tương tác của bức xạ gamma với vật chất và tán xạ gamma với vật chất

Các kết quả đạt được này làbước đầu trong nghiên cứu vật liệu sử dụng phương pháp tán xạ gamma sẽ đượctriển khai tại BM.. Khoa học Tự nhiên, – TpHCM.CHƯƠNG 70 Với mục đích trên, nội dung

đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian làm luận văn tại bộ môn

Xin chân thành cảm ơn TS Lê Vũ Tuấn Hùng, TS Nguyễn Thanh Phongcùng quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn đã đọc và đóng góp ý kiến giúpluận văn của tôi hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn gia đình tôi đã ủng hộ về mặt tinh thần, đã tạo điềukiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, xin cảm ơn các bạn kỹ thuật viên cũng như các bạn sinh viên của

bộ môn Vật lý hạt nhân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến trong suốt quá trình tôi làmluận văn

Võ Thị Huyền Trân

111EQUATION CHAPTER (NEXT) SECTION 1MỤC LỤC

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG GEANT4 14

2.2 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong GEANT4 14

3.2 Mô tả thiết kế thí nghiệm khảo sát tán xạ theo góc 203.3 Mô tả thiết kế thí nghiệm khảo sát tán xạ theo bề dày 20

4.1 Kết quả mô phỏng gamma tán xạ theo góc cho Al, Cu, Fe, Pb 26

4.1.2 Sự phụ thuộc năng lượng gamma tán xạ theo góc 314.1.3 Sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ theo góc 324.2 Kết quả mô phỏng khảo sát tán xạ theo bề dày các vật liệu Al, Cu, Fe, Pb 34

4.2.5 So sánh đánh giá cho 04 vật liệu Al, Cu, Fe, Pb 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

(European Organization for Nuclear Research)

CHƯƠNG 11 Bảng 4.1 Bảng so sánh năng lượng gamma tán xạ giữa mô phỏng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 24 Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 4

CHƯƠNG 25 Hình 1.2 Tiết diện quang điện của chì Pb 5

CHƯƠNG 26 Hình 1.3 Tán xạ Compton 6

CHƯƠNG 27 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng tán xạ Compton 7

CHƯƠNG 28 Hình 1.5 Tiết diện tán xạ Compton toàn phần của chì Pb 9

CHƯƠNG 29 Hình 1.6 Hiệu ứng tạo cặp 10

CHƯƠNG 30 Hình 1.7 Tiết diện tạo cặp trong chì Pb 11

CHƯƠNG 31 Hình 1.8 Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo góc tán xạ 12

CHƯƠNG 32 Hình 2.1 Sơ đồ quá trình làm việc của chương trình mô phỏng GEANT4 18

CHƯƠNG 33 Hình 3.1 Bố trí mô phỏng thí nghiệm tán xạ 19

CHƯƠNG 34 Hình 3.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát tán xạ gamma ở các góc khác nhau 20

CHƯƠNG 35 Hình 3.3 Bố trí thí nghiệm khảo sát tán xạ gamma cho các bề dày bia CHƯƠNG 36 khác nhau 20

CHƯƠNG 37 Hình 3.4 Đoạn mã quy định cấu trúc detector 21

CHƯƠNG 38 Hình 3.5 Đoạn mã quy định cấu trúc của khối chì che chắn detector 21

CHƯƠNG 39 Hình 3.6 Cấu trúc detector và khối chì che chắn 22

CHƯƠNG 40 Hình 3.7 Đoạn mã khai báo nguyên tố, vật liệu 22

CHƯƠNG 41 Hình 3.8 Đoạn mã quy định loại hạt và một số thuộc tính của nguồn 23

CHƯƠNG 42 Hình 3.9 Đoạn mã quy định các tính chất vật lý sử dụng trong mô phỏng 23

