Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm

Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm Thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nai(tl) bằng GEANT4 và thực nghiệm

VŨ TUẤN MINH

THIẾT KẾ HỆ GIẢM PHÔNG THỤ ĐỘNG CHO ĐẦU

DÒ NaI(Tl) BẰNG GEANT4 VÀ THỰC NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

TP Hồ Chí Minh – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ TUẤN MINH

THIẾT KẾ HỆ GIẢM PHÔNG THỤ ĐỘNG CHO ĐẦU DÒ

NaI(Tl) BẰNG GEANT4 VÀ THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao

cao học tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý – VLKT, Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tậm tình, những lời động viên kịp thời của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Thầy Trần Thiện Thanh đã luôn tận tình hướng dẫn, động viên, tạo mọi điều

kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, Anh, Chị và các bạn tại Phòng Thí

nghiệm, Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý - VLKT, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên TP.HCM, đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại bộ môn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và đóng góp ý kiến giúp luận văn được hoàn thiện hơn

Con xin gửi lời cảm ơn đến Bố, Mẹ Em xin gửi lời cảm ơn đến Anh, Chị,

Em trong gia đình Những người luôn luôn động viên và hỗ trợ con (em) cả về vật

chất lẫn tinh thần trong suốt hai năm học vừa qua

Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp cao học K22 – những người luôn sát cánh cùng mình trong hai năm học, tuy ngắn ngủi nhưng đáng nhớ

TP.HCM, tháng 9 năm 2014

Học viên

Vũ Tuấn Minh

MỤC LỤC

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ 6

Mở đầu 8

Chương 1: Tổng quan 10

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của đầu dò NaI(Tl) 10

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

1.2 Cơ sở lý thuyết 16

1.2.1 Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất 16

1.2.2 Bức xạ vũ trụ 17

1.2.3 Các nguồn phóng xạ nhân tạo 18

1.2.4 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 19

1.2.5 Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 24

1.3 Mô hình hệ giảm phông thụ động 25

1.4 Nhận xét chương 1 27

Chương 2: Giới thiệu về thiết bị thí nghiệm và chương trình Geant4 28

2.1 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 28

2.1.1 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 28

2.1.2 Osprey 29

2.1.3 Các lớp vật liệu che chắn 30

2.1.4 Máy tính và chương trình Genie 2000 31

2.2 Chương trình Geant4 33

2.2.1 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4 33

2.2.2 Cấu trúc chương trình 34

2.2.3 Các lớp khởi tạo và thực thi 36

2.2.4 Tạo sự giãn nở Gauss cho phổ mô phỏng 40

2.3 Nhận xét chương 2 41

Chương 3: Kết quả và thảo luận 42

3.1 Thực nghiệm 42

3.1.1 Sự suy giảm của phông phóng xạ khi sử dụng lớp vật liệu che chắn 42

3.1.2 Khảo sát các mẫu chuẩn 45

3.2 Mô phỏng 47

3.2.1 Khảo sát mô hình thực nghiệm 48

3.2.2 Xây dựng cấu hình che chắn tối ưu 55

3.3 Nhận xét chương 3 62

Kết luận và kiến nghị 63

Danh mục công trình của tác giả 65

Tài liệu tham khảo 66

Phụ lục 68

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

CERN European Organization for

HPGe Hyper Pure Germanium Đầu dò Germanium siêu tinh khiết MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích đa k nh

HVPS High-Voltage Power Supply Nguồn cao áp

Kí hiệu

Z Bậc số nguy n tử

A Nguy n tử khối

Eγ Năng lượng của lượng tử gamma tới (keV)

Elk Năng lượng li n kết của electron trong nguy n tử (keV)

Te Động năng của electron quang điện

Eγ’ Năng lượng của lượng tử gamma tán xạ Compton

Ee Động năng của electron giật lùi trong tán xạ Compton

θ Góc tán xạ

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

TA Năng lượng giật lùi của hạt nhân trong hiệu ứng tạo cặp

I0 Cường độ ban đầu của chùm lượng tử gamma hẹp đơn năng

I Cường độ của chùm lượng tử gamma khi đi qua lớp vật chất có bề dày d

NA Số Avogadro bằng 6,023.1023hạt/mol

ρ Khối lượng riêng của vật chất (g/cm3)

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 2.1 Kích thước và vật chất cấu tạo đầu dò 29

2 2.2 Giá trị FWHM theo năng lượng được xác định bằng thực

3 3.1 Tốc độ đếm khi che chắn với các cấu hình khác nhau 44

4 3.2 Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi che chắn với

6 3.4 Diện tích mô phỏng với các cấu hình che chắn khác nhau 52

7 3.5 Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi mô phỏng với

8 3.6 Độ sai biệt (%) của tỉ lệ suy giảm giữa mô phỏng và thực

11 3.9 Diện tích phổ mô phỏng khi che chắn lớp vật liệu chì hình

12 3.10 Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi che chắn lớp

13 3.11

Tỉ lệ suy giảm (%) tại vùng năng lượng gamma tán xạ ngược khi tăng khoảng cách giữa đầu dò và lớp vật liệu che chắn

