Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm vật lý: Đánh giá ảnh hưởng các lớp che chắn tinh thể đầu dò HPGe đối với hệ số hiệu chỉnh trùng phùng trong phép đo nguồn điểm chuẩn

Hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào các yếu tô như: hình học nguồn và đầu do, khoảng cách giữa nguồn va đầu do, năng lượng bức xạ gamma phát ra từ nguồn và phụ thuộc vào các lớp che chắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LY

Sp

TP HO CHÍ MINH

NGUYEN NGOC HAN

KHOA LUAN TOT NGHIEP

DANH GIA ANH HUONG CAC LOP CHE CHAN

TINH THE DAU DO HPGe DOI VOI HE SO

NGUON DIEM CHUAN

Thành phố Hồ Chí Minh — Năm 2022

BỘ GIÁO ĐỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LY

TP HO CHi MINH

DANH GIA ANH HUONG CAC LOP CHE CHAN

TINH THE DAU DO HPGe DOI VỚI HE SO

NGUON DIEM CHUAN

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Han

Cán bộ hướng dẫn: ThS Lê Quang Vương

Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý

Thành phó Hồ Chí Minh — Năm 2022

BỘ GIÁO ĐỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

KHOA LUAN TOT NGHIEP

ĐÁNH GIA ANH HUONG CÁC LỚP CHE CHAN

TINH THE DAU DO HPGe DOI VOI HE SO HIEU CHINH TRUNG PHUNG TRONG PHEP DO

NGUON DIEM CHUAN

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận, tôi nhận được nhiều sự giúp đỡ từQuý Thay/C6, Anh Chị Bạn bè và Gia đình Vì vậy tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành

nhất đến với những người đã đồng hành cùng tôi trong quá trình thực hiện khóa luận.

Đặc biệt nhất, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy Lê Quang Vương — người hướng

dan khoa học, Thay đã tận tình hướng dẫn, luôn khuyến khích và đồng hành cùng tôi

trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận

Q Tôi xin phép gửi lời cảm ơn đến Thay/C6 của Hội đồng chấm khóa luận của

Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hè Chí Minh

đã góp ý và chỉnh sửa dé tôi hoàn thiện khóa luận tốt hơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thay/Cé khoa Vật lý, Trường Đại học Su Phạm

Thành phố Hỗ Chí Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý bau dé tôi có đủ nên

tảng kiến thức dé thực hiện đẻ tài này.

Tôi cũng xin phép gửi lời cảm ơn đến các Anh Chi, Bạn bè tại Phòng Thinghiệm Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Sư phạm Thành pho Hỗ Chí Minh

đã đồng hành, giúp đỡ và động viên dé tôi có thể hoàn thành khóa luận tốt

nghiệp.

Sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến Ba Mẹ và Anh Chị trong Gia đình đã tạođiều kiện tốt nhất dé con hoàn thành khóa luận này

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

HPGe High Purity Germanium Đầu dò bán dan siêu tinh khiết

Chương trình mô phỏng Monte MCNP6 Monte Carlo N - Particle 6

Carlo

True Coincidence Summing ã

TCS Hệ sô trùng phùng thực

factors

Evaluated Nuclear Structure ;

ENSDF Co sở dữ liệu cau trúc hạt nhan

Data File

il

DANH MỤC BANGBang 2.1 Thông số cau hình đầu dò HPGe GEMSOP4-83 - 11

Bảng 2.2 Thông tin nguồn chuẩn phat gamma trong mô phỏng 12

Bang 3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan với cấu hình dau dd HPGe không

Bảng 3.5 Hệ số trùng phùng từ chương trình MCNP-CP va độ sai biệt hai cau hình

đầu đò không góc bo và có góc bo ở khoảng cách 6 em, § em - - 20

Bang 3.6 Hệ số trùng phùng từ chương trình MCNP-CP va độ sai biệt hai cầu hình đầu dò không góc bo và có góc bo ở khoảng cách 10 em 2 -+- 20

Bảng 3.6 Hệ số trùng phùng từ chương trình MCNP-CP và độ sai biệt hai cấu hình

đầu dd không góc bo và có góc bo ở khoảng cách 10 em (tiếp theo) - 21

ili

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1.1 Đường cong hiệu suất ghi đính năng lượng toàn phan của đầu đò đồng trục

Hình 2.1 Cau hình đầu đò mô phỏng đầu dd HPGe (2.1a) không bo góc và (2.1b) có

bo góc sử dụng chương trình MCNP6 SH ni 10

Hình 3.1 Hiệu suất ghi đỉnh từ mô phỏng MCNP6 với cau hình không góc bo và có BOC DOG KhOang CECH ZiCMD :-¡::ssiscisiiieiiciiS0020102211014214311654115614551844115215864856532548526836 14

