Hiệu chỉnh phổ gamma bằng phương pháp monte carlo

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore ACTivation Library DETEFF Chương trình mô phỏng Monte Carlo DETEFF DETector EFFiciency ENDF Số liệu hạt nhân ENDF Evaluated Nucl

Trang 2

Phản biện độc lập 2: PGS.TS Bùi Văn Loát

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHÂU VĂN TẠO

TP HỒ CHÍ MINH – 2013

Trang 3

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-ooOoo -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan về tính chân thực của luận án Các số liệu trong luận án là của chính bản thân thực hiện Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Châu Văn Tạo mà không phải sao chép từ bất cứ công trình nào của người khác

Tác giả luận án

Trần Thiện Thanh

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều

sự giúp đỡ tận tình, chu đáo và tỉ mỉ với tinh thần khoa học và trách nhiệm cao của Thầy/Cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân, các bạn đồng nghiệp gần xa Nhân đây, xin cho phép nghiên cứu sinh gửi lời biết ơn chân thành và kính trọng nhất đến:

 PGS TS Châu Văn Tạo không chỉ là Thầy hướng dẫn khoa học đã gợi ý đề tài, tận tình hướng dẫn, động viên và truyền đạt kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, Thầy đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh sớm hoàn thành luận án

 PGS TS Mai Văn Nhơn, TS Trương Thị Hồng Loan là Thầy/Cô đã giảng dạy cho nghiên cứu sinh những bài học đầu tiên về phân tích phổ gamma trong quá trình học tập ở bậc cao học Đây chính là tiền đề cho nghiên cứu sinh có thể tiếp cận được với những kiến thức cao hơn trong quá trình học tập của mình

 TS Marie – Christine Lépy, TS Marie Martine Bé, TS Laurent Ferreux đã tận tình giúp đỡ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong quá trình đo thực nghiệm ở phòng thí nghiệm quốc gia Henri Becquerel, Pháp

 Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ tấm lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy/Cô, quý đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện luận án

 Nghiên cứu sinh cũng không quên bày tỏ tấm lòng biết ơn sâu sắc đến Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Pháp (CEA) đã hỗ trợ toàn bộ kinh phí cho nghiên cứu sinh được làm việc và nghiên cứu ở Pháp trong thời gian qua

 Cuối cùng, con xin gửi lời biết ơn chân thành tới ba mẹ, gia đình luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho con hoàn thành luận án

Trang 5

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Bảng các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xi

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan 3

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 7

1.1.3 Những vấn đề liên quan đến luận án 8

1.2 Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma 9

1.2.1 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE) 9

1.2.2 Hiệu suất tổng (TE) 9

1.2.3 Tỉ số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trên hiệu suất tổng P/T 11 1.3 Những hiệu chỉnh đối với hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần 11

1.3.1 Hiệu chỉnh phông 11

1.3.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ 12

1.3.3 Hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng tổng 15

1.3.3.1 Hiện tượng trùng phùng tổng trong phổ gamma 15

1.3.3.2 Thuật toán xác định hệ số trùng phùng tổng 18

1.4 Kết luận chương 1 21

Chương 2 Nghiên cứu hàm đáp ứng của hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP5 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.1.1 Đầu dò HPGe đồng trục 23

2.1.2 Buồng chì 25

2.1.3 Nguồn chuẩn 27

Trang 6

2.1.3.1 Nguồn chuẩn dạng hình học điểm 27

2.1.3.2 Nguồn chuẩn dạng hình học trụ 28

2.1.3.3 Mẫu chuẩn RGU 29

2.2 Giới thiệu chương trình MCNP 30

2.2.1 Mô hình hóa tương tác của photon lên vật chất trong chương trình MCNP 31

2.2.1.1 Tán xạ Compton 31

2.2.1.2 Tán xạ Thomson 33

2.2.1.3 Hấp thụ quang điện 33

2.2.1.4 Hiệu ứng tạo cặp 34

2.2.2 Cấu trúc của chương trình MCNP 35

2.2.3 Đánh giá phân bố độ cao F8 35

2.2.4 Đánh giá sai số 38

2.3 Mô phỏng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe bằng MCNP5 40

2.3.1 Phổ đơn năng 41

2.3.2 Phổ đa năng 44

2.3.3 Phổ nguồn đa đồng vị 47

Chương 3 Tính toán hệ số trùng phùng tổng sử dụng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất tổng 50

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình thứ cấp lên phổ gamma 50

3.1.1 Ảnh hưởng tán xạ từ giá đo và buồng chì 50

3.1.2 Ảnh hưởng thành phần vật liệu của giá đo 55

3.2 Đánh giá hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần 58

3.3 Đánh giá hiệu suất tổng 61

3.4 Hiệu chỉnh trùng phùng tổng 66

3.4.1 Xác định hệ số trùng phùng tổng cho nguồn dạng hình học điểm 66

3.4.1.1 Nguồn chuẩn dạng hình học điểm chứa đồng vị 134Cs 68

3.4.1.2 Nguồn chuẩn dạng hình học điểm chứa đồng vị 152Eu 70

Trang 7

3.4.2 Xác định hệ số trùng phùng tổng cho nguồn dạng hình học trụ 74

3.4.2.1 Nguồn chuẩn dạng hình học trụ chứa đồng vị 134Cs 75

3.4.2.2 Nguồn chuẩn dạng hình học trụ chứa đồng vị 152Eu 78

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của lớp hấp thụ đến hệ số trùng phùng tổng 81

Chương 4 Phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu môi trường 84

4.1 Xác định hệ số suy giảm tuyến tính 84

4.2 Cải tiến buồng chì của hệ phổ kế GC20-VLHN 91

4.3 Khảo sát phông khi sử dụng khí nitơ từ bình làm lạnh 94

4.4 Kết quả phân tích mẫu 98

4.4.1 Chuẩn bị mẫu 98

4.4.2 Xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần 99

4.4.3 Xác định hoạt độ phóng xạ của mẫu 103

4.4.4 Tiêu chuẩn đánh giá của IAEA 104

4.4.5 Kết quả phân tích đối với mẫu IAEA-385 105

Kết luận 113

Danh mục các công trình của tác giả 115

Tài liệu tham khảo 118

Phụ lục 125

Trang 8

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore ACTivation Library

DETEFF Chương trình mô phỏng Monte

Carlo DETEFF

DETector EFFiciency

ENDF Số liệu hạt nhân ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu hạt nhân ENDL Evaluated Nuclear Data Library ETNA Chương trình tính hiệu suất và

hiệu chỉnh trùng phùng

Efficiency Transfer for Nuclide Activity measurements

FOM Thông số đánh giá độ tin cậy của

phương pháp Monte Carlo

Full Energy Peak Efficiency

MCNP Chương trình mô phỏng Monte

Carlo MCNP

Monte Carlo N Particle

GEANT4 Chương trình mô phỏng Monte

Carlo GEANT

Geometry ANd Tracking

GEB Mở rộng năng lượng dạng Gauss Gaussian Energy Broadenning GESPECOR Chương trình mô phỏng Monte