60

10 2.5 Cấu hình che chắn sử dụng trong thực nghiệm 32

12 2.7 Sơ đồ cấu tạo một chương trình Geant4 35

13 3.1 So sánh phổ phông thực nghiêm khi không che chắn và có

14 3.2 So sánh phổ phông thực nghiệm khi che chắn với các cấu

15 3.3 So sánh phổ phông thực nghiệm khi che chắn với các cấu

hình khác nhau tại vùng năng lượng dưới 400keV 43

16 3.4 So sánh phổ của mẫu chuẩn IAEA-375 khi không và có

25 3.13 So sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của mẫu chuẩn

IAEA-375 khi có che chắn 3 cm Pb và 2mm Cu 54

26 3.14 So sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của mẫu chuẩn

RGK khi có che chắn 3 cm Pb và 2mm Cu 54

27 3.15 Bản vẽ chi tiết của lớp vật liệu che chắn hình trụ và hình

28 3.16 So sánh phổ mô phỏng phông phóng xạ khi sử dụng lớp Pb

che chắn dày 3cm với hình dạng khác nhau 56

29 3.17 So sánh phổ phông mô phỏng khi sử dụng lớp Pb che chắn

30 3.18 So sánh phổ mô phỏng của mẫu chuẩn RGK khi mở rộng

không gian bên trong lớp vật liệu che chắn 59

31 3.19 So sánh phổ mô phỏng của mẫu chuẩn RGK khi mở rộng

không gian bên trong lớp vật liệu che chắn (100 – 500keV) 59

32 3.20 So sánh phổ mô phỏng của mẫu chuẩn RGK khi có và

không có lớp vật liệu lót bằng Cu dày 2mm (0 – 500keV) 60

33 3.21 Cấu hình giảm phông thụ động đề xuất 61

MỞ ĐẦU

Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, thiết bị ghi nhận bức xạ đóng vai trò rất quan trọng và phát triển không ngừng kể từ khi con người phát hiện ra hiện tượng phóng xạ Đầu dò ghi nhận bức xạ là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị ghi nhận bức xạ Trong lịch sử phát triển của vật lý hạt nhân, nhiều loại đầu dò đã được phát minh và sử dụng như: buồng bọt, buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ, ống đếm Geiger – Muller, đầu dò nhấp nháy, đầu dò bán dẫn… Sự ra đời của các đầu dò Germanium siêu tinh khiết (HPGe) và Silicon (Si) với độ phân giải năng lượng cao (thập kỉ 1960) đã phát triển hệ phổ kế gamma lên tầm cao hơn

Tuy nhi n, các đầu dò khác cũng có những ưu điểm riêng và những ứng dụng phù hợp với tính chất của nó Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) tuy không có độ phân giải năng lượng cao nhưng lại có ưu thế về hiệu suất ghi, khả năng chế tạo ra các hình học đa dạng với kích thước khác nhau và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần hệ thống làm lạnh

Do có hiệu suất ghi nhận cao n n đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) phù hợp trong các phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp với yêu cầu về độ phân giải năng lượng không quá cao Tuy nhiên trong quá trình phân tích mẫu môi trường, bức xạ của môi trường xung quanh hệ đo ảnh hưởng rất nhiều đến phổ ghi nhận của mẫu phân tích Để các phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp đạt hiệu quả thì việc giảm phông cho hệ phổ kế gamma là rất cần thiết Tr n cơ sở đầu dò NaI(Tl) có tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi tiến hành mô phỏng tương tác của bức xạ với vật chất bằng chương trình Geant4 (Geometry And Tracking) Geant4 là chương trình mô phỏng về tương tác của hạt với vật chất, có mã nguồn mở, độ tin cậy cao được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại CERN (European Organization for Nuclear Research) Mục tiêu của đề tài là xây dựng cấu hình giảm phông thụ động cho đầu dò NaI(Tl) bằng chương trình Geant4, tiến hành khảo sát trên các cấu hình che chắn khác nhau theo các tiêu chí: hình dạng, bề dày và kích thước; Từ đó đưa ra cấu hình che chắn tối ưu đối với đầu dò NaI(Tl)

Đối tượng nghiên cứu là đầu dò NaI(Tl) có tại bộ môn Vật lý Hạt nhân

Phương pháp nghi n cứu trong đề tài là thực nghiệm kết hợp với phương pháp

mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình Geant4

Nội dung đề tài bao gồm:

Phần mở đầu: Giới thiệu chung về nhiệm vụ của đề tài

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và ứng dụng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò NaI(Tl); Các nguồn bức xạ và tương tác của bức xạ với vật chất; Mô hình hệ giảm phông thụ động

Chương 2: Giới thiệu về thiết bị nghiên cứu: đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), hệ thống điện tử, cấu hình các lớp che chắn; Trình bày về phương pháp Monte Carlo, giới thiệu về chương trình Geant4

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Phần kết luận và kiến nghị

Ý nghĩa khoa học của đề tài là dựa trên các kết quả nghiên cứu kết hợp giữa

mô phỏng và thực nghiệm Từ đó, đánh giá được sự ảnh hưởng của các thành phần phông phóng xạ đến hệ phổ kế gamma và khắc phục những ảnh hưởng này

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là góp phần xây dựng hệ thống phân tích mẫu môi trường của phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân của trường Đại học Khoa học Tự nhiên phục vụ cho quá trình đào tạo và nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của đầu dò NaI(Tl)

Đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) ra đời đã giải quyết được vấn đề về độ phân giải năng lượng trong nghiên cứu hạt nhân Đầu dò bán dẫn trở thành thiết bị ghi nhận bức xạ hoàn hảo nhất trong các phòng thí nghiệm hạt nhân cũng như các phòng phân tích dịch vụ Các đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có hiệu suất ghi nhận cao, giá thành thấp hơn so với đầu dò bán dẫn HPGe nên chúng vẫn còn được sử dụng nhiều Các đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với độ nhạy cao có thể hoạt động liên tục ngoài môi trường do đó nó được sử dụng ở các trạm quan sát và cảnh báo phóng xạ hay trong các lò phản ứng, nhà máy điện… Trong nghi n cứu, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) do có độ nhạy cao n n được sử dụng trong các hệ đo trùng phùng, trong nghiên cứu bề dày vật liệu, trong các phép đo mẫu hoạt độ thấp mà thành phần không quá phức tạp Ngoài ra đầu dò NaI(Tl) còn được ứng dụng chụp hình phóng xạ trong y tế (như gamma camera hay gamma plate)

Dưới đây, luận văn sẽ khái quát một số công trình nghiên cứu trên thế giới cũng như tại Việt Nam li n quan đến khả năng ứng dụng của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) và hướng phát triển của đề tài

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 1992, J Verplancke [13] đã chỉ ra rằng phông phóng xạ đo được trên hệ phổ kế gamma có thể do: phóng xạ môi trường xung quanh như 40K, các hạt nhân phóng xạ trong hai chuỗi 238U và 232Th, 222Ra có trong không khí (trong phòng thí nghiệm còn có sự ảnh hưởng của các nguồn phóng xạ như 137Cs, 60Co) và bức xạ vũ trụ đặc biệt là bức xạ thứ cấp do các hạt muon năng lượng cao gây ra Để đo được những mẫu có hoạt độ thấp cần phải giảm phông phóng xạ Khi đặt đầu dò trong lớp chì che chắn dày 10cm, phông phóng xạ giảm đi 1000 lần và có thể đo được nguồn yếu hơn 30 lần với độ chính xác thống k như nhau Các lớp che chắn thụ động này chỉ khắc phục được phông phóng xạ do môi trường xung quanh hệ đo gây ra mà không khắc phục được ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ Để khắc phục triệt để ảnh

hưởng của bức xạ vũ trụ phải xây dựng hệ đo theo sơ đồ đối trùng với các bản tinh thể nhấp nháy đặt xung quanh ghi nhận các bức xạ vũ trụ và tạo tín hiệu phủ định các bức xạ vũ trụ ghi nhận bởi đầu dò bên trong lớp che chắn hoặc đặt hệ đo sâu trong lòng đất

P Vojtyla và P P Povinec [15] đã sử dụng chương trình Geant4 để mô phỏng

và đánh giá sự ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ năng lượng cao lên phông phóng xạ được đo bởi hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe (dạng đồng trục và dạng giếng) Phổ phông mô phỏng bằng chương trình Geant4 là phù hợp với phổ thực nghiệm ngoại trừ vùng năng lượng nhỏ hơn 100 keV, phổ mô phỏng thấp hơn phổ thực nghiệm 10-20%, điều này được lý giải do trong chương trình Geant4 không mô phỏng thành phần neutron vũ trụ Các tác giả tiến hành khảo sát phông với nhiều cấu hình che chắn khác nhau và nhận thấy: Hình dạng của lớp che chắn không ảnh hưởng đến hiệu suất che chắn; Khi tăng kích thước hoặc tăng bề dày lớp che chắn hoặc cộng thêm lớp lót bằng vật liệu có bậc số nguyên tử Z thấp hơn càng làm gia tăng tương tác của muon vũ trụ với vật liệu che chắn làm cho phổ phông do thành phần vũ trụ gây ra cao hơn, lớp chì che chắn dày 15cm là tối ưu nhất; Phông

mà hệ ghi nhận được ở độ sâu tương đương 20m nước giảm ba lần so với tại mặt nước biển

H X Shi và cộng sự [12] đã xây dựng một chương trình mô phỏng Monte Carlo riêng mang tên PETRANS 1.0 dựa trên nền tảng của EGS4 để tính toán đáp ứng cho ri ng đầu dò NaI(Tl) với hai hiệu chỉnh giúp cải tiến độ chính xác của việc khảo sát: (a) hiệu suất nhấp nháy: là lượng ánh sáng trên một đơn vị năng lượng để lại Giá trị này là một hàm theo năng lượng electron; (b) dịch chuyển đỉnh thoát đơn: theo nhóm tác giả đỉnh thoát đơn dịch chuyển do độ cao xung thật của đỉnh thoát đơn hơi nhỏ hơn mong đợi Kết quả so sánh phổ các nguồn 137

Cs, 60Co, 24Na,

16N được mô phỏng bằng chương trình PETRANS 1.0 với các chương trình mô phỏng tổng quát như MCNP, EGS4, hay chương trình mô phỏng chuyên dụng MARTHA cho thấy đáp ứng từ PETRANS 1.0 phù hợp tốt hơn với phổ thực nghiệm, đặc biệt ở vùng năng lượng thấp và cạnh Compton

Năm 2002, M Moszynski và cộng sự [14] đã đánh giá độ phân giải năng lượng nội tại của đầu dò NaI(Tl) dựa trên so sánh giữa hai đầu dò với kích thước tinh thể khác nhau đường kính 10 mm × 10 mm và đường kính 75 mm × 75 mm trong miền năng lượng từ 16 keV đến 1333 keV Độ phân giải năng lượng của đầu

dò NaI(Tl) do ba yếu tố đóng góp là: độ phân giải nội tại của tinh thể NaI(Tl), độ phân giải truyền phụ thuộc vào liên kết quang học giữa tinh thể và ống nhân quang điện và độ phân giải thống kê của ống nhân quang điện Trong đó độ phân giải năng lượng nội tại ảnh hưởng mạnh nhất đến độ phân giải của đầu dò NaI(Tl) (≈ 6,6 % tại đỉnh năng lượng 662 keV của 137Cs) Có ba nguồn gốc gây ra độ phân giải năng lượng nội tại của tinh thể: Trong miền năng lượng thấp và tinh thể có thể tích nhỏ, hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu kèm theo đó là quá trình phát tia X đặc trưng và electron Auger, chúng gây ra sự khác nhau của độ cao xung ghi nhận; Trong miền năng lượng cao và thể tích tinh thể lớn, tán xạ Compton vượt trội và các electron thứ cấp có năng lượng khác nhau ảnh hưởng đến độ phân giải nội tại của tinh thể; Ngoài ra các tia δ (các electron tán xạ trong tinh thể và tạo ra các electron có năng lượng lớn hơn) cũng ảnh hưởng đến độ phân giải của tinh thể Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ phân giải năng lượng của đầu dò tại miền năng lượng lớn hơn 300 keV chủ yếu là do độ phân giải năng lượng nội tại của tinh thể, mà chủ yếu là do các electron tán xạ Compton gây ra Tại vùng năng lượng thấp độ phân giải thống kê của ống nhân quang điện giữ vai trò đáng kể

Năm 2006, R Vlastou và cộng sự [16] đã sử dụng Geant4 để mô phỏng phổ gamma của các đồng vị tự nhi n được ghi nhận bởi đầu dò nhấp nháy NaI nhấn chìm trong nước biển Sáu mươi bảy tia gamma từ chuỗi 238U, 232Th và 40K được sử dụng để mô phỏng phổ của các đồng vị này với trọng số tham gia chính là cường độ tương đối của chúng trong giản đồ phân rã Phổ phóng xạ tự nhi n trong nước biển được tạo ra bằng cách kết hợp phổ mô phỏng của 238U, 232Th và 40K, sau đó làm khớp với phổ thực nghiệm bằng chương trình MINUIT Từ việc thay đổi sự đóng góp tương đối của phổ 238U, 232Th và 40K sao cho đạt được sự phù hợp tốt nhất với

phổ thực nghiệm bằng kỹ thuật cực tiểu χ2, các tác giả có thể rút ra được lượng 238U, 232

