Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

uyên tắc của từng loại đầu dò. 1.3.1. Đầu dò chứa khí Đầu dò chứa khí thường là các tụ phẳng hoặc tụ hình trụ, có chất điện môi là khí. Giữa hai bản cực của tụ được nuôi bằng một hiệu điện thế cao tạo nên một cường độ điện trường giữa 2 bản cực, khi một hạt ion hóa (α, β, các hạt nặng) đi vào không gian của tụ thì nó sẽ ion hóa các phân tử khí tạo thành các ion dương và điện tử [10]. Với số cặp ion dương và điện tử được xác định như sau: abs i E n E = (1.9) Trong đó: + Eabs là năng lượng mà chất khí hấp thụ + Ei là năng lượng ion hóa của chất khí Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 20 Như đã biết, ở điều kiện bình thường các điện tích và phân tử khí chuyển động tự do. Khi có tác động của điện trường, các điện tích này sẽ đồng thời bị tác động bởi điện trường giữa 2 phía của điện cực. Với giá trị độ lớn của điện trường khác nhau thì các hiệu ứng khác nhau xảy ra như sau (Hình 1.8): Hình 1.8: Các hiện tượng xảy ra với cặp ion dương và điện tử trong một điện cực hình trụ với cùng một cường độ bức xạ khi hiệu điện thế thay đổi [9] Nếu cường độ điện trường tăng lên, các ion dương và điện tử sẽ chuyển động tới các điện cực tạo nên dòng điện giữa 2 bản điện cực. Tuy nhiên, do cường độ điện trường yếu, nên trong quá trình chuyển động, các điện tử và ion dương có thể tái hợp với nhau làm suy giảm tín hiệu. Ngoài ra, dòng điện thu được trong vùng này rất nhỏ do đó khó thu nhận được. Nếu tăng cường độ điện trường tới một giá trị giới hạn nào đó thì tín hiệu lối ra sẽ không đổi (ion chamber region). Với cường độ dòng điện lúc đó được xác định như sau: Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 21 ne QI= = t t (1.10) Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường thì các điện tử sẽ nhận được năng lượng lớn dần lên. Khi năng lượng của các điện tử này đủ lớn thì trong quá trình chuyển động về phía các điện cực, nó sẽ va chạm với các nguyên tử, phân tử khác sinh ra thêm các điện tử thứ cấp. Các điện tử này cũng tham gia vào quá trình ion hóa thứ cấp tiếp theo. Do đó, tổng điện tích về các điện cực sẽ được nhân thêm với một hệ số M phụ thuộc vào độ lớn của cường độ điện trường. qM = M.n.e (1.11) Vùng mà M không phụ thuộc vào n và vị trí tương tác được gọi là vùng ống đếm tỉ lệ (proportional counting region). Nếu cường độ điện trường tiếp tục được tăng lên, thì hệ số nhân M cũng sẽ tăng theo. Đến một giá trị nào đó khi số cặp điện tử thứ cấp tạo ra quá lớn sẽ tạo nên đám mây ion dương quanh anot gây ra sự suy giảm của cường độ dòng điện. Vùng này được gọi là vùng tỉ lệ giới hạn. Khi cường độ điện trường vượt qua ngưỡng của vùng tỉ lệ giới hạn thì mỗi một cặp điện tử và ion dương tạo ra sẽ gây ra hiện tượng tự phóng điện trong môi trường. Vùng này được gọi là vùng Geiger (Geiger region). Dựa trên ảnh hưởng của độ lớn cường độ điện trường lên các cặp điện tử và ion dương mà ta có các loại đầu dò chứa khí khác nhau như sau: Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 22 a) Buồng ion hóa Hình 1.9: Mô hình buồng ion hóa Như đã biết ở trên, trong vùng ion hóa thì giữa hai bản cực sẽ xuất hiện một dòng điện nhỏ tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay chính là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ). Bằng cách xác định cường độ dòng điện ta sẽ xác định được năng lượng bức xạ. Tuy nhiên, cường độ dòng điện ở đây là tương đối nhỏ, nên việc xác định chính xác cũng là một vấn đề khó khăn. Thông thường, tín hiệu lối ra thường được đo bằng mạch tích phân dòng lên