BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tên đề tài:

XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM
DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG
THẤP TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN,
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

Mã số: CS.2010.19.109

Chủ nhiệm đề tài: CN. Phạm Nguyễn Thành Vinh

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tên đề tài:

XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM
DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG
THẤP TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN,

- Khảo sát sự phụ thuộc
của đường cong hiệu suất
thực nghiệm theo khoảng
cách đầu dò và nguồn.

Trương Trường Sơn Khoa Vật lý, Trường Đại
học Sư phạm Tp.HCM

- Thiết kế, lắp đặt và tiến
hành thực nghiệm.


MỤC LỤC
Trang
Mục lục
Tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài (tiếng Việt)
Tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài (tiếng Anh)
MỞ ĐẦU

1
1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

2

3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu


DETECTOR HPGe CHO HỆ PHÂN TÍCH GAMMA PHÔNG THẤP TẠI
PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ HẠT NHÂN, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
TP.HCM
Mã số: CS.2010.19.109
Chủ nhiệm đề tài: CN. Phạm Nguyễn Thành Vinh
Tel: 0909013856
E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài : Trường Đại học Sư phạmTp.HCM.
Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: CN. Trương Trường Sơn
Thời gian thực hiện: Từ tháng 4/2010 – 4/2011
1. Mục tiêu: Chuẩn hóa hệ đo, đánh giá một số thông số kỹ thuật của hệ phổ kế gamma
đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu phổ gamma ban đầu cũng như xây dựng đường cong
hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của detector HPGe cho hệ phổ kế dựa trên bộ
nguồn chuẩn có sẵn của PTN.
Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu của PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM, đó là bộ thông số kỹ thuật đánh giá khảo sát trực tiếp ban đầu khi đưa hệ phổ
kế gamma mới được trang bị vào hoạt động.
Kết quả này là dữ liệu tham khảo có giá trị cho quá trình sử dụng và nghiên cứu
trên hệ phổ kế sau này.
2. Nội dung chính:
Đánh giá các thông số vận hành của hệ phổ kế; phân tích các đặc trưng của phổ
gamma như: dạng đỉnh, đỉnh năng lượng toàn phần, mép tán xạ Compton, đỉnh tán xạ
ngược, đỉnh thoát đơn, thoát đôi, tỷ số P/C.
Khảo sát hiện tượng trôi kênh theo thời gian.


Mẫu 1.10 CS

Xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm theo năng lượng của detector tại các
khoảng cách 5 cm, 10 cm và 15 cm kể từ nguồn đến detector.

3. Results obtained:
- Data set of gamma spectrums and efficiency curves of the spectrometer.
- One article and one conference report.


-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các kỹ thuật ghi đo bức xạ đã được phát triển không ngừng kể từ khi hiện tượng
phóng xạ được phát hiện bởi Becquerel vào năm 1896. Sự ra đời của detector bán dẫn
như detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) và detector silicon (Si) trong những
năm 1960 đã cách mạng hóa lĩnh vực đo phổ gamma. Kỹ thuật đo phổ gamma đã trở
thành công nghệ tiên tiến trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng như đo
hoạt độ phóng xạ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên, sử dụng trong phép phân tích kích
hoạt để đo các đồng vị không có tính phóng xạ hoặc trong phương pháp huỳnh quang
tia X với độ chính xác rất cao. Hiện nay ước tính có hơn 10000 detector bán dẫn đang
được vận hành trên toàn thế giới [3]. Hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe đã
được ứng dụng rộng rãi trong việc đo đạc các nguồn phóng xạ với khoảng năng lượng
trải dài từ vài keV đến hàng MeV. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và miền năng
lượng tia gamma quan tâm, người ta chế tạo detector HPGe với nhiều cấu hình khác
nhau như detector Ge có năng lượng cực thấp ULEGe, detector Ge có năng lượng thấp
LEGe, detector Ge đồng trục điện cực ngược REGe, detector đồng trục Coaxial Ge
hoặc detector Ge dạng giếng Well.
Ở Việt Nam, từ lâu nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như:
Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, TTHN
Tp.HCM cũng như Trường ĐHKHTN Tp.HCM đã được trang bị các hệ phổ kế gamma
loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp [5].
Những công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ
phổ kế này thường tập trung vào các vấn đề như: nghiên cứu về khả năng che chắn của

Kết quả của đề tài sẽ đóng góp vào cơ sở dữ liệu của PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM, đó là bộ thông số kỹ thuật đánh giá khảo sát trực tiếp ban đầu khi đưa hệ phổ
kế gamma mới được trang bị vào hoạt động. Kết quả này là dữ liệu tham khảo có giá trị
cho quá trình sử dụng và nghiên cứu trên hệ phổ kế sau này.