CHƯƠNG 43 Hình 3.10 Dạng dữ liệu thu được sau khi mô phỏng 24

CHƯƠNG 44 Hình 3.11 Bố trí thí nghiệm tán xạ trong GEANT4 24

CHƯƠNG 45 Hình 4.1 Một số phổ năng lượng gamma tán xạ theo góc đối với bia Al 27

CHƯƠNG 46 Hình 4.2 Một số phổ năng lượng gamma tán xạ theo góc đối với bia Cu 28

150

CHƯƠNG 47 Hình 4.3 Một số phổ năng lượng gamma tán xạ theo góc đối vớibia Fe 29

CHƯƠNG 48 Hình 4.4 Một số phổ năng lượng gamma tán xạ theo góc đối vớibia Pb 30

CHƯƠNG 49 Hình 4.5 Sự phụ thuộc của đỉnh năng lượng gamma tán xạ vào

góc tán xạ của

CHƯƠNG 50 vật liệu Al, Cu, Fe, Pb 32

CHƯƠNG 51 Hình 4.6 Sự phân bố của gamma tán xạ ứng với các góc tán xạcủa các loại

CHƯƠNG 52 vật liệu Al, Cu, Fe, Pb 34

CHƯƠNG 61 Hình 4.15 Diện tích đỉnh gamma tán xạ theo bề dày của

CHƯƠNG 62 vật liệu Al, Cu, Fe, Pb 44

MỞ ĐẦU

mật độ, bề dày vật liệu, dò tìm khuyết tật là một trong các phương pháp kiểm tra

không phá hủy mẫu (Non-Destroyed Technique – NDT) như phương pháp truyền

qua và phương pháp tán xạ ngược Trong đó kỹ thuật đo gamma tán xạ được dùng

để xác định độ ăn mòn của kim loại với ưu điểm là nguồn phóng xạ và đầu dò cóthể bố trí cùng một phía, tiến hành kiểm tra thiết bị mà không cần phải dừng hoạtđộng của thiết bị đó và có thể kiểm tra trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao,

áp suất lớn Tuy nhiên vấn đề sử dụng nguồn phóng xạ gặp không ít khó khăn docác quy trình quản lý nghiêm ngặt vì mục đích an toàn phóng xạ Một trong nhữnggiải pháp hiệu quả cho vấn đề này là sử dụng các phần mềm mô phỏng với các điềukiện lý tưởng trước khi tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng cũng như các phép đothực tế Các phần mềm mô phỏng phổ biến hiện nay như MCNP, GEANT4 dựa trênnền tảng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

nhiên-TPHCM, đang triển khai các thí nghiệm về tán xạ ngược để nghiên cứu về

bề dày vật liệu sử dụng phương pháp tán xạ ngược gamma Tuy nhiên để thực hiệnđiều đó, cần phải thực hiện các bước tính toán trước để tìm hiểu về bản chất vật lý

và phương cách bố trí thí nghiệm, trước khi đi vào thực nghiệm

CHƯƠNG 69 Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện tính toán mô phỏng vềtán xạ ngược cho một số vật liệu Phần mềm sử dụng cho nghiên cứu này là phầnmềm mô phỏng GEANT4 (GEometry And Tracking) Đây là phần mềm được pháttriển bởi CERN (Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) Vật liệu khảo sát trong

đề tài này gồm Al, Cu, Fe, Pb Bức xạ gamma có năng lượng 0.662MeV (tươngđương với năng lượng gamma phát ra từ nguồn Cs-137) được sử dụng cho nghiêncứu này Gamma tán xạ được ghi nhận ở các góc tán xạ khác nhau bởi detector nhấpnháy NaI(Tl) 7,62cm x 7,62cm Chúng tôi khảo sát phổ gamma tán xạ theo các góctán xạ từ 300 đến 1500, xác định vị trí đỉnh tán xạ cũng như cường độ gamma tán xạ,

từ đó đánh giá một số tính chất của các vật liệu khảo sát Hai vấn đề quan tâm trong

đề tài này là : (1) khảo sát phổ năng lượng gamma tán xạ theo góc tán xạ θ, và (2)khảo sát phổ gamma tán xạ theo bề dày vật liệu ở góc 900 Hai khảo sát này đượcxem là quan trọng trong nghiên cứu về gamma tán xạ Các kết quả đạt được này làbước đầu trong nghiên cứu vật liệu sử dụng phương pháp tán xạ gamma sẽ đượctriển khai tại BM Vật lý Hạt nhân, trường ĐH Khoa học Tự nhiên, – TpHCM.

CHƯƠNG 70 Với mục đích trên, nội dung của luận văn được bố trí thành

5 chương:

tương tác của bức xạ gamma với vật chất và tán xạ gamma với vật chất

Giới thiệu chương trình mô phỏng GEANT4 trong phạm vi nghiên cứu của đề tài

CHƯƠNG 73 Chương 3: Bố trí mô phỏng thí nghiệm tán xạ Trongchương này chúng tôi trình bày các bố trí khảo sát tán xạ gamma theo góc và theo

bề dày của các loại vật liệu Đồng thời chúng tôi cũng trình bày các đoạn mã để bốtrí thí nghiệm tương ứng trong GEANT4

này, chúng tôi trình bày các kết quả đạt được sau khi mô phỏng Bên cạnh đó chúngtôi nhận xét, bàn luận về các kết quả đó

CHƯƠNG 75 Chương 5: Kết luận và kiến nghị Trong phần này chúng tôitrình bày kết quả đạt được của đề tài và kiến nghị về phương hướng mở rộng của đềtài

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

CHƯƠNG 76 Bức xạ gamma γ là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơnkhoảng cách giữa các nguyên tử ( λ= , với a có giá trị khoảng 10a -8 cm), bức xạnày ngoài tính chất sóng còn được hình dung như dòng hạt nên gọi là lượng tử γ.Giới hạn năng lượng thấp nhất của lượng tử γ là 10 keV Công thức liên hệ giữanăng lượng và bước sóng của lượng tử γ có dạng [1]:

CHƯƠNG 80 E và λ là năng lượng và bước sóng của bức xạ gamma

CHƯƠNG 81 Giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụbởi môi trường, chủ yếu do tương tác điện từ Tuy nhiên, cơ chế của loại hấp thụnày khá đặc biệt vì hai lý do [1]:

 Lượng tử γ không mang điện do đó không chịu tức động của trường lựcCoulomb Tương tác của lượng tử γ với electron xảy ra trong vùng có bán kínhkhoảng 10-11 cm (kích thước này nhỏ hơn khoảng 3 bậc so với khoảng cách giữa cácnguyên tử) Từ đó, va chạm giữa lượng tử γ với electron và hạt nhân là khá hiếm,những va chạm đó thường dẫn đến sự đổi hướng đột ngột của lượng tử γ Nghĩa làlượng tử γ tách ra khỏi chùm tia.

 Lượng tử γ không có khối lượng nghỉ, do đó không thể chuyển động vớivận tốc khác vận tốc ánh sáng Điều này có nghĩa là lượng tử γ không bị làm chậmtrong môi trường Chúng hoặc bị hấp thụ, hoặc tán xạ và thay đổi phương bay Dovậy, cường độ ban đầu của chùm tia giảm dần

CHƯƠNG 82 Khi đi qua môi trường, bức xạ gamma sẽ tương tác với môitrường thông qua ba loại tương tác chính sau:

 Hiệu ứng quang điện

 Tán xạ Compton

 Hiệu ứng tạo cặp

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

CHƯƠNG 83 Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tửgamma với electron liên kết trong nguyên tử Tất cả năng lượng của lượng tửgamma mất đi để bứt electron ra khỏi nguyên tử

Hình 1.1.1.1.a.1.1 Hiệu ứng quang điện

CHƯƠNG 84 Năng lượng của electron có thể xác định từ hệ thức [5]:

CHƯƠNG 85 Trong đó là động năng của electron

CHƯƠNG 87 là năng lượng liên kết của electron lớp i

CHƯƠNG 88 Từ hệ thức này ta thấy hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy

liên kết, xác suất của hiệu ứng quang điện phụ thuộc rất mạnh vào điện tích của môitrường.

CHƯƠNG 89 Hình 1.2 chỉ ra một tiết diện quang điện điển hình như mộthàm của năng lượng photon tới

Hình 89.1.1.1.a.1.1 Tiết diện quang điện của chì Pb [8]

CHƯƠNG 90 Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào nănglượng của bức xạ gamma và điện tích hạt nhân của môi trường được thể hiện quacác biểu thức tính toán sau [5]:

7/2

16 5 phot k

(σ ) 1,09.10 Z ��13,61/E�� đối với nhỏ 414\*

MERGEFORMAT (.)

33 5 phot k

       ( ) 1,34.10 ��Z / E��

đối với >>mec2 515\* MERGEFORMAT (.)

