TỔNG QUAN
Phân rã phóng xạ và nguồn gốc của bức xạ gamma
Nghiên cứu về hiện tượng phóng xạ cho thấy rằng các hạt nhân nguyên tử không bền sẽ tự phân rã, phát ra các hạt như hạt alpha (α), beta (β -), positron (β +) và thường đi kèm với bức xạ điện từ hoặc bức xạ gamma (ɣ).
Hình 1: Sơ đồ 60 Co phân rã về hạt nhân 60 Ni
Trong hạt nhân, các nucleon thường chiếm các mức năng lượng thấp nhất, tạo nên trạng thái cơ bản Khi một nucleon nhận được năng lượng từ bên ngoài và nhảy lên mức năng lượng cao hơn, hạt nhân chuyển sang trạng thái kích thích, để lại một lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn Trạng thái kích thích này không bền, và nucleon ở mức năng lượng cao sẽ giải phóng năng lượng dư thừa để lấp đầy lỗ trống Quá trình giải phóng năng lượng có thể diễn ra dưới dạng bức xạ điện từ, tạo ra bức xạ gamma, hoặc thông qua việc truyền năng lượng cho một electron quỹ đạo, dẫn đến sự phát ra electron biến hoán nội.
Phương trình toán học biểu diễn quá trình phân rã
Quá trình phân rã phóng xạ là quá trình thống kê Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ sẽ bị suy giảm theo thời gian
H 0 và N 0 là hoạt độ và số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm ban đầu
H và N là hoạt độ và số hạt nhân phóng xạ còn lại sau thời gian t
𝑇 1/2 là hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ
T 1/2 là chu kì bán rã của hạt nhân phóng xạ
Hình 2: Quy luật suy giảm của số hạt nhân phóng xạ theo thời gian.
Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma khi đi vào môi trường vật chất không gây ion hóa trực tiếp như các hạt tích điện, mà tương tác với electron và hạt nhân nguyên tử Ba tương tác cơ bản của bức xạ gamma với nguyên tử bao gồm hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Bức xạ gamma có năng lượng vượt trội hơn năng lượng liên kết của electron trong lớp vỏ nguyên tử Khi tương tác với electron, bức xạ gamma truyền toàn bộ năng lượng, giải phóng electron ra khỏi nguyên tử, được gọi là electron quang điện Động năng của electron quang điện được tính bằng hiệu giữa năng lượng bức xạ gamma và năng lượng liên kết của electron trên quỹ đạo n.
Hiệu ứng quang điện xảy ra với xác suất cao hơn ở các electron lớp vỏ bên trong nguyên tử Khi một electron lớp trong được giải phóng, electron lớp ngoài sẽ nhảy xuống vị trí trống và phát ra bức xạ tia X đặc trưng, tương ứng với độ chênh lệch năng lượng liên kết giữa hai lớp vỏ nguyên tử.
Hình 3: Mô tả hiệu ứng quang điện [2]
Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện trên một nguyên tử:
1.3.2 Hiệu ứng tán xạ Compton
Bức xạ gamma có năng lượng đủ lớn để tương tác với các electron lớp vỏ nguyên tử, khiến chúng trở thành electron tự do Khi tương tác, bức xạ gamma bị tán xạ, mất một phần năng lượng để giải phóng electron và cung cấp động năng cho chúng Năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ θ và năng lượng ban đầu của bức xạ gamma Dù bị tán xạ, bức xạ gamma vẫn có khả năng gây ra các hiện tượng như tán xạ Compton và hiệu ứng quang điện khác.
Hình 4: Mô tả hiệu ứng tán xạ Compton [2]
Xác suất xảy ra hiệu ứng tán xạ Compton trên một nguyên tử:
Khi bức xạ gamma có năng lượng vượt quá 2044 keV, nó có khả năng tạo ra một cặp electron (𝑒 −) và positron (𝑒 +) khi tương tác với điện trường của hạt nhân trong môi trường.
Positron, phản hạt của electron, tương tác với electron trong môi trường vật chất và hủy diệt nhau, tạo ra hai lượng tử gamma ngược chiều với năng lượng 511 keV.
