ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO ðỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA SỬ DỤNG ðẦU DÒ BÁN DẪN HPGe Chuyên ngành: Vật lý Hạt nhân Mã số: 1.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN Thành phố Hồ Chí Minh - 2009 LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi hoặc cùng với Thầy hướng dẫn khoa học. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trương Thị Hồng Loan LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành ñược luận án này tác giả ñã nhận ñược sự quan tâm giúp ñỡ tận tình của rất nhiều người. Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn ñến: Thầy PGS.TS. Mai Văn Nhơn, người Thầy hướng dẫn cho luận án của tôi. Thầy ñã có những quyết ñịnh có tính chất bước ngoặt trong sự nghiệp khoa học của tôi. Trong bối cảnh thiếu thốn máy móc phương tiện thí nghiệm cũng như tài liệu cho nghiên cứu khoa học, Thầy là người ñầu tiên ñã gợi ý cho tôi về sự cần thiết nghiên cứu và áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong khảo sát thực nghiệm hạt nhân. Thầy ñã nỗ lực xây dựng cho những dự án phòng thí nghiệm trọng ñiểm cũng như những liên kết hợp tác khoa học giữa trường ðại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM với các Viện trong Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam trong thời ñiểm mà Nhà nước còn chưa có ñủ nguồn lực ñể quan tâm sâu sắc ñến sự phát triển của ngành khoa học hạt nhân. Một trong những kết quả hiếm hoi có ñược từ sự nỗ lực của Thầy là sự có mặt của hệ phổ kế gamma phông thấp ñầu dò HPGe mà tôi ñược sử dụng trong luận án này. Quyết ñịnh thứ ba có tầm quan trọng ñể tôi có thể làm ñược luận án là Thầy ñã nhận thức ñược sự cần thiết và ñã gởi chúng tôi ñi tham dự khóa học về Phương pháp mô phỏng Monte Carlo và chương trình MCNP do Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam tổ chức năm 2005 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân ðà lạt. Từ khóa học này chúng tôi ñã có ñược nhiều cửa sổ ñể tiếp cận ñến những thành tựu tốt nhất trong nền nghiên cứu khoa học trên thế giới. Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường ðại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã luôn tạo ñiều kiện tốt ñể tôi có thể thực hiện việc nghiên cứu khoa học phục vụ cho luận án này. Thầy PGS.TS Nguyễn Nhật Khanh, PGS.TS. ðặng văn Liệt với cương vị cựu Trưởng Khoa, PGS.TS. Châu Văn Tạo, Trưởng Khoa Vật lý, Thầy ThS. Trần Phong Dũng Trưởng Phòng Tổ Chức ñã luôn ñộng viên nhắc nhở, tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm Luận án. Ban Giám Hiệu trường ðại học Khoa học Tự nhiên, ðại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho chúng tôi - Nghiên cứu sinh trong trường trong việc thực hiện các dự án khoa học, cung cấp nguồn kinh phí ñể thực hiện các ñề tài khoa học phục vụ cho luận án. Ông Trần Khắc Ân, Giám ñốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ ñã hỗ trợ một phần kinh phí cho dự án mua hệ phổ kế gamma phông thấp ñầu dò HPGe của Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân. Thầy TS. Lê Văn Ngọc ở Viện Khoa học & Kỹ thuật hạt nhân Hà nội, TS. Trần Văn Hùng ở Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, ThS. Nguyễn Kiên Cường, Viện Nghiên cứu Hạt nhân ðà lạt ñã tận tình giảng dạy về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và chương trình MCNP và có những ñóng góp ý kiến quý báu trong quá trình làm luận án của tác giả. Kỹ sư Nguyễn Văn Mai, TS. Trần Văn Luyến, ThS. Thái Mỹ Phê, Kỹ sư ðào Văn Hoàng, Phòng An toàn Bức xạ và Môi Trường, Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM, ñã nhiệt tình giúp ñỡ, tạo ñiều kiện thuận lợi ñể cho tôi muợn các nguồn chuẩn và mẫu chuẩn phục vụ cho việc thí nghiệm. PGS. TS. Nguyễn Nhị ðiền, Viện trưởng, TS. Nguyễn Văn Hùng, Giám ñốc Trung tâm ðào tạo, ThS. Phan Sơn Hải, Trưởng Phòng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Môi Trường,Viện Nghiên cứu Hạt nhân ðà lạt ñã tạo ñiều kiện thuận lợi ñể tôi ñược mượn bộ nguồn phóng xạ chuẩn và mẫu chuẩn môi trường. PGS.TS. Hoàng Dũng, TS. ðỗ Hoàng Sơn Phòng Vật lý Tính toán, Trường ðại học Khoa học Tự nhiên, ðại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện cho tôi thực thi chương trình tính toán trên hệ máy của Phòng. Các em NCS nước ngoài Nguyễn Hải Dương, Hoàng thị Kiều Trang, Trịnh Hoa Lăng ñã nhiệt tình tìm kiếm giúp tôi những tài liệu khoa học quan trọng trong quá trình làm luận án. Các em trong nhóm NMTP thân thương: Liên, Khanh, Thanh, Phương, Trúc, Oanh, Phát, Phong, Hoài Thơ, Hỗ, Tú Anh, Khánh, Ngọc Thơ, KaMy, Trung, Xuân, Thu, Tân, Mẫn, Vàng, Chương … Sự hiện diện của các em bên tôi trong những lúc thức ñêm làm thí nghiệm, lịch làm việc dày ñặc ñến tối vào những ngày cuối tuần, tham dự Hội nghị Khoa học ñầy hào hứng hay những lúc họp mặt trò chuyện tâm tình luôn sẽ là nguồn ñộng viên dễ thương trong sáng và chân thành cho tôi trong suốt cuộc ñời làm …Thầy. Và tình thương yêu của gia ñình. Tp.Hồ Chí Minh ngày 08 tháng 05 năm 2010 Trương Thị Hồng Loan MỤC LỤC Lời cam ñoan Lời cảm ơn Mục lục Bảng các chữ viết tắt ix Danh mục các bảng xiii Danh mục các hình vẽ xvii Mở ñầu 1 Chương 1. Tổng quan 6 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan ñến ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu ñặc trưng của hệ phổ kế gamma 6 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8 1.1.2. Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng vận chuyển bức xạ tại Việt Nam 22 1.1.3. Những vấn ñề liên quan ñến luận án 24 1.2. Hệ phổ kế gamma ñầu dò HPGe – các ñặc trưng về năng lượng, ñáp ứng phổ và hiệu suất. 28 1.2.1. ðầu dò germanium siêu tinh khiết 29 1.2.2. Dạng ñáp ứng của ñầu dò ñối với bức xạ gamma ñơn năng 32 1.2.3. Hiệu suất 37 1.3. Chương trình MCNP 39 1.3.1. Giới thiệu 39 1.3.2. Các ñặc trưng của phần mềm mô phỏng vận chuyển bức xạ ña năng MCNP 41 1.4. Kết luận chương 1 44 Chương 2. Mô phỏng hệ phổ kế gamma ñầu dò HPGe bằng chương trình MCNP 45 2.1. Mô tả hệ phổ kế gamma HPGe dùng trong thực nghiệm và mô phỏng 45 2.1.1. ðầu dò 46 2.1.2. Buồng chì 47 2.1.3. Nguồn chuẩn 48 2.2. Mô hình hóa hệ phổ kế gamma 51 2.2.1. ðánh giá ñộ cao xung và hiệu suất ñầu dò – Tally F8 51 2.2.2. Mô phỏng Monte Carlo hệ phổ kế gamma HPGe dùng MCNP 52 2.2.3. Kiểm tra ñộ tin cậy bước ñầu của mô hình 55 2.3. Khảo sát hàm ñáp ứng của hệ phổ kế gamma ñầu dò HPGe bằng chương trình MCNP. 58 2.3.1. Giới thiệu 58 2.3.2. Mô phỏng hàm ñáp ứng của ñầu dò HPGe ñối với nguồn 60 Co ñặt ở khoảng cách 10,6 cm so với mặt ñầu dò 58 2.3.3. Khảo sát sự hấp thụ tia X ñặc trưng của lớp thiếc và ñồng lót ở mặt trong buồng chì 63 2.3.4. So sánh phổ mô phỏng khi có và khi không có buồng chì 65 2.3.5. So sánh phổ mô phỏng nguồn 60 Co khi ñặt trong buồng chì ở khoảng cách gần 2,4 cm và khoảng cách xa 10,6 cm 67 2.3.6. Nghiên cứu ñáp ứng của ñầu dò HPGe với gamma năng lượng thấp dưới 100 keV bằng MCNP5 với kỹ thuật SSW-SSR 68 2.4. Kết luận chương 2 77 Chương 3. Hiệu chuẩn hiệu suất ghi hệ phổ kế gamma ñầu dò HPGe sử dụng chương trình MCNP 78 3.1. Hiệu chỉnh trùng phùng tổng trong hệ phổ kế gamma ñối với nguồn 60 Co dạng ñiểm bằng chương trình MCNP 78 3.1.1. Thuật toán kết hợp phổ mô phỏng ñỉnh ñơn thành phổ mô phỏng có trùng phùng 79 3.1.2 Các phương pháp xác ñịnh hệ số trùng phùng 80 3.1.3. Mô phỏng phổ ñỉnh ñơn và phổ trùng phùng ñối với nguồn 60 Co 81 3.1.4. Xác ñịnh hệ số trùng phùng ñối với nguồn 60 Co 83 3.2. Khảo sát hiệu suất của hệ phổ kế gamma HPGe ñối với hình học mẫu thể tích bằng MCNP - ðánh giá ảnh hưởng của matrix và mật ñộ lên hiệu suất 84 3.2.1. Giới thiệu 85 3.2.2. Hình học mẫu khảo sát 85 3.2.3. Mô phỏng ñường cong hiệu suất ñỉnh theo matrix và theo mật ñộ 85 3.2.4. Áp dụng xác ñịnh hoạt ñộ các ñồng vị phóng xạ trong một số mẫu chuẩn của IAEA 95 3.3. Kết luận chương 3 101 Chương 4. Khử miền liên tục phổ gamma sử dụng thuật toán ML-EM và chương trình mô phỏng MCNP 103 4.1. Giới thiệu 103 4.2. Các phương pháp thực hiện 105 4.2.1. Phương pháp giải cuộn dùng thuật toán ML-EM 105 4.2.2. Mô phỏng ma trận ñáp ứng bằng chương trình MCNP 107 4.2.3. Nội suy ñáp ứng 108 4.2.4. Xây dựng chương trình giải cuộn phổ gamma 113 4.3. Khử miền liên tục phổ gamma của một số nguồn gamma dạng ñiểm bằng thuật toán ML-EM và chương trình MCNP – ðánh giá hiệu quả của việc giải cuộn. 114 4.3.1. Xây dựng ma trận ñáp ứng 114 4.3.2. Giải cuộn phổ ño 115 4.4. Thử nghiệm khử miền liên tục phổ gamma trong phân tích mẫu môi trường hình học mẫu Marinelli bằng thuật toán ML-EM và chương trình MCNP 119 4.4.1. Mẫu môi trường - Mẫu chuẩn – Hình học mẫu 119 4.4.2. Kết quả và thảo luận 120 4.5. Kết luận chương 4 124 Kết luận chung 126 Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 