Carlo GESPECOR

Germanium SPEctroscopy CORrection Factors HPGe Germanium siêu tinh khiết High Purity Germanium

IAEA Cơ quan năng lượng nguyên tử

Trang 9

Becquerel Becquerel MAB Giá trị chấp nhận cực đại Maximum Acceptable Bias NJOY Mã định dạng các thư viện số liệu

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 1.1 Nguồn gốc gây sai số theo tiêu chuẩn ANSI Std

3 2.2 Hoạt độ của nguồn chuẩn dạng hình học điểm 27

4 2.3 Hoạt độ của nguồn chuẩn dạng hình học trụ 29

5 2.4 Giá trị thực nghiệm và làm khớp FWHM theo năng

lượng

37

6 2.5 Chú giải các đánh giá sai số tương đối trong MCNP 39

7 3.1 So sánh số đếm tổng của bốn cấu hình mô phỏng và thực

nghiệm

55

8 3.2 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE) thực

nghiệm và mô phỏng đối với khoảng cách 10cm từ nguồn đến đầu dò

58

59

13 3.7 Hệ số trùng phùng tổng của nguồn chuẩn dạng hình học

điểm chứa đồng vị 134Cs cách đầu dò 10cm

69

Trang 11

69

70

điểm chứa đồng vị 152Eu cách đầu dò 10cm

71

72

73

19 3.13 Hệ số trùng phùng tổng của 134Cs tại 10cm từ nguồn đến

đầu dò cho nguồn chuẩn dạng hình học trụ

76

20 3.14 Hệ số trùng phùng tổng của 134Cs cho nguồn hình học

dạng trụ đặt sát bề mặt của đầu dò sử dụng lớp hấp thụ bằng đồng dày 1,12mm

77

21 3.15 Hệ số trùng phùng tổng của 134Cs cho nguồn chuẩn dạng

hình học trụ đặt sát bề mặt của đầu dò sử dụng lớp hấp thụ bằng plastic dày 1,5mm

79

24 3.18 Hệ số trùng phùng tổng của 152Eu cho nguồn dạng hình

học trụ đặt sát bề mặt của đầu dò sử dụng lớp hấp thụ bằng plastic dày 1,5mm

80

25 3.19 Hệ số trùng phùng tổng gamma-tia X của 152Eu theo vật

liệu hấp thụ

83

Trang 12

26 4.1 Hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1) của mẫu IAEA-447 86

27 4.2 Hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1) của mẫu IAEA-434 87

28 4.3 Hệ số hấp thụ tuyến tính (cm-1) của mẫu IAEA-385 89

29 4.4 Hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ của các mẫu nghiên cứu 90

30 4.5 Tốc độ ghi nhận năng lượng của bức xạ gamma trong

phông

93

31 4.6 Tốc độ ghi nhận năng lượng của bức xạ gamma cho

trường hợp có và không có nitơ

96

32 4.7 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đồng vị

phóng xạ trong mẫu chuẩn GU

101

33 4.8 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đồng vị

phóng xạ của nguồn chuẩn dạng hình học trụ SG50

102

34 4.9 Các giá trị LAP và MAB đối với mẫu IAEA-385 106

35 4.10 Hoạt độ của mẫu IAEA-385 được đánh giá theo LAP và

MAB

107

MAB

109

MAB

111

Trang 13

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 1.1 Sự suy giảm cường độ gamma khi truyền qua vật liệu 13

2 1.2 Sự khác biệt thành phần vật liệu trong mẫu 14

3 1.3 Sơ đồ phân rã của 60

4 2.1 Dạng đường cong hiệu suất đầu dò HPGe loại n và loại p 22

6 2.3 Cấu trúc buồng chì của hệ giảm phông vũ trụ GeHP3-LNHB 26

7 2.4 Cấu trúc buồng chì của hệ phổ kế G8-LNHB 26

8 2.5 Nguồn chuẩn dạng hình học điểm và khay dùng trong thực

10 2.7 Nguồn chuẩn dạng hình học trụ (kí hiệu SG50) 29

11 2.8 Hình học mẫu chuẩn dạng trụ tại bộ môn VLHN 30

12 2.9 So sánh phổ gamma thực nghiệm và mô phỏng của đồng vị

Trang 14

88Y trên hệ phổ kế G8-LNHB

152Eu trên hệ phổ kế G8-LNHB từ 0 đến 2000keV

46

152Eu trên hệ phổ kế G8-LNHB dưới 400keV

47

21 2.18 So sánh phổ gamma thực nghiệm và mô phỏng của nguồn

hỗn hợp nhiều đồng vị trên hệ phổ kế G8-LNHB từ 0 đến 2000keV

48

22 2.19 So sánh phổ gamma thực nghiệm và mô phỏng của nguồn

hỗn hợp nhiều đồng vị trên hệ phổ kế G8-LNHB dưới 400keV

48

24 3.2 So sánh phổ mô phỏng của 109Cd đối với bốn cấu hình 52

25 3.3 So sánh phổ mô phỏng của 57

Co đối với bốn cấu hình 52

26 3.4 So sánh phổ mô phỏng của 60Co từ 0 đến 1400keV đối với

30 3.8 So sánh phổ mô phỏng 109Cd đối với bốn thành phần vật liệu 56

31 3.9 So sánh phổ mô phỏng 57Co đối với bốn thành phần vật liệu 56

32 3.10 So sánh phổ mô phỏng của 54Mn từ 0 đến 900keV đối với

Trang 15

34 3.12 So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm của đồng vị 57Co 61

35 3.13 So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm của đồng vị 109Cd 62