CHƯƠNG 91 Trong đó là tiết diện quang điện

Z là điện tích hạt nhân của môi trường

Năng lượng (MeV)

CHƯƠNG 92 Ở năng lượng Eγ

>> mec2 tiết diện của hiệu ứng quang điện

tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma Từ công thức trên, ta thấy tiết diệncủa hiệu ứng quang điện giảm rất nhanh theo sự gia tăng năng lượng của lượng tử

và sự giảm của điện tích hạt nhân Công thức trên không miêu tả đúng tiết diệntrong miền gần với giới hạn hấp thụ của lớp vỏ nguyên tử

CHƯƠNG 93 Hiệu ứng quang điện kèm theo bức xạ đặc trưng do kết quả

sự chuyển electron vào chỗ trống trong lớp vỏ nguyên tử Bức xạ đặc trưng khôngphải luôn luôn phát ra Năng lượng có thể được truyền cho electron bên ngoài củanguyên tử Trong trường hợp này, ngoài quang electron có năng lượng còn cónhững electron có năng lượng gần với năng lượng , những electron này được gọi làelectron Auger Những electron Auger có xác suất lớn được quan sát ở hiệu ứngquang điện trên những nguyên tử có giá trị Z nhỏ và trung bình

93.1.1 Tán xạ Compton

năng lượng liên kết của electron, thì có thể xem electron là tự do trong quá trình xét

sự va chạm đàn tính của lượng tử gamma với nó Khi đó từ định luật bảo toàn nănglượng và động lượng có thể nhận được mối liên hệ giữa năng lượng của lượng tửtán xạ với năng lượng của lượng tử tới và góc tán xạ , cũng như mối liên quan giữanăng lượng của electron Compton với góc bay ra của nó Ta có [1]:

'

616\* MERGEFORMAT (.)

KLM

Hạt nhân

Electron Compton

Gamma tới

Gamma tán xạ

e-Hình 94.1.1.1.a.1.1 Tán xạ Compton

chạm electron đứng yên Động năng của electron sau tán xạ là [1][3] :

eγ

γ 2 0

γ

γ 2 0

Te là năng lượng của electron sau tán xạ

E là năng lượng của tia gamma tới

'

E là năng lượng của tia gamma tán xạ

   là góc tán xạ của tia gamma

0

m khối lượng của electron

c là tốc độ ánh sáng trong chân không

Hình 97.1.1.1.a.1.1 Sơ đồ hiệu ứng tán xạ Compton

CHƯƠNG 98 Tiết diện vi phân của tán xạ Compton được tính bởi Tamm

và Klein Nishima với sự kiểm chứng của thực nghiệm [5]:

2 2

2 2

CHƯƠNG 101 Có hai trường hợp đặc biệt sau [5]:

 Trường hợpγ=1, công thức (1.9) biến đổi thành

226

thay đổi tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma Bởi vì

có Z electron trong một nguyên tử, tiết diện đối với nguyên tử là Z lần lớn hơn và

do đó khi γ>>1 nó thay đổi theo Z Eγ , ta có:

Comγ

σ � Z E 13113\* MERGEFORMAT (.)

CHƯƠNG 105 Hình 1.5 vẽ tiết diện tổng cộng Com như là hàm nănglượng Hai đại lượng khác có thể tính từ công thức Klein - Nishima là tiết diện tán

xạ Compton và tiết diện hấp thụ Compton Tiết diện tán xạ Compton  được xács

định như là phần trung bình của năng lượng tổng cộng chứa trong photon bị tán xạ,trong khi đó tiết diện hấp thụ  là năng lượng trung bình truyền cho điện tử giậta

Hình 105.1.1.1.a.1.1 Tiết diện tán xạ Compton toàn phần của chì Pb [8]

CHƯƠNG 106 Để tính  chúng ta hình thành công thức sau [2]:s

E = m c +m c +T

17117\* MERGEFORMAT (.)