Hình 5: Mô tả hiệu ứng tạo cặp
Xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp trên một nguyên tử:
Độ suy giảm cường độ của chùm gamma khi đi qua lớp vật chất
Bức xạ gamma khi đi qua lớp vật chất sẽ tương tác với các nguyên tử trong lớp đó, dẫn đến việc hấp thụ năng lượng Hệ quả là cường độ của chùm bức xạ gamma sẽ bị suy giảm khi nó xuyên qua lớp vật chất.
1.4.1 Hệ số suy giảm tuyến tính
Khi bức xạ gamma đi qua một lớp vật chất, khả năng tương tác của nó phụ thuộc vào bản chất của lớp vật chất và số nguyên tử mà bức xạ có thể tương tác Độ suy giảm cường độ bức xạ gamma khi xuyên qua lớp vật chất có bề dày 𝑥 được mô tả bởi định luật Beer – Lambert.
𝐼 là cường độ của chùm bức xạ gamma
𝜎 là tổng xác suất các quá trình tương tác của bức xạ gamma trên một nguyên tử của lớp vật chất
𝑛 là số nguyên tử trên 1 đơn vị thể tích của lớp vật chất
𝑥 là bề dày của lớp vật chất
𝐼 = 𝐼 0 𝑒 −𝜎.𝑛.𝑥 (3) với: 𝐼 0 là cường độ ban đầu của chùm bức xạ gamma tới
Hệ số suy giảm tuyến tính: 𝜇 = 𝜎 𝑛 đại diện cho khả năng hấp thụ bức xạ gamma của lớp vật chất
Công thức (3) được viết lại là:
Hình 6: Độ suy giảm cường độ bức xạ gamma theo hàm e mũ
1.4.2 Hệ số suy giảm khối
Hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của lớp vật chất, do đó nó liên quan chặt chẽ đến mật độ khối của lớp vật chất đó.
Trên thực tế, người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối tính bằng 𝜇/𝜌, khi đó công thức (4) sẽ trở thành:
𝐼 = 𝐼 0 𝑒 − 𝜇 𝜌.𝜌.𝑥 (5) Tích 𝜌 𝑥 được gọi là bề dày khối
Hệ số suy giảm khối không phụ thuộc vào mật độ khối mà chỉ dựa vào thành phần cấu tạo của lớp vật chất, điều này giúp cho việc tra cứu và sử dụng trở nên dễ dàng hơn.
Hệ số tự hấp thụ đối với nguồn thể tích
Khi mẫu đo có các nguyên tố phóng xạ phân bố đồng đều, bức xạ gamma từ các nguyên tố ở vị trí khác nhau sẽ phải đi qua độ dày mẫu khác nhau trước khi tới detector, dẫn đến sự suy giảm bức xạ không đồng nhất.
Sự tự hấp thụ của mẫu đo không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector mà còn tác động đến số đếm nhận được trên detector.
𝐼 = 𝐼 0 𝜀 𝐶 𝑡ℎ𝑡 (6) trong đó: ɛ là hiệu suất ghi của detector
Ctht là hệ số tự hấp thụ của mẫu
Phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn tương tự với mẫu đo để đảm bảo hiệu suất ghi và hệ số tự hấp thụ đồng nhất.
Việc mẫu chuẩn có khối lượng bằng mẫu đo trong cùng một cấu hình hộp đo không phải lúc nào cũng khả thi, do sự khác biệt về thành phần cấu tạo giữa hai mẫu Điều này dẫn đến sự khác biệt về hệ số tự hấp thụ, vì vậy xác định hệ số tự hấp thụ là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán.
1.5.1 Xác định hệ số tự hấp thụ
Giả sử mẫu có bề dày x và hệ số suy giảm tuyến tính μ, các nguyên tố phóng xạ được phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích mẫu.
Cường độ bức xạ gamma phát ra từ mặt dr sau khi đi qua bề dày r là: 𝑑𝐼 = 𝑑𝐼 0 𝑒 −𝜇.𝑟 = 𝐼 0 𝑑𝑟 𝑥 𝑒 −𝜇.𝑟 (8)
Lấy tích phân theo bề dày x ta được: 𝐼 = ∫𝐼 0 𝑥 𝑥 0 𝑒 −𝜇.𝑟 𝑑𝑟 = 𝐼 0 1 − 𝑒 −𝜇.𝑥 𝜇 𝑥 (9) hay: 𝐶 𝑡ℎ𝑡 =1 − 𝑒 −𝜇.𝑥 𝜇 𝑥 (10)
Cách tính bức xạ gamma tại mặt dr chỉ chính xác khi bức xạ phát ra theo hướng thẳng, vuông góc với detector Tuy nhiên, trong thực tế, bức xạ gamma phát ra theo hướng đẳng hướng, dẫn đến việc bức xạ đến detector từ nhiều góc độ khác nhau và xuyên qua bề dày dr.