Hình 3.2 Hiệu suất tông từ mô phỏng MCNP6 với cau hình không góc bo và có góc

BOG Khoảng Cách 2 CM ‹i cccccccoc coi tinniinatiinSin101026128061116112614861416113614566138413868168118535568538 16

IV

MỤC LỤC

LỚI CẢ MO eccscccneeineeoniesiotiiS01015111211101333133381835168113308293618530005388813381885188503058356 i

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TA vesssscsssssssssssssssssossssnssoncssasssacsssssssecasssssassasssvasssais ii DANH MU BAIN Go co vesscusscsssteceeasseatsssssosstacnies iii

DANHMUCHINH ANH sissssssssssscsssssssssssssssscnsscnsscnsssssssssssassssssssssasssnssassssseseussesssis iv

EODMOOĐDAU ẻ ẽ ẽ õ 7 ẽẽsẽẽãẽÄẽÄãaÄa ăn cổ ẽa ẽẽă nã |

CHƯƠNG 1 TONG QUANacecccceeeoeiroooeoooooeccoooooioooooooooairtitcooootoooooootioooosgasaanoae 3

1.1 Tình hình nghiên cứu về van dé liên quan đến khĩa luận 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới 2- 52-55255222 cvvcrvccrxrersrcsrrcrei 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam < << sms E.eeeesesesnesre 4 1.2 Cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xa gamma với vật chất -. : 5

1.3 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng tồn phần 2 2 s2 ©ccse£vszeccsee 6

2.2 Nqudn chuan trong m6 phOng cccsssssssesseessvesseesseessecsseessvensvessvesaenseesneeaneeeeeess ll

5:3.(Chương:tình AC NPAC iinsaaeanaiesnnbniattbitiliiiiiitigi03010033183012508861800185008G 12

2.4 Tĩm tắt chương 2 eecseecsessssessesssessuessseesueesuessncesnessnsesveesecesncssscesncsneceneceuesnneenseess 13

CHUONG 3; KET QUA: VÀ THẢO LUẬN sissssssssssssvsasssssssssscsssscssisssasssssecsassvasens 14

3.1 Hiệu suất ghi đình nang lượng tồn phan và hiệu suất tổng trong mơ phỏng T7 14

3.2 Hệ số trùng phùng (TCS) hai cau hình đầu dị - 2 +2 cszcc+zzccsz 18

3.3 Đánh giá ảnh hưởng cấu hình đầu dị đối với hệ số hiệu chỉnh trùng phing 21

Siát Ti RCHWOTIE Soi ace n011011801661100210127202102210022T0E002210218611051101135603570861120112810291122 22 RET LU AN bugggggggggggẽgaaỷaaadrroodotoiiitiidoiototoititgtsigigiosigssssei 23

Tate | 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO sssisssssnsssasssscsssanssscsssssssssnssssnsssvassonsssvsssanssesassasssssasesnissians 25

PHU LC ce cscccseesscsnsseoseessecsssesseessovessesseccccesoceocnceessensevnsesauecensenssessoressevsucseasoseesncsece 27

LỜI MỞ ĐẢU

Hệ phô kế gamma với đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) được

sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu đề xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nhờ

vào một số ưu điểm như: độ phân giải cao, độ nhạy tốt trong vùng năng lượng từ 60keV đến 2000 keV, [6] Điều cần thiết trong việc xử lý phô gamma là xác địnhhiệu suất đỉnh năng lượng toàn phân ứng với cấu hình đo thực nghiệm Từ đó, phântích đặc điểm, tính chất và các thông số cầu hình đầu dò dựa vào đường cong hiệu

suất xây đựng được [2] Tuy nhiên, khi tiền hành thực nghiệm thì giá trị hiệu suất

đỉnh năng lượng toàn phần thường bị sai lệch so với giá trị thật của nó bởi ảnh hưởng

từ phông môi trường và từ các hiệu ứng như hiệu ứng tự hap thy, hiệu ứng trùng

phùng [5] Hiệu ứng trùng phùng xảy ra khi hai hay nhiều photon phát ra từ đồng vịphóng xạ được đầu dò ghi nhận đồng thời trong thời gian đáp ứng của đầu dò và kếtquả là đầu đò ghi nhận nó thành một xung duy nhất, đây là loại hiệu ứng được khóaluận quan tâm Vì vậy, đẻ hiệu chỉnh giá trị hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

can xác định hệ số trùng phùng Hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào các yếu tô như:

hình học nguồn và đầu do, khoảng cách giữa nguồn va đầu do, năng lượng bức xạ

gamma phát ra từ nguồn và phụ thuộc vào các lớp che chắn tinh thé đầu đò HPGe của

từng cau hình mô phỏng khác nhau Phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương

trình mô phỏng MCNP6 thu được kết quả độ cao xung, đây là cơ sở dé tính toán hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan và hiệu suất tng ứng với mức năng lượng quan

tâm khi biết đặc trưng chỉ tiết của cầu hình đầu dò, mẫu đo và sự bé trí giữa chúng

