Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector

Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector Nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải năng lượng lên bờ compton của gamma 1063 kev cho detector

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HUỲNH THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG LÊN

BỜ COMPTON CỦA GAMMA 1063 keV CHO DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC

SỬ DỤNG PHẦN MỀM GEANT4

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

TP Hồ Chí Minh – 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HUỲNH THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG LÊN

BỜ COMPTON CỦA GAMMA 1063 keV CHO DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành tốt luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân thì chính thầy cô và bạn bè là người đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Võ Hồng Hải, người đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Xin gởi lời cảm ơn đến thầy Châu Văn Tạo và các thầy cô trong bộ môn vật

lý hạt nhân đã tạo điều kiện, môi trường làm việc thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Xin gởi lời tri ân đến các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa học 2011-2013

Chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp

ý kiến quý báo cho luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

TP.HCM, tháng 9 năm 2013

Học viên Huỳnh Thị Hương

MỤC LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 10

1.1 Tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất 10

1.1.1 Các cơ chế tương tác của gamma với vật chất 10

1.1.1.1 Hiệu ứng quang điện 10

1.1.1.2 Tán xạ Compton 13

1.1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 19

1.1.1.4 Tán xạ Rayleigh 20

1.1.2 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất 21

1.2 Detector nhấp nháy plastic 22

1.2.1 Vật liệu nhấp nháy 23

1.2.1.1 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy 23

1.2.1.2 Các đặc tính của chất nhấp nháy plastic 27

1.2.2 Ống nhân quang 27

1.3 Độ phân giải năng lượng 28

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ GEANT4 VÀ THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG 31

2.1 Tổng quan về Geant4 31

2.1.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng Geant4 31

2.1.2 Quá trình hoạt động 32

2.1.3 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4 33

2.1.4 Tổng quan về chức năng của Geant4 34

2.1.5 Cấu trúc chương trình mô phỏng Geant4 36

2.1.5.1 Lớp G4RunManager 36

2.1.5.2 Lớp G4UImanager 36

2.1.5.3 Các lớp khởi tạo và hoạt động 37

2.1.5.4 Các lớp G4cout và G4cerr 38

2.2 Thí nghiệm mô phỏng 38

2.2.1 Bố trí thí nghiệm mô phỏng 38

2.2.2 Cách thức mô phỏng phổ năng lượng của gamma tới 1063 keV để lại trong detector nhấp nháy plastic 40

2.2.3 Xác định công thức độ phân giải theo năng lượng gamma tới 45

2.2.4 Cách thức mô phỏng ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên phổ gamma 49

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ 53

3.1 Phổ năng lượng gamma để lại trong vật liệu nhấp nháy plastic 53

3.2 Phổ năng lượng gamma sau khi đã tính toán đến ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng 54

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của các độ phân giải năng lượng khác nhau lên bờ Compton gamma 1063 keV 55

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên bờ Compton với các gamma tới có các năng lượng khác nhau 56

3.5 Chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy plastic 59

3.5.1 Chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy plastic dựa vào đỉnh bờ Compton 59

3.5.2 Chuẩn năng lượng dựa vào vị trí năng lượng gamma 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các kí hiệu

Ee Động năng của electron trong hiệu ứng quang điện

h Hằng số Planck 6,626.10-34 J.s

c Vận tốc ánh sáng trong chân không 3.108 m/s

me Khối lượng nghỉ của electron 9,1.10-31 kg

Eb Năng lượng liên kết của electron

h Năng lượng gamma trước tán xạ

h’ Năng lượng gamma sau tán xạ

ρ Khối lượng riêng của môi trường vật chất

Z Số hiệu nguyên tử

A Nguyên tử khối

Ek Động năng electron sau tán xạ Compton

 Góc tán xạ của tia gamma

 Góc bay của electron sau tán xạ Compton

κ Hệ số suy giảm tuyến tính do sinh cặp

σR Hệ số suy giảm tuyến tính do tán xạ Rayleigh

τ Hệ số suy giảm quang điện tuyến tính

σC Hệ số suy giảm Compton tuyến tính

R Độ phân giải năng lượng (%)

σ Độ lệch chuẩn của phân bố Gauss

E Năng lượng gamma tới

EH Năng lượng ở độ cao một nửa đỉnh bờ Compton

EC Năng lượng ở đỉnh bờ Compton

chH Số kênh tương ứng ở độ cao một nửa đỉnh bờ Compton

ch Số kênh tương ứng với vị trí năng lượng gamma

chC Số kênh tương ứng với đỉnh bờ Compton

Sexp(i) Số đếm ở kênh thứ i của phổ thực nghiệm

Ssim(i) Số đếm ở kênh thứ i của phổ mô phỏng

Các chữ viết tắt

CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (European Particle Physics Laboratory)

FORTRAN Formula Translation

FWHM Full Width at Half Maximum

GEANT4 Geometry AND Tracking

HEP High Energy Physics

KEK Korporata Energjetike e Kosovës (The High Energy Accelerator

Research Organization)

R & D Research and Development

ROOT Rapid Object Oriented Technology (Data analysis software)

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Chỉ số

1 2.1 Độ phân giải năng lượng tương ứng với các giá trị năng

lượng của electron đến ở thực nghiệm [29] 46

2 2.2 Bảng giá trị làm khớp R theo công thức (3.4) 46

3 2.3 Bảng các giá trị làm khớp R theo công thức (3.5) 47

4 2.4 Bảng các giá trị làm khớp R theo công thức (3.6) 48

5 3.1 Các giá trị 2tương ứng với một số giá trị R và số kênh 62

6 3.2 Bảng các giá trị DHC với gamma tới năng lượng 1063 keV

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

STT Chỉ số

2 1.2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ quang điện khối vào năng