10 mẫu khác nhau, phụ thuộc vào vị trí, hình dạng của mẫu và detector Nên cách tính hệ số tự hấp thụ phức tạp hơn rất nhiều [11, 16, 20]
1.5.2 Xác định hệ số suy giảm tuyến tính
Khi biết thành phần hóa học của mẫu:
Giả sử mẫu đo cấu tạo bởi k nguyên tố có hàm lượng tương ứng là: q 1 , q 2 , …, q k (q 1 + q 2 + q 3 + … + q k = 1) có khối lượng m và thể tích V
Số nguyên tử có trong mẫu là:
(11) với A i là số khối của nguyên tố i và 𝐴 0 = 6,022 × 10 23 [nguyên tử/mol]
Số nguyên tử có trong 1 đơn vị thể tích mẫu là:
(12) với 𝜌 = 𝑚/𝑉 là mật độ khối của mẫu
Tổng xác suất tương tác của bức xạ gamma với nguyên tố i, ký hiệu là 𝜎 𝑖 (𝐸 𝛾 , 𝑍 𝑖 ), có thể được xác định thông qua các công thức dựa vào năng lượng bức xạ gamma E ɣ và số nguyên tử Z 𝑖 của nguyên tố đó Ngoài ra, các giá trị này cũng có thể được thu thập từ các kết quả thực nghiệm đã được đo đạc.
Khi đó, hệ số suy giảm tuyến tính được xác định là:
Khi không xác định được thành phần hóa học của mẫu, hệ số suy giảm tuyến tính có thể được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm, cụ thể là phương pháp đo hệ số truyền qua.
Hình 8: Cấu hình thực nghiệm xác định hệ số suy giảm tuyến tính [16]
Sơ đồ thí nghiệm xác định hệ số suy giảm tuyến tính được trình bày trong hình 8 Bức xạ từ nguồn sẽ chiếu vào detector trong hai trường hợp: (a) khi hộp đo rỗng và (b) khi hộp đo chứa mẫu có bề dày x.
I 0 (E) là cường độ bức xạ gamma tới detector khi không có vật cản
I(E) là cường độ bức xạ gamma sau khi đi qua lớp vật chất bề dày x μ(E) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với năng lượng E.
Cơ sở vật lý của phương pháp gamma xác định hoạt động phóng xạ của các đồng vị
Các hạt nhân không bền tự phân rã phóng xạ alpha hoặc beta để chuyển đổi thành các đồng vị khác, thường tạo ra hạt nhân con ở trạng thái kích thích Khi hạt nhân con này hình thành, nó giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ hoặc biến hoán nội để trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, cuối cùng là trạng thái cơ bản Bức xạ điện từ phát ra khi hạt nhân nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp được gọi là bức xạ gamma, với năng lượng bức xạ gamma được xác định bằng hiệu năng lượng giữa hai mức dịch chuyển: Eɣ = E2 – E1, trong đó E2 và E1 là năng lượng tương ứng với hai trạng thái đầu và cuối trong quá trình dịch chuyển gamma.
Do các mức năng lượng hạt nhân là gián đoạn, phổ gamma phát ra từ hạt nhân cũng mang tính gián đoạn Điều này có nghĩa là giống như phổ alpha, phổ gamma cũng là phổ vạch, với năng lượng hoàn toàn xác định, đặc trưng cho từng loại hạt nhân.
Khi phân rã alpha hoặc beta, hạt nhân con thường ở trạng thái kích thích và sẽ khử kích thích bằng cách phát ra tia gamma Quá trình này dẫn đến việc các hạt nhân có khả năng bức xạ một hoặc nhiều tia gamma, phản ánh sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái nội tại của chúng Mỗi hạt nhân trong quá trình phân rã phóng xạ sẽ phát ra một hoặc nhiều tia gamma đặc trưng cho nguyên tố đó.