CHƯƠNG 109 Trong đó m c 2 là năng lượng toàn phần của e+

m c là năng lượng toàn phần của

e-Hình 109.1.1.1.a.1.1 Hiệu ứng tạo cặp

CHƯƠNG 110 Năng lượng giật lùi của hạt nhận có thể lớn hơn đáng kểtrong khi hai hạt sinh ra bay theo hướng vuông góc với gamma tới và tạo với nhaumột góc 1800 Gọi p , pγ A

lần lượt là động lượng của gamma tới và hạt nhân Sửdụng định luật bảo toàn động lượng, ta có [5][6]:

E = 1022 keV

CHƯƠNG 112 Positron ở cuối quãng chạy sẽ hủy với một electron của

môi trường và tạo ra hai gamma ngược chiều năng lượng bằng nhau và bằng m c0 2.Thời gian làm chậm và hủy positron rất nhỏ, do vậy hai sự kiện tạo cặp và hủy cặpgần như trùng nhau

Bức xạ hủyGamma tới

CHƯƠNG 113 Tiết diện tạo cặp trên electron và hạt nhân nguyên tử tỉ lệvới Z2 và phụ thuộc phức tạp vào năng lượng Hình 1.7 minh họa sự phụ thuộcnăng lượng của tiết diện tạo cặp vào năng lượng.

Hình 113.1.1.1.a.1.1 Tiết diện tạo cặp trong chì Pb[8]

1.1 Tán xạ gamma với vật chất

113.1.2 Sự phụ thuộc năng lượng tán xạ vào góc tán xạ

CHƯƠNG 114 Sự phụ thuộc năng lượng tán xạ vào góc tán xạ được thểhiện qua công thức tán xạ Compton:

γ '

γ

γ 2 0

CHƯƠNG 115 Hình 1.8 biểu diễn phân bố cường độ cuả tia gamma tán

xạ Compton theo góc tán xạ θ Ta thấy, khi năng lượng của chùm tia gamma banđầu tăng, chùm tia tán xạ Compton chủ yếu phân bố về phía trước theo phương đếncủa chùm tia gamma ban đầu (góc tán xạ nhỏ)

CHƯƠNG 116

Hình 116.1.1.1.a.1.1 Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo góc

tán xạ[1]

116.1.2 Sự phụ thuộc cường độ tán xạ vào bề dày vật chất

CHƯƠNG 117 Đối với hệ đo được bố trí sẵn, khi thay đổi bề dày bia thìcường độ gamma tán xạ cũng thay đổi Do ảnh hưởng hệ số hấp thụ của vật liệu nênhàm biểu diễn sự thay đổi của cường độ theo bề dày không phải dạng tuyến tính.Đặc biệt khi khảo sát bia là vật liệu có hệ số hấp thụ thấp và bề dày bia không lớnlắm thì cường độ tán xạ tăng tuyến tính khi bề dày vật liệu tán xạ tăng [6] Tuynhiên khi gần đạt đến bề dày bão hòa thì cường độ gamma tán xạ tăng rất chậm vàkhông thay đổi khi bề dày bia đạt giá trị bão hòa

CHƯƠNG 118 Giá trị bề dày bão hòa rất quan trọng trong việc khảo sátgamma tán xạ ngược vì nếu vượt quá bề dày này thì phép đo không còn chính xácnữa Bề dày bão hòa của một loại vật liệu phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể nhưhoạt độ của nguồn, năng lượng phóng xạ của nguồn, cách bố trí hình học hệ đo Cácloại vật liệu khác nhau có bề dày bão hòa khác nhau.

CHƯƠNG 119 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG GEANT4

2.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng GEANT4

phần mềm được nghiên cứu và phát triển bởi Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu

Âu (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire hay European Organigation for Nuclear Research thường được viết tắt là CERN)[10] Phần mềm này được dùng

để mô phỏng tương tác của hạt vật chất với môi trường mà nó đi qua Chương trìnhnày có những đặc điểm nổi trội như: là chương trình mã nguồn mở, với độ tin cậycao được xây dựng dựa trên phương pháp Monte Carlo Hiện nay GEANT4 được sửdụng 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 nghiên cứu trong y học và khoa học vũtrụ