36 3.14 So sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của 109

Cd đối với mô hình mode P và mode PE

63

37 3.15 So sánh hiệu suất mô phỏng kết hợp thực nghiệm và hiệu

suất thực nghiệm tại khoảng cách 15,3cm từ nguồn tới đầu

74

41 3.19 FEPE của nguồn chuẩn dạng hình học trụ của đồng vị 152Eu

đối với các mô hình nghiên cứu

75

42 3.20 TE của nguồn chuẩn dạng hình học trụ của đồng vị 152Eu

đối với các mô hình nghiên cứu

75

43 3.21 FEPE của nguồn 152Eu với các vật liệu hấp thụ 81

44 3.22 TE của nguồn 152Eu với các vật liệu hấp thụ 82

46 4.2 Phổ gamma khi có mẫu và không có mẫu của đồng vị 133Ba

trên hệ phổ kế GC20-VLHN đối với mẫu IAEA-447

85

47 4.3 Đồ thị khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm tuyến tính

theo năng lượng của mẫu IAEA-447

85

theo năng lượng (keV) của mẫu IAEA-434

87

theo năng lượng của mẫu IAEA-385

88

50 4.6 Sơ đồ bố trí thiết bị làm giảm phông buồng chì 91

Trang 16

51 4.7 So sánh phổ phông sau khi cải tiến trên toàn phổ 92

52 4.8 So sánh phổ phông sau khi cải tiến tại vùng năng lượng thấp 92

54 4.10 So sánh phổ có nitơ trên hệ GeHP3-LNHB 95

55 4.11 So sánh phổ không có khí nitơ trên hệ GeHP3-LNHB 95

56 4.12 So sánh phổ có nitơ trên hệ phổ kế giảm phông vũ trụ

GeHP3-LNHB (vùng năng lượng thấp)

97

57 4.13 So sánh phổ không có khí nitơ trên hệ phổ kế giảm phông vũ

trụ GeHP3-LNHB (vùng năng lượng thấp)

62 4.18 Đường cong FEPE của nguồn chuẩn dạng hình học trụ trên

hệ phổ kế triệt phông vũ trụ GeHP3-LNHB

102

63 4.19 So sánh phổ gamma của mẫu IAEA-385 và phổ phông trên

toàn vùng năng lượng từ 20keV-3000keV

106

toàn vùng năng lượng dưới 100keV

107

108

109

110

Trang 17

MỞ ĐẦU

Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) hiện nay đã trở thành một thiết bị phổ biến, có độ tin cậy cao, dùng trong phân tích các mẫu môi trường Thiết bị thực hiện việc xác định năng lượng của bức xạ gamma mà đồng vị trong mẫu phát ra để xác định hoạt độ của chúng Trong quá trình sử dụng hệ phổ

kế này, có ba câu hỏi lớn đặt ra cho các nhà phân tích là: phông môi trường của phòng thí nghiệm như thế nào; hiệu suất ghi nhận của hệ phổ kế gamma cho phép phân tích có thể áp dụng cho vùng năng lượng nào; và quá trình hiệu chỉnh những thông số ảnh hưởng đến kết quả phân tích như thế nào

Các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ phổ

kế hiện nay thường tập trung vào các vấn đề như giảm phông để tăng khả năng phát hiện hoạt độ của đồng vị phóng xạ, xác định hiệu suất, sự phụ thuộc của hiệu suất theo năng lượng, theo khoảng cách, theo bề dày lớp chết và những yếu

tố ảnh hưởng đến hiệu suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ Luận án được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe, với sự hỗ trợ của phương pháp Monte Carlo, nhằm góp phần giải quyết một số vấn đề nêu trên Mục tiêu của luận án là nghiên cứu những ảnh hưởng của phông, của hiệu ứng tự hấp thụ và của hiệu ứng trùng phùng tổng đến độ chính xác trong quá trình phân tích hoạt độ mẫu môi trường

sử dụng hệ phổ kế gamma

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò

HPGe đồng trục loại p và loại n

Phương pháp nghiên cứu của luận án là thực nghiệm kết hợp với phương

pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5

Nội dung của luận án bao gồm:

Phần mở đầu: Giới thiệu chung về nhiệm vụ của luận án

Trang 18

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong hiệu chỉnh phổ gamma sử dụng đầu dò HPGe Đặc biệt là ảnh hưởng của phông, trùng phùng tổng và sự tự hấp thụ

Chương 2: Mô phỏng phổ gamma bằng chương trình MCNP5 đối với nguồn chuẩn dạng hình học điểm sử dụng nguồn phát gamma đơn năng, đa năng và nguồn hỗn hợp bao gồm nhiều đồng vị

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của tán xạ gamma thứ cấp đối với vật liệu xung quanh đầu dò như tán xạ với buồng chì, tán xạ với giá đo nguồn Trong chương này, chương trình ETNA được sử dụng để tính toán hệ số trùng phùng tổng cho nguồn chuẩn dạng hình học điểm và dạng hình học trụ

Chương 4: Xác định hệ số suy giảm tuyến tính đối với ba mẫu phân tích là IAEA-447, IAEA-434 và IAEA-385 bằng thực nghiệm Cải tiến buồng chì của hệ phổ kế gamma GC20-VLHN để xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ đối với mẫu IAEA-434 (phosphogysum) và IAEA-447 (moss-soil) Bên cạnh đó, mẫu IAEA-385 (sediment) được phân tích trên hệ phổ kế gamma giảm phông từ bức xạ

vũ trụ tại phòng thí nghiệm LNHB của Pháp Kết quả tính toán được so sánh với tiêu chuẩn về độ chính xác và độ tin cậy của IAEA

Phần kết luận: nêu lên các kết quả chính, các đóng góp mới của luận án và các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học của luận án là dựa trên các kết quả nghiên cứu kết hợp giữa

mô phỏng và thực nghiệm để đề xuất một quy trình phân tích và xử lý phổ gamma cho các mẫu môi trường có độ chính xác và độ tin cậy cao

Ý nghĩa thực tiễn của luận án là góp phần xây dựng hệ thống phân tích của phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân của Trường ĐH Khoa học Tự nhiên đạt các tiêu chuẩn quốc tế

Trang 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

Trong phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ của mẫu đo bằng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe thì quá trình hiệu chỉnh có một vai trò cực kì quan trọng đối với độ chính xác và độ tin cậy của phép đo Cơ sở của sự hiệu chỉnh bắt nguồn từ hàng loạt các dữ liệu: đường chuẩn hiệu suất; diện tích đỉnh; hình học mẫu

và đầu dò; hiệu ứng trùng phùng ngẫu nhiên; hiệu ứng trùng phùng tổng; hiệu ứng

tự hấp thụ khi thành phần mẫu đo khác với thành phần mẫu chuẩn; hiệu ứng phân rã trong quá trình đo và xảy ra từ lúc bắt đầu sản xuất đồng vị tới lúc đo; quá trình nội suy giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và quá trình trừ phông Trong bảng 1.1 trình bày tầm ảnh hưởng (tính theo %) của các nguồn gây sai số lên kết quả phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu

Bảng 1.1: Nguồn gốc gây sai số theo tiêu chuẩn ANSI Std N42.14-1999 [8]