Dựa vào các đỉnh hấp thụ trong phổ gamma, thiết bị có thể xác định năng lượng bức xạ gamma phát ra từ mẫu trong detector, giúp nhận diện các đồng vị phóng xạ có mặt Để thực hiện điều này, cần tiến hành chuẩn năng lượng, tức là xác định mối quan hệ giữa năng lượng bức xạ gamma và vị trí số kênh tương ứng, thường được mô tả bằng hàm tuyến tính.
Chúng ta có thể sử dụng một hoặc nhiều nguồn chuẩn phát ra bức xạ gamma đã biết trước để ghi nhận phổ Sau khi ghi nhận, chúng ta xác định vị trí kênh của các đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần tương ứng với năng lượng gamma từ các nguồn chuẩn Từ đó, có thể xây dựng đường chuẩn năng lượng như hình 9.
Hình 9: Đường chuẩn năng lượng
Mỗi đồng vị phóng xạ khi phân rã phóng xạ α hoặc β thường phát ra bức xạ gamma đặc trưng với năng lượng riêng biệt cho nguyên tố đó Số lượng tia gamma có năng lượng xác định phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của đồng vị Công thức tính số bức xạ gamma có năng lượng E ɣ phát ra từ mẫu là n ɣ = I ɣ A, trong đó n ɣ là số bức xạ gamma phát ra tính bằng phân rã/giây.
I ɣ cường độ phát xạ tia gamma có năng lượng Eɣ [%]
Hoạt độ phóng xạ A của đồng vị trong mẫu được xác định thông qua việc đo lường số lượng tia gamma có năng lượng Eγ phát ra trong một đơn vị thời gian, dựa vào các đỉnh hấp thụ toàn phần trong phổ gamma Để nhận diện các bức xạ gamma đặc trưng, cần ghi nhận phổ gamma của mẫu bằng detector Diện tích của đỉnh hấp thụ toàn phần sẽ giúp xác định số lượng tia gamma nγ Hình 10 minh họa phổ gamma được ghi nhận tại Trung tâm phân tích thuộc Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Nguyên tử Việt Nam.
Hình 10: Phổ gamma của một mẫu đất ghi nhận trên hệ phổ kế gamma bán dẫn
Sau khi phân tích phổ gamma, chúng ta có thể xác định các đồng vị phóng xạ có trong mẫu và diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma Dựa vào phổ gamma phông của thiết bị và phổ gamma của mẫu, tốc độ đếm đã trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần sẽ được tính toán Gọi n là tốc độ đếm đã trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng Eγ, và ε là hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng Eγ Hoạt độ A của đồng vị trong mẫu được tính theo công thức tương ứng.
𝑡 𝜀 𝐼 𝛾 (17) trong đó: A là hoạt độ của nguyên tố phát bức xạ gamma [Bq] n là tốc độ đếm tại năng lượng Eɣ đã trừ phông [số đếm/giây]
S là diện tích đỉnh tại năng lượng Eɣ đã trừ phông [số đếm] t là thời gian đo mẫu [s] ɛ là hiệu suất ghi của detector tại đỉnh năng lượng Eɣ
Iɣ là cường độ phát xạ tia gamma có năng lượng Eɣ[%]
Từ công thức (17) nhận thấy với mỗi vạch gamma có năng lượng E γ xác định,
Nếu bạn đã tra cứu bảng số liệu hạt nhân và biết được hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần, cùng với việc xác định được giá trị n từ thực nghiệm, bạn có thể tính toán hoạt độ A của đồng vị có trong mẫu.
Phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn có thành phần tương tự và khối lượng giống như mẫu đo Sau khi đo mẫu chuẩn, hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố trong mẫu sẽ được dùng để xây dựng đường cong hiệu suất ghi Đường cong này giúp xác định hoạt độ của các đồng vị nguyên tố phóng xạ trong mẫu đo.