130 Danh mục các công trình 131 Tài liệu tham khảo 134 Phụ lục 146 Phụ lục 1: Các ñặc trưng của nguồn phóng xạ dạng ñiểm 146 Phụ lục 2: Thông tin về ñầu dò HPGe GC2018 148 - ix - BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore ACTivation Library BEGe ðầu dò germanium năng lư ợng mở rộng Broad Energy Germanium detector BGO ðầu dò trong thiết bị triệt Compton Bismuth Germanate Bi 4 Ge 3 O 12 BS Tán xạ ngược Back Scattering CSSIM Chương trình mô phỏng phổ tr ùng phùng của tác giả luận án và c ộng sự Coincidence Spectra SIMulation CSS Hệ phổ kế triệt Compton Compton Suppression Spectrometer CYLTRAN Chương trình mô ph ỏng Monte Carlo CYLTRAN c ủa nhóm Halbleib và Mehlhorn, 1986 DE ðỉnh thoát ñôi Double Escape DETEFF Chương trình mô ph ỏng Monte Carlo DETEFF c ủa nhóm Cornejo Diaz và D. Pérez Sánchez,1998; Jurado Vargas, 2002) DETector EFFiciency DET ðầu dò DETector EGS4 Chương trình mô phỏng Monte Carlo EGS4 c ủa nhóm Nelson 1985, Stanford Linear Accelerator Center ENDF Thư viện số liệu hạt nhân ENDF Evaluated Nuclear Data File [...]... LS curves Phương pháp ñư ng cong th ba MCG Chương trình Monte Carlo gamma Monte Carlo Gamma Linear to Squared curves x lý các photon năng lư ng cao MCNG Chương trình Monte- Carlo ghép Monte Carlo Neutron c p neutron-gamma MCN Gamma Chương trình Monte- Carlo x lý Monte Carlo Neutron bài toán v n chuy n neutron MCNP Chương trình Monte- Carlo mô Monte Carlo N Particle ph ng v n chuy n h t N c a nhóm J.F Briesmeister,... Figure Of Merit phương pháp Monte Carlo FWHM ð r ng t i n a chi u cao c c ñ i Full Width at Half Maximum Ge(Li) ð u dò germanium “khu ch tán lithium” GEANT Chương trình mô ph ng Monte Carlo GEANT c a nhóm R Brun 1986, CERN Data Handling Division, Geneva GEB M r ng năng lư ng d ng Gauss Gaussian Energy Broadenning GESPECOR Chương trình mô ph ng Monte Germanium SPEctroscopy Carlo GESPECOR c a nhóm O CORrection... TÌNH HÌNH NGHIÊN C U TRÊN TH LIÊN QUAN ð N GI I VÀ TRONG NƯ C NG D NG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TRONG NGHIÊN C U ð C TRƯNG C A H PH K GAMMA Cùng v i s phát tri n c a các máy tính ñi n t , các phương pháp MonteCarlo ngày càng ñư c áp d ng r ng rãi trong các nghiên c u khoa h c và công ngh h t nhân Các phương pháp Monte Carlo r t khác v i các phương pháp v n chuy n t t ñ nh Các phương pháp t t ñ nh gi... phương pháp Monte Carlo trong nghiên c u ng d ng h ph k gamma và nh ng v n ñ liên quan 1.1.1 Tình hình nghiên c u trên th gi i Năm 1972, Peterman [69] và Goton [34] ñã tính toán s t h p th tia gamma trong ngu n d ng ñĩa b ng phương pháp Monte Carlo và b ng các phương pháp t t ñ nh khác S t h p th trong ngu n th tích thư ng không ñư c tính toán Năm 1976, Rieppo [70] ñã áp d ng phương pháp Monte Carlo trong... Ngư c l i, phương pháp Monte Carlo không gi i phương trình tư ng minh mà ñúng hơn nh n các tr l i b ng mô ph ng các h t riêng