Đề khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng trùng phùng với cấu hình mô phỏng có các lớp

che chắn, khóa luận thực hiện với tên dé tài “Danh giá ảnh hưởng các lớp che chắn

tinh thê đầu đò HPGe đỗi với hệ số hiệu chỉnh trùng phủng trong phép đo nguồn điểm chuẩn”.

Nội dung khóa luận thực hiện được chia thành ba chương:

Chương 1: Tổng quan Trong chương nay, tôi trình bày về một số công trình

nghiên cứu liên quan đến dé tài khóa luận; cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ

gamma với vật chat; hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phân; hiệu suất tông; hiệu ứng trùng phùng.

Chương 2: Déi tượng và phương pháp nghiên cứu gồm có đầu dò HPGe, nguồn

chuẩn trong mô phỏng, chương trình MCNP-CP.

Chương 3: Kết quả và tháo luận Ở chương nảy, tôi trình bày về kết quả hiệusuất ghi đình nang lượng toàn phan và hiệu suất tông thu được từ mô phỏng MCNP6;

hệ số trùng phùng (TCS) với hai cau hình đầu do; đánh giá hệ số trùng phùng giữa

hai cầu hình mô phỏng

b2

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 Tinh hình nghiên cứu về van đề liên quan đến khóa luận

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thé giới

Năm 1993, Menno Blaauw [2] đã xác định đường cong hiệu suất tuyệt đỗi của

đầu dd Germanium hiệu suất cao với việc sử dụng nguồn phat tia gamma trùng phùng.Đường cong hiệu suất có thể được xác định bằng một số phương pháp, từ phươngpháp thuần lý thuyết đến cả những phương pháp chỉ có thực nghiệm Trong bài báo

này, tác giả đã sử dụng phương pháp xác định hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng và hoạt

độ của nguồn trong cùng một lúc Đây được coi là sự kết hợp giữa phương pháp

Semkow's và nhiêu phương pháp cũ được phát triển dé xác định giá trị hoạt độ nguồn

bằng cách dựa trên những thông tin của đỉnh tông Ý tưởng này cho ring nếu dùngđường cong hiệu suất dé tính đến hiệu ứng trùng phùng Dong vị *°Br được sử dụng

đo trên đầu đò này dé xác định đường cong hiệu suất Sau đó, “Eu sử dụng đườngcong hiệu suất này đề tính toán và kết quả so sánh với thực nghiệm

Năm 2007, tác giả DuSan Novkovic [1] và các cộng sự dùng phương pháp mới

dé tính toán trùng phùng của tia X vả tia gamma trong phép đo phé gamma của “Co, 13°Ce sử đụng hệ phô kế HPGe Phương pháp mới nay dùng đẻ rút ra phương trình

tốc độ đêm và cho phép xác định hiệu suất ghi đính cũng như hoạt độ của nguồn

Nguồn gốc xuất phát của các phương trình tính tốc độ đếm cũng được xác định qua

các chương trình tính toán Các phương trình tốc độ đếm đôi với “Co phức tap trong

quá trình giải, dé đơn giản cho giải phương trình nhóm tác giả sử dụng chương trình

Wolfram Research Mathematica có thé phục vụ cho việc xác định hoạt độ của nguồn

được đo Tương tự như *’Co, việc xác định hiệu suất ghi đỉnh và hoạt độ của !°*Ce

cũng được thực hiện bằng chương trình Wolfram Research Mathematica.