Mẫu chuẩn Đường cong hiệu suất ghi Mẫu đo
Hình 11: Mô tả phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn
Một số hàm khớp cho đường cong hiệu suất ghi được sử dụng đối với detector bán dẫn:
Gray và Ahmad (1985) cho khoảng năng lượng từ 80 đến 1850 keV:
Sanchez-Reyes (1987) cho khoảng năng lượng từ 63 đến 3050 keV: 𝑙𝑛(𝜀) = 𝑎 1 − (𝑎 2 + 𝑎 3 𝑒𝑥𝑝(−𝑎 4 𝐸 𝛾 )) 𝑒𝑥𝑝(−𝑎 5 𝐸 𝛾 ) 𝑙𝑛(𝐸 𝛾 )
Genie2000, CANBERRA cho khoảng năng lượng từ 50 đến 3000 keV:
Trong đó, ɛ là hiệu suất ghi của detector, E ɣ là năng lượng của bức xạ gamma, a i là các hệ số làm khớp
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO GEANT4
Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo GEANT4
Geant4 là một framework được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C++ và sử dụng trình biên dịch g++ trên hệ điều hành Linux, cho phép mô phỏng đường đi của các hạt trong môi trường vật chất thông qua phương pháp Monte-Carlo do CERN phát triển Nó cung cấp đầy đủ công cụ cần thiết để mô phỏng các detector và các quá trình vật lý, giúp nghiên cứu tương tác của các hạt với môi trường trên dải năng lượng rộng Hiện nay, Geant4 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật lý hạt nhân, vật lý năng lượng cao, máy gia tốc, y học và khoa học vũ trụ.
Geant4 sử dụng kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, trong đó chương trình được chia thành các lớp và lớp con, được coi là các đối tượng riêng biệt Mỗi đối tượng có tên riêng và tất cả các tham chiếu đến đối tượng đó được thực hiện qua tên của nó Điều này cho phép mỗi đối tượng nhận thông báo, xử lý dữ liệu bên trong, và gửi phản hồi đến các đối tượng khác hoặc môi trường một cách độc lập.
Một chương trình mô phỏng hoàn chỉnh bao gồm chương trình nguồn, sử dụng các câu lệnh và mã lệnh liên kết với thư viện dữ liệu để tạo thành một ứng dụng hoàn chỉnh Chương trình nguồn kiểm soát các thao tác lệnh và giao diện người dùng, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số cần thiết Máy tính sẽ biên dịch và thực thi các yêu cầu từ lập trình viên.
Hình 12: Sơ đồ làm việc của GEANT4
20 Để xây dựng một chương trình mô phỏng dựa trên bộ công cụ Gean4, chúng ta cần xây dựng ba lớp bắt buộc, đó là:
Cấu trúc của detector bao gồm ba phần chính: Solid Volume, Logical Volume và Physical Volume Solid Volume được tạo thành từ các hình khối đơn giản như hình hộp, đa diện lồi, hình ống và hình trụ Logical Volume kết hợp hình thể và vật liệu, thể hiện các thuộc tính như màu sắc, độ đậm nhạt và đặc rỗng của vật thể Cuối cùng, Physical Volume xác định vị trí của vật thể trong không gian.
Physics List: khai báo các thông tin về loại hạt sử dụng trong mô phỏng và các quá trình vật lý đối với từng hạt
Primary Generator Action: khai báo những điều kiện ban đầu của nguồn phát (hướng bắn, vị trí bắn, mật độ và năng lượng của nguồn) [3]
Trong GEANT4, người dùng xây dựng cấu trúc hình học trong không gian ba chiều, cung cấp thông tin về hình học, vật liệu và vị trí của hệ thống Hạt và bức xạ được tạo ra với các thông số về năng lượng và hướng bay trong không gian này, tương tác với môi trường vật lý theo các quá trình đã được khai báo Ngoài các tương tác của hạt sơ cấp, tương tác của các hạt thứ cấp cũng được chú trọng, với mỗi loại hạt và tương tác được định nghĩa bằng mô hình riêng Chương trình ghi nhận và xuất ra thông tin theo các điều kiện ban đầu mà người dùng thiết lập.
Phần mềm LabSOCS
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm LabSOCS
LabSOCS là chương trình mô phỏng Monte-Carlo dựa trên ngôn ngữ REXX, được tích hợp vào phần mềm Genie 2000 của Canberra, và hoạt động trên hệ điều hành WINDOWS của PC.
LabSOCS cho phép xây dựng đường cong hiệu suất chính xác cho nhiều hình dạng mẫu mà không cần mẫu chuẩn Khác với các chương trình tính toán hiệu suất khác, LabSOCS cung cấp thông tin chi tiết về detector và sử dụng dữ liệu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) của Mỹ cùng với chương trình mô phỏng Monte-Carlo MCNP.