điện áp của một tụ điện. Do đó, khả năng phân giải thời gian của đầu dò này là không cao. b) Ống đếm tỉ lệ Thông thường ống đếm tỉ lệ thường có dạng tụ hình trụ với catot là mặt ngoài của trụ và anot là một sợi dây mảnh ở trung tâm. Khi đó thể tích không gian xung quanh anot sẽ rất nhỏ so với toàn thể tích không gian của buồng và tín hiệu lối ra sẽ không phụ thuộc vào vị trí của hạt. Do có hệ số nhân M nên tín hiệu lối ra của ống đếm tỉ lệ lớn hơn khá nhiều so với buồng ion hóa. Tuy nhiên, hệ số nhân M lại phụ thuộc rất mạnh vào hiệu điện thế, năng lượng của hạt và áp suất chất khí trong buồng. c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 23 Trong vùng Geiger-Muller, do cường độ điện trường bên trong là rất lớn nên mỗi sự ion hóa sơ cấp đều gây ra hiện tượng tự phóng điện dọc theo anot. Ống đếm G-M sử dụng các chất khí đặc biệt để có thể dập tắt được quá trình tự phóng điện này. Các loại khí thường được sử dụng là: +Hỗn hợp 90% Argon và 10% hơi hữu cơ ethyl-alchol. +Hỗn hợp gồm 99.8% Neon, 0.1% Ar, 0.1% Br Thông thường, người ta sử dụng thêm mạch RC nối tiếp để giảm thời gian dập tắt của ống đếm G-M. Khi đó với mỗi xung điện tạo ra sẽ gây ra sự sụt áp làm giảm thời gian dập tắt. Thời gian dập tắt của ống đếm G-M cũng chính là thời gian chết của đầu dò này. Trong thời gian này, ống đếm G-M không thể thu nhận thêm các bức xạ khác. 1.3.2. Đầu dò bán dẫn Đầu dò bán dẫn (hay còn gọi là buồng ion hóa rắn) là những diot lớn Si hoặc Ge, loại p-n hoặc p-i-n, hoạt động theo chế độ phân cực ngược. Nguyên tắc hoạt động của đầu dò này giống với buồng ion hóa của đầu dò chứa khí. Tuy nhiên, đầu dò bán dẫn có một số ưu điểm tốt hơn như sau: + Năng lượng ion hóa trung bình Ei thấp, chỉ bằng 1/10 năng lượng ion hóa trung bình của khí. Ví dụ như năng lượng ion hóa trung bình của Si là 3.72 eV và của Ge là 2.96 eV ở 80K. Do đó, ứng với cùng một năng lượng hấp thụ, đầu dò bán dẫn sẽ tạo ra được nhiều cặp điện tử và lỗ trống hơn. + Độ phân giải năng lượng cao hơn (10 keV đối với hạt α và 1 keV đối với bức xạ gamma) + Do chất bán dẫn ở thể rắn nên có mật độ phân tử lớn hơn rất nhiều so với chất khí. Và do đó, mật độ ion hóa trong chất bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với buồng ion hóa chất khí. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 24 + Cặp điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn có độ linh động lớn hơn gấp hai lần so với cặp điện tử và ion dương trong chất khí. Do đó, thời gian thu thập điện tích ngắn hơn, độ phân giải thời gian tốt hơn. Có 2 loại đầu dò bán dẫn phổ biến là: đầu dò hàng rào mặt (Si) (Hình 1.10) và đầu dò Si và Ge-photon (Hình 1.11). Hình 1.10: Đầu dò bề mặt Hình 1.11: Đầu dò Si và Ge-photon Điểm hạn chế lớn nhất của đầu dò bán dẫn là phải sử dụng nitor lỏng để làm lạnh khi sử dụng. Ngoài ra, mặc dù dòng điện tử lớn hơn so với buồng ion hóa khí nhưng vẫn khá nhỏ, do đó chưa đảm bảo khả năng phân giải thời gian nhanh. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 25 1.3.3. Đầu dò nhấp nháy Đầu dò nhấp nháy bao gồm tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện (PMT). Khi một hạt tương tác với tinh thể nhấp nháy thì sẽ sinh ra một chớp sáng tỉ lệ với cường độ và năng lượng của bức xạ đi vào, chớp sáng này đi vào trong ống nhân quang điện tạo ra một xung dòng lớn ở anot của ống. Chất nhấp nháy đóng vai trò quan trọng quyết định khả năng thu nhận các bức xạ khác nhau. Các chất nhấp nháy phổ biến là: NaI(Tl) để đo bức xạ có mật độ cao; ZnS(Ag) để đo α, β, Do dạng tín hiệu lối ra tỉ lệ với năng lượng của hạt đi vào và thời gian chết thấp nên đầu dò nhấp nháy có thể được sử dụng trong các ứng dụng cần có độ chính xác cao. Chi tiết về đầu dò nhấp nháy sẽ được trình bày kỹ hơn trong chương 2. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 26 CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) Chương này sẽ tìm hiểu kỹ về đặc điểm, cấu tạo, nguyên tắc của đầu dò nhấp nháy, đặc biệt là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Đồng thời đánh giá những yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo sử dụng đầu dò này. 2.1. Đầu dò nhấp nháy Khi bức xạ hạt nhân đi vào thể tích của bản nhấp nháy sẽ kích thích nguyên tử của môi trường vật chất, khi các nguyên tử và phân tử của bản nhấp nháy trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra các photon ánh sáng có bước sóng từ 3000 – 4000A0. Để có thể thu nhận được những photon ánh sáng này, ta phải dùng các ống nhân quang điện để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại nó lên. Tuy nhiên, quá trình bị kích thích và phát photon ánh sáng của bản nhấp nháy rất nhanh vì vậy để thu được các photon ánh sáng này thì đầu dò nhấp nháy phải có khả năng tác động nhanh. Do đó, người ta dùng ống nhân quang điện đặt sát vào bản nhấp nháy sao cho sự truyền ánh sáng là tốt nhất. Như vậy, tinh thể nhấp nháy là phần quan trọng nhất của đầu dò nhấp nháy. Nó quyết định dải đo, hiệu suất đo, cũng như độ chính xác của đầu dò. Hiện nay, người ta sử dụng rất nhiều các chất khác nhau để làm đầu dò. Tuy nhiên, về bản chất ta có thể chia các chất này thành: chất nhấp nháy hữu cơ và chất nhấp nháy vô cơ [10]. 2.1.1. Chất nhấp nháy vô cơ Chất nhấp nháy vô cơ bao gồm các hợp chất chính sau: Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 27 - CsI(Tl) và CsI(Na): Cesium iodide có hệ số hấp thụ gamma lớn hơn so với Sodium iodide, được sử dụng trong các ứng dụng cần các đầu dò có kích thước nhỏ, khối lượng trung bình nhưng hiệu suất ghi lớn. - LiI(Eu): Được chế tạo với độ giàu Li cao và thường sử dụng để xác định neutron dựa trên phản ứng 6Li(n, α). - Bismuth Germanate(BGO): Ưu điểm chính của loại vật liệu này là có mật độ rất cao (7.3g/cm3) và có số khối lớn (83) nên tiết diện của hiệu ứng quang điện rất lớn. Tuy nhiên cường độ ánh sáng phát ra thấp và có độ phân giải không cao so với các loại tinh thể nhấp nháy khác. - Barium Fluoride(BaF2): Có Z cao, thời gian phân giải bé hơn 1 ns, thích hợp dùng cho các đầu dò nhấp nháy có hiệu suất cao, thời gian phân giải nhanh. - NaI(Tl): Đặc điểm nổi bật nhất là khả năng phát sáng rất tốt và giá thành rẻ. Ánh sáng phát ra rất tuyến tính theo năng lượng của các bức xạ hạt nhân. Tuy nhiên, tinh thể này có một số hạn chế là dễ bị vỡ do va đập hoặc sốc nhiệt. Thời gian phân rã của xung nhấp nháy tương đối dài (vào khoảng 230 ns), nên không phù hợp với các ứng dụng cần phân giải thời gian hoặc yêu cầu tốc độ đếm cao. 2.1.2. Chất nhấp nháy hữu cơ Chất nhấp nháy hữu cơ bao gồm các dạng hợp chất chính sau: - Dạng tinh thể tinh khiết: Anthrancene cho hiệu suất phát sáng cao nhất còn Stilbene cho dạng xung rõ ràng, chúng được sử dụng nhiều làm tinh thể nhấp nháy hữu cơ. Cả hai vật liệu này đều dễ vỡ và khó chế tạo với kích thước lớn. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 28 - Dạng dung dịch: Các chất nhấp nháy hữu cơ được sử dụng dưới dạng dung dịch hòa tan. Nhờ hiệu suất cao, các chất này được sử dụng phổ biến trong đo hoạt độ beta năng lượng thấp như C14 và Tritium. Hoặc sử dụng ở những nơi đòi hỏi thể tích đầu dò lớn, trong trường hợp này, tỉ lệ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào từng loại hạt (dù năng lượng như nhau). Các chất nhấp nháy này còn được sử dụng để đo neutron. Đôi khi sự dịch chuyển bước sóng xảy ra tạo thành phần đuôi trong phổ bức xạ thu được từ ống nhân quang. - Chất nhấp nháy dẻo: Là chất nhấp nháy hữu cơ được hoà tan trong dung môi, sau đó polyme hoá và tạo dạng cần thiết. Các đầu dò này không đắt, được cung cấp sẵn và có thể chế tạo dưới nhiều kích thước khác nhau như hình trụ, tấm phẳng, chúng khá thuận tiện để sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Các chất nhấp nháy dẻo có thời gian phân rã ngắn (vài nano giây) do đó thuận lợi cho các thực nghiệm có tốc độ đếm cao hoặc trùng phùng nhanh. - Chất nhấp nháy pha tạp: Chất nhấp nháy hữu cơ thường thuận tiện cho việc xác định trực tiếp các hạt alpha hoặc beta. Chúng cũng có thể được sử dụng để xác định các notron nhanh thông qua các proton giật lùi. Vì các chất nhấp nháy lỏng có Z thấp nên hầu như không xảy ra hiệu ứng quang điện với các tia gamma do đó làm tăng phân bố liên tục trong phổ biên độ. Để cải thiện tiết diện tương tác quang điện, một số vật liệu có số Z cao được pha thêm vào trong chất nhấp nháy (~ 10% trọng lượng chì hoặc thiếc). Tuy nhiên sự bổ sung này lại làm giảm cường độ sáng. So với các loại chất nhấp nháy khác, NaI(Tl) có ưu điểm về cường độ nháy sáng cao, giá thành rẻ, thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng đo suất liều thấp, không cần phân giải theo thời gian. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 29 2.2. Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Cấu tạo chủ yếu của chất nhấp nháy này là tinh thể NaI được thêm khoảng 0.1% Thalium (Tl) dưới dạng ion để tăng hiệu suất nhấp nháy. Ở nhiệt độ phòng, chất nhấp nháy này phát ra bước sóng 4200A0 với cường độ tương đối mạnh phù hợp cho việc sử dụng để đo trong những ứng dụng cơ bản. 2.2.1. Đặc điểm cấu tạo Đầu dò NaI(Tl) có một số đặc điểm chính cần lưu ý như sau: Tinh thể có mật độ cao (3.67g/cm3) cho việc hấp thụ tốt bức xạ gamma. Iot cung cấp số nguyên tử cao cho hiệu suất đầu ra của ánh sáng trên một đơn vị của hấp thụ bức xạ gamma. Hệ số hấp thụ gamma cho NaI được trình bày ở Hình 2.1. Hệ số hấp thụ do ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton trở nên cân bằng tại năng lượng 0.3 MeV và tạo ra hiệu ứng tạo cặp không quan trọng cho tia gamma với năng lượng nhỏ hơn 2 MeV. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 30 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ của tinh thể NaI(Tl) vào năng lượng của tia gamma [4] Trong chế tạo đầu dò sử dụng NaI(Tl) cần chú ý tới tính hút ẩm mạnh của NaI (nó có thể hấp thụ hơi nước từ không khí). Vì vậy tinh thể và bề mặt phản xạ ánh sáng phải được bọc kín trong một bình kín với cặp kính quang tạo thành ống nhân quang. Ngoài ra ta cần phải tránh sử dụng các vật liệu chứa Kali trong hệ đầu dò. Bởi lẽ, các chất này có đồng vị K-40 dẫn đến làm tăng phông phóng xạ của đầu dò. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 31 Tương tác của tia gamma với vật chất luôn có sự kết hợp giữa hiệu ứng quang điện với tán xạ Compton và (cho tia gamma có E > 1.02 MeV) hiệu ứng tạo cặp. Hệ số suy giảm này do tương tác của tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) được trình bày ở Hình 2.1. Một nguồn của tia gamma tạo ra trong tinh thể NaI một phổ năng lượng giảm theo từng tương tác của tia gamma và tinh thể, ví dụ như một nguồn với E=0.514 MeV sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện và Compton với một hệ số