6 1.6 Sự phụ thuộc hệ số tán xạ khối Compton C/ vào năng

7 1.7 Góc tán xạ gamma ứng với một vài giá trị năng lượng tiêu

8 1.8 Phân bố số electron theo năng lượng và theo năng lượng

11 1.11 Hệ số suy giảm khối của gamma trong môi trường plastic 22

14 1.14 Sơ đồ mức năng lượng singlet S của chất nhấp nháy hữu cơ 24

15 1.15 Phổ hấp thụ và phát xạ của một loại chất nhấp nháy hữu cơ 25

16 1.16 Sơ đồ mức năng lượng triplet T của chất nhấp nháy hữu cơ 26

21 2.3 Detector dạng hình hộp chữ nhật trong hệ tọa độ Oxyz 39

22 2.4 Kích thước tấm chắn chì 39

23 2.5 Tiến trình mô phỏng cấu trúc hình học của khối nhấp nháy

24 2.6 Quá trình tương tác của gamma trong vật liệu nhấp nháy 44

25 2.7 Đường cong làm khớp R theo công thức (3.4) 47

26 2.8 Đường cong làm khớp R theo công thức (3.5) 47

27 2.9 Đường cong làm khớp R theo công thức (3.6) 48

28 2.10 So sánh phổ năng lượng gamma khi có tác động độ phân

giải R theo công thức (3.4), (3.5) và (3.6) 49

30 2.12 Minh họa ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên phổ 51

31 3.1 Phổ năng lượng gamma để lại trong vật liệu nhấp nháy

Phổ năng lượng gamma theo lý thuyết và phổ năng lượng gamma đã tính toán đến ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng

57

Phổ năng lượng gamma từ nguồn 54Mn (835 keV) với ảnh hưởng của các độ phân giải năng lượng có P lần lượt là 0, 5%, 10%, 15%, 25%, 35 %

57

Phổ năng lượng gamma từ nguồn 22Na(511 keV và 1275 keV) với ảnh hưởng của các độ phân giải năng lượng có P lần lượt là 0,5%, 10%, 15%, 25%,35 %

58

37 3.7 Phổ năng lượng gamma từ nguồn 60Co (1173 keV và 1332

keV) với ảnh hưởng của các độ phân giải năng lượng có P 58

lần lượt là 0, 5%,10%, 15%, 25%, 35%

38 3.8 Phổ thực nghiệm [29] và phổ mô phỏng được vẽ trên một

45 3.15 Phổ thực nghiệm [29] và phổ mô phỏng ứng với R = 12% 69

MỞ ĐẦU

Detector nhấp nháy là một trong những loại detector được dùng trong đo lường bức xạ, nó đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, được sử dụng khá phổ biến Trong các chất nhấp nháy, NaI(Tl) được xem là có ưu thế nhất vì nó có độ phân giải năng lượng tốt, trong khi đó chất nhấp nháy plastic có độ phân giải năng lượng kém Tuy nhiên, do những ưu điểm như độ dài xung ngắn, cỡ vài nano giây, có thể chế tạo kích thước và hình dạng tùy

ý nên loại detector nhấp nháy plastic vẫn được sử dụng khá nhiều, chủ yếu là trong các phân tích thời gian

Đối với detector nhấp nháy plastic, việc chuẩn năng lượng cũng như xác định

độ phân giải năng lượng không phải là việc làm dễ dàng Trong nghiên cứu ở [29], tác giả sử dụng nguồn tới là electron đơn năng Thông qua việc làm khớp đỉnh phổ, đường chuẩn năng lượng và độ phân giải năng lượng được xác định Theo [22], để thực hiện chuẩn năng lượng, chùm electron có thể được lấy từ máy gia tốc Tuy nhiên, máy phát electron cũng như từ máy gia tốc khó có sẵn trong phòng thí nghiệm Các nguồn gamma chuẩn thường có sẵn ở phòng thí nghiệm và được sử dụng nhiều hơn Việc sử dụng bức xạ tới là gamma với detector nhấp nháy plastic lại dẫn đến một vấn đề khác là phổ tìm được không xuất hiện đỉnh quang điện (do

số nguyên tử thấp của chất nhấp nháy plastic), điều này gây khó khăn cho việc xác định độ phân giải năng lượng và chuẩn năng lượng Để chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy plastic, người ta thường xác định vị trí năng lượng gamma dựa vào bờ Compton Vì bờ Compton là liên tục, nên việc xác định vị trí năng lượng gamma theo bờ Compton là có độ chính xác không cao do bị ảnh hưởng bởi độ phân giải năng lượng Độ phân giải năng lượng là yếu tố dẫn đến sự khác biệt của

bờ Compton Trong một số nghiên cứu trước đây như [22] và [25], các tác giả thực hiện chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy plastic dựa vào đỉnh bờ Compton thông qua việc so sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ tiến hành mô phỏng ảnh hưởng của các độ phân giải năng lượng khác nhau lên bờ Compton của gamma tới năng lượng

1063 keV (nguồn 207Bi) đối với detector nhấp nháy plastic Thí nghiệm mô phỏng được bố trí tương tự như [29] Các thông số về chất nhấp nháy plastic được lấy từ hãng BICRON [16] Bên cạnh việc mô phỏng ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên bờ Compton gamma 1063 keV (207Bi), chúng tôi cũng sẽ tiến hành mô phỏng ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng với các gamma tới có năng lượng