Th và 40K đóng góp trong nước biển

Năm 2008, A Cengiz [8] đã sử dụng phương pháp Monte Carlo với những tính toán xấp xỉ đơn giản dựa trên tỉ số đỉnh toàn phần/tổng và độ phân giải của đầu

dò để tính toán hàm đáp ứng của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,62×7,62 cm đối với nguồn gamma dạng điểm đặt cách đầu dò 10cm trong miền năng lương nhỏ hơn 1,5 MeV Thông qua so sánh với phổ thực nghiệm của các nguồn đồng vị phóng xạ 47Sc (E = 159 keV), 51Cr (E = 320 keV), 85Sr (E = 514 keV), 137Cs (E = 662 keV), 95Nb (E = 766 keV), 60Co (E1 = 1173 keV, E2 = 1332 keV) có thể thấy hàm đáp ứng đưa

ra là phù hợp, ngoại trừ đỉnh tán xạ ngược và các đỉnh tia X đăc trưng tr n bờ Compton gây ra do vật liệu xung quanh đầu dò và miền năng lượng giữa cạnh Compton và đỉnh quang điện có sự khác nhau do trong hàm đáp ứng không xét đến tán xạ Compton nhiều lần

Năm 2012, C M Salgado và cộng sự [9] đã áp dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP-X để tính toán hiệu suất và độ phân giải của đầu dò NaI(Tl) Kích thước của đầu dò được xác định thông qua phương pháp chụp hình gamma trong công nghiệp Từ kích thước thực tế này các tác giả đã tiến hành mô hình hóa đầu dò NaI(Tl) bằng chương trình MCNP-X Trong quá trình mô phỏng có thực hiện hiệu chỉnh về hiệu suất và độ phân giải năng lượng của đầu dò Kết quả so sánh phổ của hai nguồn 241Am và 137Cs cho thấy: Phổ 137Cs, ở vùng năng lượng cao

có sự phù hợp tốt giữa phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm; ở vùng năng lượng nhỏ hơn 400 keV, phổ mô phỏng thấp hơn phổ thực nghiệm, điều này do trong phổ thực nghiệm có sự đóng góp của các photon tán xạ lên vật liệu xung quanh hệ đo; và trong mô phỏng chưa tính đến đỉnh tia X của 137Ba ở trạng thái kích thích Đối với phổ 241Am, có sự khác nhau giữa phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm, do đầu dò NaI(Tl) luôn không tuyến tính trong vùng năng lượng thấp

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm hạt nhân; do có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần hệ thống

làm lạnh n n đầu dò NaI(Tl) rất thích hợp trong khảo sát phóng xạ ngoài hiện trường và lắp đặt trong các trạm quan trắc, lò phản ứng, các trung tâm ứng dụng công nghệ hạt nhân với mục đích cảnh báo Ngoài ra, đầu dò NaI(Tl) còn được áp dụng trong nhiều mô hình nghiên cứu

Năm 2005, tác giả Trần Văn Luyến và cộng sự [3] đã thiết kế buồng chì giảm phông cho hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe của Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM Cấu tạo hình học 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 dạng hình trụ với đường kính trong dtrong = 30cm, đường kính ngoài dngoài = 50cm, chiều cao trong htrong = 30cm, chiều cao ngoài hngoài = 50cm, trong buồng chì có lót một lớp thiếc sạch phóng xạ dày 1cm, ba lớp đồng lá dày 0,2cm dọc theo thành mặt dưới và mặt trên buồng chì Với dạng hình học này thì phông trong buồng chì sạch

và ổn định Đặc biệt khi lót thêm một lớp thiếc dày 1cm (tháng 01/1999) và lớp paraffin (tháng 05/1999) Phông buồng chì giảm rõ rệt trong vùng năng lượng thấp cho phép đo các mẫu phóng xạ môi trường hoạt độ thấp Kết quả, buồng chì có khả năng đo được các tia gamma mềm như 46,5 keV của 210

Pb và 63,3 keV của 234Th Năm 2009, tác giả Trương Thị Hồng Loan [4] đã khảo sát bằng mô phỏng MCNP5 sự hấp thụ tia X đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì của hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe thuộc phòng thí nghiệm chuy n đề 2

Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Mô phỏng buồng chì có lót hai lớp thiếc, đồng và khi không có chúng được thực hiện Kết quả cho thấy sự có mặt của lớp thiếc dày 0,1cm và lớp đồng 0,15cm

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

Năm 2013, Nguyễn Phạm Phước Lộc [5] trong luận văn tốt nghiệp cao học của mình, tr n cơ sở cấu trúc chi tiết của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có tại bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã khảo sát tán xạ ngược của gamma trên các vật liệu đồng, nhôm, thép C45 bằng chương trình mô phỏng Geant4 Trong luận văn, tác giả đã khảo sát được góc tán xạ

tối ưu của phương pháp tán xạ ngược gamma; khảo sát ảnh hưởng của bề dày vật liệu đến vị trí đỉnh, độ cao đỉnh, FWHM, diện tích đỉnh tán xạ; đồng thời xác định được đường cong bão hòa của các vật liệu bia (thép C45, nhôm, đồng) với góc tán

xạ 100o và nguồn phát là 60Co

Năm 2014, tác giả T T Thanh và cộng sự [18] đã tiến hành cải tiến cấu hình che chắn chuẩn của hệ phổ kế gamma GC20-VLHN tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Sau khi cải tiến lớp che chắn thụ động của hệ phổ kế, tốc độ ghi nhận của các đồng vị có trong phông giảm từ 1,36 lần đến 1,82 lần so với tốc độ ghi nhận trước khi cải tiến Kết quả trên cho thấy cấu hình che chắn cải tiến đã hạn chế không khí bên ngoài tràn vào bên trong lớp che chắn gây ảnh hưởng lên phổ của mẫu đo Kết quả đánh giá này có thể được áp dụng để phân tích hoạt độ của các đồng vị phóng xạ như: 210Pb (46,5keV), 241