CHƯƠNG 121 GEANT4 cung cấp công cụ hoàn chỉnh cho việc mô

bao gồm: cấu trúc hình học, đáp ứng của detector, vận hành, quản lý số sự kiện,quãng chạy, cũng như các công cụ hỗ trợ cho việc hình dung, tương tác của ngườidùng với chương trình [9] 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 củacác hạt với môi trường trên dải năng lượng rộng

nghệ phần mềm và kĩ thuật lập trình hướng đối tượng, hỗ trợ người dùng trong việctải và sử dụng các thành phần cần thiết [9]

khoa học hiện đang tham gia nhiều thí nghiệm lớn ở Châu Âu, Nga, Nhật, Canada,Mĩ [10] Là chương trình có mã nguồn mở, GEANT4 có thể được sử dụng mộtcách linh hoạt tùy theo mục đích sử dụng của người dùng

1.2 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong GEANT4 [4][9]

pháp kết hợp và phương pháp loại trừ trong Monte Carlo Các bước cơ bản của các

 Chọn giá trị ngẫu nhiên x0 từ phân bố f (x)i

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

 Nếu x0 bị loại, trở lại bước ban đầu

CHƯƠNG 128 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

1.3 Chương trình mô phỏng

1.1.1 Cấu trúc chương trình [4][9]

trình mô phỏng, có chức năng tổ chức chạy các lớp con trong quá trình mô phỏng.Hàm main() được thực hiện nhờ hai lớp công cụ:

 G4RunManager

CHƯƠNG 131 Trong đó ba lớp đầu của lớp con là ba thành phần cơ bản

và quan trọng nhất của chương trình Các thành phần còn lại là các lớp thành phần

mà ta có thể thiết lập các điều kiện để ghi nhận và xuất dữ liệu về thông tin của cácquá trình tương tác đối với các đối tượng mà ta quan tâm

131.1.1 Lớp G4RunManager

CHƯƠNG 132 Là lớp quản lý trình tự chạy của toàn bộ chương trình môphỏng, đồng thời quản lý vòng lặp số sự kiện trong một lần chạy chương trình

yếu khác cũng được khởi tạo Các lớp này cũng bị xóa khi G4RunManager bị xóa

CHƯƠNG 134 Lớp này cũng đảm nhận vai trò quản lý chuỗi khởi tạo banđầu, cung cấp những thông tin cần thiết để vận hành mô phỏng, bao gồm:

 Cấu trúc của các đối tượng trong mô phỏng

 Các hạt, các quá trình vật lý được mô phỏng

 Cách tạo ra hạt trong mỗi sự kiện

 Các yêu cầu cần thiết khác trong quá trình mô phỏng

134.1.1 Lớp G4UImanager

CHƯƠNG 135 Là lớp quản lý giữa các tập tin thiết lập thành phần của hệ

mô phỏng Sử dụng các hàm trong thư mục này giúp người dùng gọi ra các phươngpháp cài đặt các lớp đối tượng dù không biết vị trí

Vật liệu được sử dụng

Bố trí các đối tượng hình học

Thiết lập thuộc tính và các thành phần phụ khác kèm theo

 PhysicList

CHƯƠNG 137 Lớp khai báo các thông tin:

Tiết diện đối với từng loại hạt

Quá trình vật lý đối với từng loại hạt được mô phỏng

 PrimaryGeneratorAction

CHƯƠNG 138 Trong lớp này, người dùng cần khai báo trạng thái ban đầucủa sự kiện sơ cấp

Loại hạt sử dụng trong mô phỏng

Năng lượng, vị trí và hướng phát của nguồn được thiết lập trong môphỏng

CHƯƠNG 140 Và để có được các thông tin này ta phải sử dụng lớpG4SteppingAction, ta có thể thiết lập các loại thông tin mong muốn ứng với đốitượng mà ta muốn áp dụng, sau khi các thông tin ở lớp này được ghi nhận, máy tính

sẽ đưa các thông tin đầu ra ở lớp G4EventAction Từ đó các kết quả mà ta đã thiếtlập có thể được xuất ra dưới dạng phổ hoặc tập tin tùy theo từng thiết lập trong cáclớp này

140.1.1 Các lớp G4cout và G4cerr

CHƯƠNG 141 Đây là các lớp được sử dụng cho mục đích xuất dữ liệu

Ta có thể xuất các dữ liệu mà ta cần ra màn hình để xem trước, phân tích dữ liệu cóđúng như ta mong

CHƯƠNG 142 muốn hay không Và các lớp này ta đặt trong các lớpG4EventAction để có thể đưa dữ liệu ra lên màn hình

