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 ƢU HÓA
HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE
TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010


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 ƢU HÓA
HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE
TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƢỢNG CAO
MÃ SỐ: 60-44-05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010



Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo của trường THPT Trí Đức,
nơi tôi công tác, 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, bạn bè xung quanh tôi đã
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học.
Nguyễn Thị Cẩm Thu


MỤC LỤC
Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt ................................................................... 1
Danh mục các bảng ................................................................................................... 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị..................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 7
CHƢƠNG 1. PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÍ PHỔ
GAMMA .................................................................................................................11
1.1 Phổ gamma .........................................................................................................11
1.1.1 Ghi nhận phổ gamma ............................................................................11
1.1.2 Các tương tác ảnh hưởng lên sự hình thành phổ gamma ........................12
1.1.2.1 Hấp thụ quang điện..................................................................12
1.1.2.2 Tán xạ Compton ......................................................................16
1.1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp .....................................................................20
1.1.2.4 Bức xạ hãm .............................................................................22
1.2 Hiệu suất của detector ghi nhận phổ gamma .......................................................22
1.3 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị có trong mẫu .......24
1.3.1 Phương pháp WA..................................................................................24
1.3.1.1 Phương pháp tuyệt đối .............................................................25
1.3.1.2 Phương pháp tương đối ...........................................................25
1.3.1.3 Phương pháp WA trong phân tích mẫu môi trường ..................26

3.1.8.2 Hạn chế ...................................................................................53
3.2 Áp dụng thuật toán di truyền trong phương pháp FSA ........................................53
3.2.1 Chi bình phương ( 2) trong phương pháp FSA .....................................53
3.2.2 Áp dụng thuật toán di truyền để tìm hoạt độ của các đồng vị phóng xạ
trong tự nhiên ........................................................................................54
3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường bằng phương pháp FSA..................55
3.3.1 Chuẩn bị mẫu đo ...................................................................................55
3.3.2 Hiệu chỉnh các phổ................................................................................58
3.4 Kết quả tính toán và nhận xét ..............................................................................59


3.4.1 Kết quả tính toán ...................................................................................59
3.4.2 Nhận xét ...............................................................................................60
CHƢƠNG 4. TỐI ƢU HÓA HÌNH HỌC ĐO CỦA MẪU THỂ TÍCH ...............62
4.1 Tính toán giá trị hiệu suất ...................................................................................62
4.2 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng trụ ...........................................................64
4.2.1 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và chiều cao mẫu tối ưu ......65
4.2.2 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và mật độ mẫu .....................69
4.2.3 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính mẫu ..........................................70
4.3 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng Marinelli .................................................72
4.3.1 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính R và chiều cao h1......................73
4.3.2 Khảo sát cấu hình tối ưu của hộp Marinelli với thể tích mẫu 450ml ......75
4.4 Lựa chọn cấu hình tối ưu trong đo đạc mẫu phóng xạ môi trường .......................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................


1

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT


2

r: bán kính mẫu hình trụ
S: số phân rã của nguồn trong một giây (Bq)
S: phổ cần phân tích
SB: phổ phông nền tự nhiên
SK: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 40K
STh: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 232Th
SU: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 238U
t: thời gian đo mẫu
tm: thời gian đo mẫu đo (s)
ts: thời gian đo mẫu chuẩn (s)
Z: nguyên tử số
hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối của tia gamma
: góc tán xạ của tia gamma
mật độ mẫu
a:
c:

tiết diện hấp thụ
tiết diện tán xạ Compton

: góc tán xạ của electron Compton.
2

: Chi bình phương

Các chữ viết tắt
ANSI: American National Standards Institute

năng lượng gamma khác nhau .................................................................................76
Bảng 4.3. Kết quả đo đạc mẫu chuẩn IAEA-RGTh-1 với cấu hình Marinelli quy
ước và cấu hình tối ưu trong [1] ................................................................................77


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma ......................................................12
Hình 1.2. Cơ chế của hấp thụ quang điện .................................................................13
Hình 1.3. Hệ số suy giảm tuyến tính theo năng lượng của một số vật liệu ................14
Hình 1.4. Cơ chế phát tia X......................................................................................15
Hình 1.5. Đỉnh thóat Iodine trong phổ của nguồn 57Co.............................................15
Hình 1.6. Tán xạ Compton .......................................................................................16
Hình 1.7. Đồ thị trên tọa độ cực của tiết diện tán xạ Compton ứng với một vài giá
trị năng lượng tiêu biểu từ 1keV đến 10 MeV ...........................................................17
Hình 1.8. Phổ của nguồn 137Cs .................................................................................19
Hình 1.9. (a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector ....................19
(b) Năng lượng của photon tán xạ theo góc tán xạ .................................19
Hình 1.10. Phổ của tia gamma 1778,9 keV của 28Al .................................................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 28Al ..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 (238U) ..................................................................36
Hình 2.3. Chuỗi phân rã Actinium (235U) .................................................................37
Hình 2.4. Chuỗi phân rã Thorium (232Th) .................................................................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 4.10. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1
và bán kính R tại năng lượng 63 keV khi thể tích mẫu đo bằng 200 ml; hiệu suất đạt
giá trị cực đại ứng với R = 4,8cm và h1 = 6,2cm .......................................................73
Hình 4.11. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1
và bán kính R tại năng lượng 1000 keV khi thể tích mẫu đo bằng 450 ml; hiệu suất
đạt giá trị cực đại ứng với R = 5,5cm và h1 = 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

MỞ ĐẦU
Vấn đề xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp một cách
chính xác và nhanh chóng là một trong những hướng nghiên cứu đã và đang được
phát triển. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thiết bị đo đạc bức xạ ngày càng được
cải tiến về khả năng phát hiện sự tồn tại và xác định hoạt độ của các đồng vị phóng
xạ trong mẫu đo. Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần phải cải thiện quy trình đo từ
khâu đầu tiên là chuẩn bị mẫu đo đến khâu cuối cùng là xử lí phổ đo được. Với
những mục đích đó, luận văn này được thực hiện tập trung vào cả hai khâu quan
trọng đó.