-3-

3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
Tiếp cận vấn đề nghiên cứu thông qua trao đổi chuyên môn với các đồng nghiệp,
các chuyên gia trong cùng lĩnh vực, thông qua việc nghiên cứu tài liệu, các tạp chí
khoa học trong và ngoài nước đã được đăng tải hoặc từ mạng Internet.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe
GEM 15P4 của hãng Ortec, Inc. đặt tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM và bộ
nguồn chuẩn RSS – 8EU với các nguồn chuẩn điểm

133

Ba,

109

Cd,

57

Co,

60


1.1. Các thông số hệ điện tử
1.1.1. Các thông số vận hành của hệ điện tử
Các thông số vận hành của amplifier, MCA và ADC của hệ phổ kế được trình bày
trong bảng 1.
Bảng 1. Thông số cơ bản của hệ điện tử
Thông số
Amplifier gain

Giá trị
0,98

Coarse gain

20

Shaping

6

Gate

Off

Conversion Gain

8192

Lower level Disc

50

thời gian 20 phút. Kết quả đo được lưu lại dưới dạng phổ.
+ Hai đỉnh năng lượng 1173,24 keV và 1332,5 keV của nguồn 60Co được sử
dụng để khảo sát.

Hình 1. Giá đỡ nguồn


-6-

Bảng 2. Mối tương quan giữa tốc độ đếm theo cao thế
Cao thế (V)
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900

14,12
17349
14,46
18034
15,03
17754
14,80
17964
14,97
17840
14,87
17386
14,49
17631
14,69

Đỉnh 1332,5 keV
Số đếm
Tốc độ đếm
7872
6,56
8119
6,77
8748
7,29
9432
7,86
9707
8,09
10428

Bảng 3. Mối tương quan giữa độ phân giải năng lượng (FWHM) theo cao thế
Cao thế
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400

FWHM
(tại đỉnh 1172,24 keV)
3,65
3,64
3,57
3,53
3,38
3,37
2,98
2,95
2,93
2,86

2800
2900
3000

2,65
2,67
2,67
2,66
2,69
2,72

2,68
2,72
2,73
2,71
2,76
2,78

Mối tương quan giữa tốc độ đếm và FWHM vào cao thế tương ứng cho từng đỉnh
năng lượng được mô tả trong hình 2 và hình 3.
16

14

Tốc độ đếm (C/s)

12

10



3000

3200

Cao thế (V)

(a)
14

12

Tốc độ đếm (C/s)

10

8

6

4

2

0
800

1000

1200

4.00

3.50

3.00

FWHM

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00
800

1000

1200

1400

1600

1800

1.5

1

0.5

0
800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

gamma của môi trường xung quanh.
Mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì dựa trên các tiêu chí sau: Tốc độ
đếm tổng của toàn dải năng lượng gamma từ 100 keV đến 2000 keV tính trong 1 s, tốc
độ đếm tổng tốt thường dưới 1 s-1 [6]. Tốc độ đếm theo đỉnh năng lượng là diện tích
đỉnh năng lượng gamma quan tâm trong 1 s, tốc độ đếm này càng nhỏ càng tốt. Tỷ số
trong ngoài là tỷ lệ diện tích đỉnh năng lượng quan tâm trong và ngoài buồng chì, tỷ số
này càng nhỏ càng tốt [6].
Để đánh giá mức độ che chắn phông phóng xạ của buồng chì cần tiến hành thí
nghiệm như sau:
+ Đo phông trong buồng chì: Đóng nắp buồng chì và tiến hành đo đạc. Phông
trong buồng chì được đo trong 1 ngày (86400 s).
+ Đo phông ngoài buồng chì: Do điều kiện không thể dịch chuyển detector ra
khỏi buồng chì. Chúng tôi đã tiến hành mở nắp buồng chì và đo đạc. Phông ngoài
buồng chì được đo trong 1,5 ngày (129600 s).


