tạo thành và phân rã về các mức thấp hơn. Các thông tin thực nghiệm là cơ sở để đánh giá, kiểm chứng lại các mẫu lý thuyết về số liệu và cấu trúc hạt nhân. Hiện nay các nghiên cứu số liệu và cấu trúc hạt nhân dựa trên phản ứng (n,) chủ yếu được tiến hành trên lò phản ứng hạt nhân và trên một số máy gia tốc. Có thể chia vấn đề thành hai hướng:
- Hướng tính toán lý thuyết: tổ chức biên tập, đánh giá lại số liệu phản ứng, đánh giá kiểm chứng và phát triển các mô hình lý thuyết để mô tả tiết diện phản ứng, mật độ mức, độ rộng mức, hàm lực phân rã gamma,...
- Hướng thực nghiệm: tiến hành đo đạc thực nghiệm trên các chùm nơtron có năng lượng khác nhau, trên các bia mẫu để xác định năng lượng, cường độ và thời gian sống của các trạng thái kích thích với độ chính xác tốt nhất có thể.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng của các hệ phổ kế.
Do tương tác của bức xạ gamma với vật chất - cụ thể là với chất liệu làm đetectơ – tuân theo ba hiệu ứng chính là hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp nên phổ bức xạ gamma thu được luôn phức tạp. Xuất phát từ nguyên nhân đó, đã có một số loại phổ kế gamma khác nhau nhằm tới các mục đích giảm phông, loại trừ ảnh hưởng của các hiệu ứng không mong muốn để thu được các thông tin có ích. Trong phần đánh giá chung về phương pháp nghiên cứu sẽ trình bày một số loại phổ kế gamma thường được sử dụng và ưu nhược điểm của các loại phổ kế này.
I.1.1. Phổ kế gamma đơn tinh thể với đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết
Đetectơ bán dẫn siêu tinh khiết HPGe có những ưu điểm rõ rệt là không phải bảo quản liên tục trong nitơ lỏng, đồng thời độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi cũng cao hơn hẳn các đetectơ bán dẫn khuếch tán có cùng thể tích.
Việc sử dụng đetectơ bán dẫn trong hệ phổ kế gamma đơn tinh thể rất đơn giản. Cấu hình chủ yếu của hệ đo được trình bày như trong hình 1.2:
Hình 1.2: Sơ đồ khối của phổ kế gamma bán dẫn đơn tinh thể. |
Có thể bạn quan tâm!
-
Ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân YB và SM trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt - 1 -
2.1. Phương Pháp Cộng Biên Độ Các Xung Trùng Phùng -
3.3. Mô Tả Mật Độ Mức Theo Mẫu Khí Fermi Dịch Chuyển Ngược -
Ứng dụng phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng nghiên cứu phân rã gamma nối tầng của hạt nhân YB và SM trên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt - 5
Xem toàn bộ 118 trang tài liệu này.
Đetectơ bán dẫn được ghép nối với khuếch đại phổ. Tín hiệu ở lối ra của đetectơ được khuếch đại phổ khuếch đại về biên độ và tạo dạng thích hợp cho ADC phân tích biên độ đỉnh xung. Hệ thống ghép nối MCD sẽ thu nhận dữ liệu sau khi ADC biến đổi xong và xếp vào ô nhớ. Số lượng xung có cùng giá trị biên độ tương ứng với số lượng giá trị năng lượng của lượng tử gamma mà đetectơ hấp thụ được. Khi bức xạ gamma tương tác với đetectơ, phần năng lượng mà đetectơ hấp thụ được lại tuỳ thuộc vào quá trình tương tác xảy ra. Thường thì quá trình tương tác là một trong ba hiệu ứng tương tác dưới đây:
- Đetectơ hấp thụ hoàn toàn năng lượng của lượng tử gamma theo hiệu
ứng quang điện.
- Đetectơ hấp thụ chỉ được một phần năng lượng gamma theo hiệu ứng compton - do góc tán xạ compton thay đổi trong dải rộng từ 0 tới 1800 nên phần năng lượng hấp thụ được cũng nằm trong dải rộng và không tạo thành đỉnh (ở đây cũng có thể có tán xạ compton nhiều lần dẫn đến toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma hấp thụ hết và quá trình này cũng đóng góp vào các đỉnh xuất hiện do hiệu ứng quang điện).
- Hiệu ứng tạo cặp xuất hiện khi năng lượng lượng tử gamma lớn hơn 1022 keV. Quá trình tương tác theo hiệu ứng tạo cặp sinh ra cặp electron - pozitron. Bên trong đetectơ, quãng chạy của các hạt electron rất ngắn và năng lượng của electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ. Còn pozitron sau khi chậm lại sẽ nhanh chóng bị hủy tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV. Nếu cả hai
lượng tử gamma cùng bị hấp thụ thì quá trình này tương đương hấp thụ quang điện. Nếu một trong hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn, nếu cả hai lượng tử gamma bay ra ngoài, phần năng lượng bị hấp thụ sẽ tạo nên đỉnh thoát kép. Như vậy quá trình tạo cặp của một chuyển dời sẽ đóng góp thêm 2 đỉnh ngoài đỉnh hấp thụ toàn phần và thêm phần phông liên tục do tán xạ compton khi có hủy cặp. Trên hình 1.3 là phổ bức xạ gamma của 35Cl(n,)36Cl. Để đánh giá chất lượng đỉnh, người ta thường dùng tỷ số diện tích đỉnh trên phông và nhiều khi số đếm của nền compton lớn gấp nhiều lần diện tích đỉnh. Do vậy, sai số của việc xác định tiết diện đỉnh - cường độ chuyển dời tăng lên đáng kể.