Am (59,5keV) và 234Th (63,3keV) trong vùng năng lượng thấp Ngoài ra, trong bài báo các tác giả còn tính toán hiệu chỉnh hiệu ứng tự hấp thụ trong quá trình phân tích mẫu phóng xạ trên hệ phổ kế gamma GC20-VLHN sử dụng cấu hình che chắn cải tiến như tr n, hiệu ứng tự hấp thụ là lớn đối với các năng lượng gamma nhỏ hơn 100keV Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong hai mẫu chuẩn tham khảo IAEA-447 và IAEA-434 là phù hợp tốt với giá trị hoạt độ của nhà sản xuất đưa ra

Các công trình nghiên cứu trên thế giới đối với hệ phổ kế gamma sử dụng đầu

dò NaI(Tl) tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau: nghiên cứu về độ phân giải năng lượng của đầu dò NaI(Tl); xây dựng hàm đáp ứng của đầu dò NaI(Tl); nghiên cứu

và áp dụng đầu dò NaI(Tl) trong ghi nhận bức xạ môi trường Vấn đề nghiên cứu giảm phông chủ yếu được thực hiện với các đầu dò bán dẫn Ở Việt Nam, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm hạt nhân nhưng cũng chưa nghi n cứu giảm phông Đây chính là lý do, luận văn tiến hành nghiên cứu, khảo sát và thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) nhằm phục vụ cho các nghiên cứu đối với mẫu phóng xạ có thành phần không quá phức tạp

1.2 Cơ sở lý thuyết

Các nguồn phóng xạ bao gồm phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm các bức xạ có nguồn gốc từ b n ngoài trái đất như các tia vũ trụ và các nhân phóng xạ có trong đất đá, khí quyển, nước… Nguồn phóng xạ nhân tạo là do con người tạo ra [2]

1.2.1 Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất

Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất gồm các chuỗi phóng xạ uranium, thorium và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb…

Trong tự nhiên có ba chuỗi phóng xạ là Thorium (232Th), Uranium (238U) và Actinium (235U) Chuỗi Thorium với hạt nhân đầu tiên là 232Th có thời gian bán rã bằng 1,4.1010 năm Trong chuỗi Uranium, hạt nhân đầu tiên là 238U có thời gian bán

rã 4,5.109 năm Hạt nhân 235U là hạt nhân đầu tiên của chuỗi Actinium có thời gian bán rã 7.108 năm và có hàm lượng thấp (nhỏ hơn 140 lần so với đồng vị 238U) Tuổi của trái đất khoảng 4,54.109 năm, chính vì vậy trong nghiên cứu phông phóng xạ môi trường chỉ chú ý đến hai chuỗi Thorium (Hình 1.1) và Uranium (Hình 1.2)

Cả ba chuỗi phóng xạ tự nhi n tr n đều có một thành vi n dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố Radon Trong chuỗi Uranium, khí 222Rn được gọi là Radon; trong chuỗi Thorium, khí 220Rn được gọi là Thoron; còn trong chuỗi Actinium, khí 219Rn được gọi là Action

Hình 1.1 Chuỗi phóng xạ Thorium

Hình 1.2 Chuỗi phóng xạ Uranium

Cả ba chuỗi phóng xạ tự nhi n này đều có đồng vị bền cuối cùng là chì: 206Pb trong chuỗi Uranium, 207Pb trong chuỗi Actinium và 208Pb trong chuỗi Thorium Ngoài ba chuỗi phóng xạ trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng

xạ với bậc số nguyên tử thấp như: 40K, 50V, 87Rb, 187Re, 115In, 190Pt, 138La, 144Nd,

148Sm, 176Hf Trong đó, đồng vị phóng xạ 40K rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng 40K trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương là khoảng 380mg/l), trong thực vật, động vật, cơ thể con người (hàm lượng 40K trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg)

1.2.2 Bức xạ vũ trụ

Các bức xạ proton, Alpha… năng lượng cao rơi vào khí quyển trái đất từ không gian bên ngoài gọi là tia vũ trụ Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ hàng chục MeV đến 1020 eV hay cao hơn Tr n đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dày khoảng 103 g/cm2 của khí quyển và do tương tác với vật chất nên thành phần các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy Tia vũ trụ nguyên thủy gọi là tia

vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi

là tia vũ trụ thứ cấp

Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng 2-4hạt/cm2.s Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: Nhóm p gồm proton, deuteron và triton; nhóm α gồm Alpha và 3He; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm Lithium, Beryllium và Boron (Z = 3-5); nhóm các hạt nhân trung bình gồm Carbon, Oxygen, Nitrogen và Fluorine (Z = 6-9); nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z ≥ 10; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z ≥

20 và nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z ≥ 30

Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn: các hạt sơ cấp bị hấp thụ sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hóa môi trường khí quyển Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron…), các hạt muon, electron và photon Tia vũ trụ thứ cấp được chia ra thành ba thành phần là thành phần kích hoạt hạt nhân (các hạt hadron), thành phần cứng (muon) và thành phần mềm (electron, photon)

Cường độ của các thành phần tia vũ trụ thứ cấp phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên xuống và hầu như bằng không tại mặt nước biển Thành phần electron – photon có cường độ lớn ở

độ cao lớn nhưng bị hấp thụ rất nhanh khi đến mặt đất và có cường độ không đáng

kể so với thành phần muon Tại mặt nước biển cường độ của các thành phần cứng

và mềm tương ứng là ICứng = 1,7.10-2hạt/cm2.s và IMềm = 0,7.10-2hạt/cm2.s Như vậy, cường độ tia vũ trụ thứ cấp tại mặt nước biển nhỏ hơn 100 lần so với cường độ tại giới hạn bầu khí quyển, mà trong đó chủ yếu là các hạt muon

1.2.3 Các nguồn phóng xạ nhân tạo

Các nguồn phóng xạ nhân tạo như: 60Co, 241Am, 99Tc, 90Sr, 131I, 137Cs… là các nguồn phóng xạ do con người tạo ra bằng cách chiếu các hạt nhân đồng vị trong các

lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc hạt tích điện Ngoài ra, hai đồng vị phóng xạ 131