- 10 -

+ Kết quả được lưu lại dưới dạng phổ và được trình bày tại phụ lục 3.
+ Sau khi xử lý thu được kết quả như bảng 4.
Bảng 4. Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện trong phép đo phông đối với hệ
phổ kế gamma tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM: N1 là tốc độ đếm ngoài buồng
chì, N2 là tốc độ đếm trong buồng chì
Năng lượng
gamma (keV)

Nguồn phát

N1


28,8

8,6

16,32

3,34

186,2

226

Ra

222,6

24,6

20,2

9,05

1,21

Ac (232Th)

157,5

-


Ac (232Th)

108,8

-

-

-

-

277,4

208

Tl (232Th)

82,2

-

-

-

-

295,2


327,6

228

Ac (232Th)

66,9

-

-

-

-

338,3

228

77,3

-

-

-

-


-

Hủy cặp

96,0

30,0

11,2

3,20

2,68

18,4

-

-

-

-

Tl (232Th)

71,2

7,4


511,0

Ac (232Th)

562,3

228

Ac (232Th)

583,1

208

609,3

214

137

661,6

1

Tốc độ đếm (10-3 s-1)

727,2

212




- 11 -

794,7

228

Ac (232Th)

835,5

228

860,4

208

911,1

228

934,1

214

969,1

228


19,9

-

-

-

-

Ac (232Th)

44,8

-

-

-

-

Bi (226Ra)

12,3

-

-


6,4

-

-

-

-

K

113,3

15,3

1,6

7,41

9,56

Ac (232Th)

4,9

-

-



228

1764,5

214

Bi (226Ra)

Tốc độ đếm tổng (s-1)

Bảng 4 cho thấy rằng buồng chì của hệ phổ kế tại PTN VLHN, Trường ĐHSP
Tp.HCM đã cải thiện đáng kể phông phóng xạ của môi trường xung quanh detector.
Tốc độ đếm tổng được cải thiện hơn 6 lần khi đậy nắp buồng chì. Tuy nhiên, tốc độ
đếm trong vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 200 keV) là tương đối cao ngay cả khi đã
được che chắn bằng buồng chì. Như vậy, việc che chắn của buồng chì trong vùng năng
lượng thấp là không tốt, gây khó khăn trong quá trình đo đạc, nghiên cứu các bức xạ
gamma mềm có năng lượng tương đối thấp, chẳng hạn như trong nghiên cứu tính toán
hoạt độ của 238U sử dụng đỉnh 63,3 keV [2], [16], [18].
Tốc độ đếm phông tổng trong trạng thái che chắn của buồng chì là 3,06 s-1 là
tương đối cao so với giá trị danh định khoảng 1 s-1 [6], cao gấp 2,71 lần so với tốc độ
đếm phông tổng trong cùng trạng thái của buồng chì tại TTHN Tp.HCM. Tại đỉnh năng
lượng 661,66 keV của 137Cs, tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại TTHN Tp.HCM lớn
hơn tốc độ đếm phông của hệ phổ kế tại PTN VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM. Ngoài
ra, tốc độ đếm phông ở tất cả các đỉnh năng lượng khác ứng với hệ phổ kế tại TTHN
Tp.HCM đều cho kết quả tốt hơn hẳn tốc độ đếm phông đối với hệ phổ kế tại PTN
VLHN, Trường ĐHSP Tp.HCM. Từ đó có thể kết luận, phông phóng xạ môi trường


- 12 -

thường chỉ cần làm khớp đến bậc nhất.
Để chuẩn năng lượng, các nguồn chuẩn phóng xạ với các năng lượng tương ứng
đã được sử dụng như sau: 133Ba (81 keV, 276 keV, 303 keV, 356 keV, 384 keV); 109Cd
(88 keV); 57Co (122 keV, 136 keV); 60Co (1172,24 keV, 1332,5 keV); 54Mn (835 keV);


- 13 22

Na (511 keV, 1275 keV);

65

Zn (1115,33 keV). Các nguồn được đặt cách bề mặt

detector 10 cm và được đo với thời gian thích hợp để đảm bảo đủ số đếm thống kê.
Bảng 5. Mối tương quan giữa năng lượng và vị trí kênh của đỉnh năng lượng tương
ứng
Năng lượng (keV)
81,00
88,00
122,00
136,00
276,00
303,00
356,00
384,00
511,00
835,00
1115,55
1172,24


