luận văn thạc sĩ xác định hoạt độ các nguyên tố phóng xạ bằng phương pháp phổ kế gamma kết hợp labsocs và mô phỏng monte carlo geant4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Lê Quốc Việt XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CÁC NGUYÊN TỐ PHÓNG XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ GAMMA KẾT HỢP LABSOCS VÀ MÔ PHỎNG MONTE-CARLO GEANT4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số: 8440130.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phan Việt Cương PGS TS Bùi Văn Loát Hà Nội - 2019 z LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện Công nghệ Xạ hiếm, ban lãnh đạo Trung tâm Phân tích – Viện Cơng nghệ Xạ tạo điều kiện cho tơi tham gia khóa đào tạo sau đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, với ThS Đồn Thanh Sơn cán Trung tâm Phân tích – Viện Công nghệ Xạ giúp đỡ công tác nghiên cứu sử dụng dụng cụ, trang thiết bị Trung tâm Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn đến Văn phòng Khoa Vật lý, Bộ mơn Vật lý Hạt nhân nhiệt tình giúp đỡ thời gian khóa đào tạo Xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Bùi Văn Loát, ThS Nguyễn Thế Nghĩa, TS Hà Thụy Long ThS Somsavath giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập hồn thành luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn TS Phan Việt Cương, ThS Lê Tuấn Anh đồng nghiệp Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam hướng dẫn, góp ý, bổ sung giúp tơi hồn thiện luận văn CHÂN THÀNH CẢM ƠN i z MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Phân rã phóng xạ nguồn gốc xạ gamma 1.2 Phương trình tốn học biểu diễn trình phân rã 1.3 Tương tác xạ gamma với vật chất 1.3.1 Hiệu ứng quang điện 1.3.2 Hiệu ứng tán xạ Compton 1.3.3 Hiệu ứng tạo cặp 1.4 Độ suy giảm cường độ chùm gamma qua lớp vật chất 1.4.1 Hệ số suy giảm tuyến tính 1.4.2 Hệ số suy giảm khối 1.5 Hệ số tự hấp thụ nguồn thể tích 1.5.1 Xác định hệ số tự hấp thụ 1.5.2 Xác định hệ số suy giảm tuyến tính 10 1.6 Cơ sở vật lý phương pháp gamma xác định hoạt động phóng xạ đồng vị 12 1.6.1 Phân tích định tính 12 1.6.2 Phân tích định lượng 14 ii z CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO GEANT4 VÀ PHẦN MỀM LABSOCS 18 2.1 Phương pháp mô Monte-Carlo GEANT4 18 2.2 Phần mềm LabSOCS 21 2.2.1 Giới thiệu phần mềm LabSOCS 21 2.2.2 Sử dụng phần mềm LabSOCS 23 2.2.3 Khảo sát sai số khác biệt thành phần mẫu mật độ khối LabSOCS 29 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32 3.1 Kết phân tích mẫu chuẩn 32 3.1.1 Mô tả mẫu thực nghiệm 32 3.1.2 Kết tính tốn với mẫu đất 32 3.1.3 Kết tính tốn với mẫu thực vật 35 3.1.4 Kết tính tốn với mẫu nước 36 3.2 Kết so sánh đối chứng 38 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC 45 Các mẫu cấu hình hộp đo có sẵn LabSOCS 45 Thông tin loại vật liệu có sẵn thư viện LabSOCS 47 Hình ảnh số mẫu chuẩn 49 Bài báo 49 iii z DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT ANGLE Ứng dụng tính tốn hiệu suất ghi tiên tiến dành cho HPGe NaI detector ISOCS In-Situ Sourceless Calibration Software: Phần mềm hiệu chuẩn không dùng nguồn trường LabSOCS Laboratory Sourceless Calibration Software: Phần mềm hiệu chuẩn không dùng nguồn phịng thí nghiệm HPGe High Purity Germanium: Germanium siêu tinh khiết REXX Restructured Extended Executor: loại ngơn ngữ lập trình cấp cao phát triển Mike Cowlishaw PC Personal Computer: máy tính cá nhân NIST National Institute of Standards and Technology: Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia (Mỹ) MCNP Monte Carlo N-Particle: gói phần mềm mơ q trình hạt nhân GEANT4 Geometry and Tracking 4: công cụ mô đường hạt qua vật chất sử dụng phương pháp Monte-Carlo CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire: Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu LPM Landau – Pomeranchuk – Migdal: hiệu ứng vật lý lượng cao làm giảm tiết diện hiệu ứng xạ hãm hiệu ứng tạo cặp lượng cao mật độ vật chất lớn EUR Euro: Đồng tiền chung Châu Âu VND Việt Nam Đồng iv z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 LỜI NÓI ĐẦU Trong phương pháp xác định hoạt độ nguyên tố phóng xạ, phương pháp phổ gamma phương pháp sử dụng rộng rãi Phương pháp phổ gamma phương pháp không phá hủy không cần phải chuẩn bị mẫu Hệ phổ kế gamma độ phân giải cao dựa detector bán dẫn sử dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu công nghiệp Nó cho phép phân tích định tính định lượng đồng vị phóng xạ bên vật liệu Giống tất kĩ thuật phân tích khác, để phân tích định lượng, phương pháp phổ gamma yêu cầu mẫu chuẩn để thiết lập đường chuẩn hiệu suất thực nghiệm Các mẫu chuẩn có giá thành đắt, vận chuyển lâu không khả dụng độ phức tạp mẫu cần đo Mẫu chuẩn cần thay sau thời gian định (nhất đồng vị có chu kì bán rã ngắn) Cũng có khó khăn để xây dựng đường chuẩn hiệu suất sử dụng mẫu chuẩn yêu cầu cần phải biết mật độ khối, thành phần cấu tạo để hiệu chỉnh hệ số tự hấp thụ, đặc biệt nguồn thể tích Để vượt qua khó khăn này, nhiều nhà khoa học đưa chương trình cho phép tính tốn, mơ phỏng, dự đoán đường chuẩn hiệu suất (ANGLE, ISOCS/LabSOCS,…) Các chương trình cho phép mơ đường cong hiệu suất cho nhiều loại detector khác khoảng lượng từ 59-1836 keV, so sánh thực nghiệm với nguồn chuẩn nhiều cấu hình đo khác Để xây dựng đường chuẩn hiệu suất mà khơng cần nguồn chuẩn, chương trình cần cung cấp thơng tin cấu hình đo (loại hình dạng detector, hình dạng mẫu, vị trí tương đối mẫu detector, …) thông tin thành phần mật độ khối mẫu đo [13] v z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 Trong khuôn khổ luận văn này, tơi tóm tắt tổng quan xạ gamma, tương tác chúng với vật chất, phương pháp phổ gamma phần mềm LabSOCS khảo sát sử dụng phần mềm LabSOCS, yếu tố ảnh hưởng đến sai số phương pháp phổ gamma ứng dụng LABSOCS tính tốn hoạt độ nguyên tố phóng xạ cho mẫu chuẩn IAEA, so sánh với phương pháp mô Monte-Carlo GEANT4 kết hợp đo hệ số truyền qua Qua ứng dụng phần mềm LabSOCS để nâng cao độ xác, rút ngắn thời gian giảm giá thành cho phương pháp phổ gamma cơng tác phân tích dịch vụ vi z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Phân rã phóng xạ nguồn gốc xạ gamma Những nghiên cứu chất tượng phóng xạ chứng tỏ rằng: hạt nhân nguyên tử không bền tự phân rã phát hạt khác hạt alpha (α), beta (β-), positron (β+) thường kèm theo xạ điện từ hay xạ gamma (ɣ) Hình 1: Sơ đồ 60Co phân rã hạt nhân 60Ni Bình thường bên hạt nhân, nucleon chiếm đầy mức lượng thấp hạt nhân trạng thái Giả sử lý đó, nucleon từ mức lượng bên nhận lượng từ bên nhảy lên mức lượng bên cao Mức lượng bên có lỗ trống tương ứng với hạt nhân trạng thái kích thích Trạng thái kích thích hạt nhân trạng thái khơng bền, nucleon mức lượng tử có lượng cao giải phóng lượng cịn dư có giá trị hiệu hai mức lượng để nhảy vào lấp chỗ trống lớp Tùy theo cách giải phóng lượng dạng xạ điện từ hay giải phóng lượng dư cách truyền lượng dư cho electron quỹ đạo có xạ gamma electron biến hoán nội phát [2] z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 1.2 Phương trình tốn học biểu diễn trình phân rã Quá trình phân rã phóng xạ q trình thống kê Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ bị suy giảm theo thời gian 𝐻 = 𝜆 𝑁 = 𝐻0 𝑒 −𝜆.𝑡 = 𝜆 𝑁0 𝑒 −𝜆.𝑡 (1) đó: H0 N0 hoạt độ số hạt nhân phóng xạ thời điểm ban đầu H N hoạt độ số hạt nhân phóng xạ lại sau thời gian t 𝜆= 𝑙𝑛2 𝑇1/2 số phân rã hạt nhân phóng xạ T1/2 chu kì bán rã hạt nhân phóng xạ Hình 2: Quy luật suy giảm số hạt nhân phóng xạ theo thời gian 1.3 Tương tác xạ gamma với vật chất Khi vào môi trường vật chất, xạ gamma khơng gây ion hóa trực tiếp hạt tích điện mà thơng qua tương tác với electron hạt nhân nguyên tử Có ba tương tác xạ gamma với nguyên tử là: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton hiệu ứng tạo cặp z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 1.3.1 Hiệu ứng quang điện Bức xạ gamma có lượng lớn lượng liên kết electron lớp vỏ nguyên tử môi trường, tương tác với electron đó, xạ gamma truyền tồn lượng để giải phóng electron khỏi nguyên tử, electron gọi electron quang điện Động electron quang điện 𝑇𝑒 = 𝐸𝛾 − 𝐸𝑛 hiệu lượng xạ gamma tới lượng liên kết electron quỹ đạo n Hiệu ứng quang điện có xác suất xảy cao electron lớp vỏ bên nguyên tử, electron lớp nguyên tử giải phóng bên ngồi, electron lớp vỏ bên nhảy xuống chỗ phát xạ tia X đặc trưng độ chênh lệch lượng liên kết electron hai lớp vỏ ngun tử Hình 3: Mơ tả hiệu ứng quang điện [2] Xác suất xảy hiệu ứng quang điện nguyên tử: 𝜎𝑞đ ~ 𝑍5 𝐸𝛾 7/2 𝑘ℎ𝑖 𝐸𝛾 𝑛ℎỏ 𝑣à 𝑍5 𝜎𝑞đ ~ 𝑘ℎ𝑖 𝐸𝛾 ≫ 𝑚𝑒 𝑐 𝐸𝛾 z luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4luan.van.thac.si.xac.dinh.hoat.do.cac.nguyen.to.phong.xa.bang.phuong.phap.pho.ke.gamma.ket.hop.labsocs.va.mo.phong.monte.carlo.geant4 [1]