Năm 2007, tác giả Tim Vidmar và các cộng sự [3] tính toán hệ số hiệu chính

trùng phùng tông cho các nguồn thẻ tích Trong phép đo phô gamma hệ số hiệu chỉnh trùng phùng đối với các nguồn thể tích có thé được tính toán từ hiệu suất ghi đỉnh

năng lượng toàn phan và hiệu suất tông nếu mau do là nguồn điểm gọi là hiệu suất

theo năng lượng Phương pháp này được mô tả nhằm xác định đường cong hiệu suất

theo năng lượng với mục đích phân tích các mẫu đo trên đầu dò HPGe loại p trong

3

phép đo phô tia gamma môi trường và kết quả đã được xác định thành công dựa trên

thực nghiệm Đầu dò HPGe cần được hiệu chuẩn bằng nguồn điểm hoặc nguồn thé tích và đường cong đính tông được xác định bằng mô phỏng Monte Carlo Nhóm tác giả đã phát triển phương pháp tính hệ số hiệu chỉnh trùng phùng đối với các mẫu trụ dựa trên phép đo hiệu chuẩn của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và đường cong

đỉnh tông được xác định bằng mô phóng Monte Carlo

Năm 2020, tác giả S Jonsson và các cộng sự [Š] xác định hệ số hiệu chỉnh trùng

phùng của ‘Ba, Bu và Sb đối với nguồn thê tích Hệ số hiệu chính trùng phùngcủa Ba, Eu và !?*$b được xác định bằng thực nghiệm và so sánh với hệ số hiệu

chỉnh thu được từ ba phan mềm EFFTRAN-X, GESPECOR và VGSL Phương pháp tính toán này đã được sử dụng cho nhiều công trình nghiên cứu trước đây Tuy nhiên mức độ chính xác của mỗi phần mềm chưa được chi rõ mà chi cho biết sự phù hợp

của kết qua tính toán từ các phần mềm với độ lệch tôi đa là 3,79%

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Năm 2017, tác giả Phù Chí Hòa và các cộng sự [9] tính toán hiệu ứng trùng

phùng tông của đầu dò HPGe và hiệu ứng tự hấp thụ gamma trong mẫu bằng phương

pháp m6 phỏng Monte Carlo, Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng chương trìnhGEANT4 dé mô phỏng đầu dò HPGe-PGNAA của Viện nghiên cứu Hạt nhân Da Lạt

và các giá trị hiệu suất ghi, hệ số hiệu chính trùng phùng thực, hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tông với các khoảng cách đặt nguồn của nguồn '*Eu trong vùng năng lượng

từ 121,8 keV đến 1408 keV Kết hợp với việc xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng

chương trình GEANT4 cũng được sử dụng dé xác định hệ số tự hấp thụ gamma ở 3

mức năng lượng là 81 keV; 661,6 keV và 1332.5 keV Trong đó, hệ số trùng phùng

tong được xác định băng ti số giữa hiệu suất ghi tuyệt đối của đầu đò khi sử dụngnguồn chuân điểm đơn năng lượng và da năng lượng Các kết qua thu được từ bài

báo có ý nghĩa cho việc hỗ trợ quá trình làm thực nghiệm trong xây dựng đường cong

hiệu suất theo năng lượng có độ chính xác cao trong điều kiện không có nhiều nguồn

chuân.

Năm 2018, tác giá Trần Thiện Thanh và các cộng sự [4] ước tính ảnh hưởng của

hệ số hiệu chỉnh trùng phùng trong phép đo mẫu môi trường trên các nguồn thẻ tích.

4

Trong bai báo này, các tác giả sử dụng 11 nguồn chuẩn gồm ?!°Pb, “Am, !Cd,

Co, "Te, | Sn, Sr, !37Cs, “Co và *Y có dai năng lượng từ 47 keV đến 1836 keV dé xây dựng đường cong hiệu suất đính năng lượng toàn phần Phan mém mô

phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP-CP và phần mềm chuyền đồi hiệu suất

ETNA được sử dụng Hai loại đầu dd HPGe đồng trục loại p được nhóm tác giả sử

dụng với hiệu suất khác nhau là 50% đối với đầu dò GEM50 do hãng Ortec sản xuất

và 35% đỗi với dau dò GC3520 do hãng Canberra sản xuất Các kết quả tính toán hệ

số hiệu chỉnh trùng phùng giữa hai phương pháp có độ lệch tương đối trung bình nhỏhơn 2% Điều này cho thấy rằng có sự phù hợp tốt giữa MCNP-CP và ETNA

1.2 Cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Phô gamma thu được do nguồn phát bức xạ, các bức xạ do nguồn phát ra tương

tác với môi trường xung quanh đầu dò và tương tác bên trong dau dò Khóa luận tập

trung vào quá trình phát gamma của nguồn bức xạ gamma có bản chất là bức xạ điện

từ Không giống như các hạt tích điện alpha, beta tạo ra tín hiệu bên trong dau dò

bang cách ion hóa và kích thích trực tiếp các vật liệu đầu dd Các photon gammakhông được tích điện, do đó không thể được phát hiện bằng cách này Việc phát hiện

ra các bức xạ gamma phụ thuộc vao các tương tác truyền năng lượng cho các vật liệu

bên trong đầu dò Các cơ chế tương tác đặc trưng của gamma bao gồm:

© Hiện tượng quang điện: hiện tượng quang điện xảy ra do tương tác của tia

gamma với các electron liên kết trong nguyên tir, làm cho các electron bit ra

khỏi lớp vỏ của nó Đồng thời phát ra tia X đặc trưng Hiện tượng quang điện

đặc trưng ở vùng năng lượng thấp [8]

© Tan xa Compton: là sự tương tác trực tiếp của tia gamma với một electron và

chuyên một phan năng lượng của tia gamma cho electron Và chuyền động

của tia gamma lệch hướng so với hướng chuyên động ban đầu Tán xạ

Compton quan trọng ở vùng năng lượng trung bình [8].

o Hiệu ứng tạo cặp: là kết quả của qua trình tương tac của tia gamma với nguyên

tử Quá trình này diễn ra trong trường thé Coulomb của hạt nhân dẫn đến việc

chuyên đôi tia gamma có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của

electron là 1022 keV tạo thành một cặp electron — positron Sau đó hủy cặp

5

giải phóng hai photon với năng lượng mỗi hạt là 511 keV Hiệu ứng tạo cặp

chiếm ưu thế ở vùng năng lượng cao [8].

1.3 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

Hiệu suất ghi đỉnh nang lượng toàn phần được xem là thông số có ý nghĩa nhất

trong phép đo phô gamma Và đây chính là xác suất ghi nhận toàn bộ năng lượng của một gamma phát ra trong thê tích hoạt động của đầu dò [7] Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan được tính bằng tỷ số giữa số đếm mà dau dod ghi nhận được tại năng lượng

quan tâm so với số đếm được phát ra bởi nguồn theo công thức [6]:

I

&= Seti { 1.1 )

w«keengmsn

Trong đó:

Nocxtemsinh là số đếm mà đầu đò ghi nhận được tại năng lượng quan tâm.

Noodemngnon là số đêm phát ra từ nguồn.

e là hiệu suất ghi định năng lượng toàn phan

Hình 1.1 cho thay đường cong hiệu suất theo năng lượng của đầu đò đồng trục

loại p sử dụng thang đo logarit Đối với dau đò đồng trục loại p, đồ thị thé hiện mối quan hệ giữa hiệu suất đỉnh theo năng lượng xấp xi tuyến tính trên phần lớn dai năng

lượng từ 130 keV đến 2000 keV Dưới năng lượng 130 keV, hiệu suất giảm do sựhap thụ tại cửa số đầu dd và các lớp che chắn Ở năng lượng trên 3000 keV hiệu suất

sẽ giảm nhanh hơn so với đường tuyến tinh [8]

Nang lượng tia gamma (keV)

Hình 1.1 Dường cong hiệu suất ghi định năng lượng toàn phan của đầu dé đồng trục

loại p [8]

Sau khi xây dựng đường cong hiệu suất ghi đỉnh có thê sử dụng dé nội suy cung

cấp dữ liệu hiệu suất can thiết đẻ chuyên đổi điện tích đỉnh thành hoạt độ nguồn.Chúng ta cần lưu ý rằng phô hiệu chuẩn sử dụng phải đạt được độ dam bảo như

nguôn được đo ở dang nao, điều kiện tiền hành thực nghiệm ra sao, Xét điều kiện lý

tưởng nhất là nguồn diém chuan phát gamma đơn năng với tốc độ đếm thấp và khoảng

cách nguén/dau do hợp lý Tuy nhiên, có một vài lý do đường chuẩn hiệu suất theo

năng lượng có thẻ không đạt được phù hợp khi đối chiều mau thực [8]:

o Khoảng cách nguồn đến dau dò khác nhau

o Hình học nguồn khác nhau

o Sự hấp thụ bên trong nguồn

o Trùng phùng với các khoảng cách gần dau dò

o Phân rã của nguồn khi đếm.

o Các van dé về thời gian dém của hệ điện tử

1.4 Hiệu suất tông

Hiệu suất tông được định nghĩa là xác suất một photon phat ra từ nguồn mat bat

kì năng lượng khác không của nó trong thê tích hoạt động của đầu đò [6] Quá trình

mô phóng khóa luận, giá trị hiệu suất tông được thu thập bằng tông các xác suất tương

ứng tại các đỉnh năng lượng từ dữ liệu đầu ra của chương trình MCNP6.