662 keV (137Cs), 835 keV (54Mn), 511 keV và 1275 keV (22Na), 1173 keV và

1332 keV (60Co) Thông qua mô phỏng ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên phổ gamma, chúng tôi rút ra quy luật về sự thay đổi của đỉnh bờ Compton khi độ phân giải năng lượng thay đổi, đồng thời đưa ra nhận xét về việc xác định vị trí năng lượng gamma

Từ các kết quả mô phỏng thu được, chúng tôi thực hiện chuẩn năng lượng cho detector nhấp nháy plastic thông qua so sánh số liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm [29] cho gamma 1063 keV Việc chuẩn năng lượng được thực hiện với hai phương pháp:

 Phương pháp thứ nhất dựa vào chỉ số 2khi so sánh giữa phổ thực nghiệm

và phổ mô phỏng Tìm chỉ số 2 tối ưu, từ đó đưa ra đánh giá kết quả

 Phương pháp thứ hai dựa vào mối tương quan giữa vị trí đỉnh và vị trí độ cao một nửa đỉnh bờ Compton

Chương trình mô phỏng Geant4 (Geometry ANd Tracking) [6] được sử dụng trong nghiên cứu này là chương trình mô phỏng tương tác của hạt tới với vật chất,

có mã nguồn mở, độ tin cậy cao, được nghiên cứu và phát triển bởi đội ngũ các nhà nghiên cứu tại CERN (European Organization for Nuclear Research)

Bố cục luận văn được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1: Lý thuyết tổng quan

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày những vấn đề:

 Cơ sở lý thuyết về tương tác của gamma với vật chất

 Cơ chế tương tác và các đặc tính cơ bản của chất nhấp nháy plastic

 Độ phân giải năng lượng

Chương 2: Giới thiệu chương trình mô phỏng Geant4

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về cấu trúc, nguyên lý và các thông số cài đặt cho việc chạy một chương trình Geant4

Chương 3: Thí nghiệm mô phỏng

Chương này trình bày:

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất

Trong kĩ thuật ghi nhận bức xạ hạt nhân thực nghiệm, việc phát hiện cũng như xác định năng lượng của gamma tới được dựa vào tương tác của bức xạ gamma với môi trường vật chất detector Do đó, việc nắm rõ cơ chế tương tác của gamma với vật chất là điều rất cần thiết Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày các cơ chế tương tác của gamma với môi trường vật chất detector

1.1.1 Các cơ chế tương tác của gamma với vật chất

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Các sản phẩm được tạo ra sau va chạm sẽ tác dụng tiếp theo trong vật chất hấp thụ và tạo ra phần lớn các ion Vì vậy, quá trình tương tác của

gamma với vật chất được gọi là sự ion hóa gián tiếp Có 4 loại tương tác chính của

gamma khi đi qua môi trường:

 Hiệu ứng quang điện

 Tán xạ Compton

 Hiệu ứng tạo cặp

 Tán xạ Rayleigh

1.1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo dưới dạng động năng để nó bay ra khỏi nguyên tử (hình 1.1) Động năng của electron này được xác định bởi:

Trong đó: h là năng lượng của gamma tới, E b là năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử, Eb EK đối với electron lớp K, Eb ELđối với electron lớp L, Eb EM đối với electron lớp M,…, EK ELEM

Đối với gamma có năng lượng đủ lớn, xác suất xảy ra lớn nhất đối với các electron từ lớp K Trong trường hợp năng lượng tia gamma không đủ để bức electron lớp K thì nó sẽ bứt các electron ở mức cao hơn chẳng hạn như L hoặc M Xác suất hiệu ứng quang điện sẽ giảm dần khi năng lượng gamma tới tăng Tuy nhiên, khi năng lượng gamma xấp xỉ năng lượng liên kết của electron thì xác suất hiệu ứng quang điện tăng vọt Những điểm tương ứng với sự tăng vọt của xác suất gọi là các gờ hấp thụ Ta có gờ K, gờ L, gờ M,… Hình 1.2 thể hiện xác suất hiệu ứng quang điện trong chì

Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ quang điện khối vào

năng lượng của gamma trong chì [8]

Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện có thể được mô tả bởi hệ số suy giảm khối do hiệu ứng quang điện τ/ρ Hệ số τ/ρ phụ thuộc vào nguyên tử số của môi trường và năng lượng tia gamma, sự phụ thuộc này được thể hiện ở công thức (1.2)

: hệ số suy giảm quang điện tuyến tính

: khối lượng riêng của môi trường

/: hệ số suy giảm khối do hiệu ứng quang điện

Z: số hiệu nguyên tử của môi trường

h: năng lượng gamma tới

Đối với các nguyên tố có Z bé n ≈ 4 Đối với các nguyên tố có Z lớn n ≈ 3 Qui luật trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với các tia X hay tia γ có năng lượng tương đối thấp (dưới 1 MeV) và trong môi trường vật chất

có Z lớn

 Quá trình kèm theo hiệu ứng quang điện

Khi electron được bức ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp trong cùng K, thì tại đó xuất hiện một lỗ trống Sau đó, lỗ trống này sẽ nhanh chóng được lấp đầy bởi electron ở lớp trên Phần năng lượng chênh lệch giữa hai electron này được phát ra dưới dạng tia X được gọi là bức xạ đặc trưng hay tia X đặc trưng (hình 1.3a) Năng lượng tia X đặc trưng vào khoảng vài keV đến vài trăm keV Tia X này cũng có thể bị hấp thụ quang điện Khi đó, tất cả năng lượng của tia gamma đều bị hấp thụ và tạo thành đỉnh quang điện toàn phần (Do nguyên lý bảo toàn động lượng, một lượng rất nhỏ năng lượng của gamma được chuyển thành năng lượng giật lùi của nguyên tử và có thể được bỏ qua trong thực nghiệm)

