nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector hpge gem 15p4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỖ THỊ THANH VƯỢNG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỖ THỊ THANH VƯỢNG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ XUÂN ÂN LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình đến: TS. Võ Xuân Ân, người Thầy kính mến, đã mang đến cho tôi kiến thức khoa học và phương pháp nghiên cứu khoa học, truyền đạt cho tôi tinh thần học hỏi và tinh thần trách nhiệm cao trong công việc. Người Thầy luôn tận tâm hướng dẫn, nhắc nhở và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy PGS. TS. Lê Văn Hoàng, Thầy TS. Nguyễn Văn Hoa, hai người Thầy đã gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng góp ý kiến và động viên tôi từ những ngày đầu thực hiện luận văn. Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân và Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM đã đóng góp những ý kiến thảo luận quý báu và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi có thể thực hiện các nghiên cứu phục vụ cho luận văn. Bạn Trịnh Hoài Vinh, Thầy Bá Văn Khôi là những người đã luôn nhiệt tình giúp đỡ tôi từ khi mới bắt đầu cho đến khi hoàn thành luận văn. Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 1 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 DANH MỤC CÁC BẢNG 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4 MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 4 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN VẤN ĐỀ GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 8 1.2. CƠ SỞ VẬT LÝ TƯƠNG TÁC CỦA GAMMA VỚI VẬT CHẤT 9 1.2.1. Hấp thụ quang điện 9 1.2.2. Tán xạ Compton 11 1.2.3. Hiệu ứng tạo cặp 14 1.2.4. Bức xạ hãm 15 1.2.5. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 16 1.3. HỆ PHỔ KẾ GAMMA 17 1.3.1. Cấu trúc của hệ phổ kế gamma 17 1.3.2. Các đặc trưng kỹ thuật của detetor bán dẫn 18 1.4. PHÔNG PHÓNG XẠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PHÔNG 20 1.4.1. Nguồn gốc phóng xạ môi trường 20 1.4.2. Phông phóng xạ trong phổ năng lượng gamma ghi nhận bởi detector 25 1.4.3. Các phương pháp giảm phông 25 Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 30 2.1. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 30 2.1.1. Phương pháp Monte Carlo 30 2.1.2. Chương trình MCNP5 32 2.2. CÁC TIÊU CHÍ LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHE CHẮN GIẢM PHÔNG 38 2.3. XÂY DỰNG BỘ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 41 2.3.1. Hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM 41 2.3.2. Input của chương trình MCNP5 47 2.4. TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA MÔ HÌNH 50 2.5. TÍNH TOÁN BỀ DÀY LỚP THIẾC VÀ BỀ DÀY LỚP ĐỒNG 53 Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 77 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện số liệu ACTL ACTivation Library ADC Khối biến đổi tương tự – số Analog – to – digital converter CSS Hệ phổ kế triệt Compton Compton Suppression Spectrometer DETEFF Chương trình mô phỏng Monte Carlo DETEFF DETector EFFiciency ĐHKHTN TP.HCM Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ĐHSP TP.HCM Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh ENDF Thư viện số liệu ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu ENDL Evaluated Nuclear Data Library FWFM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/50 chiều cao cực đại Full width at fiftieth maximum FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/2 chiều cao cực đại Full width at haft maximum FWTM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại 1/10 chiều cao cực đại Full width at tenth maximum Ge Germanium GEB Mở rộng năng lượng Gauss Gaussian Energy Broadenning Ge(Li) Detector germanium khuếch tán lithium Germanium(Lithium) GEANT Chương trình mô phỏng Monte Carlo GEANT GEANT A toolkit for the simulation of the passage of particles through matter HPGe