I và 137Cs còn được sinh ra trong các vụ thử vũ khí hạt nhân, cùng với các thiết bị bức xạ như máy phát tia X, các thiết bị y tế… cũng đóng góp vào phông phóng xạ môi trường

1.2.4 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Khi tương tác với electron và nguyên tử của môi trường, lượng tử gamma hoặc mất tất cả năng lượng của mình (hấp thụ) hoặc mất phần lớn năng lượng (tán xạ) Sự suy giảm của bức xạ gamma trong môi trường vật chất là

do ba quá trình sau đây: bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử (hiệu ứng quang điện), sự tán xạ của lượng tử gamma lên electron tự do (tán xạ Compton) và sự tạo cặp trong trường hạt nhân sinh ra electron-positron (hiệu ứng tạo cặp)

1.2.4.1 Hiệu ứng quang điện

Khi lượng tử gamma tương tác với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay

ra khỏi nguyên tử, electron này được gọi là quang electron Quang electron nhận được động năng Te được xác định bởi hệ thức [6]:

Trong đó Eγ=hν là năng lượng gamma tới, Elk là năng lượng liên kết của electron, Elk=EK đối với electron ở lớp K, Elk=EL đối với electron ở lớp L, Elk=EM đối với electron ở lớp M và EK> EL>EM

Hình 1.3 Hiệu ứng quang điện

Từ công thức (1.1) ta thấy hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi E  Elk, nếu

K

E  E thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra ở lớp L, M… Nếu E  ELthì hiệu ứng

quang điện chỉ xảy ra ở lớp M Các tính toán tiết diện của hiệu ứng quang điện chỉ

ra rằng hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu ở lớp K (khoảng 80%)

Đối với năng lượng photon hν  mc2, xác suất của hiệu ứng quang điện phụ thuộc rất mạnh vào điện tích của môi trường ζphot ~ Z5 Điều này là do sự khác biệt

về năng lượng liên kết của các electron, trong những hạt nhân nhẹ (Z nhỏ), electron được liên kết bởi lực Coulomb yếu hơn những hạt nhân nặng Ta có tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và điện tích hạt nhân của môi trường:

5 phot Z / E 

Theo tính toán trong cơ học lượng tử, tỉ số tiết diện hiệu ứng quang điện ở các tầng khác nhau trong nguyên tử tương ứng như sau: (ζphot)L/(ζphot)K=1/5 và (ζphot)M/(ζphot)K=1/20 Do vậy, tiết diện toàn phần của hiệu ứng quang điện bằng

ζphot=5/4(ζphot)K

Khi electron bị bứt ra lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì tại đó một lỗ trống được sinh ra Lỗ trống này nhanh chóng được một electron từ lớp vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng Bức xạ tia X đặc trưng không phải luôn luôn phát ra, năng lượng của tia X đặc trưng này có thể được truyền cho electron tại các lớp bên ngoài của nguyên tử Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, ngoài quang electron có năng lượng Ee còn có những electron có năng lượng gần với năng lượng ion hóa I (những electron này được gọi là electron Auger) Những electron Auger này có xác suất lớn được quan sát ở hiệu ứng quang điện trên những nguyên tử có bậc số nguyên tử Z nhỏ và trung bình

Hình 1.4: Tán xạ Compton

Sau tán xạ lượng tử gamma bị mất một phần năng lượng và thay đổi phương bay còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 1.4) Giả sử Ee là động năng của electron bay ra Eγ’=hν’ là năng lượng của photon tán xạ, Eγ=hν là năng lượng của photon tới, θ là góc tán xạ

Từ định luật bảo toàn năng lượng và động lượng có thể nhận được mối liên hệ giữa năng lượng của lượng tử gamma tới Eγ, năng lượng của lượng tử gamma tán

xạ Eγ’, động năng của electron giật lùi Ee và góc tán xạ θ được biểu diễn theo công thức :

2 e

EE

E(1 cos )

Trong đó mec2 là năng lượng nghỉ của electron (511keV)

Tiết diện vi phân của tán xạ Compton tr n một electron được tính theo công thức Klein-Nishina [6]:

2 Comp 2

Ở đây re = e2/mec2, ε = Eγ/ mec2 và θ là góc tán xạ Công thức cho tiết diện tán

xạ Compton có được bởi việc lấy tích phân (1.5) trên cả góc khối:

Như vậy với lượng tử gamma có năng lượng Eγ >> mec2 (ε >> 1), tiết diện tán

xạ Compton đối với một electron thay đổi tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử

gamma Bởi vì có Z electron trong nguyên tử, tiết diện tán xạ Compton đối với nguyên tử sẽ thay đổi theo Z/Eγ:

A

p p 0

hν  137m c Z tiết diện đạt đến giá trị không đổi Tiết diện tạo cặp có giá trị khác nhau đối với những chất có bậc số nguyên tử Z khác nhau:

m c  hν  137m c Z và không tính đến hiệu ứng màn chắn:

2 2

1.2.5 Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất

Chiếu một chùm tia hẹp gamma đơn năng, song song với cường độ ban đầu I0tới một lớp vật chất có bề dày d (cm) Cường độ của chùm tia khi đi qua lớp vật chất I suy giảm theo quy luật hàm mũ:

d 0

Trong đó μ là hệ số hấp thụ tuyến tính (cm-1) Hệ số hấp thụ tuyến tính hoàn toàn mô tả sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường vật chất Nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma Quá trình

làm chậm của lượng tử gamma trong môi trường không được thực hiện liên tục như những hạt điện tích

Nếu đưa vào tiết diện tương tác toàn phần của lượng tử gamma với một nguyên tử là ζ, thì ta có:

Trong đó: NA là số Avogadro NA  6,02.1023hạt/mol

ρ là khối lượng riêng của vật chất (g/cm3)

A là số nguyên tử khối của nguyên tử vật chất

Tiết diện tương tác toàn phần của lượng tử gamma với nguyên tử là ζ được tính từ tiết diện hấp thụ quang điện ζphot, tiết diện tán xạ Compton ζComp và tiết diện tạo cặp ζpair