Hình 1.3: Phổ bức xạ gamma tức thời của 36Cl đo với phổ kế đơn tinh thể. |
Phổ bức xạ gamma trên hình 1.3 cho thấy: Nền phông compton lớn và phức tạp chứ không đơn thuần là giảm tuyến tính theo chiều tăng của năng lượng. Số lượng đỉnh rất lớn, có cả những đỉnh thoát đơn và thoát kép rất mạnh và nhiều khi mạnh hơn hẳn những đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng gần kề. Như vậy, việc xác định các chuyển dời có cường độ nhỏ sẽ chịu hai nguồn sai số lớn: Sai số do phông và sai số do có các chuyển dời mạnh ảnh hưởng tới.
Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân từ các chuyển dời thu được trong phổ bức xạ gamma đơn tinh thể, không thể sắp xếp sơ đồ mức kích thích do không biết được thứ tự của các chuyển dời. Với các chuyển dời đo được trong phổ này thì không thể xác định được đâu là chuyển dời sơ cấp, đâu là chuyển dời thứ cấp, những chuyển dời nào thuộc về cặp phân rã nối tầng... Do vậy cũng không thể đánh giá được những thông số như mật độ mức hạt nhân, hàm lực của chuyển dời gamma... Ngoài lý do về tỷ số diện tích đỉnh trên nền phông, độ phức tạp của phổ thì lý do vừa nêu trên là quan trọng nhất để phát triển các phương pháp nghiên cứu sử dụng đetectơ bán dẫn ghi bức xạ gamma.
I.1.2. Phổ kế gamma đối trùng giảm phông compton
Phổ kế gamma đối trùng giảm phông có cấu tạo đơn giản như hình 1.4. Hệ gồm 1 đetectơ chính, các đetectơ phụ bao quanh và các khối điện tử để điều khiển quá trình ghi bức xạ gamma theo tín hiệu từ các đetectơ. Do các thông tin thu được về đối tượng đo chủ yếu nằm ở các đỉnh hấp thụ quang điện nên các hệ phổ kế đối trùng giảm phông compton được sử dụng khá nhiều.
Hình 1.4: Phổ kế đối trùng giảm phông compton [69]. |
Nguyên tắc hoạt động của hệ đo phức hợp như hình 1.4 là các lượng tử gamma tán xạ compton đi ra khỏi đetectơ chính sẽ được các đetectơ phụ bao
quanh ghi nhận. Xung điện từ các đetectơ bao quanh sẽ khoá không cho phép ghi nhận xung từ đetectơ chính trong một khoảng thời gian nào đó tuỳ thuộc vào độ phân giải thời gian của hệ. Nếu từ các đetectơ xung quanh không có xung ra thì xung từ đetectơ chính sẽ được ghi (được coi là tương ứng với sự hấp thụ hoàn toàn). Để nâng cao khả năng giảm phông trong phổ cần chú ý đến hai vấn đề quan trọng sau:
* Hệ đetectơ bao quanh có hiệu suất ghi càng cao càng tốt: Nếu hấp thụ được 30% số lượng tử gamma sau tán xạ compton thì tức là phông đã giảm đi 30%. Với các hệ tốt nhất hiện nay, phông compton giảm đi được khoảng từ 30 đến 50%.
* Hệ cần được che chắn kỹ vì phông gamma cao sẽ dẫn tới giảm khả năng ghi đo sự kiện có ích do trùng phùng ngẫu nhiên. Đồng thời cũng phải tăng độ phân giải thời gian của hệ để giảm trùng phùng ngẫu nhiên. Chúng ta biết rằng tốc độ trùng phùng ngẫu nhiên Nnn = 2 N1.N2. với N1 là tốc độ đếm ở đetectơ 1, N2 là tốc độ đếm ở đetectơ 2, là độ rộng cửa sổ thời gian trùng phùng (hoặc đối trùng). Như vậy để giảm ảnh hưởng của trùng phùng ngẫu nhiên chúng ta cần giảm cả 3 tham số trên bằng che chắn và tăng tốc độ làm việc của hệ điện tử. Tất nhiên, do bản chất quá trình tương tác nên với các đetectơ bán dẫn, cửa sổ trùng phùng không thể nhỏ hơn một giá trị nào đó đặc trưng riêng cho hệ đo. Do tốc độ của hệ điện tử thường rất lớn nên ảnh hưởng đến độ phân giải thời gian của hệ điện tử không đáng kể so với thời gian di chuyển của các phần tử tải điện trong đetectơ; giá trị tối thiểu thường được lấy bằng khoảng 3 lần thời gian của đetectơ (khoảng cách giữa hai điện cực chia cho tốc độ trôi dạt của các phần tử tải điện chính tương ứng với giá trị cao áp làm việc được lựa chọn của đetectơ).
