Khảo sát phổ gamma của một số mẫu môi trường bằng detector HPGe với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHẢO SÁT PHỔ GAMMA CỦA MỘT SỐ MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG DETECTOR HPGE VỚI HỆ MCA (FLASH-ADC/FPGA)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TIẾN SĨ VÕ HỒNG HẢI
HỌC VIÊN THỰC HIỆN:
VÕ MẠNH HUỲNH
MSHV: 190908
MỞ ĐẦU
Môi trường xung quanh chúng ta luôn tồn tại các hạt nhân phóng xạ, ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe của con người.
Các nghiên cứu về phóng xạ môi trường đã được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ XX. Đặc biệt là sau tai nạn Chernobyl, và gần đây là sự cố lò phản ứng hạt nhân Fukushima I, các nghiên cứu điều tra về ảnh hưởng rơi lắng phóng xạ toàn cầu càng được quan tâm.
Trong chương trình hợp tác giữa Đại học Osaka (Nhật Bản) với Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, phía bạn đã cung cấp hệ thiết bị MCA(Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits để phục vụ cho việc nghiên cứu phóng xạ.
Ở Việt Nam, cụ thể tại Bộ môn Vật lý Hạt Nhân, ĐH Khoa học Tự Nhiên TP.HCM, hệ phổ kế gamma có tại Bộ môn đã giúp rất nhiều cho các nghiên cứu về phóng xạ.
NỘI DUNG
II. Sử dụng detector phông thấp HPGe và detector nhấp nháy NaI (Tl) 3x3 kết hợp với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) để khảo sát phổ gamma của một số mẫu môi trường.
I. Khảo sát hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits.
Khảo sát hệ MCA (Flash-ADC/FPGA)
250MHz-8bits
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
3. Khảo sát độ ổn định của hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits
2. Sự phụ thuộc độ phân giải theo bề rộng diện tích xung
1. Giới thiệu hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits
1. Giới thiệu hệ MCA (Flash-ADC/FPGA)
- Flash-ADC (analog-to-digital converter) 250MHz-8bits.
FPGA (Field Programmable Gate Array )
Hệ MCA (Multi Channel Analyzer) sử dụng công nghệ Flash-ADC/FPGA gồm có 2 board mạch:
MCA (Flash-ADC/FPGA)
Flash-ADC
FPGA
Với j1 = i –B, j2 = i + B
+ i: vị trí đỉnh xung.
+ B: bề rộng tính từ vị trí đỉnh xung thứ i đến chân
trái và chân phải của xung
+ dientichnen: phong nền của hệ điện tử (kênh_sum).
+ A[j]: độ cao xung tại vị trí thứ j (kênh)
Để biểu năng lượng của gamma chúng tôi dựa vào diện tích của xung tín hiệu từ đầu dò. Công thức tính diện tích như sau:
Cách tính diện tích
2. Sự phụ thuộc độ phân giải theo bề rộng xung
- Qua chương trình C++ : xác định diện tích xung và diện tích nền ứng với từng sự kiện.
- Dữ liệu thu được từ LabVIEW 8.5 dưới dạng “.txt” sẽ được xử lí bằng chương trình tự viết trên ngôn ngữ lập trình C++.
Phương pháp xử lí số liệu
- Chương trình PAW: vẽ phổ và xử lí phổ bức xạ.
Ta áp dụng công thức :
Hay
Trong đó R: Độ phân giải phổ (%)
FWHM: Bề rộng một nửa chiều cao đỉnh phổ (kênh)
Mean: Vị trí đỉnh phổ của Gaussian fitting (kênh)
σ: Độ lệch chuẩn từ việc Gaussian fitting
- Sử dụng nguồn chuẩn 22Na: 511keV và 1274,5keV, làm khớp histogram dạng Gauss.
- Xác định các giá trị mean, sigma.
- Xác định độ phân giải R(%).
Sự phụ thuộc của R theo vùng kênh lấy diện tích xung đối với đỉnh 511keV
Sự phụ thuộc của R theo vùng kênh lấy diện tích xung đối với đỉnh 1274,5keV
Kết hợp 2 đồ thị ta thấy độ phân giải năng lượng R có giá trị nhỏ và gần như không đổi khi bề rộng lấy diện tích xung là 30 (B=15).
Sự chọn lựa này sẽ được cố định cho tất cả những lần đo sau cho hệ MCA(Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits.
3. Khảo sát độ ổn định của hệ
MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits
Sơ đồ bố trí thí nghiệm kiểm tra tính ổn định của hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits
- Máy phát xung: tạo xung 3Hz.
- Đo trong thời gian từ 16:00 đến 7:00 sáng hôm sau (15 giờ liên tục) rồi tiến hành phân tích và xử lí số liệu, thu được đồ thị sau.
3. Khảo sát độ ổn định của hệ
MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits
Pedestal trong 30 phút
Diện tich tổng trong 30 phút
1. Khảo sát phổ gamma của một số đồng vị phóng xạ trong môi trường với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits và detector HPGe
II. Sử dụng detector HPGe và detector nhấp nháy NaI (Tl) 3x3 kết hợp với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) để khảo sát phổ gamma của mẫu môi trường.