suy giảm khoảng 0.1 tới 0.6 trong một hệ thống đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) “lý tưởng”. Lý thuyết phổ gamma thu được trong một đầu dò “lý tưởng” được trình bày trong Hình 2.2. Sự mở rộng đỉnh quang phổ là do cả hai dao động trong đầu ra của tia sáng từ chất nhấp nháy và số quang điện tử ở mỗi đinot trong ống nhân quang. Hình 2.2: Lý thuyết và thực nghiệm phổ tia gamma gây ra bởi sự tương tác Compton và quang điện trong đầu dò NaI(Tl) [5] Đặc trưng của hệ thống đầu dò nhấp nháy được xác định bởi các thông số sau: hiệu suất ghi nhận bức xạ, đường chuẩn năng lượng (thể hiện chiều Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 32 cao xung với năng lượng bức xạ tới, độ phân giải của đầu dò, phông của hệ thống). Hiệu suất nhấp nháy (tỷ số năng lượng photon phát ra so với năng lượng bức xạ tới) của NaI(Tl) là lớn nhất trong hợp chất halogen kiềm (khoảng 12%) và khoảng 2 lần hiệu suất của Antraxen, một chất nhấp nháy hữu cơ tốt. Hiệu suất của một đầu dò nhấp nháy (nghĩa là tỷ số của tốc độ đếm so với tốc độ phân rã của một nguồn phóng xạ) phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của tinh thể và dạng hình học của nguồn. Đầu dò NaI(Tl) thương mại được chọn với nhiều kích thước, phần lớn là dạng hình trụ gắn liền với ống nhân quang. Một đầu dò nhấp nháy chuẩn với mặt cắt có đường kính là 3 inch, dài 3 inch. Một đầu dò tốt đôi khi thuận lợi hơn trong phân tích kích hoạt, đặc biệt khi dùng kết hợp với những máy tách hóa học phóng xạ. Độ phân giải của một đầu dò là một tiêu chuẩn để đánh giá khả năng của một hệ thống ghi nhận bức xạ để tạo ra chỉ một giá trị xung cho bức xạ đơn năng hấp thụ hoàn toàn trong đầu dò. Độ phân giải hoặc bề rộng đường theo phần trăm, W1/2 được xác định từ bề rộng của đỉnh năng lượng toàn phần tại nửa đỉnh cực đại. 1/2 EW Eθ ∆ = (2.1) Trong đó: Eθ- giá trị năng lượng gamma toàn phần (chiều cao xung cực đại). ∆E là độ bán rộng năng lượng của đỉnh (FWHM). Giá trị của Eθ và @E cả hai có thể được biểu diễn theo năng lượng hoặc điện áp. Khi phân nhỏ tia gamma tới, các tia này sẽ được hấp thụ hoàn toàn trong một đầu dò có kích thước cụ thể suy giảm theo năng lượng tia gamma, độ phân giải cũng thay đổi theo năng lượng tia gamma. Như vậy giá trị độ Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 33 phân giải của một đầu dò phải xác định theo năng lượng tia gamma riêng biệt. Tia gamma có năng lượng 0.662MeV của 137Cs thường được sử dụng để đo độ phân giải của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Giá trị độ phân giải của Cs-137 của các đầu dò tinh thể phẳng vào khoảng từ 7 đến 9%. 2.2.2. Sự hình thành xung lối ra Dạng xung lối ra của đầu dò NaI(Tl) được xác định như sau: ( ) ( )0 max 0 A AU e WP d eN C C α δ λ λ λ ∞ = ∆ Π =∫ (2.2) Trong đó: e là điện tích electron α là số photon / 1 đơn vị năng lượng ∆W δ(λ) là phổ phát xạ của tinh thể nhấp nháy Như vậy, α.δ(λ) sẽ cho ta số photon phát ra trong một đơn vị chiều dài sóng. Ta có δ(λ) được chuẩn hóa bởi: ( ) 0 1dδ λ λ ∞ =∫ (2.3) PmaxΠ(λ) xác định xác suất giải phóng của một photon electron từ catot. Như vậy, Π(λmax)=1. Ā là hệ số nhân của ống nhân quang điện trên một photon electron. C là điện dung của tải ở anot của ống nhân quang điện. N là số e- đạt được của bộ nhân quang điện. Như vậy, năng lượng để tạo ra một electron là: Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 34 W N ω ∆ = (2.4) Đối với NaI(Tl), năng lượng để tạo ra một photon của bức xạ gamma vào khoảng từ 300eV đến 1000eV. Hệ số khuếch đại A của ống nhân quang điện vào khoảng 