600

400

200

0
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000



Đường chuẩn năng lượng với các hệ số a và b trình bày trong bảng 6 và hình 4
cần được kiểm chứng để khẳng định độ tin cậy của việc tính toán. Với mục đích trên,
nguồn chuẩn 65Zn được sử dụng để tính toán các đặc trưng phổ dựa vào đường chuẩn
đã có và so sánh kết quả tính toán với lý thuyết. Nguồn chuẩn 65Zn được sử dụng bởi
các lý do sau: đây là nguồn phát gamma đơn năng nên phổ năng lượng tương đối đơn
giản, đồng thời 65Zn là nguồn phát   nên trong phổ sẽ xuất hiện đỉnh hủy cặp, năng
lượng gamma của 65Zn phát ra là đủ lớn (1115,55 keV) để tạo ra các đỉnh thoát đơn và
thoát đôi trong phổ. Tuy nhiên, do xác suất xuất hiện của đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát
đôi tương đối thấp nên khó quan sát rõ các đỉnh này khi thời gian đo không đủ lớn.
Nguồn 65Zn được tiến hành đo đạc trong 14 h cách detector 10 cm.

Đỉnh thoát
đôi
93,44 keV
Đỉnh tán xạ
ngược
222,87 keV

Đỉnh hủy cặp
511,17 keV

Quang đỉnh
1115,91 keV

Mép Compton
908,83 keV

Hình 5. Phổ năng lượng của nguồn chuẩn 65Zn


2097

511,27

511,00

0,054

Mép Compton

3725

908,83

907,66

0,129

Đỉnh tán xạ ngược

916

222,87

207,88

7,213

Đỉnh thoát đôi


- 16 -

Để khảo sát sự phụ thuộc của đại lượng FWHM theo năng lượng, nguồn 226Ra của
hãng Leybold Didactic GmbH được mượn từ PTN Bộ môn VLHN, Trường ĐHKHTN
Tp.HCM và đo trong 24 giờ. Đây là nguồn có dạng đĩa tròn đường kính 65 mm, bề dày
5 mm làm bằng hợp kim chứa 226Ra đặt trong một hốc hình giếng của giá đỡ bằng thép
không gỉ hình trụ. Trên giá đỡ này có một đầu nối bằng đồng hình bầu dục đàn hồi
nhằm tạo sự thuận tiện khi lắp đặt nguồn trong các thí nghiệm.

Hình 6. Cấu trúc nguồn 226Ra


- 17 -

Bảng 8. Giá trị FWHM tương ứng với từng đỉnh năng lượng trong phổ gamma của
226

Ra

Năng lượng (keV)

FWHM (keV)

295

1,38

352

1,42


2,09

1729

2,27

2.5

2.3

FWHM (keV)

2.1

1.9

FWHM  a  b E  cE 2

1.7

1.5

1.3
200

400

600



Co được chọn để phân tích một phổ gamma đặc trưng do các

nguyên nhân sau: nguồn

60

Co là một nguồn đa năng, phát ra hai tia gamma có năng

lượng lớn (1172,24 keV và 1332,5 keV), hai tia gamma này phát ra liên tiếp nhau nên
tạo ra hiệu ứng trùng phùng tổng. Tuy nhiên, trong phạm vi của đề tài, MCA của hệ đo
được giới hạn đo đến năng lượng tối đa là 2000 keV nên hiệu ứng trùng phùng tổng và
phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng tổng không được đề cập đến. Ngoài ra, năng
lượng của cả hai tia gamma đều thỏa mãn điều kiện xảy ra quá trình tạo cặp (lớn hơn
1022 keV), trong phổ gamma ghi nhận được có thể quan sát các đỉnh thoát đôi và thoát
đơn của cả hai lượng tử gamma này. Vì xác suất xuất hiện của các đỉnh thứ cấp này là
tương đối nhỏ nên cần phải đo trong một khoảng thời gian tương đối dài.
2.3.1. Các đặc trưng cơ bản của hàm đáp ứng
Nguồn 60Co được đo cách mặt detector 10 cm trong thời gian 2,5 ngày (216000 s).
Phổ gamma thu được có dạng như hình 8.
Pb K  1
DE 2
Pb K  1

1172.24 keV

1332.5 keV

K40