2. Khảo sát phổ gamma của một số đồng vị phóng xạ trong môi trường với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits và detector NaI (Tl) 3x3
Xây dựng đường chuẩn năng lượng cho detector phông thấp HPGe và hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits.
Sử dụng nguồn chuẩn 22Na, 133Ba và một số đỉnh năng lượng của nguồn 226Ra. Thu được 10 cặp vị trí kênh – năng lượng chuẩn.
Phương trình chuẩn năng lượng: E(keV)=(1,276 ± 0,011).ch-(10 ± 8)
Với hệ số tương quan R2 = 0,999
1. Khảo sát phổ gamma của một số đồng vị phóng xạ trong môi trường với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits và detector HPGe
Khảo sát phổ gamma của nguồn phóng xạ 226Ra
Phổ năng lượng bức xạ của mẫu 226Ra
Các đồng vị phóng xạ gamma có trong mẫu 226Ra
[Ghi chú: thứ tự được ghi theo đồng vị không theo năng lượng]
Khảo sát phổ gamma của mẫu môi trường RGTh1
Năng lượng (keV)
Các đồng vị phóng xạ gamma có trong mẫu RGTh1
[Ghi chú: thứ tự được ghi theo đồng vị không theo năng lượng]
2. Khảo sát phổ gamma của một số đồng vị phóng xạ trong môi trường với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits và nhấp nháy NaI (Tl) 3x3
Bố trí thí nghiệm
- Mẫu phóng xạ môi trường được đặt trước đầu detector nhấp nháy NaI (Tl) 3×3 và tất cả được đặt trong buồng chì với bề dày là 1,97inch.
- Khảo sát trên 2 mẫu 226Ra và mẫu RGTh1.
Đối với mẫu 226Ra, theo kết quả thu được từ tính toán cho thấy các mức năng lượng ghi nhận được là do các đồng vị 214Bi (20m; β-); 214Pb (22y; β) phát ra.
Đối với mẫu RGTh1, thu được phổ gamma tương ứng như hình bên. Trên đó biểu diễn các mức năng lượng ứng với các đỉnh ghi nhận trên phổ được phát ra từ các đồng vị phóng xạ 228Ac(6,15h; β); 228Th(1,9y; α); 208Tl (3,05m; β).
Dùng detector HPGe và detector NaI (Tl) 3x3 kết hợp với MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits chúng tôi đã khảo sát phổ gamma của hai mẫu môi trường 226Ra và RGTh1. Cụ thể như sau:
- Đối với phổ gamma của 226Ra: dùng detector HPGe với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA), xác định được các đồng vị 214Bi (20m; β-); 214Pb (22y; β) phát ra .
Đối với mẫu môi trường RGTh1, sử dụng detector HPGe với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA), xác định được các đồng vị 228Ac(6,15h; β); 228Th(1,9y; α); 212Pb(10,64h; β); 208Tl (3,05m; β).
Khi sử dụng detector NaI với hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) cũng cho kết quả tương tự.
Để làm được điều đó chúng tôi đã:
KẾT LUẬN
2. Xác định được vùng bề rộng lấy diện tích xung của hệ MCA Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits là 30bin tương ứng với diện tích toàn phần của xung
1. Viết được một chương trình xử lí số liệu trên nền ngôn ngữ C++. Chương trình này cho phép ta xử lý từng sự kiện về độ cao xung, diện tích xung và nền xung
Khảo sát được độ ổn định của hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits có độ lệch khoảng 1% trong 15 giờ đo liên tục
3. Xây dựng đường chuẩn năng lượng cho hệ detector phông thấp HPGe và hệ MCA (Flash-ADC/FPGA) 250MHz-8bits với bộ nguồn chuẩn 22Na, 133Ba và 226Ra là: E (keV) = (1,276 ± 0,011).Ch – (10 ±8) với hệ số tương quan R2 = 0.999
GAMMA SPECTRA OF ENVIROMENTAL RADIOACTIVITY
Vo Manh Huynh(1) and Vo Hong Hai(2)
(1)Can Tho University – Can Tho City
(2)University of Science-HCMC
ABTRACT: In this report, we present the gamma spectra of environmental radioactivity of Th-232 and Ra-226. HPGe (High Pure Germanium) detector is used for this measurement. Here, we use the HPGe detector at Department of Nuclear Physics-University of Science-HCMC. MCA system (Multi Channel Analyser) employed in this work is the use of 250MHz-8bits Flash ADC and FPGA (Field - Programmable Gate Array) technology. This device allows you to received the pulsed from HPGe detector. Unlike the current MCA system, we use pulses to represent the area of energy instead of using the pulses amplitude. Standard isotopes of Na-22, Ba-133 and some standard energy peaks of Ra-226 are used for energy calibration of the system. The experiment has been done at Department of Nuclear Physics, Faculty of Physics - University of Science-HCMC.
Keywords: Environmental radioactivity, HPGe detector, Flash-ADC, FPGA .
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
Võ Mạnh Huỳnh, Võ Hồng Hải, “Khảo sát phổ gamma của một số đồng vị phóng xạ môi trường”, Báo cáo poster tại Hội nghị Khoa học lần thứ 7 trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Tp.HCM , Tp.HCM (26/11/2010).
XIN CHÂN THÀNH CÁM ƠN!