồng kế tiếp lớp cadmium hấp thụ hết. Cuối cùng, các
tia X do đồng phát ra có năng lượng thấp khoảng 8 – 9 keV thì chỉ cần một lớp
lastic mỏng là hấp thụ hết.
1.1.2.2 Tán xạ Compton
Tán xạ Compton là tương tác trực tiếp giữa photon với một electron được
xem như tự do. Tán xạ Compton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng từ 150keV
đến
9MeV đối với germanium và ở vùng năng lượng từ 50keV đến 15MeV đối với
silicon. Hình 1.6 trình bày cơ chế tán xạ Compton của photon lên electron liên kết
yếu với nguyên tử của mô trường.
cm/cos1E1
1
1EE
(1.4)
với E
e
là năng lượng của electron sau khi tán xạ
E
γ
là năng lượng của tia gamma tới
θ là góc tán xạ của tia gamma
m
0
là khối lượng nghỉ của electron
c là tốc độ của ánh sáng trong chân không
Năng lượng của photon sau tán xạ là
()
2
0
cmcos1E1
E
E
θ−+
=
′
γ
γ
γ
(1.5)
phụ thuộc vào góc tán xạ θ của photon. Đối với các trường hợp góc tán xạ nhỏ, hầu
như không có phần năng lượng nào truyền cho electron và photon thứ cấp mang
toàn bộ năng lượng của photon tới. Trong trường hợp tán xạ ngược, tức góc tán xạ
lớn nhất θ = 180
0
, năng lượng truyền cho electron Compton lớn nhất và có giá trị
[]
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
+
−=
γ
γ
2
0
e
cm/E21
1
1EE
(1.8)
khi đó năng lượng của photon thứ cấp là
nhận. Đỉnh quang điện toàn phần này cách cạnh Compton một khoảng năng lượng
đúng bằng năng lượng của photon tán xạ ngược. Vùng phổ ứng với sự tán xạ
Compton nhiều lần của photon thứ cấp kéo dài từ cạnh Compton đến đỉnh quang
19
điện toàn phần của photon tới. Hình 1.8 minh họa phổ tán xạ Compton của tia
gamma có năng lượng 662 keV của
137
Cs.
Hình 1.8. Phổ của nguồn
137
Cs
Một phần photon phát ra từ mẫu bị tán xạ bởi các lớp chắn xung quanh
detector. Các photon có góc tán xạ lớn, nằm trong khoảng từ 120
0
đến 180
0
, mới lọt
được vào detector. Dù năng lượng của photon tới bằng bao nhiêu chăng nữa thì
năng lượng của các photon tán xạ này cũng nằm trong khoảng 200 – 300 keV [19].
Những tia gamma này làm phổ gamma trong vùng năng lượng này bị dâng cao. Hình 1.9. (a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector
(b) Năng lượng của photon tán xạ theo góc tán xạ
Đỉnh tán xạ ngược
Vùng tán xạ Compton nhiều lần
Vùng chồng chập xung
Cạnh của vùng
Copyright: Tài liệu đại học ©