Thông tin về tinh thể của detector là rất quan trọng để xác định hiệu suất nội của nó Tuy nhiên, việc biết chính xác các chi tiết về tinh thể bên trong lớp vỏ bọc là một thách thức, bao gồm hình dáng, thể tích hoạt động, bề dày của lớp chết, và vị trí của phần detector lạnh Sự khác biệt giữa hiệu suất nội dự đoán và thực tế có thể dẫn đến sai số lớn Phần mềm ISOCS/LabSOCS giúp loại bỏ những sai số này bằng cách cung cấp thông số chính xác về tinh thể thực của detector.
LabSOCS cung cấp nhiều mẫu cấu hình đa dạng, cho phép người dùng điều chỉnh các tham số trong phạm vi rộng Thời gian trả kết quả nhanh chóng, chỉ dưới một phút Kết quả cuối cùng của LabSOCS là đường cong hiệu suất ghi.
Hình 13: Các thông số về detector của LabSOCS
Các yếu tố cần khai báo trong LabSOCS:
Hình dạng và bề dày thành hộp đo
Mật độ khối của mẫu
Thành phần cấu tạo của hộp đo, mẫu đo
Hiệu suất ghi của detector
Hệ số tự hấp thụ
Mẫu đa dạng về thành phần như mẫu tro bay, mẫu thực vật, mẫu đất, trầm tích và các loại quặng khiến việc tìm kiếm mẫu chuẩn phù hợp trở nên khó khăn Hơn nữa, khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn trong cùng một cấu hình đo thường không bằng nhau, dẫn đến việc gia tăng sai số Tất cả những yếu tố này đều ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo.
Trong LabSOCS, việc xác định thành phần mẫu đo trước là không khả thi, do đó chúng ta dự đoán thành phần này dựa trên thư viện vật liệu có sẵn hoặc tạo mới Mặc dù thành phần dự đoán có thể không hoàn toàn giống với mẫu thực, nhưng chúng vẫn tương đồng ở một mức độ nhất định, giúp giảm sai số so với phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn khi không có mẫu tương tự Hơn nữa, LabSOCS cho phép điều chỉnh mật độ khối của mẫu, giúp loại bỏ sai số do sự khác biệt mật độ giữa mẫu chuẩn và mẫu đo trong phương pháp phổ gamma.
2.2.2 Sử dụng phần mềm LabSOCS
After installing the ISOCS/LabSOCS software, open the Genie2k window and navigate to Options, then select Geometry Composer Next, click on File and choose New (or press Ctrl + N) to open the configuration selection window Select LabSOCS and choose your sample measurement configuration.
Hình 14: Chọn cấu hình hộp đo
Sau khi chọn cấu hình hộp đo, cửa sổ chọn loại detector sẽ hiện ra
Sau khi lựa chọn detector, bạn sẽ thấy cửa sổ nhập thông tin cấu hình đo và mẫu Tại đây, cần chọn đơn vị đo độ dài và nhập các thông số như kích thước hộp đo, bề dày, loại vật liệu của các thành hộp và mẫu, cũng như mật độ khối của mẫu Ngoài ra, cung cấp thông tin về tấm hấp thụ và khoảng cách giữa nguồn và detector Để xem thêm chi tiết về kích thước hộp đo, hãy chọn View Drawing.
Khi chọn định dạng mẫu dựa trên hình học, cần đảm bảo rằng mẫu sẽ lấp đầy hoàn toàn vùng thể tích đã khai báo Để điều chỉnh khối lượng mẫu, bạn có thể thay đổi mật độ khối của mẫu thay vì giữ nguyên giá trị mặc định.
Mật độ khối mặc định của “drydirt” là 1.6, dẫn đến khối lượng mẫu lên tới 298.56 g Để đạt được khối lượng mẫu gần với thực tế (141.19 g), cần giảm mật độ khối xuống 0.7565.
Hình 16: Nhập các thông số về cấu hình hộp đo và mẫu
Để tạo thêm thư viện vật liệu mới, bạn có thể chọn mục Edit => Materials Library (hoặc nhấn Ctrl + M) Tại đây, bạn có thể nhập thông tin về thành phần cấu tạo và mật độ khối cho vật liệu mới (xem thêm phụ lục 2).
Thành phần cấu tạo chung của một loại vật liệu có thể tìm thấy dễ dàng trên mạng internet
Hình 17: Bên cạnh thư viện một số loại vật liệu có sẵn, có thể tạo thêm vật liệu mới
Sau khi hoàn tất việc cấu hình hộp đo, cần khai báo các giá trị năng lượng quan trọng để phần mềm có thể trả về hiệu suất ghi tương ứng Để thực hiện điều này, hãy chọn mục Edit => Efficiency Curve => Parameters.
Hình 18: Chọn các vị trí năng lượng quan tâm
Sau khi hoàn tất tất cả các bước, hãy chọn mục Edit => Efficiency Curve => Validate geometry để kiểm tra lại kích thước hộp đo và đảm bảo các giá trị đã chính xác.
Sau khi kiểm tra xong, ta lưu lại cấu hình đo bằng cách chọn File => Save
(hoặc bấm Ctrl + S) và điền tên cấu hình vào file lưu
Cuối cùng, chọn mục Edit => Efficiency Curve => Generate data points để phần mềm tính toán giá trị hiệu suất ghi tại các vị trí năng lượng cần quan tâm
To obtain performance values in the Genie2k software, navigate to the Calibrate menu, select Efficiency, and then choose By ISOCS/LabSOCS After that, select the previously saved configuration file.
Hình 19: Hiệu suất ghi sau khi tính toán bằng LabSOCS
Hình 20: Đường cong hiệu suất ghi vẽ bởi LabSOCS
2.2.3 Khảo sát sai số do sự khác biệt về thành phần mẫu và mật độ khối trên
Các nghiên cứu về sự khác biệt trong thành phần mẫu và mật độ khối đã được tiến hành trên hộp đo hình trụ có kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo này có thành dày 0.82 mm và đáy dày 0.90 mm, được chế tạo từ vật liệu polypropylen.
Sai số do sự khác biệt về mật độ khối mẫu
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả phân tích mẫu chuẩn
3.1.1 Mô tả các mẫu thực nghiệm Để đánh giá độ chính xác của phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ gamma kết hợp với phần mềm LabSOCS, luận văn đã tiến hành thử nghiệm trên 9 mẫu chuẩn do IAEA cung cấp trên 3 loại mẫu là: mẫu đất, mẫu thực vật và mẫu nước; và 2 cấu hình hộp đo là hình trụ và hình giếng Thông tin về mẫu chuẩn được đưa ra trong bảng 4
Bảng 4: Thông tin về các mẫu chuẩn sử dụng trong luận văn
Kí hiệu mẫu Dạng mẫu Nguồn gốc mẫu
S4 – Bottle 108 Cỏ khô IAEA-TEL-2012-03
IAEA-330 Rau bina (spinach) IAEA
3.1.2 Kết quả tính toán với mẫu đất
Khảo sát mẫu đất được thực hiện bằng hộp đo hình trụ có kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo này có bề dày thành 0.82 mm và đáy dày 0.90 mm, được chế tạo từ polypropylen.
Hình 21: Kết quả tính toán mẫu đất S5 – Bottle 108 năm 2012 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn
Mẫu đất S5 – Bottle 108 nặng khoảng 140g, trong khi mẫu chuẩn IAEA-375 nặng khoảng 260g với cùng cấu hình đo Sự sai số xuất phát từ sự khác biệt về thành phần mẫu và mật độ khối Kết quả cho thấy độ lệch tương đối lớn so với giá trị chuẩn.
Bảng 5: Kết quả tính toán mẫu đất S5 – Bottle 108 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Drydirt, hộp hình trụ
Nguyên tố Kết quả ngày 15/06/2018 Sai khác (%)
Cs-137 103.8 Bq/kg => 120.4 Bq/kg (01/01/2012) 1.5
LabSOCS giúp hiệu chỉnh sai số về mật độ khối của mẫu, giảm thiểu đáng kể sai số Tuy nhiên, sai số ở phần năng lượng thấp vẫn cao, với 46.5 keV cho Pb-210 và 59.54 keV cho Am-241 Thêm vào đó, do hoạt độ riêng của Am-241 trong mẫu thấp, điều này dẫn đến việc gia tăng sai số.
Bảng 6: Kết quả tính toán mẫu đất IAEA-447 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Drydirt, hộp hình trụ
Nguyên tố Kết quả ngày 17/08/2018 Chuẩn (15/09/2009) Sai khác (%)
Cs-137 366 Bq/kg = 449 Bq/kg
Pb-210 479 Bq/kg 420 Bq/kg 14
Pb-212 37.0 Bq/kg 37.0 Bq/kg 0.0
Ac-228 38.0 Bq/kg 37.0 Bq/kg 2.7
Am-241 2.5 Bq/kg 2.2 Bq/kg 14
Hình 22: Kết quả kiểm tra tay nghề năm 2018 sử dụng LabSOCS với mẫu đất
Hầu hết các kết quả đều nằm trong khoảng giá trị độ lệch tương đối tối đa cho phép (Maximum Acceptable Relative Bias) được IAEA công nhận, ngoại trừ hai đồng vị Am-241 (59.54 keV) và Pb-210 (46.5 keV).
3.1.3 Kết quả tính toán với mẫu thực vật
Khảo sát mẫu thực vật được tiến hành trên hộp đo hình trụ với kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo có bề dày thành 0.82 mm và đáy dày 0.90 mm, được chế tạo từ polypropylen.
Hình 23: Kết quả tính toán mẫu cỏ S4 – Bottle 108 năm 2012 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn
Bảng 7: Kết quả tính toán mẫu cỏ S4 – Bottle 108 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Cellulos, hộp hình trụ
Nguyên tố Kết quả (Bq/kg) Sai khác (%)
Bảng 8: Kết quả tính toán mẫu IAEA-330 (rau spinach) sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Cellulos, hộp hình trụ
Nguyên tố Kết quả ngày 17/08/2018 Chuẩn (15/10/2007) Sai khác (%)
Cs-137 974 Bq/kg => 1248 Bq/kg
3.1.4 Kết quả tính toán với mẫu nước
Các khảo sát đối với mẫu nước được thực hiện trên cấu hình hộp đo hình giếng (bình Marinelli 500ml) được làm bằng polystyrene
Hình 24: Kết quả tính toán mẫu nước S1, S2 – Bottle 178 năm 2016 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn
Phương pháp phổ kế gamma cho kết quả tốt nhờ vào việc mẫu chuẩn và mẫu đo có thành phần chính giống nhau, đồng thời không có sự khác biệt về khối lượng trong cùng một cấu hình đo.
Bảng 9: Kết quả tính toán mẫu nước S1, S2 – Bottle 178 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là nước, hộp hình giếng
Nguyên tố Kết quả (Bq/kg) Sai khác (%)
Có thể thấy các kết quả tính toán hoạt độ các nguyên tố phóng xạ trong mẫu nước sử dụng LabSOCS cho kết quả rất tốt
Hình 25: Kết quả kiểm tra tay nghề năm 2018 sử dụng LabSOCS với mẫu nước
Kết quả so sánh đối chứng
Các khảo sát đã so sánh kết quả giữa phương pháp sử dụng mẫu chuẩn và phương pháp mô phỏng GEANT4, kết hợp với việc đo hệ số truyền qua Nghiên cứu được thực hiện trên cấu hình hộp đo hình trụ có kích thước 76.00 mm × 30.00 mm (đường kính × chiều cao), với bề dày thành hộp đo là 0.90 mm và đáy hộp đo dày 1.77 mm, được làm từ polystyrene.
Bảng 10 trình bày kết quả so sánh hoạt độ phóng xạ riêng của các mẫu đất tự nhiên, được tính toán thông qua phương pháp phổ gamma kết hợp với phần mềm chuyên dụng.
LabSOCS và (2) phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn do phòng An toàn bức xạ , Trường Đại học Khoa học tự nhiên cung cấp
Bảng 10 trình bày kết quả xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ tự nhiên so với phương pháp sử dụng mẫu chuẩn tại phòng thí nghiệm của trường Đại học.
Mẫu Nguyên tố Hoạt độ riêng (Bq/kg) Sai khác (%)
Bảng 11 trình bày kết quả so sánh giữa phương pháp mô phỏng Monte-Carlo GEANT4 và các phép đo hệ số truyền qua tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam.
Mẫu Nguyên tố Hoạt độ riêng (Bq/kg) Sai khác (%)