được khái quát trong sơ đồ hình 2.1

Hình 1.1.1.1.a.1.1 Sơ đồ quá trình làm việc của chương trình mô phỏng

GEANT4[7]

Thiết lập ban đầu

Tương tác vật lýLoại hạt

Vật liệu

Dạng hình học

Kết quả trực quan

Mô phỏng

sự kiện

Các thiết lập ban đầu

Tính chấtvật lý

Cấu tạo đối tượng

mô phỏng

Mô phỏng

Người dùng

Mặc định

CHƯƠNG 144 BỐ TRÍ MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM TÁN XẠ

1.4 Mô tả thiết kế thí nghiệm

gồm nguồn phóng xạ, bia tán xạ và detector nhấp nháy plastic, trình bày như hình3.1

1.1.1 Nguồn phóng xạ

lượng 0.662 MeV, dưới dạng tia và được bắn theo một hướng tới bia

146.1.1 Bia

 Bia có chiều dài 10cm, chiều rộng 10 cm, bề dày thay đổi

 Bia là các vật liệu Al, Cu, Fe, Pb thay đổi theo từng thí nghiệm

 Bia cách nguồn 24.5 cm, nghiêng so với tia tới một góc 150

Dùng khối chì che chắn detector

với mục đích đo những tia tán

xạ theo một góc nhất định mà ta

chọn trước

Hình 146.1.2.1.a.1.1 Bố trí mô phỏng thí nghiệm tán xạ

 Detector được đặt cách bia 20 cm và đặt theo phương hợp với tia tới các góc từ 300 tới 1500 thay đổi theo từng thí nghiệm

150

1.5 Mô tả thiết kế thí nghiệm khảo sát tán xạ theo góc

CHƯƠNG 147 Chúng tôi tiến hành mô phỏng thí nghiệm tán xạ với các

số liệu cụ thể sau:

 Bề dày bia là 3cm vật liệu bia lần lượt là Al, Cu, Fe, Pb

 Với mỗi loại vật liệu, chúng tôi mô phỏng ở các góc tử 300 đến 1500

Hình 147.1.1.1.a.1.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát tán xạ

gamma ở các góc khác nhau

1.6 Mô tả thiết kế thí nghiệm khảo sát tán xạ theo bề dày

tiến hành mô phỏng thí nghiệm tán

xạ với các số liệu cụ thể như sau:

 Bề dày bia thay đổi từ0,1 cm đến 5 cm

 Vật liệu bia lần lượt là

Al, Cu, Fe, Pb

 Góc tán xạ 900

Hình 148.1.1.1.a.1.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát tán xạ gamma cho các

bề dày bia khác nhau

Al/Cu/Fe/Pb

300900

1200

6001500

Al/Cu/Fe/Pb

900d

150

1.7 Chương trình GEANT4 cho mô phỏng tán xạ

148.1.2 Cấu trúc hình học của mô phỏng

CHƯƠNG 149 Để quy định cấu trúc hình học của một đối tượng, ta cầnkhai báo các yếu tố: dạng hình học, kích thước và vị trí của đối tượng đó Việc nàyđược thực hiện tại lớp DetectorContruction (cấu tạo các đối tượng mô phỏng)

CHƯƠNG 150 Ví dụ đoạn mã ở hình 3.4, hình 3.5 quy định cấu trúc hình

học của detector (detector NaI(Tl)) và khối chì che chắn detector (chamber cylinder) Hình 3.6 trình bày mô tả hình dạng detector và hình dạng của nó trong

chương trình mô phỏng Geant4

Hình 150.1.1.1.a.1.1 Đoạn mã quy định cấu trúc detector

Hình 150.1.1.1.a.1.2 Đoạn mã quy định cấu trúc của khối chì che chắn detector

Mô tả đơn giản Hình ảnh trong GEANT4

Hình 150.1.1.1.a.1.3 Cấu trúc detector và khối chì che chắn

150.1.2 Khai báo nguyên tố, vật liệu

hình học bước tiếp theo là quy định thành phần hóa học của đối tượng đó Ví dụdetector có thành phần là NaI(Tl) được quy định ở hàng 197 trong đoạn mã hình3.4 Để làm được điều này, ngay từ đầu NaI(Tl) nói riêng và các nguyên tố, vật liệunói chung đã được khai báo

nguyên tố, vật liệu được sử dụng trong chương trình mô phỏng của chúng tôi

CHƯƠNG 153 Phần khai báo nguyên tố, vật liệu cũng được thực hiện tạilớp DetectorContruction

