Nhận file word miễn phí nhắn tin zalo 0777.149.703 nhé. Luận văn thạc sĩ vật lí.

1. 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

2. 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

3. LỜI CẢM ƠN
Hai năm học cao học và một năm làm đề tài luận văn, một thời gian thử
thách đối với tôi khi cuộc sống quanh tôi còn bộn bề công việc cần phải lo lắng.
May mắn là tôi đã gặp một môi trường rất thuận lợi cho công việc nghiên cứu, đó là
nhóm NMTP của bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học khoa học tự nhiên thành
phố Hồ Chí Minh. Nơi đây, các ý tưởng nghiên cứu đã nảy sinh, tôi đã trưởng thành
từ môi trường này.
Khi việc thực hiện đề tài hoàn tất, việc đầu tiên tôi nghĩ đến là gửi lời cảm ơn
tới tất cả các thành viên trong nhóm.
Tôi cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn, cũng là người thầy đã
sáng lập ra nhóm, đã gợi ý, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc
và sửa chữa luận văn cho tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn GVC. TS Trương Thị Hồng Loan đã tận tình chỉ
bảo và định hướng cho tôi những lúc tôi gặp khó khăn. Cô cũng là người đồng hành
với tôi trong việc làm mẫu đo và đo phổ của mẫu.
Một thành viên rất đặc biệt khác của nhóm là bạn Th.S Đặng Nguyên
Phương, một người rất nhiệt tình và tâm huyết, đã giúp tôi trưởng thành rất nhiều
trong công tác nghiên cứu.
Cảm ơn các bạn trong nhóm NMTP đã giúp đỡ, chia sẻ với tôi trong quá
trình thực luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô đã giảng dạy chúng tôi
trong suốt quá trình học tập. Chân thành cảm ơn đến thầy TS.Châu Văn Tạo, người
đã động viên tôi rất chân thành lúc đầu khóa học, giúp tôi vững tin bước tiếp con
đường mà tôi đã chọn.
Tôi chân thành cảm ơn ThS. Thái Mỹ Phê và Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân
Tp-HCM trong việc cho mượn một số mẫu chuẩn 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.

4. 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

5. 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
1.3.2 Phương pháp FSA.................................................................................29
1.3.2.1 Sơ lược lịch sử ........................................................................29
1.3.2.2 Phương pháp ...........................................................................30
CHƢƠNG 2. PHÔNG NỀN PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG ..................................32
2.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường ........................................................................32
2.2 Các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ .............................................................33
2.2.1 Tritium (3
T)...........................................................................................33
2.2.2 Cacbon-14 (14
C)...................................................................................33

6. 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
CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
FULL SPECTRUM ANALYSIS VÀ 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
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

7. 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.........................................................................................

8. 1
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các kí hiệu
A: hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ tại thời điểm đo
Am: hoạt độ riêng của mẫu đo tại thời điểm đo (Bq/kg)
As: 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
CB: phần đóng góp của phông nền vào trong phổ S
CK: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 40
K
Cm: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu đo
Cs: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu chuẩn
CTh: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 232
Th
CU: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 238
U
Eb: năng lượng liên kết của electron.
Ee: động năng của electron
EK: năng lượng của tia X lớp K
E : năng lượng của tia gamma tới
h: chiều cao mẫu hình trụ
h1: chiều cao phần trụ rỗng của hộp dạng Marinelli
h2: chiều cao phần trụ đặc của hộp dạng Marinelli
I: cường độ phát tia gamma
Im: cường độ phát tia gamma của mẫu đo
Is: cường độ phát tia gamma của mẫu chuẩn
M: khối lượng mẫu
m0: khối lượng nghỉ của electron
P : 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

9. 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 40
K
STh: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 232
Th
SU: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 238
U
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: tiết diện hấp thụ
c: tiết diện tán xạ Compton
: góc tán xạ của electron Compton.
2
: Chi bình phương
Các chữ viết tắt
ANSI: American National Standards Institute
BMVLHN: Bộ môn Vật lý Hạt nhân
CalEff: Calculating Efficiency
FSA: Full Spectrum Analysis
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
TTKTHN: Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân
WA: Windows Analysis

10. 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
Bảng 3.6. Hoạt độ của mẫu Zr-Rv được tính bằng hai phương pháp WA và FSA.....60
Bảng 4.1. Một số cấu hình tối ưu dạng Marinelli ứng với các thể tích mẫu và năng
lượng tia gamma khác nhau......................................................................................75
Bảng 4.2. Cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli có thể tích 450ml với các giá trị
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

11. 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 57
Co.............................................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 137
Cs.................................................................................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 28
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

12. 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
Hình 3.11. Biểu đồ phân tán giữa các hoạt độ tính bằng hai phương pháp................61
Hình 4.1. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC2018 ..................................................63
Hình 4.2. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng
63 keV......................................................................................................................65
Hình 4.3. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng
1000 keV..................................................................................................................66
Hình 4.4. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu với các năng
lượng khác nhau ở thể tích 150 ml............................................................................67
Hình 4.5. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng
lượng 63 keV............................................................................................................68
Hình 4.6. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng
lượng 1000 keV........................................................................................................69
Hình 4.7. Sự thay đổi của hiệu suất theo mật độ và bán kính mẫu đối với tia gamma
năng lượng 63 keV, thể tích mẫu 150 ml ..................................................................70
Hình 4.8. Sự thay đổi của hiệu suất theo thể tích và bán kính mẫu đối với tia
gamma năng lượng 63 keV, mật độ mẫu 1,5g/ml......................................................71
Hình 4.9. Quy luật thay đổi bán kính tối ưu của mẫu đo theo thể tích.......................72
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