I.1.3. Phổ kế compton
Tán xạ compton cũng có thể được sử dụng theo một cách khác để đo năng lượng bức xạ của tia gamma. Khi bức xạ gamma tới có năng lượng là h0 tương tác với electron theo hiệu ứng tán xạ compton, năng lượng của electron giật lùi (đetectơ hấp thụ được phần năng lượng này) tương ứng với lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc cố định được xác định như sau:
E h⎡
1 ⎤ MeV;
với 0 =
h0
(1.1)
0 ⎢1
⎣
10
(1 cos) ⎥
0
m c2
⎦
Như vậy, năng lượng của electron giật lùi chỉ phụ thuộc vào năng lượng h0 của lượng tử gamma tới khi góc tán xạ không đổi. Việc xây dựng hệ đo theo định hướng này cũng cho phép giảm được phông do tán xạ compton. Trên hình 1.5 là cách bố trí các đetectơ trong phổ kế compton.
Hình 1.5: Cách bố trí đetectơ trong phổ kế compton. |
Hai đetectơ I và II được đặt sao cho đường thẳng nối hai tâm của hai tinh thể tạo thành một góc với phương của chùm tia gamma ban đầu. Đetectơ I được gọi là đetectơ phân tích, nó ghi nhận các electron giật lùi trong hiệu ứng tán xạ compton. Đetectơ II được gọi là đetectơ điều khiển, nó ghi nhận các lượng tử gamma tán xạ từ đetectơ I với góc tán xạ . Quá trình tạo các chớp sáng trong tinh thể điều khiển và tinh thể phân tích là đồng thời. Do vậy, nhờ sơ đồ
trùng phùng để phân tích, có thể lựa chọn những xung do electron giật lùi có lượng tử gamma tán xạ bay ra với góc gây nên. Năng lượng của electron giật lùi phụ thuộc đơn trị vào năng lượng của lượng tử gamma ban đầu khi góc tán xạ cố định nên có thể xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu theo năng lượng của electron giật lùi. Trên hình 1.6 là các phổ minh hoạ khả năng giảm phông của phổ kế compton với các đetectơ nhấp nháy NaI(Tl) [69].
Hình 1.6: Phổ đo với phổ kế đơn tinh thể (a, b) và phổ đo với phổ kế compton (c, d) của Cs137 và Mn54. |
Từ sơ đồ hình 1.5 ta thấy các lượng tử gamma tán xạ rơi vào đetectơ điều khiển không chỉ với góc mà là . Vì vậy sẽ xuất hiện thăng giáng trong
phổ năng lượng của electron giật lùi và do vậy có sai số bổ sung khi xác định năng lượng của lượng tử gamma ban đầu.
Để giảm thăng giáng khi xác định năng lượng electron giật lùi cần giảm góc đặc , còn để tăng hiệu suất ghi thì phải tăng góc đặc này. Để giảm sai số xác định năng lượng của electron giật lùi, các tác giả trong [4] đã đặt đetectơ điều khiển ở góc lớn hơn 1500.
I.1.4. Phổ kế tạo cặp
Trong một số trường hợp ghi nhận các bức xạ gamma năng lượng lớn, có thể sử dụng phổ kế kế tạo cặp để nâng cao hiệu suất ghi và giảm bớt nền phông. Quá trình vật lý xảy ra trong đetectơ ghi nhận như sau: Hiện tượng tạo cặp electron - pôzitron xảy ra trong đetectơ ghi nhận. Do mật độ chất tạo nên đetectơ cao nên sau khi mất năng lượng, pôzitron sẽ nhanh chóng bị hủy cặp và tạo nên hai lượng tử gamma 511 keV bay ngược chiều nhau. Nếu đặt các cặp đetectơ ngược nhau 1800 bao quanh đetectơ chính thì khi hiện tượng tạo cặp xảy ra, đetectơ ghi nhận sẽ cho ra một xung điện có biên độ tỷ lệ với
E- 1022 keV (nếu hai lượng tử gamma hủy cặp 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc E- 511 keV (nếu chỉ một lượng tử gamma 511 keV bay ra khỏi đetectơ) hoặc E(nếu không có lượng tử gamma 511 keV nào bay ra khỏi đetectơ chính). Như vậy, lựa chọn cách ghi nhận là 2 xung điện từ các cặp đetectơ đối diện nhau (tương ứng các lượng tử gamma 511 keV) mở khoá trùng phùng cho phép phân tích biên độ xung từ đetectơ chính. Chỉ các xung có biên độ tương ứng với năng lượng E- 1022 keV (tương ứng với hiện tượng cặp xảy ra) mới được ghi nhận. Điều này cho phép giảm hoàn toàn phông compton, các đỉnh thoát đơn và các đỉnh hấp thụ hoàn toàn trong phổ gamma thu được. Như vậy, phổ gamma sẽ đơn giản rất nhiều và khi xử lý phổ cần cộng thêm 1022 keV vào vị trí mỗi đỉnh.