Từ (1.18) ta có hệ số suy giảm tuyến tính (tiết diện vĩ mô)

 phot Com pair 

1.3 Mô hình hệ giảm phông thụ động

Phóng xạ tự nhiên gồm có bức xạ vũ trụ và phóng xạ môi trường xung quanh

hệ đo luôn luôn hiện hữu và ảnh hưởng đến phông phóng xạ của hệ đo Ngoài ra các nguồn phóng xạ nhân tạo và các thiết bị bức xạ cũng ảnh hưởng đến phông phóng

xạ của hệ đo Có hai phương pháp để giảm phông cho hệ đo là: phương pháp giảm phông thụ động bằng cách xây dựng các khối che chắn cho hệ đo bằng vật liệu có Z lớn (như chì, b tông) để hấp thụ hoàn toàn bức xạ môi trường ngoài hoặc có thể giảm phông chủ động bằng cách thiết lập sơ đồ đối trùng (dựa vào tín hiệu của bản tinh thể nhấp nháy hoặc ống đếm tỷ lệ đặt xung quanh hệ đo để phủ định tín hiệu

mà hệ ghi nhận được) Phương pháp giảm phông chủ động được thực hiện khi

chúng ta muốn loại bỏ ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ có năng lượng cao và các hiệu ứng thứ cấp của chúng Chúng ta hoàn toàn có thể giảm phông hệ đo bằng cách kết hợp hai phương pháp giảm phông trên Phông phóng xạ của hệ đo cũng có thể được loại bỏ hoàn toàn khi đặt hệ đo sâu dưới lòng đất

Trong phương pháp giảm phông thụ động, vật liệu che chắn là vật liệu có bậc

số nguyên tử Z lớn để hấp thụ hoàn toàn bức xạ b n ngoài Và cũng có thể 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 b n 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 tr n đầu dò [7]

Thông thường bề dày của lớp chì ngoài cùng khoảng 15cm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của bức xạ môi trường xung quanh Chì được lựa chọn phải có hàm lượng 210Pb thấp, bởi vì đây là đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã là 22,3 năm bức

xạ gamma với năng lượng 46,5keV kèm theo phân rã β của hạt nhân con 210Bi, những yếu tố này sẽ ảnh hưởng lên phổ ghi nhận của mẫu đo [13]

Tuy nhiên, nếu lớp che chắn thụ động quá dày hoặc quá lớn sẽ làm tăng các hiệu ứng thứ cấp của muon vũ trụ ảnh hưởng lên phổ ghi nhận Có thể thấy việc loại

bỏ ảnh hưởng của bức xạ gamma môi trường xung quanh và ảnh hưởng của bức xạ

vũ trụ thứ cấp một cách thụ động là hai công việc không thống nhất với nhau Do vậy, cần phải khảo sát để có một cấu hình giảm phông thụ động tối ưu cho hệ phổ

kế gamma

Nguyên tắc xây dựng hệ gamma phông thấp [13]:

1 Vật liệu che chắn và hệ thống làm lạnh gần đầu dò phải có hoạt độ phóng xạ thấp

2 Hệ giảm phông chủ động, hệ thống làm lạnh, hệ điện tử… phải nằm ngoài lớp vật liệu che chắn

3 Lớp che chắn phải chắn được bức xạ môi trường

4 Bức xạ đi vào trong lớp che chắn qua các khe hở không được tán xạ lên thành vật liệu che chắn đi vào đầu dò

5 Hạn chế không khí b n ngoài đi vào b n trong lớp che chắn

6 Không được giảm độ tin cậy của hệ đo

1.4 Nhận xét chương 1

Trong chương này, luận văn đã trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng đầu dò NaI(Tl) trong và ngoài nước Luận văn cũng trình bày các nguồn phóng xạ ảnh hưởng đến hệ phổ kế gamma và đưa ra hướng nghiên cứu sơ bộ trong xây dựng hệ giảm phông thụ động cho đầu dò NaI(Tl) Để giảm phông phóng xạ tự nhiên thì các vật liệu che chắn được lựa chọn là chì, thiếc và đồng

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ CHƯƠNG TRÌNH GEANT4 2.1 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Hệ phổ kế gamma được xây dựng trong luận văn là hệ ghi nhận bức xạ sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) bao gồm các thành phần sau: đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), Osprey, các lớp vật liệu che chắn (Pb, Cu) và máy tính có cài đặt phần mềm thu nhận và xử lý phổ hạt nhân Genie 2000

2.1.1 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

Đầu dò được sử dụng trong luận văn này là loại đầu dò tinh thể NaI(Tl) loại

802 của hãng Canberra có kích thước hình học 7,62cm×7,62cm với độ phân giải 7,5% tại đỉnh năng lượng 662 keV của nguồn đồng vị 137Cs Đầu dò này là một hình trụ kín b n trong có chứa tinh thể NaI(Tl), ống nhân quang, tấm chắn sáng, cửa sổ nhôm và 14 đầu nối được thể hiện như trong hình 2.1

Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) cho kết quả tốt và ổn định đối với các mẫu có dạng hình trụ Các thành phần và vật chất của các thành phần cấu tạo n n đầu dò được thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Kích thước và vật chất cấu tạo của đầu dò

2.1.2 Osprey

Osprey (Hình 2.2) là một thiết bị hiệu suất cao được thiết kế cho phòng thí nghiệm và đo đạc thực tế Một thiết bị nhỏ gọn có chứa một điện cao áp cung cấp (HVPS), tiền khuếch đại và đầy đủ tính năng kỹ thuật số MCA

Hình 2.2: Osprey

Osprey đã thay thế được các thiết bị riêng biệt trước đây và được kiểm soát một cách dễ dàng thông quá cổng USB và phần mềm Genie 2000 Nguồn nuôi được

2.1.3 Các lớp vật liệu che chắn

Cường độ của chùm bức xạ gamma khi đi qua một lớp vật chất sẽ bị suy giảm theo hàm mũ thông qua ba hiệu ứng chính: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp Tiết diện tương tác của hiệu ứng quang điện tỉ lệ với Z5, tiết diện của hiệu ứng Compton tỉ lệ với Z và tiết diện của hiệu ứng tạo cặp tỉ lệ với

