HPGe detector

Posted: Tháng Mười 8, 2011 in Vật lý hạt nhân

PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGE

Trương Hoài Anh, Vũ Tuấn Minh, Cao Phục Long Hòa, Phùng Thị Nguyện,

Võ Ngọc Long Sơn, Phan Trọng Thanh, Đinh Thái Bình, Lê Đình Hùng

Lớp 07VLHN – Chuyên ngành vật lý hạt nhân – Khoa Vật lý & Vật lý kỹ thuật – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP. HCM

TÓM TẮT

Detector  HPGe có hiệu suất ghi rất cao nên có khả năng phát hiện nhiều loại bức xạ. Để sử dụng hệ phổ kế này cần khảo sát các đặc trưng  cơ bản của đầu dò như đường chuẩn hiệu suất, đường chuẩn năng lượng, hiệu ứng che chắn phông,….Trong đó chuẩn hiệu suất là một trong những đặc trưng quan trọng. Có nhiều phương pháp để chuẩn hiệu suất, phương pháp thông thường dùng một số nguồn phát gamma đơn năng để tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng. Để đo đạc thực nghiệm ta sử dụng các nguồn như
Cs-137 (661,7 keV), Na-22 (1274,5 keV), Co-60 (1173,3 keV và 1332,5 keV), Mn-54 (834.83 keV), Co-57 (122.06 KeV), Cd-109 (88.03 keV) và Am-241 (59,54 keV).

1. MỞ ĐẦU

Năm 2004, bộ môn Vật lý Hạt nhân có lắp ráp hệ phổ kế gamma sử dụng đầudò Germanium siêu tinh khiết (HPGe) cấu hình đồng trục của hãng Canberra. Trướckhi đưa vào sử dụng hệ phổ kế trong việc phân tích mẫu môi trường hay mẫu kíchhoạt neutron cần hiệu chuẩn hệ phổ kế về năng lượng cũng như hiệu suất, đồng thờikhảo sát các thông số cơ bản của đầu dò, khả năng che chắn phông của buồng chì để thực hiện việc hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma, chúng ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp thực nghiệm thông thường được sử dụng là dùng một số nguồn phát gamma đơn năng để tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng.

2. CẤU TRÚC HỆ PHỔ KẾ GAMMA [5]

Đầu dò HPGe ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, có ký hiệu GC2018, là loại đầu dò đồng trục   có dạng như   Hình 2.1 bao gồm khối Ge hình trụ chữ U
có   đường kính ngoài 52mm, chiều cao 49,5mm. Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7mm, độ sâu của hốc là 35mm. Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp   Lithium) nối với điện cực dương, mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại p (lớp Boron) nối với điện cực âm. Đầu dò
được đựng trong một hộp kín bằng nhôm với bề dày 1,5mm.

Hình 2.1. Cấu trúc của đầu dò HPGe

Chúng ta biết rằng tương tác của tia gamma với chì tạo ra các
tia X có năng lượng trong khoảng 75 – 85 KeV. Các tia X này của chì có thể được
ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Để hạn chế điều này người ta
đã lót bên trong buồng chì các lớp đồng và thiếc có bề dày tương ứng là 1,5mm
và 1mm. Qua khảo sát cho thấy một lớp thiếc dày 1mm có thể hấp thụ được khoảng
95% các tia X của chì. Và sự có mặt của 1,5mm Cu đã làm tăng khả năng hấp thụ
lên tới 98,5% đối với các tia X của

chì.

Hình 2.2. Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò – buồng chì

Các đặc trưng vật lý:

² Độ phân giải năng lượng (FWHM):

Đây là bề rộng tại độ cao phân nửa đỉnh đơn năng, biểu thị
bằng năng lượng tuyệt đối (keV) của detector HPGe. Bề rộng này càng hẹp thì
càng có thể phát hiện được những đỉnh năng lượng nằm cạnh nhau. Nó không chỉ
phụ thuộc vào detector mà còn phụ thuộc vào các thiết bị điện tử đi kèm.

Đối với detector tại phòng thí nghiệm bộ môn có độ phân giải
năng lượng (FWHM) là 1,8 keV tại đỉnh 1332,5 keV của 60Co

² Hiệu suất ghi:

Hiệu suất ghi của detector là xác suất ghi nhận được bức xạ
khi một lượng bức xạ vào cho trước.

Ó Hiệu suất tuyệt
đối (absolute efficiency)
: là tỷ số giữa xung được ghi nhận và bức xạ được
phát ra khỏi nguồn.

Ó Hiệu suất nội
(intrinsic efficiency)
: là tỷ số của xung được ghi nhận và số bức xạ tới
detector.