r và ghi m t s khía c nh (các ñánh giá) c a tr ng thái trung bình c a chúng Tr ng thái trung bình c a các h t trong v t lý khi ñó ñư c rút ra t tr ng thái trung bình c a các h t ñư c mô ph ng (b ng cách s d ng ñ nh lý gi i h n trung tâm) Phương pháp Monte Carlo cho phép bi u di... nghiên c u và gi i quy t v i vi c s d ng phương pháp mô ph ng Monte Carlo trong h i th o qu c t v “Intercomparison on the usage of computational codes in radiation dosimetry” t ch c t i Bologna, Italy tháng 7 năm 2003 Trong nghiên c u h ph k gamma và các ñ c trưng c a ñ u dò ñã có nhi u chương trình ñáng tin c y s d ng phương pháp Monte Carlo ñ ñánh giá các ñ c trưng c a h ph k tiêu bi u như các ph... Nam liên quan ñ n áp d ng phương pháp mô ph ng Monte Carlo trong nghiên c u ñ c trưng c a h ph k gamma môi trư ng có ho t ñ th p s d ng ñ u dò HPGe; gi i thi u v h ph k gamma và các ñ c trưng c a nó v ñáp ng và hi u su t – các ñ i tư ng c n nghiên c u trong lu n án; gi i thi u v chương trình mô ph ng v n chuy n b c x ña năng d a trên phương pháp Monte Carlo (MCNP) ñã ñư c xây d ng phòng thí nghi m... n khi t kích b i các ngu n 109Cd ho c 241Am Trong công trình [52] Kozma ñã áp d ng mô hình Monte Carlo ñơn gi n ñ xác ñ nh hi u su t c a các ñ u dò BaF2 và Ge(Li) Năm 1991, Sánchez và c ng s [76] ñ ngh m t phương pháp tính toán hi u su t ñ nh năng lư ng toàn ph n có hi u ch nh s t h p th s d ng k thu t Monte Carlo v i ph n m m GEANT 3 ñó nhóm tác gi ñã nghiên c u s t h p th theo hình h c m u d ng Petri... i th c nghi m tương ng (ñ l ch l n nh t 12,8%) cho phép tri n khai mô hình Monte Carlo ñ i v i hình h c và m t ñ m u b t kỳ trong ph m vi ñã kh o sát Năm 1992, nhóm tác gi Décombaz, Gostely và Laedermann [26] ñã ñ ngh m t cách m i ñ hi u ch nh hi u ng trùng phùng t ng trong h ph k gamma v i ngu n th tích b ng mô ph ng Monte Carlo ñây nhóm tác gi s d ng GEANT ñ mô ph ng ph gamma c a h ph k Ge lo i p,... các x lý th c nghi m thêm Các tính toán lý tư ng hơn d a trên mô ph ng Monte Carlo (ví d như Nakamura và Suzuki, 1983; Sima, 1990; Sanchez et al., 1991; Overwater et al., 1993) có h n ch v th i gian ch y máy tính ñây nhóm tác gi ñã ñưa ra m t phương pháp m i ñ ñánh giá hi u ch nh matrix ñó k t h p s chính xác trong tính toán Monte Carlo v i tính m m d o c a các bi u th c gi i tích C th nhóm tác gi ñã . trình Monte Carlo gamma xử lý các photon năng lượng cao Monte Carlo Gamma MCNG Chương trình Monte- Carlo ghép cặp neutron-gamma Monte Carlo Neutron Gamma MCN Chương trình Monte- Carlo. neutron Monte Carlo Neutron MCNP Chương trình Monte- Ca rlo mô ph ỏng vận chuyển hạt N của nhóm J.F. Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA-12625-M Monte Carlo N Particle. pháp Monte Carlo Figure Of Merit FWHM ðộ rộng tại nửa chiều cao cực ñại Full Width at Half Maximum Ge(Li) ðầu dò germanium “khu ếch tán lithium” GEANT Chương trình mô ph ỏng Monte Carlo