Tia X cũng có thể gặp một electron khác trong vỏ nguyên tử và làm bật electron này ra khỏi vỏ Electron này được gọi là electron Auger Động năng của electron Auger thường khoảng vài keV đến vài chục keV (hình 1.3b) Quá trình phát tia X và phát electron Auger là cạnh tranh nhau Sự phát electron Auger chủ yếu xảy ra trong nguyên tố nhẹ

1.1.1.2 Tán xạ Compton

Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu xảy ra hiệu ứng tán xạ Compton Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do Hình 1.4 trình bày cơ chế tán xạ Compton của gamma lên electron liên kết yếu với nguyên tử của môi trường

Trong tán xạ Compton, lượng tử gamma tán xạ với electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử Khi đó, gamma truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch khỏi phương chuyển động ban đầu một góc , electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử theo phương hợp với phương chuyển động ban đầu của tia gamma một góc 

Ek: động năng electron sau tán xạ Compton

h: năng lượng gamma tới

h’: năng lượng gamma tán xạ

: góc tán xạ của tia gamma

 = hν/mec2: tỉ số giữa năng lượng của gamma tới và năng lượng nghỉ của electron

me: khối lượng nghỉ của electron

c: tốc độ ánh sáng trong chân không

Góc bay  của electron sau tán xạ liên hệ với góc  như sau:

Khi tán xạ Compton xảy ra bên trong môi trường detector, electron Compton

sẽ bị mất toàn bộ động năng bên trong môi trường detector và detector sẽ tạo ra xung tín hiệu tương ứng với phần động năng này Tán xạ Compton xảy ra bên trong môi trường detector có dạng phổ liên tục, năng lượng từ 0 đến năng lượng cực đại của electron Compton (được cho bởi công thức 1.9) Trên phổ gamma, tại vị trí ứng với năng lượng cực đại của electron Compton sẽ xuất hiện một bờ dốc được gọi là

bờ Compton (Compton edge) (hình 1.5)

Những bức xạ gamma sau tán xạ, có năng lượng nằm trong khoảng EC đến E

có thể tương tác tiếp trong detector theo hai cách: Nếu năng lượng gamma sau tán

xạ đủ nhỏ thì chỉ xảy ra hấp thụ quang điện, còn nếu năng lượng còn khá lớn thì nó

sẽ bị tán xạ liên tiếp và cuối cùng kết thúc bằng hiện tượng quang điện Khi đó một đỉnh quang điện toàn phần được ghi nhận Đỉnh quang điện toàn phần này cách bờ Compton một khoảng năng lượng EC đúng bằng năng lượng của gamma tán xạ (được cho bởi công thức 1.10) Vùng phổ ứng với sự tán xạ Compton nhiều lần của gamma thứ cấp kéo dài từ bờ Compton đến đỉnh quang điện toàn phần của gamma tới

Xác suất xảy ra tán xạ Compton được mô tả bởi hệ số suy giảm khối Compton C/ Hệ số này có độ lớn phụ thuộc vào năng lượng của tia gamma Một cách gần đúng, đối với gamma có năng lượng từ 0,2 MeV đến 10 MeV, là vùng hiệu ứng Compton đóng vai trò quan trọng nhất trong sự tương tác của gamma, người ta dùng công thức bán thực nghiệm sau [18]:

Hình 1.5: Vùng tán xạ Compton trong phổ gamma

Vùng tán xạ Compton

Bờ Compton

Hình 1.6: Sự phụ thuộc hệ số suy giảm khối Compton C/ vào năng lượng Eγ

trong môi trường plastic (thu được từ chương trình XCOM [15])

Hình 1.6 thể hiện sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối Compton C/ vào năng lượng gamma trong môi trường nhấp nháy plastic

Hình 1.7: Góc tán xạ gamma ứng với một vài giá trị năng

lượng tiêu biểu [8]

 Hình 1.7 trình bày góc tán xạ của gamma tại một số giá trị năng lượng

Việc phối hợp công thức Klein – Nishina với biểu thức diễn tả sự phụ thuộc năng lượng của electron Compton theo góc bay cho phép ta tính được phân bố số electron theo năng lượng Hình 1.8 trình bày phân bố số electron theo năng lượng

và theo năng lượng của gamma tới Ta thấy tại các giá trị cực đại của electron có một đỉnh nhọn, tương ứng với khi gamma tới bị tán xạ giật lùi 1800

Năng lƣợng electron (MeV)

1.1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Nếu năng lượng của gamma vượt quá hai lần năng lượng nghỉ của electron (2mec2 = 1,022 MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân, nó sinh ra một cặp electron-positron Đó là hiệu ứng sinh cặp electron-positron (hình 1.9) Động năng trung bình mà các hạt mang điện electron và positron nhận được trong hiệu ứng tạo cặp là:

Trong đó:

Ek: động năng trung bình mà electron và positron nhận được

h: năng lượng của gamma tới

Hệ số suy giảm khối do sinh cặp κ/ρ xấp xỉ tỉ lệ với logarith của năng lượng của gamma và tỉ lệ với số thứ tự nguyên tử của chất hấp thụ [18]:

 / (Z / A).log(h )2  Z.log(h ) (1.15) Các electron và positron sinh ra trong sự tạo cặp sẽ mất dần động năng của chúng thông qua sự ion hóa và kích thích cho đến khi dừng lại Đối với positron, khi đó sẽ xảy ra sự hủy cặp: positron kết hợp với một electron tự do, cả hai biến