4 Sự biến thiên của diện tích đỉnh của phông tự nhiên 0,0 – 100,0

8 Trùng phùng ngẫu nhiên (tốc độ đếm cao) 0,0 – 30,0

12 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần 0,5 – 15,0

Trang 20

Từ bảng 1.1 cho thấy có ba thành phần ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu: phông, hiệu ứng tự hấp thụ trong mẫu và hiệu ứng trùng phùng tổng

Dưới đây luận án liệt kê tóm tắt một số công trình trên thế giới cũng như tại Việt Nam liên quan đến áp dụng hệ phổ kế gamma trong phân tích mẫu môi trường

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe tập trung vào các vấn đề: giảm phông; ảnh hưởng của hình học tinh thể germanium; hiệu ứng trùng phùng tổng; hiệu ứng tự hấp thụ đến hiệu suất

Đối với phông có nguồn gốc tự nhiên, các công trình [15], [16], [18], [22], [30], [54], [58] đã sử dụng phương pháp giảm phông thụ động là dùng một tổ hợp các vật liệu có số Z giảm dần tính từ ngoài vào trong như là chì, thiếc, đồng, nhôm Lớp vật liệu ngoài cùng có Z lớn nhất sẽ hấp thụ các bức xạ của môi trường bên ngoài, còn các tia X đặc trưng do tương tác của bức xạ gamma môi trường với vật liệu có Z lớn sẽ được lớp vật liệu có nguyên tử số Z nhỏ hơn kế tiếp bên trong hấp thụ, quá trình cứ tiếp tục cho đến khi tia X đặc trưng của vật liệu cuối cùng không được ghi nhận trên đầu dò Để giảm phông có nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ, các đầu

dò HPGe được đặt trong một phòng thí nghiệm dưới lòng đất [13], [22], [53], hoặc

sử dụng phương pháp giảm phông chủ động bằng hệ điện tử phản trùng phùng, trong đó kết hợp hệ đầu dò plastic bao bọc bên ngoài để phát hiện phông và đầu dò HPGe bên trong để đo mẫu [24], [25] Khi có bức xạ vũ trụ đến tương tác với cả hai đầu dò plastic và với đầu dò HPGe, hệ phản trùng phùng sẽ hình thành tín hiệu cấm

hệ phổ kế gamma để không phân tích tín hiệu này

Trong nghiên cứu hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe đã có nhiều chương trình được phát triển như DETEFF [55], [56]; GEANT4 [19]; GESPECOR [10], [49]; MCNP [6], [60]; PENELOPE [45]… Đa số các công trình trên thế giới tập trung vào mô phỏng đáp ứng phổ, sử dụng mô phỏng trong việc hỗ trợ tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần đối với các dạng hình học nguồn và mẫu khác

Trang 21

nhau, khảo sát hiệu suất theo năng lượng, theo khoảng cách, hiệu chỉnh trùng phùng tổng đối với bức xạ gamma phân rã nhiều tầng, hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với hình học thể tích Một số công trình tiêu biểu như sau:

Ródenas và các cộng sự [44] đã sử dụng chương trình MCNP4C để mô phỏng phổ của đồng vị 152

Eu đối với nguồn dạng hình học Marinelli ở khoảng cách 0cm và 10cm Tỉ số giữa diện tích đỉnh mô phỏng và thực nghiệm cho phép đánh giá ảnh hưởng của trùng phùng tổng trên phổ đo

Venkataraman và các cộng sự [57] đã sử dụng MCNP4B để xác định đường cong tỷ số P/T trong vùng năng lượng từ 60keV đến 2000keV trên hai loại đầu dò BEGe và HPGe, sự sai biệt xuất hiện giữa phổ mô phỏng và thực nghiệm ở vùng Compton được giải thích là do chương trình MCNP4B không thể tính toán đến hiệu ứng thu thập điện tích trong tinh thể germanium

Lépy [35] đã áp dụng phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình PENELOPE2003 để xây dựng đường cong hiệu suất tổng Tác giả cũng chú ý rằng, nếu giá trị hiệu suất tổng của thực nghiệm và mô phỏng có độ sai biệt nhỏ hơn 10% thì có thể bỏ qua trong quá trình tính toán hệ số trùng phùng tổng

Dryak và Kovar [20] đã sử dụng chương trình MCNP4C và thực nghiệm để xác định đường cong hiệu suất trong khoảng năng lượng 40keV đến 2754keV đối với nguồn điểm đặt tại khoảng cách 25cm so với bề mặt của đầu dò Các thông số của đầu dò HPGe được xác định bằng các phương pháp chụp ảnh phóng xạ, xác định sự nhiễm bẩn của cửa sổ tinh thể bằng phương pháp huỳnh quang tia X, cuối cùng là bề dày lớp chết được xác định bằng phương pháp biến thiên góc đo Kết quả cho thấy mô hình MCNP4C của đầu dò được khảo sát cho kết quả chính xác đường cong hiệu suất đỉnh với độ sai biệt dưới 2% đối với nguồn chuẩn dạng hình học điểm và thể tích

Boson và các cộng sự [12] đã kết hợp phương pháp mô phỏng bằng chương trình MCNP5 và chụp ảnh phóng xạ để khảo sát lại hình học của đầu dò loại p, kết quả cho thấy lớp chết của đầu dò đã tăng lên 2 lần so với thông tin ban đầu từ nhà sản xuất

Trang 22

Cabal và các cộng sự [14] đã kết hợp thực nghiệm và mô phỏng bằng chương trình MCNPX2.6 và GEANT4.9.2 để xác định hình học của đầu dò Kết quả nhận được là bán kính của hốc tinh thể và chiều cao của hốc có sự khác biệt so với giá trị ban đầu được cung cấp từ nhà sản xuất

Trong các công trình của các tác giả nêu trên đã chứng tỏ rằng: hình học của tinh thể germanium như bề dày lớp chết, đường kính và chiều dài tinh thể hay chiều cao hốc tinh thể có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò

Các công trình tiêu biểu nghiên cứu ảnh hưởng của sự tự hấp thụ và hiệu chỉnh trùng phùng tổng như sau:

Cutshall và các cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp thực nghiệm nhằm xác định hệ số suy giảm tuyến tính của thành phần mẫu đo Kết quả của việc hiệu chỉnh này được dùng để phân tích hoạt độ phóng xạ của đồng vị 210Pb

Jodlowski [28] phát triển chương trình máy tính để tính hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với các mẫu đã biết thành phần cho hình học trụ và hình học Marinelli Andreev [9] đã xây dựng thuật toán đệ quy để giải quyết vấn đề trùng phùng tổng cho trường hợp tổng quát Sau đó, McCallum và Coote [42] đã viết lại công thức của Andreev và mở rộng cho trường hợp trùng phùng tổng gây mất số đếm của gamma và β (511keV) cho phân rã của + 22Na