1.5 Hiệu ứng trùng phùng

Trong quá trình phát tia gamma, khi hai hay nhiều tia gamma (hoặc tia gamma

và tia X) được phát ra từ hạt nhân kích thích trong sơ đò phân rã của đông vị phóng

xạ được dau dò ghi nhận đông thời trong thời gian đáp ứng của dau dò Kết quả là

dau dò ghi nhận các tia gamma tới như một xung Đây được gọi là hiệu ứng trùng phùng Hiện tượng trùng phùng được chia thành ba loại [5]:

o Trùng phùng mat đi là hiện tượng mat số đếm đỉnh

o Trùng phùng cộng thêm là hiện tượng tăng thêm số đêm đinh.

o Trùng phùng lam xuất hiện đỉnh phô mới.

Hiện tượng phat tia gamma của hạt nhân xảy ra khi tia gamma từ mức năng

lượng không bền (hoặc năng lượng kích thích) dé chuyền thành mức năng lượng thấp

hơn (hoặc mức năng lượng có trạng thái bèn hơn) Các mức năng lượng trung gian

phát gamma tùy thuộc vào mỗi đồng vị phóng xạ Thời gian tôn tại một mức năng

lượng không bên vào cỡ 10'° đến 1072 trước khi hạt nhân đó chuyền sang mức năng lượng kế tiếp trong chuỗi phát gamma Ngoài ra, sự xuất hiện hiệu ứng trùng phùng

còn tùy thuộc vào đặc tính ghi nhận bức xạ của đầu dò, đạng hình học của mau do va

sơ đô phân rã của đồng vị phóng xa Khóa luận mô phỏng đầu dd HPGe với thời giancân thiết dé dau dd ghi nhận tia gamma do nguồn phát ra cỡ 107s Thời gian chết củađầu dò HPGe cỡ 4 us đến 6 ps [6] là thời gian dé đầu dd phân biệt các mức nănglượng khác nhau do tia gamma phát ra từ nguồn

Đề nghiên cứu cụ thẻ hơn về 3 loại hiện tượng trùng phing, ta cần nghiên cứu

về sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ Trên cơ sở này, nhằm xác định mối liên

hệ tương quan giữa các mức nang lượng phát ra của các tia gamma và xác suất phátứng với mỗi mức Giá trị số đếm ghi nhận được của mỗi mức năng lượng còn bị ảnhhưởng boi giá trị hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan và hiệu suất tang [7]

lược về cơ sở lý thuyết của tia gamma với vật chất, hiệu suất ghi đỉnh năng lượng

toàn phan, hiệu suất tông và nguyên nhân gây nên hiệu ứng trùng phùng.

9

CHƯƠNG 2 ĐÓI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đầu dò HPGe

Đầu đò HPGe đồng trục loại p với tinh thé germanium bán dẫn siêu tinh khiết

có dạng khối trụ và ở giữa là tinh thé germanium có khoét một giếng hình trụ Bêntrên đầu dò HPGe được bồ trí vùng nghèo là vùng ghi nhận bức xạ do nguồn phát ra

và tại đây xảy ra ba tương tác cúa tia gamma với vật chất là hiện tượng quang điện, tan xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Đề độ phân giải năng lượng của đầu dò không

bị ảnh hưởng trong quá trình thực nghiệm, tinh thể germanium phải được bảo quan

lạnh ở nhiệt độ 77K trong bình chứa nitơ lỏng Bởi vì khi nhiệt độ phòng thay đôi các cặp electron và lỗ trồng bị kích thích nhiệt ngẫu nhiên tạo nên dòng rò từ đó ảnh

hưởng đến độ phân giải năng lượng trong đầu dò [7]

1,33 MeV của “Co Độ rộng nửa chiều cao đỉnh tại 1,33 MeV của “Co đạt 1,9 keV

và tại 0,122 MeV của '“Co đạt 0,9 keV Hau hết đầu dỏ được chế tạo từ tinh thể

Germanium loại p có lớp chết ngoài là Lithium khuếch tán có độ dày 0,7 mm và độ

đày lớp chết trong là 0,3 um được chế tạo từ Boron cấy ion [15] Mô phỏng đầu dò

HPGe của khóa luận sử dụng các thông số kích thước được trình bày trong Bảng 2.1

và tập tin đầu vào của mô phỏng MCNP6 được trình bày trong Phụ lục A Ứng với

các khoảng cách đặt nguồn khác nhau trong chương trình MCNP6 thu được giá trị

10

phân bố độ cao xung và tính hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần tương ứng dựa

vào độ cao xung thu được.

