1475 nghiên cứu đóng góp của thành phần tán xạ nhiều lần trong phổ tán xạ compton đo bằng đầu dò nhấp nháy nai(tl)

Hồng Đức Tâm tgk TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ NGHIÊN CỨU ĐÓNG GÓP CỦA THÀNH PHẦN TÁN XẠ NHIỀU LẦN TRONG PHỔ TÁN XẠ COMPTON ĐO BẰNG ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY NaI(Tl) HỒNG ĐỨC TÂM*, HUỲNH ĐÌNH CHƯƠNG**, NGUYỄN THỊ MỸ LỆ***, VÕ HOÀNG NGUYÊN**, TRẦN THIỆN THANH****, CHÂU VĂN TẠO***** TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tơi tính tốn lượng đóng góp tán xạ nhiều lần phổ tán xạ chùm photon lượng 662keV tán xạ bia thép C45 góc tán xạ 120o Để đánh giá ảnh hưởng đường kính ống chuẩn trực đầu dị việc hạn chế số kiện tán xạ nhiều lần, sử dụng ống chuẩn trực có đường kính kích thước 3,0cm 9,5cm Kết nghiên cứu cho thấy lượng đóng góp tán xạ nhiều lần đáng kể đặc biệt bia có độ dày lớn Bên cạnh đó, nghiên cứu việc sử dụng ống chuẩn trực đầu dị có kích thước nhỏ khơng làm tăng đáng kể tỉ số tín hiệu nhiễu Kết nghiên cứu sở để đưa phương pháp phân tích phù hợp cho việc phân tích phổ tán xạ Từ khóa: tán xạ nhiều lần, NaI(Tl), Compton ABSTRACT A study on multiple scattering component in compton profile determined by NaI(Tl) scintillator In this study, the contribution of multiple scattering component in Compton profile was determined when the photon beam of 662 keV were scattered on C45 steel target at scattering angle of 120o The effect of diameter of detector collimator to reduce the multiple scattering component was also studied with detector collimator of 3.0cm and 9.5 cm in diameters The results showed that the contribution of multiple scattering component is considerable, especially with thick targets In addition, the study also showed that the use of detector collimator of smaller diameter had not significant increased the ratio of signal to noise This study is the basic to make appropriate methods for analyzing scattering spectrum Keywords: Multiple scattering, NaI(Tl), Compton Giới thiệu Hiện nay, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) sử dụng nhiều ứng dụng đo độ dày vật liệu [5], dị tìm lắng đọng paraffin bên đường ống [7]… loại đầu dò có có nhiều ưu điểm hiệu suất dị cao, chế độ vận hành đơn giản cần kết nối với máy tính qua giao thức USB đặc biệt không cần làm lạnh hoạt động Tuy nhiên, nhược điểm đầu dò NaI(Tl) độ phân giải so sánh * TS, Trường Đại học Sư phạm TPHCM; Email: hoangductam@hcmup.edu.vn ThS, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TPHCM *** CN, Trường Đại học Sư phạm TPHCM **** TS, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TPHCM ***** PGS TS, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TPHCM ** với đầu dị bán dẫn HPGe Do đó, phổ tán xạ Compton ghi nhận loại đầu dò thường chồng chập thành phần tán xạ lần tán xạ nhiều lần, điều gây khó khăn cho việc xử lí phổ để trích xuất thơng tin cần thiết [1] Thông thường, tán xạ lần thơng tin quan tâm, tán xạ nhiều lần xem nhiễu làm giảm độ xác kết Do vậy, cần phải có nghiên cứu thực nghiệm đóng góp thành phần nhằm loại bỏ chúng phổ tán xạ Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề tán xạ nhiều lần cách hạn chế ảnh hưởng Giải pháp mang tính kĩ thuật mà Priyada cộng [8] thực để hạn chế tán xạ nhiều lần cách sử dụng ống chuẩn trực đầu dò nhỏ đồng thời sử dụng đầu dò HPGe với độ phân giải tốt để ghi nhận phổ tán xạ đóng góp chủ yếu thành phần tán xạ lần Ưu điểm phương pháp thu nhận thông tin cần thiết (phổ tán xạ lần) cách trực tiếp thực với nguồn có hoạt độ lên đến vài Ci Một giải pháp khác mà Singh cộng [9] tiến hành tính tốn đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần dựa việc tái tạo phổ tán xạ lần phương pháp giải tích Khi phổ tán xạ nhiều lần thu cách trừ phổ tán xạ tổng với phổ tán xạ lần Trong nghiên cứu này, phương pháp xử lí phổ dựa kết hợp phương pháp xử lí phổ cải tiến [5] với phương pháp Singh [9] đưa để xác định thành phần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton Ưu điểm phương pháp kết hợp xác định đỉnh phân bố Gauss (đóng góp chủ yếu tán xạ lần) cách dễ dàng dựa việc làm khớp bình phương tối thiểu sử dụng chương trình Colegram [6] Đồng thời, phép đo tán xạ tiến hành để đánh giá đóng góp tán xạ nhiều lần phổ thực nghiệm bề dày bia ống chuẩn trực đầu dị đường kính khác Phương pháp thực nghiệm 2.1 Phương pháp Nghiên cứu lí thuyết Fernández [3] phổ tán xạ Compton ngồi thành phần tán xạ lần cịn đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần Lượng đóng góp phụ thuộc vào lượng chùm photon tới, loại vật liệu cách bố trí thí nghiệm Để tính lượng đóng góp số kiện tán xạ nhiều lần, phương pháp Singh cộng [9] sử dụng tính tốn phổ phân bố tạo kiện tán xạ lần Từ đó, số kiện tán xạ nhiều lần thu cách lấy phổ tổng trừ phổ tán xạ lần Số photon tán xạ lần bia có độ dày X0 tương ứng với lượng E đến đầu dò xác định [9]: n(E) = C X0 ∫ X0 0  dσ  x e − µi x e − µ t t dΩdx n e   dΩ  θ (1) đây: C thông lượng photon tới; X0 độ dày bia; ne số electron/cm3; xt quãng đường photon từ điểm tán xạ đến khỏi bia; µ i µt hệ số suy giảm tồn phần photon vào khỏi vật liệu tương ứng với lượng E0 E, với E0 E có mối quan hệ: E= 1+ E0 E0 m c2 ( 1− cosθ ) (2) với E0 lượng chùm photon tới, E lượng chùm photon tán xạ góc tán xạ θ Trong ứng dụng kĩ thuật gamma tán xạ xác định độ dày vật liệu [5], xác định vị trí ăn mịn [8], thơng tin cần xác định để phục vụ cho nghiên cứu phổ phân bố tán xạ lần (được xem tín hiệu) Tuy nhiên, phép đo thực tế phổ tán xạ ghi nhận đầu dị, có số kiện đóng góp tán xạ nhiều lần (được xem nhiễu) phân bố phổ thu có chồng chập tán xạ lần nhiều lần Một phép đo xác yêu cầu tỉ số tín hiệu nhiễu (S/N) lớn tốt Do vậy, vấn đề quan trọng cần đánh giá lượng đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần để có phương án xử lí phổ phù hợp hạn chế lượng đóng góp loại tán xạ Để tính tốn lượng đóng góp này, chúng tơi thực sau: Đầu tiên, phổ tán xạ thu được, chúng tơi làm khớp đỉnh phổ tạo đóng góp chủ yếu tán xạ lần hàm khớp dạng Gauss sử dụng phương pháp xử lí phổ cải tiến [5] Sau đó, số kiện tán xạ lần xác định cách lấy diện tích đỉnh Gauss từ trình làm khớp chia cho tỉ số đỉnh tổng (P/T) Số kiện bắt nguồn từ tán xạ nhiều lần thu cách lấy phổ tổng trừ phổ tán xạ lần Để xác định tỉ số P/T, phổ phân bố độ cao xung ghi nhận photon lượng 224,9 keV mô phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 [10] Giá trị lượng 224,9 keV chọn lượng chùm photon tán xạ góc 120o bố trí thí nghiệm nghiên cứu Tỉ số P/T phụ thuộc vào lượng chùm photon tới, loại đầu dò sử dụng cách bố trí thí nghiệm Với việc sử dụng Tally F8, đầu chương trình mơ phổ phân bố độ cao xung Để phổ thu có dạng giống phổ thực nghiệm, chúng tơi sử dụng thẻ FT8 với hàm bề rộng nửa (FWHM) đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) có dạng [2]: FWHM = a + b E  cE2 (3) với a = – 0,0137257 MeV; b = 0,0739501 MeV1/2 c = – 0,152982 MeV–1 [4] Để phổ phân bố độ cao xung thu đảm bảo mặt thống kê, số lịch sử hạt 1.109 hạt đưa vào tính 2.2 Bố trí thực nghiệm Đầu dị nhấp nháy với tinh thể NaI(Tl) dạng hình trụ có kích thước 7,6 cm × 7,6 cm hãng Amptek (Mĩ) sử dụng thí nghiệm Dải đo cài đặt 8192 Hồng Đức Tâm tgk TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ kênh Nguồn 137Cs có hoạt độ mCi đặt khối chì dạng trụ Ống chuẩn trực nguồn có đường kính 1cm Để đánh giá đóng góp tán xạ nhiều