Semkow và các cộng sự [46] đã xây dựng thuật toán ma trận để tính toán lại trường hợp trùng phùng tổng của các bức xạ gamma Sau đó, Korun và Martincic [31] đã mở rộng thuật toán ma trận để tính toán hiệu chỉnh các ảnh hưởng do tia X bằng việc xây dựng các mức bán bền và đã giải quyết thành công bài toán này cho trường hợp của 139Ce

Kanisch và các cộng sự [29] đã phân tích và so sánh giữa các thuật toán khác nhau trên thế giới đang được sử dụng để hiệu chỉnh hiện tượng trùng phùng tổng Tiếp theo đó, tác giả sử dụng chương trình GESPECOR để tính toán hệ số trùng phùng và so sánh với các thuật toán khác

Vidmar và Kanisch [59] đã phát triển một thuật toán đệ quy mới để tính toán

hệ số trùng phùng tổng với tốc độ tính toán nhanh hơn thuật toán ma trận

Trang 23

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam những nghiên cứu về phông, hàm đáp ứng của phổ gamma bằng phương pháp Monte Carlo, hiệu chỉnh trùng phùng tổng và hiệu chỉnh sự tự hấp thụ cũng đã được nghiên cứu, tiêu biểu như:

Ngô Quang Huy và Trần Văn Luyến [26] đã nghiên cứu phân tích đồng vị

238U bằng đỉnh 63,3keV trên hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe tại Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM Cấu hình buồng chì gồm chì, thiếc và đồng theo thứ tự từ ngoài vào trong Buồng chì được thiết kế bởi 17 tấm chì dày 3cm, đặt chồng khít lên nhau theo dạng hình trụ với đường kính trong 30cm, đường kính ngoài 50cm, chiều cao trong 30cm và chiều cao ngoài 50cm Trong buồng chì có lót một lớp thiếc dày 1mm và ba lớp đồng lá dày 2mm dọc theo thành, mặt dưới và mặt trên buồng chì Đặc biệt, sau khi lót thêm một lớp thiếc dày 1cm và lớp paraffin vào bên trong thì phông buồng chì giảm rõ rệt trong vùng năng lượng thấp Điều này cho phép phân tích các mẫu môi trường có hoạt độ phóng xạ thấp

Ngô Quang Huy [27] đã sử dụng chương trình MCNP5 để nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chết đến hiệu suất sau một thời gian dài sử dụng của hệ phổ kế gamma tại Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM Kết quả cho thấy, sau gần 10 năm sử dụng lớp chết của đầu dò HPGe tăng lên ba lần so với thông tin ban đầu được cung cấp từ nhà sản xuất

Trương Thị Hồng Loan và các cộng sự [3], [4], [5] đã sử dụng chương trình MCNP4C2 mô phỏng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, khảo sát quá trình tán xạ ngược trên hệ phổ kế gamma thuộc phòng thí nghiệm, Bộ môn VLHN Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM

Trương Thị Hồng Loan và các cộng sự [39] đã sử dụng chương trình MCNP4C2 để tính toán sự hấp thụ của tia X đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì của hệ phổ kế gamma thuộc phòng thí nghiệm Bộ môn VLHN Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM Các tác giả thực hiện mô phỏng phổ gamma của đồng vị 60Co khi buồng chì có và không có lót 2 lớp thiếc, đồng Kết quả cho thấy với sự có mặt của lớp thiếc dày 1,0mm và lớp đồng dày 1,5mm có thể

Trang 24

hấp thụ được khoảng 97,3% các tia X từ lớp chì Giá trị này phù hợp khá tốt với kết quả khảo sát 98,5% của hãng Canberra với độ sai biệt khoảng 1,2%

Trương Thị Hồng Loan và các cộng sự [40] sử dụng chương trình MCNP4C2 kết hợp với chương trình tự phát triển để tính hệ số trùng phùng tổng cho nguồn chuẩn dạng hình học điểm

Trương Thị Hồng Loan và các cộng sự [41] đã đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng matrix và mật độ lên đường cong hiệu suất sử dụng chương trình MCNP4C2 với các chất nền là đất, nước và không khí Kết quả cho thấy ở miền năng lượng thấp dưới 100keV, ảnh hưởng của thành phần hóa học của mẫu lên hiệu suất ghi của đầu dò rất lớn và càng mạnh khi mật độ của mẫu càng gia tăng

1.1.3 Những vấn đề liên quan đến luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ứng dụng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu

dò HPGe trong phép đo hoạt độ thấp với ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo kết hợp với thực nghiệm Những vấn đề được thực hiện trong luận án là: (1) Mô phỏng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP5 được thực hiện dựa trên các thông tin của nhà sản xuất cung cấp và so sánh với thực nghiệm Nghiên cứu ảnh hưởng của tán xạ thứ cấp của bức xạ gamma lên giá đo, mà chúng tạo ra sự khác biệt lớn trong phổ mô phỏng thu được tại vùng năng lượng thấp

(2) Vấn đề hiệu chỉnh trùng phùng tổng đã được nghiên cứu bởi nhiều nhóm tác giả như Andreev [9], Semkow và các cộng sự [46], Kanisch và các cộng sự [29], Vidmar và Kanisch [59] Luận án phát triển việc hiệu chỉnh trùng phùng tổng của nguồn chuẩn dạng hình học điểm và hình học trụ đối với hai đồng vị phóng xạ 152Eu

và 134Cs

(3) Vấn đề hiệu chỉnh sự tự hấp thụ có thể giải quyết triệt để bằng phương pháp mô phỏng và giải tích khi đã biết thành phần mẫu Luận án đã áp dụng phương pháp gamma truyền qua để xác định hệ số suy giảm tuyến tính bằng phương pháp thực nghiệm Từ đó, tính toán hệ số tự hấp thụ do sự khác biệt giữa thành phần mẫu chuẩn và mẫu đo

Trang 25

(4) Đánh giá ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên lên phổ gamma đo được trên hệ phổ kế gamma, tiến hành cải tiến buồng chì để giảm ảnh hưởng của phông đặc biệt ở vùng năng lượng thấp Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng khí nitơ từ bình làm lạnh để giảm phông từ khí radon trên hệ phổ kế gamma

(5) Sử dụng buồng chì được cải tiến, kết hợp với hiệu chỉnh sự tự hấp thụ và hiệu chỉnh trùng phùng tổng vào quá trình phân tích hoạt độ phóng xạ của một số mẫu có hoạt độ thấp với thành phần mẫu chưa được biết, trên cơ sở hệ thống phổ kế HPGe có tại Phòng thí nghiệm VLHN của Trường ĐH KHTN Tp.HCM