106 đến 108. Sự hình thành xung trải qua các quá trình sau: Các phân tử hoặc nguyên tử của chất nhấp nháy được kích thích ở thời điểm t = 0, chúng có một thời gian sống nhất định, bởi vậy cường độ của ánh sáng phát xạ L giảm theo quy luật hàm mũ: ( ) ( )*0 0 exp tL t L H t τ   − =     (2.5) Trong đó, τ0 là thời gian lóe sáng của chất nhấp nháy, H(t)* là hàm Heaviside. ( ) ( )( ) 1 0 0 0 t H t t  > =  < (2.6) Như vậy, nếu coi giữa va chạm của photon và sự giải phóng các electron không có tính trễ thì tốc độ phát electron từ photocatot theo quy luật: ( ) 0 0 expd N N t H t dt τ τ   − =     (2.7) Như vậy, sau bộ nhân quang điện sẽ hình thành một xung dòng: ( ) 2 expa tg Ae ti t tt pi −  =     (2.8) Trong đó, ttg là thăng giáng của thời gian bay. Theo điều kiện chuẩn hóa: Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 35 ( )ai t dt Ae +∞ −∞ =∫ (2.9) Ta suy ra: với N photo electron, mạch RC ở lối ra của ống nhân quang tích phân xung dòng ia để tạo nên xung áp: ( ) ( ) 0 0 1 ' exp exp ' 'a tg tg AeN t t tI t H t dt t tτ τpi +∞ −∞      − − = −           ∫ (2.10) ( ) ( )0 0 0 0 exp expt tU t U H t dtτ τ τ τ τ   − −  = − −    −    (2.11) Với: 0 RC AeNU C τ = = Với các tỉ lệ τ/τ0 khác nhau ta thu được các xung có biên độ và thời gian xung khác nhau như trong Hình 2.3. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 36 Hình 2.3: Biên độ xung ra theo hằng số tích phân [3, 6] 2.3. Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều với đầu dò NaI(Tl) Hầu hết các loại đầu dò đều hoạt động theo nguyên tắc tạo ra các xung điện tương ứng với các hạt phóng xạ đi vào. Theo phương pháp truyền thống thì suất liều phóng xạ sẽ được tính dựa trên mật độ xung điện xuất hiện trong một đơn vị thời gian. Tuy nhiên, do chưa tính tới năng lượng của các hạt phóng xạ đi vào đầu dò nên độ chính xác của phương pháp này là không cao, đặc biệt là khi suất liều phóng xạ là nhỏ chưa đủ để bỏ qua sự sai khác về năng lượng giữa các hạt. Không giống như các loại đầu dò khác, biên độ xung điện tạo ra bởi đầu dò nhấp nháy tỉ lệ với năng lượng của hạt phóng xạ đi vào. Điều này cho phép chúng ta sử dụng các bộ phân tích MCA (Multi-Chanel Analyzer) để Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 37 phân tích xác định phổ năng lượng của các hạt phóng xạ thông qua phổ biên độ của các xung điện đi vào. Dựa vào phổ biên độ đó, ta có thể có các phương pháp biến đổi thích hợp để thu được suất liều phóng xạ. Phương pháp này được gọi là phương pháp chuyển phổ thành liều. Dễ thấy rằng phương pháp này tối ưu hơn hẳn so với các phương pháp truyền thống do đã tính tới ảnh hưởng của năng lượng tia phóng xạ đi vào đầu dò. Hiện nay, phương pháp chuyển phổ thành liều đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản,... Các nước này sử dụng các biểu thức khác nhau để xác định suất liều dựa vào phổ năng lượng. Đây cũng chính là cơ sở để phân biệt phương pháp chuyển phổ thành liều được sử dụng trong các hệ khác nhau. Trong luận văn này, em đã nghiên cứu, áp dụng phương pháp đang sử dụng tại Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAERI), hay còn được gọi là phương pháp JAERI. Phương pháp này xác định suất liều phóng xạ dựa trên biên độ xung và năng lượng lấy từ hàm chuyển đổi phổ - liều G(E). Giả sử ta có phổ năng lượng thu được bao gồm năng lượng E và số đếm N(E) tương ứng với năng lượng E. Khi đó, sự chuyển đổi từ đỉnh phổ thành suất liều được biểu diễn bằng phương trình sau: ( ) ( ) ( ) ( ) max min max E E I X N E G E dE N I G I = = ∫ ∑ (2.12) Trong đó: X là suất liều (2.58.10 -10 C.kg -1.h -1 hoặc uR.h -1 ) Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 38 N(E) là phổ số đếm tương ứng với các kênh (cpm/keV) N(I) là phổ cho bởi bộ phân tích đa kênh (cpm/channel) E là năng lượng (keV) I là số kênh E min là mức năng lượng thấp nhất mà phân còn biệt được (keV) E max là mức năng lượng tối đa để đánh giá suất liều (keV) I min là số kênh tương ứng với Emin I max là số kênh tương ứng với Emax G(E) toán tử biến đổi phổ - liều cho năng lượng E G(I) toán tử biến đổi phổ - liều cho số kênh I Hàm G(E) có thể được xác định thông qua biểu thức sau: ( ) [ ]max 1 10 1 ( ). log ( ) K MK K G E A K E − − = = ∑ (2.13) Trong đó: Kmax là số bậc của đa thức A(K) là hệ số sẽ được xác định theo K E là năng lượng (keV) M là số nguyên đặc trưng cho loại đầu dò Với tinh thể NaI(Tl) hình trụ có kích thước 2.5 cm x 2.5 cm sử dụng trong thiết bị thì hàm G(E) có dạng: ( ) ( ) 3 120 10 1 ( ). log K K G E A K E − − = =   ∑ (2.14) Trong đó: Kmax = 20, M = 3 và A(K) có giá trị được cho trong Bảng 2.1. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 39 Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm A(K) Kmax = 20 , M = 3 A(1) 1.49275099570029D+03 A(2) -2.91658773780102D+03 A(3) 1.15926424258823D+03 A(4) 1.14140418958232D+03 A(5) -1.01302040986778D+03 A(6) 9.08322216928152D+01 A(7) 1.23704377416037D+02 A(8) -5.14679285896588D+01 A(9) 3.02223431771800D+01 A(10) -1.28281664110684D+01 A(11) -1.15787023098615D+00 A(12) 8.94041702581576D-01 A(13) 7.87239563912950D-01 A(14) -3.03009156457287D-01 A(15) -7.62288782837513D-02 A(16) 5.27880449195923D-02 A(17) -6.90413288198483D-03 A(18) -7.33025657836061D-04 A(19) 2.45581452872742D-04 A(20) -1.62008901437124D-05 Dựa vào biểu thức trên, ta có thể dễ dàng xác định được hàm G(E). Tuy nhiên, trong biểu thức của hàm G(E) có chứa một số phép toán phức tạp, gây mất thời gian để tính toán. Do đó, ta có thể lập bảng tra cứu với các giá trị tính sẵn và các mức năng lượng cho trước (Phụ lục 2). Từ đó, ta có thể dễ dàng xác định được suất liều phóng xạ dựa vào công thức (2.14) cho ở trên. Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh 40 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ Dựa vào những đặc tính của đầu dò nhấp nháy đã phân tích trong chương trước, chương này sẽ tập trung vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng ngoài thực tế. Qua đó đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác và ổn định cho thiết bị. 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) Kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl), đặc biệt là khi sử dụng phương pháp chuyển phổ thành liều, chịu ảnh hưởng vào rất nhiều các yếu tố bên ngoài khác nhau. Trong đó, việc xác định đỉnh và nhiệt độ là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đối với các thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm. Các yếu tố này ảnh hưởng tới kết quả đo đạc như sau: 3.1.1. Ảnh hưởng của việc xác định đỉnh Phương pháp chuyển phổ thành liều sử dụng phổ biên độ xung như là một tham số đầu vào để xác định suất liều của bức xạ. Mỗi giá trị của năng lượng đỉnh phổ sẽ tương ứng với một giá trị của G(E) (Phụ lục 2) sử dụng trong biểu thức (2.14) để tính suất liều. Do đó, ước lượng vị trí của đỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả suất liều phóng xạ. 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ có ảnh hưởng rất phức tạp tới kết quả đo đạc sử dụng đầu dò NaI(Tl) [12, 7]. Giải pháp đơn giản nhất để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ lên thiết bị cũng như kết quả đo là xâ