U, 232Th và 40K 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 Hổ (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 phải 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
nhận tại mỗi đỉnh thường phải đo mẫu trong thời gian tương đối dài. Thêm vào đó
phải sử dụng lượng mẫu đủ lớn để tăng lượng tia gamma đến bề mặt của detector.
Việc sử dụng lượng mẫu bao nhiêu với cấu hình như thế nào để vừa không bị lãng
phí mẫu vừa ghi nhận được nhiều tia gamma nhất là một bài toán đã tốn khá nhiều
giấy mực của các nhà nghiên cứu. Một trong những nhóm đầu tiên trên thế giới
nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa mẫu đo là nhóm của Takashi Suzuki và cộng sự.
Trong suốt 5 năm (1983 – 1988) với việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte
Carlo, các tác giả đã nghiên cứu cấu hình tối ưu dạng Marinelli trên detector Ge(Li)
đối với các thể tích từ 5–100l trên dải năng lượng từ 100keV đến 2MeV
[27][33][34]. Sau đó, vào năm 1991, Chien Chung và cộng sự [11] đã làm thực


9

nghiệm với mẫu đo dạng nước để tìm ra cấu hình tối ưu dạng Marinelli. Công trình

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 Bộ 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.


11

CHƢƠNG 1

PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ
PHỔ GAMMA
Trong tất cả các phương pháp phân tích, đo đạc phóng xạ môi trường,
phương pháp đo hoạt độ bằng cách sử dụng các hệ phổ kế gamma (đặc biệt là các
phổ kế germanium) được ứng dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm của nó như khả
năng phân tích đa nguyên tố, việc xử lý mẫu không quá phức tạp như khi đo alpha
và beta,... Bên cạnh đó, sự phát triển của kĩ thuật chế tạo tinh thể cũng như công
nghệ điện tử cũng đã góp phần làm cho việc ứng dụng phổ kế gamma ngày càng
rộng rãi. Hệ phổ kế gamma có khả năng ghi nhận trực tiếp các tia gamma do các


Bộ chia
xung

Bộ nhớ
Cao thế

Thiết bị
xuất

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma
1.1.2 Các tƣơng tác ảnh hƣởng 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 giữa 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 Ee được
cho bởi

Ee

E

Eb


như sau [16]

Zn E m

(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 Z5 E 3.5 và Z4.5 E 3 . Tiết diện hấp thụ quang điện
phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của tia gamma tới và nguyên tử số của môi
trường. Theo công thức (1.2), đối với những vật liệu nặng, tiết diện hấp thụ quang
điện lớn ngay cả với tia gamma có năng lượng cao; đối với vật liệu nhẹ thì hấp thụ
quang điện chỉ có ý nghĩa đối với những tia gamma có năng lượng thấp.


14

Cạnh hấp thụ L
Cạnh hấp thụ K

Hệ
số
suy
giảm
tuyến
tính
(m-1)

Năng lượng tia gamma (keV)


hầu hết là các tia X của lớp K, có thể thóat ra khỏi detector. Năng lượng tổng cộng
bị hấp thụ trong detector khi đó sẽ là

Ee

E

EK

(1.3)

ở đây EK là năng lượng của tia X lớp K. Quá trình này được gọi là quá trình thóat
tia X. Đối với germanium thì năng lựơng tia X ở lớp K có hai giá trị là 9,9 keV và
11,1 keV, còn của iodine là 1,7 keV và 1,8 keV. Vì lượng năng lượng này bị mất
nên tạo ra một đỉnh nhỏ có năng lượng thấp hơn đỉnh năng lượng toàn phần một
khoảng đúng bằng lượng năng lượng này. Trong detector germanium, nó được gọi
là đỉnh thóat germanium và trong detector iodine được gọi là đỉnh thóat iodine
(Hình 1.5).
Nguồn 57Co
Cƣờng
độ
tƣơng
đối

Đỉnh thóat tia X của Iodine

Năng lƣợng tia gamma (keV)

Hình 1.5. Đỉnh thoát iodine trong phổ của nguồn 57Co


E 1

1
1 E 1 cos

/ m0c2

(1.4)


17

với

Ee là năng lượng của electron sau khi tán xạ
E là năng lượng của tia gamma tới
là góc tán xạ của tia gamma
m0 là khối lượng nghỉ của electron
c là tốc độ của ánh sáng trong chân không

Năng lượng của photon sau tán xạ là

E

E
Hai góc

và

1 E 1 cos

trị năng lượng tiêu biểu từ 1keV đến 10 MeV [24]
Năng lượng truyền cho electron trong tán xạ Compton (electron Compton)
phụ thuộc vào góc tán xạ

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


18

toàn bộ năng lượng của photon tới. Trong trường hợp tán xạ ngược, tức góc tán xạ
lớn nhất

= 1800, năng lượng truyền cho electron Compton lớn nhất và có giá trị
Ee

E 1

1
1 2E / m 0 c 2

(1.8)

khi đó năng lượng của photon thứ cấp là

E

E
1 2E / m 0 c 2