Hình 153.1.1.1.a.1.1 Đoạn mã khai báo nguyên tố, vật liệu

153.1.2 Loại hạt

gamma, phát ra từ nguồn Cs -137, năng lượng 0.662 MeV được thể hiện ở đoạn mãhình 3.8

CHƯƠNG 155 Đoạn mã này thuộc lớp PrimaryGenerationAction (thiếtlập điều kiện ban đầu).

Hình 155.1.1.1.a.1.1 Đoạn mã quy định loại hạt và một số thuộc tính của nguồn

155.1.2 Tính chất vật lý

CHƯƠNG 156 Tùy loại bức xạ mà ta quy định những quá trình vật lý phùhợp Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đối tượng của chúng tôi là bức xạgamma nên 3 hiệu ứng chính xảy ra khi tương tác với vật chất gồm: hiệu ứng quangđiện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp

3.9 Phần khai báo này thuộc lớp PhysicList (tính chất vật lý)

Hình 157.1.1.1.a.1.1 Đoạn mã quy định các tính chất vật lý sử dụng trong mô

phỏng

// Hiệu ứng quang điện// Tán xạ Compton// Hiệu ứng tạo cặp

157.1.2 Xuất dữ liệu

CHƯƠNG 158 Dữ liệu xuất ra màn hình mà chúng tôi quan tâm bao gồmnăng lượng gamma tán xạ và quãng chạy trong bia

CHƯƠNG 159 Tính chất này do lớp G4cout quy định

Hình 159.1.1.1.a.1.1 Dạng dữ liệu thu được sau khi mô phỏng

CHƯƠNG 160 Sau khi hoàn tất công việc viết chương trình mô phỏng, ta

có bố trí thí nghiệm trong GEANT4 như hình 3.11

Số thứ tự Năng lượng

gamma tán xạ

Quãng chạy trong bia trước khi tán xạ

Hình 160.1.1.1.a.1.1 Bố trí thí nghiệm tán xạ trong GEANT4

CHƯƠNG 161 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 162 Trong chương 4, chúng tôi tiến hành khảo sát gamma tán

xạ theo góc (mục 4.1) và khảo sát gamma tán xạ theo bề dày (mục 4.2) cho 04 loạivật liệu Al, Cu, Fe, Pb Gamma sử dụng trong mô phỏng này có năng lượng tới là0.662 MeV (tương đương với nguồn phát của đồng vị phóng xạ Cs-137) với gócchiếu tới là 150 so với bia và là hướng thẳng Detector nhấp nháy NaI(Tl) có kíchthước 7,62cm x 7,62cm với ống chuẩn trực bằng Pb có đường kính chuẩn trực 1cm,được thiết kế trong việc ghi nhận gamma tán xạ Kết quả thu được trong mô phỏng

là phổ gamma tán xạ trong detector nhấp nháy, từ đó được sử dụng để đánh giá vàbàn luận Việc bố trí mô phỏng cho những thí nghiệm này được trình bày chi tiết ởchương 3

1.1 Kết quả mô phỏng gamma tán xạ theo góc cho Al, Cu, Fe, Pb 1.1.1 Phổ gamma tán xạ

góc 300 đến 1500 Một số kết quả phổ gamma tán xạ được ghi nhận từ detector nhấpnháy NaI(Tl) cho 04 vật liệu Al, Cu, Fe, Pb được trình bày lần lượt như hình 4.1;4.2; 4.3; 4.4 Dựa vào phổ thu được, đỉnh phổ lớn thể hiện đỉnh phổ gamma tán xạ

từ vật liệu Bề rộng đỉnh phổ thay đổi theo góc, bề rộng đỉnh phổ nhỏ dần khi nănglượng đỉnh phổ giảm Việc thay đổi này được biết là do bản chất đáp ứng củadetector

phụ thuộc năng lượng (mục 4.1.2) và cường độ (mục 4.1.3) của gamma tán xạ theogóc cho các vật liệu này