13. 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

14. 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.
Trong việc xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến
nhất là phương pháp Window Analysis (WA) truyền thống. Trong phương pháp
này, trước tiên diện tích các đỉnh gamma được xác định bởi người dùng hoặc bằng
các chương trình có sẵn như Genie-2000 của hãng Canberra. Sau đó, hoạt độ của
mẫu sẽ được xác định dựa trên các diện tích đỉnh tính được kết hợp với các thông số
như xác suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận của detector,… Việc xác
định hoạt độ bằng phương pháp này đòi hỏi sự công phu và tốn nhiều thời gian
trong việc xử lý. Bên cạnh đó, các hiệu ứng trong quá trình đo đạc như sự trùng
phùng thực, tự hấp thụ hay các sai số trong số liệu từ các thư viện hạt nhân sẽ dẫn
đến sự tăng thêm hay giảm bớt diện tích đỉnh và gây sai lệch đáng kể cho kết quả đo
bằng phương pháp WA. Để hạn chế điều này, thay vì xác định hoạt độ dựa trên các
đỉnh gamma riêng rẽ, chúng ta sẽ sử dụng một phương pháp mới nhằm xác định
hoạt độ dựa trên toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp này được gọi là phương
pháp Full Spectrum Analysis (FSA). Do phương pháp FSA lên quan đến việc tính
toán trên toàn phổ nên có một số ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống
chẳng hạn như loại bỏ phần lớn các sai số do trùng phùng, do trừ phông nền
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

15. 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 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

16. 9
nghiệm với mẫu đo dạng nước để tìm ra cấu hình tối ưu dạng Marinelli. Công trình
này được thực hiện khá công phu và đã đưa ra được các cấu hình tối ưu cho thể tích
từ 0,1–4l. Năm 1996, Seppo Klemola [23] sử dụng chương trình máy tính để khảo
sát 3 dạng hình học trụ cố định với bán kính nhỏ hơn, lớn hơn và bằng bán kính của
detector với thể tích từ 3ml đến 500ml đối với hai loại detector HPGe 99,8% và
39,5%. Trong công trình này, tác giả có so sánh các cấu hình tối ưu dạng trụ và cấu
hình dạng Marinelli 500ml nhằm ước lượng cấu hình tối ưu. Tiếp đó, vào năm
1999, M.Barrera và cộng sự [9] đã khảo sát cấu hình tối ưu dạng trụ theo bán kính
và chiều cao mẫu bằng mô phỏng Monte Carlo, đồng thời cũng xét đến sự phụ
thuộc của cấu hình vào mật độ của mẫu đo trong khoảng từ 100keV đến 2000keV.
Năm 2007, Z.B. Alfassi và F. Groppi [8] đã xây dựng công thức bán giải tích và từ
đó tìm ra chiều cao tối ưu của mẫu hình trụ đối với một thể tích cho trước. Gần đây
nhất, năm 2009, Asm Sabbir Ahmed và cộng sự [7] đã khảo sát cấu hình tối ưu mẫu
dạng Marinelli đối với detector HPGe bằng mô phỏng Monte Carlo. Công trình này
bị hạn chế do chiều cao của phần hốc được giữ không đổi do đó các cấu hình tìm
được chỉ là gần tối ưu. Ở trong nước có thể kể đến luận án tiến sĩ của Võ Xuân Ân
[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 của 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:

17. 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.

18. 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
đồng vị phóng xạ trong mẫu phát ra mà không cần tách chiết các nhân phóng xạ
khỏi chất nền của mẫu, giúp ta thu được một cách định tính và định lượng các nhân
phóng xạ trong mẫu. Đối tượng của phương pháp phân tích này có thể là các mẫu
sinh học, môi trường như: đất, nước, không khí, trầm tích, các loại rau,… Việc nắm
rõ các đặc trưng của phổ gamma cùng với các cách thức xử lý phổ, tính toán hoạt độ
nguồn là điều cần thiết đối với bất cứ người làm thực nghiệm nào liên quan đến việc
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, ta phải dựa vào tương tác giữa tia gamma với vật chất, ở đây chính là
detector.
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 hệ thống các
đỉnh năng lượng toàn phần có bề rộng xác định.

19. 12
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
b
e E
E
E (1.1)
ở đây E là năng lượng của tia gamma tới và Eb là năng lượng liên kết của electron.
Từ công thức (1.1), ta có thể thấy rằng hiện tượng quang điện xảy ra khi
photon tới có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Cao thế
Tiền
khuếch đại
Khuếch đại
tuyến tính
Chuyển đổi
tương tự- số
Bộ chia
xung
Bộ nhớ
Thiết bị
xuất
detector

20. 13
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 đường cong của germanium (Hình 1.3), cạnh hấp thụ K xảy ra tại 11,1 keV.
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 a. Qui luật của a như sau [16]
m
n
a E
Z (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
.
3
5
E
Z và 3
5
.
4
E
Z . 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.