Ó Hiệu suất tương
đối:
là hiệu suất đỉnh của một detector so với detector khác. Đối với
detector HPGe thì đó là hiệu suất của nó so với detector nhấp nháy NaI (Tl) hình
trụ có kích thước 7,62 cm x 7,62 cm, cả hai detector đều đặt cách nguồn điểm 25
cm và đối với đỉnh 1332,5 keV của 60Co. Hiệu suất đỉnh tuyệt đối của tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) có giá trị 1.2×10-3.

Đầu dò hiệu suất càng cao thì khả năng phát hiện bức xạ càng
tốt. Hiệu suất ghi phụ thuộc các yếu tố như: loại detector, tính chất, hình
dạng, kích thước của detector, loại bức xạ, bố trí hình học của phép đo.

Hiệu suất ghi tương đối của hệ phổ kế gamma tại phòng thí
nghiệm bộ môn là 20%

3. ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT

Để xác định hiệu suất ghi ở đỉnh ta có thể dung các nguồn chuẩn (tốt nhất là đơn năng) có năng
lượng và hoạt độ biết chính xác.

²Hiệu suất
tuyệt đối e của detector được tính từ công thức:

Trong đó:

S – Số đếm diện tích đỉnh toàn phần
(Số đếm),

A- Hoạt độ của nguồn phóng xạ
ở thời điểm đang đo (Bq),

-Xác suất phát gamma,

t – Thời gian đo (s).

²Công thức tính sai số hiệu suất tuyệt đối:

Trong đó:

: Sai số hiệu suất tuyệt đối,

: Sai số số
đếm diện tích đỉnh toàn phần,

: Sai số hoạt dộ nguồn phóng xạ.

Bảng 3.1. Kết quả hiệu suất đỉnh của detector HPGe

Nguồn E
(keV)
T1/2 (năm) A
(Bq)
f S
(Số đếm)
T
(s)
Hiệu
suất
e
Am-241 59.54 432.02 3.87E+04 0.357 5.86E+04 1,000 4.241E-03
Cd-109 88.03 1.271 4.28E+02 0.0373 1.77E+04 300,000 3.696E-03
Co-57 122.06 0.744 2.58E+02 0.856 4.55E+04 50,000 4.120E-03
Cs-137 661.65 30.174 3.20E+04 0.85 5.10E+04 2,000 9.375E-04
Mn-54 834.83 0.855 7.81E+02 0.9998 3.66E+04 60,000 7.812E-04
Co-60 1173.24 5.279 7.64E+03 0.9999 4.37E+04 10,000 5.720E-04
Na-22 1274.54 2.602 1.23E+04 0.9993 3.47E+04 5,000 5.646E-04
C0-60 1332.501 5.279 7.64E+03 0.9998 3.88E+04 10,000 5.080E-04

Từ số liệu trên ta thiết lập đường cong hiệu suất theo năng lượng.

Làm khớp các số liệu trên theo [2] ta được kết quả:

ln(e) = -22,67 + 9,685ln(E) – 1,721ln2(E) + 9,27.10-2*ln3(E)

Hình 3.1. Đường cong hiệu suất của Detector HPGe theo năng lượng

4. KẾT LUẬN

Kết quả của phương pháp dùng một số nguồn phát gamma đơn năng như Cs-137 (661,7 keV), Na-22 (1274,5 keV), Co-60 (1173,3 keV và 1332,5 keV), Mn-54 (834.83 keV), Co-57 (122.06 KeV), Cd-109 (88.03 keV) và Am-241 (59,54 keV) để tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng rất tiện lợi. Chúng ta xây dựng được đường cong hiệu suất từ bộ số liệu thực nghiệm trên và làm khớp theo hàm theo [2] để sử dụng trong việc chuẩn hiệu suất. Như vậy phương pháp này rất tối ưu cho việc chuẩn hiệu suất hệ đo detector gamma.

TÀI LIU THAM KHẢO

[1]. Glénn F. Knoll. Radiation detection and measurement. John Wiley and Sons, Third edition (1999)

[2]. Genie 2000 Tutorials Manual. Canberra Industries, Inc. (2004).

[3]. http://www.canberra.com

[4]. Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương, Phương pháp ghi bc xion hoá, NXB, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, (2005).

[5]. Trương Thị Hồng Loan, Trần Thiện Thanh, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh và Mai Văn Nhơn, (2007), “Mô phỏng Monte – Carlo đường cong hiệu suất đỉnh của đầu dò HPGe trong hệ phổ kế gamma môi trường sử dụng chương trình MCNP4C2”, Đại Học Quốc Gia TP.HCM, Tạp chí khoa học và phát triển công nghệ, tập 10, số 5, trang 33-40.

About these ads

Bình luận đã được đóng.