Z2, do vậy các vật liệu nặng như chì (Z = 82) sẽ thích hợp trong việc che chắn bức

xạ gamma Trong luận văn sử dụng lớp vật liệu che chắn bằng chì (Pb) dạng trụ (Hình 2.3) với đường kính trong dtrong= 9,5cm, đường kính ngoài dngoài= 15,5cm, chiều cao trong htrong=25cm, chiều cao ngoài hngoài=32cm, bề dày mặt trên rtrên=4cm, bền dày mặt bên và mặt dưới rbên=rdưới=3cm, cùng với lớp đồng (Cu) lót dày 2mm

Đơn vị: cm

Hình 2.3: Mô hình giảm phông thụ động gồm: đầu dò và lớp vật liệu che chắn

Khi lượng tử gamma tương tác quang điện với các nguyên tử chì của lớp che chắn, lượng tử gamma biến mất đồng thời bứt một electron của lớp bên trong (lớp K) của nguyên tử chì Các nguyên tử chì này ở trạng thái kích thích có xu hướng chuyển về trạng thái cơ bản bằng việc phát các tia X đặc trưng có năng lượng trong khoảng 75keV đến 85keV Các tia X này có thể được đầu dò bên trong lớp che chắn ghi nhận Các tia X đặc trưng này có thể được loại bỏ bằng cách đặt thêm các lớp lót bằng vật liệu có Z thấp hơn như thiếc (Z=50) và đồng (Z=29) để hấp thụ chúng Tuy nhiên do thiếc ngoài thị trường có độ tinh khiết không cao, nên trong luận văn chỉ sử dụng lớp lót bằng đồng với các bề dày khác nhau (1mm và 2mm)

2.1.4 Máy tính và chương trình Genie 2000

Hệ thống máy tính có chức năng lưu trữ và hiện thị giúp cho con người có thể tương tác được với các chương trình được cài đặt Chương trình Genie-2000 cung cấp một môi trường làm việc tốt cho MCA như kiểm soát, thu thập dữ liệu, hiển thị

và phân tích Hình 2.5 chính là giao diện của chương trình Genie 2000 Chương

trình cung cấp công cụ giúp xây dựng đường chuẩn năng lượng theo số k nh tương ứng và đường cong hiệu suất theo năng lượng tương ứng Chương trình có thể xác định số đếm tại các đỉnh năng lượng

Hình 2.5: Cấu hình che chắn sử dụng trong thực nghiệm

2.2 Chương trình Geant4

Chương trình Geant4 với phiên bản 4.9.4 [10] được dùng để mô phỏng tương tác của các hạt với môi trường mà nó đi qua Những ưu điểm nổi bật của chương trình mô phỏng là mã nguồn mở, độ tin cậy cao Hiện nay, Geant4 được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như các ngành Vật lý hạt nhân, năng lượng cao, vật lý máy gia tốc, sử dụng cho mục đích nghi n cứu trong y học và khoa học vũ trụ Geant4 cung cấp công cụ hoàn chỉnh cho việc mô phỏng một đầu dò bao gồm: cấu trúc hình học, đáp ứng của detector, vận hành, quản lí số sự kiện, đường đi, cũng như các công cụ hỗ trợ cho việc hình dung, tương tác của người dùng với chương trình Do được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, Geant4 cung cấp tập hợp các quá trình vật lý đa đạng để mô phỏng tương tác của các hạt với môi trường trên dải năng lượng rộng

Geant4 khai thác và áp dụng các tiến bộ kỹ thuật công nghệ phần mềm và kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, hỗ trợ người dùng trong việc tải và sử dụng các thành phần cần thiết

2.2.1 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4

Chương trình Geant4 sử dụng đồng thời phương pháp kết hợp và phương pháp loại trừ trong Monte Carlo

Các bước cơ bản của các phương pháp này:

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

n

i i i 1

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

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

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

4 Nếu x0 bị loại, trở lại bước ban đầu

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

2.2.2 Cấu trúc chương trình

Geant4 chạy trên nền của ngôn ngữ lập trình C++ và được biên dịch ra tập tin thực thi bằng trình biên dịch g++ trong Linux Geant4 áp dụng kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, mà theo đó một chương trình sẽ được chia nhỏ thành các lớp và các lớp con, được xem như là các đối tượng Mỗi đối tượng có một tên riêng biệt và tất cả các tham chiếu đến đối tượng đó được tiến hành qua tên của nó Như vậy, mỗi đối tượng có khả năng nhận các thông báo, xử lý dữ liệu (bên trong của nó), và gửi trả lời đến các đối tượng khác hay đến môi trường một cách độc lập Điều này giúp người sử dụng dễ dàng tiếp cận với các đối tượng trong chương trình, đồng thời đơn giản hóa độ phức tạp khi bảo trì cũng như mở rộng phần mềm

Một chương trình mô phỏng hoàn chỉnh gồm chương trình nguồn (có đuôi cc)

sử dụng các câu lệnh, mã lệnh liên kết với các dữ liệu thư viện (có đuôi hh) Chương trình nguồn giúp kiểm soát các thao tác lệnh và giao diện người dùng, ở đó người dùng có thể thay đổi các thông số cần thiết sao cho phù hợp với mục đích mô phỏng Chương trình nguồn được máy tính biên dịch và thực thi các yêu cầu của người lập trình

Trong Geant4, thư viện dữ liệu được xây dựng sẵn sẽ giúp cho người dùng có thể tham chiếu đến các đối tượng cần thiết trong quá trình mô phỏng Đối với luận văn này, thư viện dữ liệu về các đối tượng li n quan đến tương tác của gamma với vật chất được xây dựng

Phần quan trọng nhất trong một chương trình là hàm main() Hàm main() có chức năng tổ chức chạy các lớp con trong quá trình mô phỏng, nội dung của hàm main() sẽ thay đổi theo nhu cầu của ứng dụng mô phỏng và được cung cấp bởi người sử dụng