1.2 Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma

1.2.1 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE)

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (εP) là xác suất ghi nhận toàn bộ năng lượng của một gamma phát ra trong thể tích hoạt động của đầu dò [18], [22] Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần phụ thuộc vào năng lượng được xác định bởi công thức sau:

(E): hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

NP(E): diện tích đỉnh năng lượng toàn phần

B(E): số đếm phông

γ

I (E): xác suất phát gamma

A: hoạt độ tại thời điểm đo (Bq)

T : thời gian đo (s)

1.2.2 Hiệu suất tổng (TE)

Hiệu suất tổng (εT) là xác suất ghi nhận một phần hay toàn bộ năng lượng của một gamma phát ra trong thể tích hoạt động của đầu dò [18], [22]

Trang 26

Hiệu suất tổng phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma, khoảng cách nguồn - đầu dò, hình học nguồn và các vật liệu xung quanh đầu dò Trong thực nghiệm cần sử dụng một số nguồn đơn năng như (241

Đối với việc xác định số đếm toàn phần NT, các hiệu chỉnh sau đây phải thực hiện cho tất cả các phổ đo:

1 Trừ phông

2 Ngoại suy phổ từ biên trái của đỉnh năng lượng toàn phần về không (ETZ) (số đếm tại ETZ được ngoại suy thô bằng cách lấy trung bình số đếm của 4 kênh từ trái sang phải của ETZ)

3 Trừ các số đếm “nhiễu”, ví dụ, đối với nguồn 65Zn thì xuất hiện bức xạ hủy

511 keV, đối với 109Cd thì xuất hiện tia X đặc trưng

Khi đó hiệu suất tổng được tính như sau:

Co, 60Co để tính hiệu suất tổng với năng lượng trung bình của hai đỉnh quang điện của chúng Bên cạnh đó, để ngoại suy ở vùng năng lượng cao thì đồng vị 88Y thường được sử dụng [18]

Trong đó, hiệu suất tổng cho đỉnh thứ hai được tính theo công thức:

Trang 27

 

T

T γ1 1 T

γ2 γ1 1

N

- A.I εt

ε = A.I 1 - I ε

1.2.3 Tỉ số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trên hiệu suất tổng P/T

Korun [32] dùng tỉ số hiệu suất tổng (T) trên hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (P) Trong khi đó, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng có mối quan hệ với nhau bởi tỉ số hiệu suất đỉnh trên hiệu suất tổng [18], [22]:

Do xác suất của mỗi cơ chế tương tác phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma nên tỉ số P/T cũng phụ thuộc vào năng lượng Tuy nhiên, tỉ số này ít phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn tới đầu dò nên có thể bỏ qua ảnh hưởng này [11]

1.3 Những hiệu chỉnh đối với hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

1.3.1 Hiệu chỉnh phông

Phổ phông môi trường được ghi nhận trên đầu dò chủ yếu là do các bức xạ gamma của những đồng vị thuộc các họ phóng xạ tự nhiên 238U, 232Th, 235U cũng như 40K và một vài đồng vị phóng xạ nhân tạo như 60

Co, 137Cs Phương pháp giảm phông thụ động là dùng một tổ hợp các vật liệu có số Z giảm dần tính từ ngoài vào trong như là chì, thiếc, đồng, nhôm [15], [54]

Đặc biệt, 222

Rn (T1/2 = 3,8 ngày), 220Rn (T1/2=56s) và 219Rn (T1/2=4s) là chất khí dễ bay hơi nên dễ dàng thâm nhập vào bên trong buồng chì của đầu dò Kết quả

là khí radon sẽ tích tụ dần và làm nhiễm bẩn không gian bên trong buồng chì Để

Trang 28

giảm bớt ảnh hưởng phông do khí radon gây ra, đưa khí sạch phóng xạ như khí nitơ

từ bình làm lạnh hay khí oxi để thay thế không khí bị nhiễm bẩn [22], [30]

Các hạt mang điện năng lượng cao từ bức xạ vũ trụ có thể đến tương tác với tinh thể germanium của đầu dò Các electron với năng lượng trên 10MeV, các muon với năng lượng trên 100MeV và các proton với năng lượng trên 1GeV trong bức xạ

vũ trụ có thể đến bề mặt Trái đất [22], [30]

Các muon làm tăng phông do bức xạ hãm của các electron được tạo ra khi các muon tương tác với tinh thể germanium và buồng chì Các quá trình khác là sự tạo cặp phân rã muon, bức xạ hãm muon và sự ion hóa trực tiếp Kết quả của những tương tác này là tạo ra phổ liên tục cùng với một đỉnh hủy trên phổ gamma Ngoài

ra, phản ứng giữa các muon với germanium, chì và các vật liệu xung quanh thông qua sự bắt muon dẫn tới hạt nhân Z - 1 bị kích thích và sinh ra neutron Những neutron này sẽ gây ra các phản ứng hạt nhân với buồng chì và sinh ra các gamma

Vì vậy, bên trong buồng chì nên lựa chọn các vật liệu có tiết diện bắt giữ neutron cao như cadmium, boron, lithium hoặc paraffin [22]

Đối với thành phần bức xạ vũ trụ thì phương pháp giảm phông là đặt các đầu

dò HPGe trong một phòng thí nghiệm dưới lòng đất hoặc sử dụng phương pháp giảm phông chủ động [22], [53] Phương pháp này sử dụng hệ đầu dò plastic bên ngoài để giảm phông và đầu dò HPGe bên trong để đo mẫu Hai hệ đầu dò được kết nối qua bộ điện tử phản trùng phùng Khi có bức xạ vũ trụ đi qua cả hai đầu dò, hệ phản trùng phùng sẽ cấm máy phân tích [24], [25]

1.3.2 Hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ

Hiệu ứng tự hấp thụ xảy ra trong nguồn dạng hình học thể tích khi một số bức

xạ gamma phát ra từ trong nguồn có thể bị mất một phần hay toàn bộ năng lượng của chúng trong nguồn trước khi rời khỏi nguồn [16], [21], [50], [51], [52]

Hình 1.1 trình bày sự suy giảm của chùm bức xạ khi truyền qua vật liệu có bề dày x Theo công thức Beer – Lambert, một chùm bức xạ song song với năng lượng

E có cường độ ban đầu I0 truyền qua mẫu có bề dày x (cm) giảm theo phương trình:

( )

Trang 29

trong đó:

I là cường độ của bức xạ gamma sau khi qua mẫu

 là hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu (cm-1)

Hình 1.1: Sự suy giảm cường độ gamma khi truyền qua vật liệu

Tuy nhiên, hệ phổ kế gamma chỉ ghi nhận tốc độ đếm của đầu dò nên công thức (1.7) được viết lại như sau:

( )

0

trong đó:

N0 là tốc độ đếm của đầu dò ứng với hộp rỗng (số đếm/s)

N là tốc độ đếm của đầu dò ứng với hộp chứa mẫu (số đếm/s)

Từ đó, suy ra hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu

0N1μ= ln( )

Trang 30

trong đó, u(): sai số tuyệt đối của hệ số suy giảm tuyến tính, u(x): sai số tuyệt đối của bề dày, u(N0): sai số tuyệt đối của tốc độ đếm đối với hộp rỗng, u(N): sai số tuyệt đối của tốc độ đếm đối với hộp chứa mẫu

Vì vậy, nếu xác định được hệ số suy giảm tuyến tính của bức xạ gamma trong mẫu thì sẽ hiệu chỉnh được hiệu ứng tự hấp thụ Khi đó, hệ số tự hấp thụ, Fa, được tính như sau:

Hình 1.2: Sự khác biệt thành phần vật liệu trong mẫu

Trong trường hợp mẫu chuẩn và mẫu đo có cùng hình học thì hệ số hiệu chỉnh

tự hấp thụ được tính bằng công thức sau:

F (E) μ (E) 1-exp(-μ (E) x)

ε (E) = ε (E) = ε (E)

F (E) μ (E) 1-exp(-μ (E) x)

Trang 31

trong đó,ε (E) là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu chuẩn, 1 ε (E) là hiệu 2suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu đo, x là bề dày mẫu, 1 là hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu chuẩn và 2 là hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu đo

1.3.3 Hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng tổng

1.3.3.1 Hiện tượng trùng phùng tổng trong phổ gamma

Bức xạ gamma được sinh ra do sự dịch chuyển của hạt nhân không bền từ mức năng lượng kích thích về trạng thái có năng lượng thấp hơn hoặc trạng thái bền Tuỳ vào đồng vị phóng xạ, một hạt nhân ở mức kích thích có thể phát ra một hay nhiều bức xạ gamma khi dịch chuyển xuống các mức thấp hơn và trở về trạng thái bền Một quá trình phát gamma liên tiếp như vậy gọi là hiện tượng gamma nối tầng mức năng lượng trung gian, hạt nhân có thể tồn tại vào khoảng 10-10s đến 10-20s trước khi chuyển sang mức kích thích kế tiếp Trong khi đó, đầu dò HPGe cần thời gian cỡ 10-7s để thu thập điện tích tạo bởi năng lượng của một bức xạ gamma trong đầu dò

Vấn đề hạn chế của hàm đáp ứng thời gian như vậy đã gây ra hiện tượng các gamma nối tầng có thể mất một phần (P) hoặc toàn bộ năng lượng (F) trong vùng hoạt động của đầu dò Nếu tổng các năng lượng (F1 + F2) mất hoàn toàn trong vùng hoạt động của đầu dò ta có trùng phùng cộng thêm (summing in) Khi năng lượng của nó không mất hoàn toàn (F1 + P2 hoặc F2 + P1) thì ta có trùng phùng bị mất đi(summing out) Ngoài ra, hiện tượng (P1 + P2) chỉ góp phần làm trơn phổ phông mà không ảnh hưởng tới hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần [6], [18], [22], [30]

Để xác định hiệu ứng trùng phùng tổng từ hiện tượng gamma nối tầng bao gồm trùng phùng mất đi và trùng phùng cộng thêm, cần nghiên cứu sơ đồ phân rã phóng xạ để xác định mối tương quan giữa tất cả các bức xạ gamma tồn tại và xác suất phát của chúng Ngoài ra trên cơ sở năng lượng của các bức xạ gamma, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, hiệu suất tổng sẽ ảnh hưởng đến sự ghi nhận số đếm [6], [18], [22], [30], [33], [34], [43]

Trường hợp đơn giản, xét sơ đồ phân rã của 60Co như trong hình 1.3:

Trang 32

Hình 1.3: Sơ đồ phân rã của 60Co

a Xác suất ghi nhận dịch chuyển 2-0

Theo sơ đồ phân rã trên, xác suất để đầu dò ghi nhận sự dịch chuyển bức xạ từ mức 2 đến mức 0 (γ ), sẽ có khả năng ghi nhận đồng thời hai quá trình dịch 20chuyển của γ và 21 γ trong thời gian phân giải của đầu dò [6], [34], [43] 10

- Đầu tiên, xác suất để đầu dò ghi nhận bức xạ (2-0) là

P

20 20 20

20

S =1+α

2 về mức 0

- Kế đến, xác suất để đầu dò ghi nhận bức xạ (2-1) và (1-0) là

P P

Trang 33

nhân con phát gamma cạnh tranh với quá trình biến hoán nội từ mức 2 về mức 1 và mức 1 về mức 0 tương ứng

Biểu thức (1.14) cũng chính là xác suất của hiện tượng trùng phùng tổng cộng thêm từ sự ghi nhận đồng thời bức xạ γ và 21 γ 10

Bởi vì hạt nhân mẹ sẽ chỉ phân rã một trong hai bức xạ trên, do đó xác suất

để đầu dò ghi nhận biến chuyển 2-0 (ST-20) là tổng của (1.13) và (1.14):

20 20 21 21 10 10 T-20

b Xác suất ghi nhận dịch chuyển 2-1

Đầu dò ghi nhận sự dịch chuyển bức xạ từ mức 2 đến mức 1 (γ21), có khả năng ghi nhận thêm bức xạ γ10 trong thời gian phân giải của đầu dò

Khi đó, xác suất xảy ra hiện tượng trùng phùng tổng gây mất số đếm từ sự ghi nhận toàn bộ năng lượng của γ21và một phầnγ10 được tính bằng công thức sau:

T

10 10

21 21 21 21 M-21

P

21 21 21

21

S = 1+α



là xác suất để ghi nhận bức xạ γ21 không có trùng phùng tổng và ε là hiệu suất tổng của 10T γ10

c Xác suất ghi nhận dịch chuyển 1-0

Đầu dò ghi nhận sự dịch chuyển từ mức 1 đến mức 0 (γ10), khi đó sẽ có khả năng ghi nhận cả bức xạ γ21

P

10 10 10

10

χ ε

S = 1+α



(1.17)

Trang 34

trong đó, ε là FEPE của 10P γ10, χ là tỉ số phân nhánh từ mức 1 về mức 0, 10

10

11+α là xác suất để hạt nhân con phát gamma cạnh tranh với quá trình biến hoán nội từ mức

1 về mức 0

Tương tự như mục b, xác suất cho hiện tượng trùng phùng tổng gây mất số đếm từ sự ghi nhận một phần năng lượng của γ21và toàn bộ γ10 được tính theo công thức sau:

10 10 21 21 10 10 M-10

với ε là hiệu suất tổng của T21 γ21

Trường hợp phân rã đơn giản, các hệ số trùng phùng tổng đối với các dịch chuyển (2-0), (2-1) và (1-0) là:

-1 P P

10 10 21

21

χ εS

Trang 35

trong đó:

- A đại diện cho sự trùng phùng của γij và gamma nối tầng phía trước

- B đại diện cho sự trùng phùng của γijvà gamma nối tầng phía sau

- C bao hàm tất cả các trùng phùng của γij và các gamma khác nhau sao cho tổng năng lượng của chúng bằng với năng lượng củaγij

Một sơ đồ phân rã có N+1 mức năng lượng, bao gồm từ mức 0 đến N, các hệ

số A, B, C được tính bằng cách đưa vào các vòng lặp như sau:

- Hệ số A:

N - 1 N

-1 k = i k = +1

b = i+1

χχ

l l

- Hệ số B:

j p - 1

-1 pm

g = j+1

C =C (1.30) với: C =1+CF +CG +CH gi gj gj gj (1.31)

P P

gj ig

gj P ij

ε ε

CG =

Trang 36

F = Fl (1.40)

Trang 37

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này, luận án đã trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong

và ngoài nước về ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong hiệu chỉnh phổ gamma Luận án cũng đánh giá ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên gây nhiễu trong phổ đo, hiệu ứng tự hấp thụ trong mẫu và hiện tượng trùng phùng tổng trong phép đo hoạt độ thấp khi phân tích hoạt độ phóng xạ sử dụng đầu dò HPGe

Để giảm phông tự nhiên cần sử dụng các vật liệu che chắn được lựa chọn như chì, thiếc, đồng Còn đối với phông từ bức xạ vũ trụ thì phương pháp đối trùng chủ động được áp dụng hoặc đặt các hệ thống đo trong phòng thí nghiệm dưới lòng đất Luận án cũng đã trình bày phương pháp gamma truyền qua để xác định hệ số suy giảm tuyến tính, từ đó hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ của bức xạ gamma trong mẫu Thuật toán đệ quy cũng được khảo sát để xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng cho trường hợp trùng phùng gamma-gamma, gamma-tia X

Trang 38

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU HÀM ĐÁP ỨNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA

SỬ DỤNG ĐẦU DÒ HPGe BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Mô phỏng phổ gamma được ghi nhận bởi đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP5 Để thực hiện điều này cần tìm hiểu chi tiết cấu hình của hệ đo, thành phần vật liệu, các đặc trưng của nguồn phóng xạ, xác suất phát hạt, kiến thức về quá trình tương tác và phân bố năng lượng của các hạt quan tâm, các ảnh hưởng liên quan, loại đánh giá cần xác định…Các hiểu biết đầy đủ và chính xác về các đại lượng trên

sẽ giúp người sử dụng xây dựng bộ số liệu đầu vào chính xác

Hình 2.1 mô tả dạng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần từ 1keV tới 2MeV đối với hai loại đầu dò HPGe đồng trục loại p và loại n

Hình 2.1: Dạng đường cong hiệu suất đầu dò HPGe loại n và loại p

Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe trong luận án này thuộc phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM và phòng thí nghiệm quốc gia Henri Becquerel (LNHB) của Pháp Chi tiết về thông số của đầu dò được trình bày trong bảng 2.1

Trang 39

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của bốn đầu dò HPGe đồng trục được sử dụng

trong luận án Thông số kỹ thuật

của đầu dò

GC20-VLHN (mm)

G6-LNHB (mm)

G8-LNHB (mm)

GeHP3-LNHB (mm) Đường kính tinh thể

Dấu (*) biểu thị khoảng cách được xác định bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ Trong đó, đầu dò GC20-VLHN là đầu dò loại p và ba đầu dò còn lại là loại n

2.1.1 Đầu dò HPGe đồng trục

Đầu dò HPGe đồng trục là một tinh thể germanium siêu tinh khiết có dạng khối trụ và ở giữa là một giếng hình trụ đồng trục với tinh thể Hình 2.2 a, b giới thiệu đầu dò HPGe đồng trục loại p và loại n

Một lớp rất mỏng kim loại boron được cấy ion trên bề mặt của tinh thể germanium Lớp này đóng vai trò như một lớp bán dẫn đậm đặc loại p, ký hiệu p+, được nối với cực âm của nguồn điện

Trang 40

Kim loại lithium được khuếch tán vào bề mặt của tinh thể germanium tạo thành một lớp mỏng bán dẫn đậm đặc loại n, ký hiệu n+, được nối với cực dương của nguồn điện Tại lớp tiếp xúc ν – n+

hình thành nên vùng nghèo, mà độ rộng của

nó tỉ lệ thuận với hiệu điện thế phân cực và tỉ lệ nghịch với nồng độ tạp chất trong tinh thể germanium Do đó, với nồng độ tạp chất rất thấp trong tinh thể bán dẫn germanium siêu tinh khiết của đầu dò, khi tăng dần hiệu điện thế phân cực vùng nghèo sẽ mở rộng và có thể chiếm hoàn toàn thể tích của tinh thể

Hình 2.2: Hình học của đầu dò HPGe đồng trục

Đối với một đầu dò HPGe, vùng nghèo chính là vùng hoạt động ghi nhận bức

xạ Khi bức xạ gamma đi vào vùng nghèo của đầu dò sẽ tương tác với vật liệu theo các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp Trong đó, hiệu ứng quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lượng của photon cho đầu

dò, còn các hiệu ứng khác chỉ chuyển một phần năng lượng của photon cho đầu dò Các tương tác tạo thành các cặp electron – lỗ trống bên trong vùng nghèo và các electron đó có thể có năng lượng đủ lớn khi tương tác với vật liệu để tạo ra các cặp electron – lỗ trống khác Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các electron và lỗ trống di chuyển về các điện cực tương ứng và tạo thành xung điện ở ngõ ra của đầu

dò Các xung điện đó sẽ được khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại và khuếch đại, sau

đó được biến đổi thành các tín hiệu số bởi bộ biến đổi tương tự – số và truyền đến

bộ phân tích biên độ đa kênh để ghi nhận xung vào các kênh tương ứng với biên độ Ngoài ra, khi ở nhiệt độ phòng sự nhiễu loạn từ các cặp electron – lỗ trống bị kích thích nhiệt ngẫu nhiên gây nên dòng rò làm giảm độ phân giải năng lượng của

Định dạng
Số trang	151
Dung lượng	5,71 MB