Bang 2.1 Thông số cấu hình dau dò HPGe GEMSOP4-83

Thông số hình học Giá trị (mm)

Đường kính tinh thé 65,9

Chiêu cao tinh thé 77.0

Đường kính hoc trong tinh thê 11,5

Độ sâu hốc trong tinh thê 64,9

Bè dày lớp chết ngoài 0.7

Bè day lớp chết trong 0,0003

2.2 Nguồn chuẩn trong mô phỏng

Khóa luận sử dụng một số nguồn phát gamma dạng điểm gồm Co, “Co, *Y,

!33Ba với các thông tin năng lượng và cường độ phát được trình bày trong Bảng 2.2.

Các nguồn chuân sử dụng mô phóng được tham khảo từ bài báo của tác giả S Jonsson

[10] và tác giả Trần Thiện Thanh [4] Giá trị năng lượng và cường độ phát gammacủa 4 nguồn chuẩn được lay từ cơ sở dit liệu Nucléide — Lara/ Laraweb [11] Larawebcho phép tìm kiếm thông tin dữ liệu khoảng 400 đồng vị phóng xạ được đặc biệt quan

tâm trong lĩnh vực hạt nhân như đo phổ gamma, phô alpha và tia X Với các thông

tin trang web cung cap cho người dùng là chu kì bán ra, các đồng vị con, cường độ

phát gamma, X và alpha cho mỗi đồng vị được chọn theo tiêu chí người dùng đưa ra

[14] Ở đây, khóa luận sử dụng cường độ phát của tia gamma tương ứng với mỗi đỉnh

năng lượng cho quá trình mô phỏng.

1]

Bang 2.2 Thông tin nguồn chuan phat gamma trong mô phỏng

Đồng vị Năng lượng keV Cường độ phat gamma (%)

356.0 62,05 + 0,19

383,9 8,94 + 0,06

2.3 Chuong trinh MCNP-CP

Chương trình MCNP-CP là phiên ban nâng cap của MCNP6 cho phép mô ta

đầu vào với đồng vị phát gamma nối tang Trong đó, thông tin cơ bản của nguồn về

tính chat phân rã của hạt nhân phóng xạ được lây tử tệp Cơ sở Dữ liệu Cau trúc Hạt

nhân (ENSDF) Phiên bản MCNP-CP thực hiện quá trình mô phỏng thông kê đi kèm

với sự phân rã phóng xạ của một sé-hat nhân Trong mô hình phân rã của MCNP-CP xét đến sự phát xạ của tia gamma theo tang; năng lượng của electron ở phân rã j'; sự

hủy các photon đi kèm với phân rã *; Số lượng, loại, năng lượng và thời gian phát

được lấy mẫu theo các đặc tính của sơ dé phân ra của một hạt nhân phóng xạ cụ thê

từ Cơ sở dit liệu ENSDF Và phiên ban nâng cấp này cũng là công cụ mạnh mẽ đề dự

12

đoán về hiệu suất phát thông qua phô y và phỏ , cũng như dùng dé tối ưu hóa cầu

trúc và chế độ hoạt động của các phép đo khi sử dụng nguồn bức xạ thực [12] Mô

phỏng MCNP-CP với khai báo có trùng phùng và triệt trùng phùng là tính năng độcđáo của phiên bản MCNP-CP mà khóa luận dang dé cập đến

Tập tin dữ liệu đầu vào của chương trình MCNP-CP gồm có 3 phan Cell Cards

(thẻ ô) Surface Cards (thẻ mat) va Data Cards (thẻ dữ liệu) Trong khai báo thẻ dữ

liệu trong mô phỏng MCNP-CP, thông tin nguôn được khai báo dưới dạng ZAM =

zzzaaam dé chi hạt nhân phóng xa str dung trong quá trình mô phỏng MCNP-CP.Trong đó, zzz dé chi số hiệu nguyên tử của đồng vị phóng xa, aaa là số khôi của đồng

vị phóng xạ sử dụng, m là chỉ số đồng phân của hạt nhân phóng xạ Khai báo CPS

-1 trong mô phỏng MCNP-CP dùng đề chỉ ra mô phỏng triệt trùng phùng với hiệu suất

thu được tại đỉnh năng lượng triệt trùng phùng là eo, mô phỏng có trùng phùng với

giá trị hiệu suất thu được tại đỉnh năng lượng có trùng phùng là z Trong khóa luận này, chương trình MCNP-CP được sử dụng dé thực hiện mô phỏng với 4 nguồn điểm

Co, “Co, *Y, !3*Ba, các khoáng cách đặt nguồn trên trục dau dd từ 0 em đến 10

em, gia số là 2 em.