lần, chúng tơi sử dụng hai loại ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0 cm 9,5 cm Bố trí thí nghiệm trình bày Hình Với bố trí này, chùm photon sau khỏi nguồn tán xạ bia đến đầu dị có lượng 224,9 keV Hình Bố trí thí nghiệm đo tán xạ nhiều lần với trường hợp ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0 cm Kết 3.1 Tỉ số P/T Để tính tỉ số P/T, chúng tơi tiến hành mơ Monte Carlo với nguồn có lượng 224,9 keV đặt vị trí bia bố trí thí nghiệm đo phổ tán xạ Phổ mơ thu cho hai trường hợp ống chuẩn trực có đường kính 3,0cm 9,5cm trình bày Hình a) b) Hình Phổ mơ Monte Carlo đỉnh lượng toàn phần 224,9 keV với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính a) 3,0cm b) 9,5cm Tỉ số P/T xác định dựa việc xử lí liệu từ phổ mơ sử dụng chương trình Colegram [6] Kết trình bày Bảng Bảng Các thơng số phổ thu từ mô MCNP5 Ống chuẩn trực đường kính 9,5cm Ống chuẩn trực đường kính 3,0cm Năng lượng đỉnh quang điện (keV) 224,5 224,5 FWHM (keV) 21,5 21,3 0,8429 0,9253 Tỉ số P/T Từ Bảng thấy lượng đỉnh quang điện FWHM gần khơng thay đổi đường kính ống chuẩn trực đầu dò, nhiên tỉ số P/T lại có thay đổi lớn Điều hồn tồn hợp lí tỉ số P/T phụ thuộc vào góc khối nhìn đầu dị tất nhiên chúng khác trường hợp đường kính ống chuẩn trực đầu dị khác 3.2 Kết tính tốn lượng đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton Kết xác định số đếm tán xạ lần, số đếm tỉ lệ đóng góp tán xạ nhiều lần (với thời gian ghi nhận chuẩn giờ) phổ tán xạ Compton ghi nhận với bề dày bia thép khác cho hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dò 3,0 cm 9,5 cm trình bày Bảng Bảng Bảng Số liệu tán xạ lần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0 cm Độ dày vật Số kiện tán xạ liệu lần (mm) 3,4 2039 5,4 2899 6,2 3053 9,2 3784 10,1 3854 12,3 3982 15,7 4209 18,3 4077 20,3 4166 23,3 4323 24,0 4286 25,4 4268 Số kiện tán xạ nhiều lần 2336 3856 4510 5908 6232 7043 8148 8287 8777 9059 9200 9100 Tỉ lệ (%) đóng góp tán xạ nhiều lần phổ 53,4 57,1 59,6 61,0 61,8 63,9 65,9 67,0 67,8 67,7 68,2 68,1 Bảng Số liệu tán xạ lần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton với ống chuẩn trực đầu dò có đường kính 9,5cm Độ dày Tỉ lệ (%) đóng góp Số kiện tán xạ Số kiện tán xạ vật liệu tán xạ nhiều lần lần nhiều lần (mm) phổ 3,4 13035 16616 56,0 5,4 17349 28024 61,8 6,2 18733 31821 62,9 9,2 22274 46054 67,4 10,1 22796 48734 68,1 12,3 24291 55982 69,7 18,3 26104 69289 72,6 20,3 26648 71594 72,9 23,3 27142 75120 73,5 24,0 27021 75639 73,7 25,4 26701 75647 73,9 Sự phụ thuộc tán xạ nhiều lần vào độ dày bia thể Hình Từ đồ thị hình cho thấy rằng, với thời gian đo, số kiện tán xạ nhiều lần giảm đáng kể dùng ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm so sánh với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 9,5cm Tuy nhiên, vấn đề số kiện tán xạ lần giảm theo đáng kể (Bảng 3) vấn đề giảm tán xạ nhiều lần trường hợp khơng mang ý làm tăng tính thống kê phép đo Thực vậy, thấy từ bảng tỉ lệ đóng góp tán xạ nhiều lần phổ hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm giảm ít, tối đa 6% tất bề dày khảo sát so sánh với ống chuẩn trực có đường kính 9,5cm Hình So sánh đóng góp phổ với ống chuẩn trực đầu dị có kích thước 3,0 cm 9,5 cm Đồ thị Hình tỉ số tín hiệu nhiễu giảm độ dày vật liệu tăng lên, điều có nghĩa số kiện tán xạ nhiều lần tăng tăng độ dày vật liệu Do vậy, để hạn chế tán xạ nhiều lần, cần sử dụng bia với độ dày mỏng Hình Tỉ số tín hiệu nhiễu (S/N) ống chuẩn trực đầu dị có kích thước khác Kết luận Bài báo đưa phương pháp xử lí phổ kết hợp để tính tốn lượng đóng góp tán xạ nhiều lần phổ tán xạ đo đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) Theo đó, tỉ lệ đóng góp tán xạ nhiều lần hai trường hợp khảo sát (với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm 9,5cm) thay đổi theo độ dày bia lên đến 68,1% ống chuẩn trực 3,0cm 73,9% ống chuẩn trực 9,5cm Với hai kích thước đầu dị mà chúng tơi khảo sát, thấy đầu dò nhấp nháy việc sử dụng ống chuẩn trực nhỏ khơng làm tăng tính thống kê số đếm Tuy nhiên nhận định ban đầu, cần phải khảo sát thêm nhiều đường kính ống chuẩn trực để đến kết luận tin cậy Cũng cần nói thêm rằng, cách tốt để hạn chế tán xạ nhiều lần đặt cửa sổ lượng quanh đỉnh tán xạ đủ nhỏ để loại bỏ thành phần Tuy nhiên, cách làm phù hợp với đầu dò có độ phân giải tốt, cụ thể HPGe, cịn với loại đầu dò NaI(Tl) thăng giáng lượng quanh đỉnh tán xạ lớn nên cách làm không khả thi Giải pháp cần thiết sử dụng kĩ thuật phân tích phổ phù hợp Ghi chú: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Sư phạm TPHCM qua Đề tài với mã số CS2015.19.64  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ T À I L I Ệ U T H A M K H Ả O Abd, A.E (20 14), “Int erco mpa riso n of gam ma ray scat teri ng and tran smi ssio n tech niqu es for gas volu TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM me fraction ( Lépy te , te measurements in two M ch phase pipe flow”, ni Nuclear Instruments C q and Methods in ue Physics Research A ), ( L 735, 260 – 266 “ ab A Baccouche, S., Al0 or d Azmi, D., at v Karunakara, N., & oi a Trabelsi, A (2012), ), re n “Application of the “ N c Monte Carlo method P at e for the efficiency r io d calibration of CsI and e na g NaI detectors for s l a gamma-ray e H m measurements from n en m terrestrial samples” t ri a Applied Radiation a B s and Isotope 70, 227– ti ec p 232 o q e Fernández, J.E n ue c (1991), “Compton o re tr and Rayleigh double f l/ u scattering of t m unpolarized h 4/ radiation”, Physical e p Review A 44, 4232 – C r 4248 O Lope o Hoang Duc Tam, L s, c Huynh Dinh Chuong, E R e Tran Thien Thanh, G T s Chau Van Tao (2016), R , s "A study of the effect A V i of Al2O3 reflector on M al n response function of s en g NaI(Tl) detector”, o te, t Radiation Physics ft C e and Chemistry 125, w M c 88 - 93 a , h Hoang Duc Tam, r D n Huynh Dinh Chuong, e e i Tran Thien Thanh, ” Je q Vo Hoang Nguyen, , su u Hoang Thi Kieu N s, e Trang, Chau Van Tao o E 10 Số 9(87) năm 2016 F Priy a O d , a & , P C , a M m a e r ri g n r i, e C t, M S , R ( a m a r, R ), , “ S D h e i t v e a c r ti a o m n u o , f M p e a n r a a k ff a i , n M d , e T p h o il s a it g a Sing and h inte m , nsit , M y L , distr , S ibut V i ions e n of n g mul k h tiple a , Co t G mpt a , on r S scat a i teri m n ng a g of n h 0.27 , , 9-, B B 0.66 , , 2-, & & and 1.12 R S a a Me j, n V γ B d rays h ”, ( u Phy , sica B l Rev S iew ), A “ ( 74, I 042 n 714 t 10 X-5 e Mo r ), nte c “ Carl o E o m n Tea p e m, a r 200 ri g s y MC o NP – A General Monte Carlo NParticle Transport Code, Version 5, Volume I: Overview and Theory, LA-UR03-1987 Los Alamos National Laboratory (Ngày Tòa soạn nhận bài: 19-72016; ngày phản biện đánh giá: 20-8-2016; ngày chấp nhận đăng: 139-2016) ... tính tốn đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần dựa việc tái tạo phổ tán xạ lần phương pháp giải tích Khi phổ tán xạ nhiều lần thu cách trừ phổ tán xạ tổng với phổ tán xạ lần Trong nghiên cứu này,... tốn lượng đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton Kết xác định số đếm tán xạ lần, số đếm tỉ lệ đóng góp tán xạ nhiều lần (với thời gian ghi nhận chuẩn giờ) phổ tán xạ Compton ghi... xạ lần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 9,5cm Độ dày Tỉ lệ (%) đóng góp Số kiện tán xạ Số kiện tán xạ vật liệu tán xạ nhiều lần lần nhiều lần (mm) phổ