1.1.1.4 Tán xạ Rayleigh

Trong tán xạ Rayleigh, gamma tương tác đàn hồi với electron của nguyên tử

mà không gây ra ion hóa hay kích thích nguyên tử Khi đó gamma đổi hướng bay, nhưng năng lượng của gamma không bị thay đổi

Xác suất xảy ra tán xạ Rayleigh được mô tả bằng hệ số suy giảm khối Rayleigh σR/ρ

Đối với năng lượng của gamma trên 10 keV đại lượng này có giá trị [18]:

2 R

1.1.2 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Hệ số suy giảm tuyến tính của gamma trong môi trường (xác suất tương tác của gamma với môi trường) là tổng số của các hệ số suy giảm riêng phần gây bởi hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và tán xạ Rayleigh:

Trong đó:

σR: xác suất xảy ra tán xạ Rayleigh

τ: xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện

σC: xác suất xảy ra tán xạ Compton

κ: xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp

Hệ số suy giảm khối của gamma trong môi trường được cho bởi công thức (1.18) [18]:

Trong đó:

σR/: hệ số suy giảm khối Rayleigh

τ/: hệ số suy giảm khối do hiệu ứng quang điện

σC/: hệ số suy giảm khối Compton

κ/: hệ số suy giảm khối do tạo cặp

ƒ Hệ số truyền năng lượng μk của gamma có năng lượng hν có thể tính được khi biết các hệ số suy giảm riêng phần và động năng trung bình của các hạt mang điện sinh ra trong từng loại tương tác:

Hình 1.11: Hệ số suy giảm khối của gamma trong môi trường plastic

Năng lƣợng gamma (MeV)

Chương trình XCOM [15] cho phép tính các hệ số suy giảm riêng phần, gây bởi từng loại tương tác Hình 1.11 thể hiện hệ số suy giảm khối của gamma trong môi trường plastic được tính bởi chương trình XCOM

Dựa vào hình 1.11, ta thấy rằng trong vùng năng lượng khoảng 0,3 MeV đến

5 MeV thì tán xạ Compton có xác suất lớn nhất

1.2 Detector nhấp nháy plastic

Cấu tạo của detector nhấp nháy plastic gồm một bản nhấp nháy nối với lớp dẫn sáng Lớp dẫn sáng được nối trực tiếp với ống nhân quang điện như hình 1.12

Hình 1.12: Minh họa cấu trúc của detector nhấp nháy plastic

ống nhân quang Bản nhấp nháy Lớp dẫn sáng

Hình 1.13: Sơ đồ mức năng lượng của chất nhấp nháy hữu cơ [19]

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày tính chất, đặc trưng của vật liệu nhấp nháy plastic, cấu tạo và chức năng của ống nhân quang

Trong luận văn này, đối tượng nghiên cứu là chất nhấp nháy plastic

1.2.1.1 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy

Khi một hạt tích điện truyền năng lượng cho vật chất, nó sẽ có thể tạo ra nhiệt hoặc làm cho các electron chuyển lên trạng thái kích thích Nếu vật liệu là chất nhấp nháy, những electron ở các trạng thái kích thích này sẽ chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn Cơ chế phát photon của chất nhấp nháy plastic có thể được giải thích dựa trên sơ đồ thế năng hình 1.13 Đường cong thấp hơn đại diện cho thế năng khi electron ở trạng thái cơ bản, đường cong cao hơn tương ứng với thế năng khi electron ở trạng thái kích thích

Hình 1.14: Sơ đồ mức năng lượng singlet S của chất nhấp nháy hữu cơ [24]

Nguyên tắc Franck – Condon [17] phát biểu rằng năng lượng để lại bởi hạt tích điện, mà không tiêu hao bởi nhiệt, gây ra một sự dịch chuyển từ A0 đến A1trong khoảng thời gian ngắn (0.1 ps) so với thời gian dao động của phân tử Một phần năng lượng bị mất do sự di chuyển phân tử đến B1 thông qua dao động mạng tinh thể Sau khoảng thời gian (10 ns) dài so với thời gian dao động, electron chuyển từ trạng thái kích thích B1 về trạng thái cơ bản B0 và phát ra photon mang năng lượng Ep = EB1 – EB0

Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy plastic cũng có thể được giải thích rõ ràng hơn thông qua các cơ chế chuyển dời: vùng singlet và triplet

 Chuyển dời vùng singlet S

Sơ đồ mức năng lượng singlet của chất nhấp nháy plastic được thể hiện ở hình 1.14

Ở nhiệt độ phòng, tất cả các nguyên tử đều ở trạng thái cơ bản

Khi hạt mang điện đi qua môi trường, nó truyền một phần năng lượng cho nguyên tử môi trường, kích thích nguyên tử làm cho electron từ mức S0 cơ bản lên

Chuyển dời Stoke

Phát xạ Hấp thụ

Hình 1.15: Phổ hấp thụ và phát xạ của một loại chất nhấp nháy hữu cơ [26]

mức năng lượng dao động ở vùng S1 Electron có thể dịch chuyển tới các vùng có mức năng lượng cao hơn tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ tới Các electron ở các trạng thái dao động S1 sẽ nhanh chóng dịch chuyển về S1 cơ bản và không phát bức xạ Sự dịch chuyển này xảy ra rất nhanh (cỡ vài pico giây)

Từ mức S1 cơ bản, electron chuyển xuống mức S0 cơ bản, thời gian phân rã vào khoảng vài nano giây Phần năng lượng chênh lệch của electron giữa hai mức năng lượng được phát ra dưới dạng photon huỳnh quang

Quá trình chuyển từ trạng thái dao động S1 về mức S1 cơ bản là quá trình chiếm ưu thế trong detector nhấp nháy, trong quá trình này electron mất một phần năng lượng, do đó năng lượng phát ra trong suốt quá trình chuyển từ mức năng lượng S1 sang S0 nhỏ hơn phần năng lượng chất nhấp nháy hấp thụ từ tia bức xạ để chuyển mức từ S0 lên mức S1 Điều này được đề cập đến trong định luật Stoke

Trong đó λmax là bước sóng tương ứng với đỉnh phổ, các chỉ số chân a và s tương ứng với đỉnh hấp thụ và đỉnh nhấp nháy huỳnh quang

Phổ hấp thụ và phát xạ của một chất nhấp nháy hữu cơ được mô tả trên hình 1.15

Thông thường, độ dịch chuyển Stoke càng lớn thì xác suất hấp thụ ánh sáng nhấp nháy càng nhỏ Do đó, người ta thường dùng dịch chuyển Stoke để đánh giá

sự phù hợp của chất nhấp nháy cho ứng dụng cụ thể

 Chuyển dời vùng triplet T 1

Chuyển dời vùng singlet không phải là dạng chuyển dời duy nhất trong chất nhấp nháy hữu cơ Một dạng chuyển dời khác có thể xảy ra là chuyển dời giữa các mức dao động trong vùng triplet T1 Quá trình chuyển mức này được mô tả trong hình 1.16 Sau khi nhận được năng lượng của bức xạ tới, electron từ trạng thái S0chuyển lên mức dao động S1 Tại đây, các electron này cũng dịch chuyển không phát bức xạ xuống mức S1 cơ bản, sau đó thay vì dịch chuyển trực tiếp về mức cơ bản S0, các electron này chuyển sang các mức năng lượng của vùng triplet T1 Các mức triplet bền hơn so với các mức singlet, do đó electron có thể tồn tại ở trạng thái này trong một khoảng thời gian dài hơn Từ mức T1 cơ bản, electron chuyển xuống các mức năng lượng S0 phát ra ánh sáng lân quang hoặc phát huỳnh quang trễ, thời gian lân quang vào khoảng 100ms T1 nằm dưới S1, do đó bước sóng của ánh sáng lân quang dài hơn bước sóng của ánh sáng huỳnh quang

1.2.1.2 Các đặc tính của chất nhấp nháy plastic

Chất nhấp nháy plastic được sử dụng rộng rãi trong các detector hạt mang điện

vì có các ưu điểm:

 Biên độ tín hiệu lối ra tỉ lệ thuận với năng lượng bức xạ để lại trong detector

 Hiệu suất ánh sáng khá cao

 Thời gian phát sáng ngắn

 Giá thành thấp, dễ tạo hình, kích thước tùy ý, và hầu như trong bất kì hình thức mong muốn nào cũng có độ bền cao

Tuy nhiên, chất nhấp nháy plastic có mật độ (D = 1,032 g/cm3) và số nguyên

tử Z hiệu dụng thấp (Zeff 4,5) [3], nên quá trình tương tác của bức xạ gamma trong detector nhấp nháy plastic chủ yếu là tán xạ Compton Hiệu ứng đỉnh quang điện không quan sát được, chỉ quan sát được hiệu ứng Compton

1.2.2 Ống nhân quang

Ống nhân quang là ống thủy tinh được hút chân không ở mức cao, bên trong ống có đặt các điện cực là photocathode, điện cực hội tụ chùm sáng đến photocathode, các dinode và anode Do các điện cực photocathode, dinode, và anode được phân thế qua bộ chia điện trở nên điện thế tăng dần từ cathode đến anode

Photocathode được hướng mặt về phía bản nhấp nháy Khi nhận các photon ánh sáng từ bản nhấp nháy, photocathode sẽ phát ra electron – thường gọi là photoelectron Quá trình giải phóng photoelectron là kết quả của chuỗi các quá trình sau:

 Sự hấp thụ photon và truyền năng lượng cho electron trong vật liệu photocathode

 Sự di chuyển của photoelectron đến bề mặt photocathode

 Quá trình electron thoát ra từ bề mặt của photocathode

Một phần năng lượng của photon nhấp nháy sẽ được truyền cho electron, ví dụ đối với ánh sáng nhấp nháy xanh, phần năng lượng này xấp xỉ 3 eV Tuy nhiên, một

phần năng lượng mà electron nhận được cũng bị mất trong quá trình va chạm của electron với electron khi các electron di chuyển đến bề mặt của chất nhấp nháy Các electron này muốn ra khỏi bề mặt của chất nhấp nháy thì phải có năng lượng đủ để vượt qua rào thế ở bề mặt này Do đó, không phải tất cả các photon tới photocathode đều có thể bứt electron ra khỏi cathode Trung bình hiệu suất lượng tử vào khoảng 10 % đến 30 %

Các photoelectron thoát ra khỏi photocathode sẽ được gia tốc hướng tới dynode dưới tác dụng của điện thế cỡ 50 volt đến 100 volt Khi đến dynode đầu tiên, electron có động năng đủ lớn (cỡ 50 eV đến 100 eV) và do va chạm với dynode, các electron này có thể sinh ra một số electron thứ cấp, khoảng 1 đến 10 hạt Các electron đó lại được gia tốc hướng tới dynode thứ hai và sinh ra một số electron với hệ số nhân như trên Một ống nhân quang điện có khoảng 8 đến 12 dynode, do đó tại dynode cuối cùng có khoảng 105

đến 107 electron sinh ra [2], xuất phát từ một photoelectron ban đầu Tại anode, các electron này tạo ra một xung điện với biên độ cỡ vài microampe và kéo dài khoảng vài chục nano giây Hình 1.17 minh họa quá trình gia tăng số photoelectron bởi ống nhân quang điện

1.3 Độ phân giải năng lƣợng

Theo lý thuyết, tương ứng với các mức năng lượng Ei, phổ năng lượng bức xạ gamma là những vạch thẳng Tuy nhiên, phổ bức xạ gamma thu được trong thực tế

có các đỉnh với độ rộng xác định Nếu độ rộng đỉnh phổ càng nhỏ, càng có khả năng

Photoelectron

Hình 1.17: Nguyên tắc hoạt động của ống nhân quang điện [24]

photocathode

phát hiện những đỉnh nằm cạnh nhau Nếu độ rộng đỉnh phổ càng lớn, các đỉnh lân cận nhau không thể tách rời và chúng bị xem là một đỉnh

Độ phân giải năng lượng của một detector là thước đo khả năng phân biệt các đỉnh năng lượng lân cận nhau Thông số được sử dụng để xác định độ phân giải năng lượng là độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ FWHM (Full Width at Half Maximum) Nếu đỉnh phổ thực nghiệm có dạng Gauss (hình 1.18), độ lệch chuẩn thì FWHM được tính bởi công thức:

R: độ phân giải năng lượng (%)

FWHM: độ rộng nửa chiều cao đỉnh phổ

Độ phân giải năng lượng hay độ rộng đỉnh phổ gây ra bởi detector và thiết bị điện tử sử dụng Độ phân giải năng lượng có thể được tính theo các thành phần riêng biệt qua biểu thức:

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ GEANT4 VÀ THÍ NGHIỆM

MÔ PHỎNG

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng chương trình mô phỏng Geant4 để thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên bờ Compton gamma Các chức năng, quá trình hoạt động, cấu trúc chương trình mô phỏng Geant4 sẽ được trình bày trong chương này Ngoài ra, trong chương này, chúng tôi cũng sẽ trình bày quy trình mô phỏng để thu được phổ năng lượng gamma Các gamma tới được sử dụng để mô phỏng bao gồm: 1063 keV(207

Bi), 662 keV (137Cs), 835 keV (54Mn), 511 keV và 1275 keV (22Na), 1173 keV và 1332 keV (60Co) Vật liệu detector là vật liệu plastic Các vấn đề khảo sát cụ thể gồm:

 Mô hình hóa detector trong mô phỏng (code GEANT4)

 Xác định công thức ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng lên phổ gamma

 Cách thức mô phỏng phổ năng lượng gamma có ảnh hưởng của độ phân giải năng lượng

2.1 Tổng quan về Geant4

2.1.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng Geant4

Geant4 (Geometry AND Tracking) [6] là một gói công cụ phần mềm được nghiên cứu và phát triển bởi trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), được dùng để mô phỏng tương tác của hạt vật chất với môi trường mà nó đi qua

Geant4 là chương trình có mã nguồn mở, được viết bằng ngôn ngữ C++ và khai thác các tiến bộ kĩ thuật công nghệ phần mềm, kĩ thuật lập trình hướng đối tượng, hỗ trợ người dùng trong việc tải và sử dụng các thành phần cần thiết Geant4

có thể được sử dụng một cách linh hoạt tương ứng với mục đích sử dụng của người dùng, đồng thời, người dùng cũng có thể tác động, thay đổi code theo nhu cầu sử dụng

Tất cả các khía cạnh cần cho quá trình mô phỏng đều được bao hàm trong Geant4 như:

 Cấu trúc hình học của hệ

 Các vật chất tham gia

 Các hạt cơ bản được quan tâm

 Quá trình phát các sự kiện cơ bản

 Đường đi của các hạt đi qua vật chất và trường điện từ

 Các quá trình tương tác vật lý của hạt

 Đáp ứng của detector

 Tạo ra và lưu trữ số sự kiện

 Các công cụ cho phép hiển thị dạng hình học của detector, đường đi của hạt

Geant4 cũng cung cấp một tập hợp phong phú các mô hình vật lý để xử lý các tương tác của các hạt với vật chất trên một phạm vi năng lượng rất rộng Dữ liệu và

độ tin cậy của nó đã được rút ra từ nhiều nguồn trên thế giới Geant4 đóng vai trò như một kho lưu trữ tất cả những quá trình tương tác vật lý của hạt

Hầu như Geant4 có thể xử lý bất kỳ nhiệm vụ mô phỏng trong giới hạn hợp lý Hiện nay, Geant4 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: vật lý năng lượng cao, vật lý học thiên thể, ứng dụng trong các thí nghiệm hạt nhân, máy gia tốc, hoặc sử dụng cho mục đích nghiên cứu trong y học và khoa học vũ trụ…

2.1.2 Quá trình hoạt động

Những ý tưởng về Geant4 xuất hiện lần đầu tiên trong hai nghiên cứu được thực hiện độc lập tại CERN và KEK vào năm 1993 Cả hai nhóm đã nghiên cứu về việc làm thế nào để các kỹ thuật tính toán hiện đại có thể được áp dụng để cải thiện chương trình FORTRAN dựa trên mô phỏng Geant3 Một đề xuất về dự án RD44 (Research and Development project) để xây dựng một chương trình hoàn toàn mới dựa trên kĩ thuật lập trình hướng đối tượng đã được trình bày với CERN và Ủy ban Phát triển vào năm 1994 Sáng kiến này đã phát triển và trở thành một hợp tác quốc

tế rộng lớn của các nhà lập trình vật lý và kỹ sư phần mềm từ một số viện nghiên cứu và trường đại học, những người đã tham gia vào một loạt các thí nghiệm vật lý năng lượng cao ở Châu Âu, Nhật Bản, Canada và Hoa Kỳ Mục tiêu là viết một chương trình mô phỏng detector có các chức năng và tính linh hoạt cần thiết để đáp

ứng các yêu cầu của các thế hệ tiếp theo của các thí nghiệm vật lý hạ nguyên tử Phạm vi ban đầu được mở rộng một cách nhanh chóng khi nó trở thành một công cụ hữu ích cho các ngành như vật lý hạt nhân, máy gia tốc, khoa học vũ trụ và vật lý y học

Dự án RD44 đại diện cho một nỗ lực tiên phong trong việc thiết kế lại một gói phần mềm chính của CERN cho một môi trường hướng đối tượng hiện đại dựa trên C++ Giai đoạn R & D được hoàn thành vào tháng 12 năm 1998 với việc đưa ra các phiên bản sản xuất đầu tiên Dự án này sau đó đã được đổi tên thành Geant4 và phục hồi trên cơ sở của một thỏa thuận ghi nhớ (Memorandum of Understanding)

có chữ ký của nhiều người trong cùng một viện quốc gia, phòng thí nghiệm và thí nghiệm HEP (High Energy Physics), những người đã tham gia trong RD44 Việc đổi mới được thực hiện mỗi hai năm, cơ cấu hợp tác được xác định bởi Hội đồng hợp tác, Ban chỉ đạo kĩ thuật và một số nhóm công tác

Sự hợp tác mang đến lợi ích từ kinh nghiệm tích lũy của nhiều người đóng góp cho lĩnh vực mô phỏng Monte Carlo về detector và các quá trình vật lý Trong khi

sự phát triển của các phần mềm đã công bố và hệ thống hướng đối tượng quy mô lớn không còn mới lạ; Geant4, về kích thước và phạm vi của code và số người đóng góp, cũng có thể đại diện cho dự án lớn nhất của loại hình này trên thế giới Mỗi phần của phần mềm Geant4, tương ứng với một thư viện, được quản lý riêng biệt bởi nhóm chuyên gia Ngoài ra, có một nhóm làm việc cho mỗi hoạt động: kiểm tra

và đảm bảo chất lượng, quản lý phần mềm và quản lý tài liệu Một điều phối viên phát hành đứng đầu mỗi nhóm Nhóm người chịu trách nhiệm về phần mềm cung cấp một cấu trúc hỗ trợ, theo đó người dùng có thể gởi câu hỏi trực tiếp đến các chuyên gia thích hợp

2.1.3 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4

Chương trình Geant4 sử dụng đồng thời các phương pháp kết hợp và phương pháp loại trừ trong Monte Carlo Các bước cơ bản của các phương pháp này như sau:

Giả sử cần gieo ngẫu nhiên x trong đoạn [x1,x2] tuân theo hàm phân bố f(x) và hàm mật độ xác suất chuẩn hóa được viết dưới dạng:

Giá trị của x có thể được gieo ngẫu nhiên theo các bước sau:

 Chọn giá trị nguyên ngẫu nhiên thuộc {1, 2, …, n} với xác suất tỉ lệ thuận với Ni

 Chọn giá trị ngẫu nhiên x0 từ phân bố fi(x)

 Tính gi(x0) và chọn x = x0 với xác suất gi(x0)

 Nếu x0 bị loại, trở lại bước ban đầu

Giá trị trung bình của số phép thử để nhận một giá trị là i

iN

 Trong thực tế, một phương pháp tốt để gieo ngẫu nhiên từ hàm phân bố f(x) có các đặc điểm sau:

 Tất cả các hàm phân bố con đều gieo một cách dễ dàng

 Hàm loại trừ có thể được xác định một cách dễ dàng, nhanh chóng

 Số lần thử trung bình không quá lớn

2.1.4 Tổng quan về chức năng của Geant4

Sơ đồ các lớp trong Geant4 được trình bày trong hình 2.1

Chức năng của các lớp như sau:

 global: bao gồm hệ thống các đơn vị, hằng số, các số liệu và quản lý các số

ngẫu nhiên

 Hai lớp materials và particles : bổ sung các công cụ cần thiết để mô tả các

tính chất vật lý của các hạt và vật liệu cho quá trình mô phỏng tương tác của hạt với vật chất

 geometry: cung cấp chức năng miêu tả dạng hình học và sự truyền của hạt

qua nó

 track: chứa các lớp miêu tả đường đi của hạt, được sử dụng bởi processes

 processes: bao hàm tất cả các quá trình tương tác vật lý của hạt

Tất cả các quá trình này được gọi bởi tracking

 tracking: quản lý sự phát triển trạng thái đường đi của hạt, cung cấp

thông tin về sự va chạm của hạt trong thể tích detector quan tâm và cho ra

số liệu

 event: quản lý số sự kiện trong giới hạn đường đi của chúng

 run: quản lý tập hợp các sự kiện

 readout: cho phép điều khiển các sự kiện tích lũy

Khả năng sử dụng tất cả các loại này và kết nối với các công cụ bên ngoài phần

mềm Geant4 thông qua giao diện trừu tượng visualization, persistency và interface

Hình 2.1: Các lớp trong Geant4

Geant4

Interfaces Persistency

Readout Visualization

Run

Event

Tracking

Processes Digits+Hits

Track

Particle Geometry

Intercoms

Global Material Graphic_Reps