Hệ số trùng phùng (TCS) được tính dựa vào tỉ số hiệu suất tại đỉnh năng lượngtriệt trùng phùng và hiệu suất tại đỉnh năng lượng có trùng phùng theo công thức [4]:

TCS==2 (2.1)

£

Trong đó:

TCS là hệ số trùng phùng

£o là hiệu suất tại đỉnh năng lượng triệt trùng phùng.

e là hiệu suất tại đỉnh nang lượng có trùng phùng.

2.4 Tóm tắt chương 2

Ở chương 2, khóa luận đề cập đến các thông số kích thước đầu dé HPGe dé xây

dựng cấu hình đầu dò HPGe trong mô phỏng MCNP6 Đồng thời, giới thiệu chương

trình MCNP-CP là chương trình chính sử dụng dé xác định hệ số trùng phùng tại

những đỉnh năng lượng quan tâm của 4 đồng vị Ba, '“Co, “Co và *Y

13

CHUONG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN

3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan và hiệu suất tông trong mô phỏng

MCNP6

Khóa luận sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ '?Co, Co, *Y, "Ba với các

thông tin về năng lượng, cường độ phát gamma của mỗi đồng vị được trình bày trong

Bang 2.2 Dai năng lượng của các đồng vị “Co, “Co, *Y, Ba sử dụng trong mô

phỏng tir 79,6 keV đến 1836.1 keV Vì các mô phỏng có số lịch sử là 1 tỷ hạt nên sai

số tương đối nhỏ hơn 0,01 % và có thé bỏ qua Kết qua m6 phỏng bằng chương trìnhMCNP6 của các đồng vị với hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần tương ứng với

các giá trị năng lượng tại khoảng cách 2 cm của cấu hình đầu đò không góc bo và có

góc bo thé hiện trong Hình 3.1 Giá trị hiệu suất ghi đỉnh va độ sai biệt ở khoảng cách

2 em đổi với hai cau hình đầu đò được trình bày ở Bảng 3.1.

Nang lượng (keV)

Hình 3.1 Hiệu suất ghi định từ mô phỏng MCNP6 với cau hình không góc bo và

có góc bo ở khoáng cách 2 cm

lá

Từ đỏ thị Hình 3.1 ở khoáng cách 2 cm, có thé thấy hiệu suất ghi đỉnh của cầu

hình đầu dò không bo góc lớn hơn hiệu suất ghi đỉnh cau hình dau dò có bo góc ở vùng năng lượng thấp, đối với vùng năng lượng cao hiệu suất ghi đỉnh cia hai cầu

hình đầu dò gần như có độ sai biệt ít dưới 2%

Bảng 3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần với cau hình dau dd HPGe không

góc bo và có góc bo ở khoảng cách 2 cm từ chương trình MCNP6

Hiệu suất ghi đỉnh và độ sai biệt

Đồng vị Năngng SSE CC ves

keV Không góc bo (e2) Cégécbo(e:) RD(%)

Đồ thị hiệu suất ghi định năng lượng toàn phan của các đồng vị tại các khoảng

cách 0, 4, 6, 8, 10 cm của hai cầu hình đầu dé được tác giả trình bày ở Hình PB.1 Phụlục B Kết quả giá trị hiệu suất ghi đỉnh thu được từ mô phỏng MCNP6 của hai cau

15

hình đầu do và độ sai biệt tương đối giữa các khoảng cách 0, 4, 6, 8, 10 cm được tác

giả trình bày ở Bảng PC.1 đến Bảng PC.3 Phụ lục C Giá trị độ sai biệt lớn nhất về hiệu suất ghi đỉnh là 14,76% tại 4 cm ở đính năng lượng 79,6 keV của đồng vị Ba

và giá trị độ sai biệt nhỏ nhất về hiệu suất ghi đỉnh là 0,93% tại 0 cm ở đỉnh nang

lượng 1836,1 keV của dong vị **Y ứng với hai cau hình dau dò.

0.08

0.07

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Năng lượng (keV)

Hình 3.2 Hiệu suất tong từ mô phóng MCNP6 với cau hình không góc bo và có

góc bo ở khoảng cách 2 em

Đồ thị Hình 3.2 là kết quả hiệu suất tông bằng mô phỏng MCNP6 của các đồng

vị "Co, “Co, *#Y, Ba với các giá trị năng lượng tại khoảng cách 2 em đối với cau hình đầu đò không bo góc và có bo góc Hình 3.2 cho thấy giá trị hiệu suất tông với

cầu hình đầu dò không bo góc lớn hơn giá trị hiệu suất tông của cầu hình đầu dò có

bo góc Giá trị hiệu suất tông và độ sai biệt ở khoảng cách 2 em đối với hai cầu hình

đầu đò được trình bày ở Bảng 3.2.

16