Detector germanium siêu tinh khiết High Purity Germanium HQCC Hiệu quả che chắn LN 2 Liquid Nitrogen MCA Máy phân tích biên độ đa kênh Multi channel analysis MCG Chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon năng lượng cao Monte Carlo Gamma MCN Chương trình Monte Carlo gamma xử lý bài toán vận chuyển neutron Monte Carlo Neutron MCNG Chương trình Monte Carlo ghép cặp neutron – gamma Monte Carlo Neutron Gamma MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP Monte Carlo N – Particle NPPs Nhà máy điện hạt nhân ở Cofrentes, Tây Ban Nha Nuclear Power Plants at Cofrentes, Valencia, Spain P/C Tỷ số đỉnh/Compton Peak/Compton TTHN TP.HCM Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh PTN VLHN Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Diễn giải Trang 1 1.1 Họ uranium (4n+2) 25 2 1.2 Họ actinium (4n+3) 26 3 1.3 Họ thorium (4n) 27 4 1.4 Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến. 29 5 2.1 Các kiểu tally trong MCNP5. 43 6 2.2 Các phản ứng của neutron với detector. 44 7 2.3 Tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng xuất hiện trong phép đo phông đối với hệ phổ kế gamma tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM. 52 8 2.4 Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 185,8 – 609,3 keV. 63 9 2.5 Hiệu suất tính toán của detector khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. 64 10 2.6 Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các trường hợp (1-A), (1-B), (1-C), (1-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 71 11 2.7 Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Sn, Cu và bề dày lớp Sn, Cu ứng với HQCC 95% đối với các trường hợp (2-A), (2-B), (2-C), (2-D) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 75 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình Diễn giải Trang 1 1.1 Cơ chế của hiện tượng quang điện. 11 2 1.2 Đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lượng E. 12 3 1.3 Tán xạ Compton. 13 4 1.4 Phân bố số photon tán xạ Compton trong một đơn vị góc khối đối với góc tán xạ θ trong hệ tọa độ cực tương ứng với các năng lượng tới khác nhau. 15 5 1.5 Nền Compton ứng với năng lượng gamma tới E. 16 6 1.6 Hiệu ứng tạo cặp. 16 7 1.7 Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của 28 Al. 19 8 1.8 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma. 20 9 1.9 Mặt cắt ngang (a) và mặt cắt dọc (b) của sự che chắn thụ động và chủ động. 32 10 1.10 Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản trùng phùng. 33 11 1.11 Phương pháp giảm phông bằng kỹ thuật phản trùng phùng kép. 33 12 2.1 Sơ đồ phân rã của 210 Pb. 45 13 2.2 Cấu trúc bên trong của detector HPGe. 49 14 2.3 Mặt cắt dọc detector HPGe GEM 15P4 (đơn vị mm). 50 15 2.4 Mặt cắt dọc buồng chì che chắn phông phóng xạ tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM (đơn vị mm). 50 16 2.5 Thứ tự các lớp vật liệu dùng để giảm phông môi trường. 57 17 2.6 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1- A) khi khảo sát các bức xạ gamma từ môi trường bên ngoài đi vào buồng chì có năng lượng từ 1120,3 – 1764,5 keV. 67 18 2.7 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (1-A) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 70 19 2.8 Sự thay đổi hiệu suất tính toán của detector theo bề dày lớp Cu đối với trường hợp (2-A) của các vạch năng lượng tia X đặc trưng của Pb. 74 [...]... phương pháp giảm phông tích cực và thụ động và kết quả của các phép đo phông, đã được nhóm Krzysztof Kozak, Jerzy W Mietelski, Miroslawa Jasinska và Pawel Gaca nghiên cứu thực hiện [44] Phông của hệ phổ kế được ghi nhận trong các cấu hình che chắn khác nhau được nghiên cứu cải tiến Tên của ba hệ phổ kế gamma trong quá trình nghiên cứu giảm phông là hệ phổ kế K, hệ phổ kế S và hệ phổ kế E Hệ phổ kế K áp... ứng với vạch gamma quan tâm phát ra từ nguồn Do đó để phép đo mẫu môi trường có hoạt độ thấp đạt hiệu quả thì việc giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma là rất cần thiết Năm 2007 PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM đã được trang bị một hệ phổ kế gamma dùng detector germanium siêu tinh khiết HPGe GEM 15P4 Qua thực nghiệm đánh giá định lượng [29] cho thấy, hiện tại phông buồng chì của hệ phổ kế gamma tại PTN... độ đếm phông tổng trong trạng thái che chắn của buồng chì là 3,06 s-1 là tương đối cao so với giá trị cần thiết khoảng 1 s-1 [19], cao gấp 2,71 lần so với tốc độ đếm phông tổng trong cùng trạng thái của buồng chì tại TTHN TP.HCM Vì vậy tôi đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GEM 15P4 Mục tiêu của luận văn là lựa chọn và xác định bề dày của các... định bề dày của các lớp vật liệu che chắn để giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma đặt tại PTN VLHN Trường ĐHSP TP.HCM xuống mức thấp nhất Điều này sẽ cải thiện chất lượng của hệ phổ kế và nâng cao độ chính xác của phép đo hoạt độ phóng xạ trong các mẫu môi trường có hoạt độ thấp Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe GEM 15P4 loại p được sản xuất bởi EG&G Ortec (Oak... phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, đồng, và hơi nitơ lỏng (LN 2 ) Hệ phổ kế S áp dụng phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, đồng điện phân, hơi LN 2 và lót thêm cadmium, paraffin gắn phía trên hệ phổ kế Hệ phổ kế E, có phông siêu thấp, sử dụng cả phương pháp giảm phông thụ động và tích cực Phương pháp giảm phông thụ động áp dụng cho hệ phổ kế E là sử... quan về hệ phổ kế gamma và các phương pháp giảm phông buồng chì của hệ phổ kế gamma + Chương 2: NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5, giới thiệu phương pháp mô phỏng Monte Carlo và chương trình MCNP5, trình bày các bước thực hiện bài toán mô phỏng, xây dựng input, tính toán bề dày của các lớp vật liệu che chắn bằng chương trình MCNP5 + Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, tổng kết đánh... LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, tổng kết đánh giá kết quả đã đạt được của luận văn đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo của luận văn Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN VẤN ĐỀ GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1990, Hesser [38] đã cải tiến cấu hình che chắn của một hệ phổ kế trước đó bằng cách đặt thêm ống... trụ của một hệ phổ kế dùng detector germanium Các kết quả cho thấy phông của detector germanium đặt tại độ sâu 100 m nước giảm 30 và 100 lần tương ứng với trường hợp khi không có và khi có sự che chắn tia vũ trụ so với trường hợp phông của detector germanium khi đặt trong phòng thí nghiệm trên mặt đất 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2005, tác giả Trần Văn Luyến [19] đã thiết kế buồng chì giảm. .. dụng lớp chắn chì, cadmium, đồng điện phân, paraffin được gắn phía trên và xung quanh hệ phổ kế, hơi LN 2 và bên trong thể tích được che chắn của hệ phổ kế một dòng khí nitơ từ bình dewar được thổi vào để giảm sự đóng góp phông do radon và các con cháu của radon Phương pháp tích cực áp dụng cho hệ phổ kế E là dùng một ống đếm tỉ lệ nhiều dây Charpak đặt phía trên hệ phổ kế, đây là một detector chắn... Phosphorus 32 P β 1,711 15 ngày 1.4.2 Phông phóng xạ trong phổ năng lượng gamma ghi nhận bởi detector Phông được ghi nhận trong detector là sự hưởng ứng đơn giản của detector ngay trong sự vắng mặt của nguồn Phổ phông của các detector germanium là do sự kết hợp của các nguyên nhân sau: 1.1 Khối điện tử 1.2 Bức xạ gamma của môi trường 1.3 Phóng xạ từ vật liệu cấu trúc detector và vật liệu che chắn 1.4 Bức . trình nghiên cứu giảm phông là hệ phổ kế K, hệ phổ kế S và hệ phổ kế E. Hệ phổ kế K áp dụng phương pháp giảm phông thụ động, sử dụng các lớp che chắn chì, . ĐỖ THỊ THANH VƯỢNG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÔNG BUỒNG CHÌ CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GEM 15P4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên