Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(T1) bằng phương pháp Monte Carlo

Độ lệch chuẩn của phân bó đỉnhDanh mục các chữ viết tắt và thuật ngữ Chữ viết tắt | HPGe | High pure Germanium Germanium siéu tinh khiét Bê rộng toàn phân ở nửa chiêu cao đỉnh FWHM : năn

ẳ é BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

HIEU CHINH CAC THONG SO KY THUAT CUA DAU DO

Nal(Tl) BANG PHUONG PHAP MONTE CARLO

LUẬN VAN TOT NGHIỆP DAI HỌC

Thanh pho Hỗ Chi Minh — 2016

Ae AS

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

KHOA VẬT LÝ

& Lies

HIỆU CHINH CAC THONG SO KY THUAT CUA DAU DO

Nal(Tl) BANG PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO

Chuyén nganh: Vat ly hoc

Mã số: 52440102

Giảng viên hướng dẫn: TS HOÀNG ĐỨC TAM

Sinh viên thực hiện: NGUYÊN THỊ TIÊN

Thành pho Hỗ Chí Minh - 2016

LỜI CẢM ƠN

Đề hoàn thành luận văn nay ban thân tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và

động viên từ quý thay cô, gia đình và bạn bè.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Hoàng Đức Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực

hiện dé tài luận văn Trong quá trình thực hiện luận văn, thay không những truyền cho

tôi ý tưởng, cung cấp những định hướng mà còn đưa ra những nhận xét quý giá giúp tôi

gỡ bỏ những khó khan, giúp tôi chinh sửa và hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tat cả Thay, Cô Khoa Vật lý, trường Dai học Sư phạm

thành phố Hồ Chí Minh đã cung cap cho tôi những kiến thức trong quá trình học dé tôi

có khả năng hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cảm ơn ba mẹ của tôi đã hi sinh cả cuộc đời nuôi nắng và cho các con

được học hành ba me là chỗ dựa tinh than vững chắc, là nguồn động viên mạnh mẽ nhấtđối với tôi

Tôi xin cảm ơn những người bạn của tôi, những người luôn cô vũ, giúp đỡ tôi

CHU ONG 1; TONG QUÂN:¿:::<:cccc 2220 0202G2020000210223000036126631030330695638633303385336 1

1.1 Tương tâc giữa bức xa gamma vă vật Chat 00.00 ceecsseecesccsseessessseesseesseessseesneesneeene 1

1.1.1 Một số tính chat của bức Xa gamma 0222 2t 2202222222211 111 11 <1 se |

1.1.2 Câc cơ chế tương tâc của bức xạ gamma với vật chất -:- |

1.1.3 Câc đặc trưng của phô #aimma - +22 S222 S22 S2 S322 ESeErcrrrcsrrces 10

1.2 Hệ phô kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nhây 2-55c 55s S212 221211221 c6 il

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ phổ kế gamma © 222 ©2222S2Z22EE222Z22Z2zzv 111.2.2 Cau tao vă nguyín tắc hoạt động câc bộ phận của đầu dò nhấp nhây 131.2.3 Khả năng phđn giải vă hiệu suất ghi của dau dò nhấp nhây l6

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHÒNG MCNP -ceceeecee 192.1 Giới thiệu chung về phương phâp Monte Carlo vă chương trình MCNP 19

2.2 Câc đặc trưng của chương trình mô phóng MCNE ĂĂcS«ceerree 21

CHUONG 3 KHAO SAT VA HIEU CHINH CAC THONG SO KY THUAT CUAĐẦU (DO NHAP NHĂ sisitsisecccsisiccssinnmnanmnimnnnennnnunmnimenen 293.1 Xđy dựng bộ đn aaấ 29

00), (0MEBIBIBBỮBseseeiiiiiieniiriiiiiiibititstitstitratoratozg45850795358535853g258535823053583858587 29

3.1.2 Kiểm tra khả năng mô phóng của tệp đầu văo :-5 :ccsccvcsvcos 323.2 Khảo sât, đânh giâ va hiệu chỉnh câc thông số kỹ thuật của đầu dò 35

KETTUN ae

Tài liệu tham khảo - L1 1222121112011 111 201111 1n KH nu Set

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ

Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Chú giải

Tốc độ ánh sáng (c=3x10* m/s)

SN Năng lượng gamma tới, gamma sau tin xa

mm Năng lượng liên kết các electron trên các lớp trong nguyên tử (với i = K

| em Tiết diện tan xa Thomson (6), = A =m = 6,65 10 cm?)

| Khối lượng nghi của electron (mM, =9,1x10Ê! hay me? =0,51 IMeV )

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan

Hiệu suất đinh năng lượng toàn phần mô phỏng

Hiệu suất định năng lượng toàn phần thực nghiệm

Độ lệch chuẩn của phân bó đỉnh

Danh mục các chữ viết tắt và thuật ngữ

Chữ

viết tắt

| HPGe | High pure Germanium Germanium siéu tinh khiét

Bê rộng toàn phân ở nửa chiêu cao đỉnh

FWHM :

năng lượng toàn phân

Full width at tenth maximum | Độ phân giải ở 1/10 chiều cao cực đại

FEPE | Full- energy peak efficiency | Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan

Tiếng Anh Tiếng Việt

MCNP | Monte Carlo N-Particle Chương trình mô phòng Monte Carlo

Number of particle histories Số lich sử hat

Photomultiplier tube Ong nhân quang điện

Relative error Sai số tương đối

a Relative deviation Độ lệch tương đối

La bán điện cực dương đóng vai trò thu góp

điện tích

Là bản điện cực thực hiện quá trình

nhân electron quang điện thông qua phát

Là màn cảm quang âm cực đóng vai trỏ

một điện cực tích điện âm có phủ một lớp

hợp chất cảm quang, khi có một một lượng

Photocathode ; ;

tử ánh sáng có năng lượng đủ lớn đập vào

thì năng lượng hấp thụ gây ra phát xạ điện

tử theo hiệu ứng quang điện.

Danh mục các bảng

Bang 2.1 Một sé loại mặt cơ bản được định nghĩa trong MCNP 23Bang 2.2 Một số hàm dựng sẵn cho phân bố xác suất nguồn - - 2655552 25Bảng 2.3 Chú giải sai số tương đối R 2 22222 E222EEE2EEECEEECEEEEEEErrrrerrrerrrcee 28

Bảng 3.1 Hiệu suất định hap thy năng lượng toàn phan theo mô phỏng và thực nghiệm

với các thông số của nhà sản xuất và lớp AlzO› dày lmm 5-252-©c22 34Bảng 3.2 Hiệu suất định hap thụ năng lượng toàn phan theo mô phỏng với các giá trị bề

dày PMT khác nhau của đầu dÒ - oc out chung xx1x112410241028 z6 35Bảng 3.3 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề day PMT 2-22-2222c22Zzscczzzcv 36

Bảng 3.4 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng dau đò chỉ với

510811001 00181/10 007 H ÔÒỎ 38

Bảng 3.5 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng dau đòvới khôi

th hiế NaI(T)vàl6p AbO›däy MAMI ssssasssascssesscessnesivessvesnsezssearseasinessnaiincsssesssenssensacai 39 Bảng 3.6 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng dau đò với khối tinh thê Nal(TI), lớp Al2Os và lớp silicon day 2mm - 6 2c 5s5scccsccvzeo 40

Bảng 3.7 Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan theo mô phỏng với các giá trị bềday của lớp nhôm trước tinh thẻ đầu đò - ¿St 0 21111221011 11 12 g1 re, 4]Bang 3.8 Độ lệch tương đối khi thay đôi bê day lớp nhôm trước tinh thé của dau dò 42

Bảng 3.9 Hiệu suất mô phỏng dau dò với các giá trị bề day lớp silicon 43

Bảng 3.10 Độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đôi bề day lớp

SÍHCÏ,2sti:st64105541233576411643554355455504555439948554858565846884685546583688438834653935436804988448843184878ã384315833844 44

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện - Ă- SSà SH ng re 2

Hình 1.2 Minh họa sự phát tia X và electron ÀUE€F cuc nsH HH Ha nan 3

Hình 1.3 Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [2| 4Hình 1.4 Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự đO - s5: 222222 222 22022221121172122222xv 2 5Hình 1.5 Phân bồ tiết điện tán xa Compton theo góc tán xa tính theo công thức Klein-

Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ IkeV đến 10MeYV [7] 6

Hình 1.6 Minh họa hiệu ứng tạo cặp clectron-pOSIFOI: chớ 8

Hình 1.7 Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [ 14] 9Hình 1.8 Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng theo năng lượng gamma và số nguyên

BOG ZN lasscasscasscasesassssasscasscasscnsssansacasscarscasseasscansssazscasscasscasscasseaassaaascasscasccasscasscasasasasaassaazse 9

Hình 1.9 Minh họa các đỉnh đặc trưng của phd gamma csseee0sssesssecseesseeseeeeeeeees 10Hình 1.10 Minh họa quá trình hoạt động của hệ đo dùng dau dò nhấp nháy 13

Hình 1.11 Nguyên tắc nhấp nháy [Š] 2+ 22222222222 322322223 EcSrzrrrcrkrcsrrree 15

Hình 1.12 Cac đại lượng độ phân giải định FWHM và FWTM [?] - 16

Hình 1.13 Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phan trong phô gamma phân bố độ

GA01XUEIIEEEiaiiiaaiia0:640i20002551206402500:5610223022:1:223125555210161335665123501133155515351285193381563125313835983E 17

Hình 2.1 Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo 19

Hình 3.1 Cấu tạo về mặt kĩ thuật của Gamma-Rad5 76 x 76mm [ 14] - 29

Hình 3.2 Cau tạo chỉ tiết của đầu đò [8] 2-¿-2222cvvz+tcccrrvrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrce 30

Hình 3.3 Bộ nguồn chuẩn 2-22 22222222 21223322112 112 11221112 1121112211221 112211221 c6 30Hình 3.4 Minh họa các mặt cắt của đầu dò và nguồn được vẽ bằng MCNPS 31

Hình 3.5 So sánh phô thực nghiệm va mô phỏng lần lượt của nguồn Na, "Cs, Co,

ĐT TỊÌ|¿12121951015140560565811416043565318554193863538448845388950844513093584439831083958288387485518438849133148286483838418148 33

Hinh 3.6 Ti sé giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực

PUG IMIG sscsascsasssasssssscasavassrassscsssnasseasnusssasscantsnsssaaseasssasussanseaesasavasatassenssaanssassratisarssssiaeai 34

Hình 3.7 Hiệu suất đình hap thụ nang lượng toàn phan theo mô phỏng với các giá trị bề

đầy PMT khác nhau của đầu đỒ:oscosonsaionnnnnoiiniinniinsttiiiG0iIB10000381000303361084108880880388 36Hình 3.8 Độ lệch tương đối khi thay đôi bề dày PMT của đầu dò - 37

Hình 3.9 Ti số giữa hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan tình theo mô phỏng

dau đò chi với khối tinh thé và thực nghiệm [Ñ] 2 2-£ 2£SS££SS£2S£22zczzrze, 37

Hình 3.10 Ti số giữa hiệu suất định hap thụ năng lượng toàn phan tính theo mô phỏng

dau dò với khối tinh thể, lớp AlzOs và thực nghiệm [8| -.2¿222 252 c25se¿ 38Hình 3.11 Ti số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phan tinh theo mô phỏngdau dò với khối tinh thé, lớp AlzO:, lớp silicon và thực nghiệm [8] 39

Hình 3.12 Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan theo mô phỏng khi thay đổi bèday lớp nhôm trước tinh thé của đầu đò ¿5c 1022122121111 111 1121172122201 40Hình 3.13 Độ lệch tương đối khi thay đôi bề dày của lớp nhôm trước tinh thé đầu dd41Hình 3.14 Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan theo mô phỏng khi thay đôi lớpCee oa ee 42

Hình 3.15 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề day của lớp silicon trước tinh thé dau dò

MO DAU

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, ghi nhận bức xa dong một vai trò quan trọng trong

việc nghiên cứu các đặc trưng của tia bức xạ Ban dau các loại đầu dd chỉ có thé xác định

sự có mặt của bức xạ, sau đó là cường độ của chùm tia và ngày nay có thẻ giúp xác định

đặc trưng phân bố độ cao xung theo năng lượng Hiện nay, có nhiều loại đầu dò được sử

dụng trong ghi do va sau khoảng thời gian dài hoạt động chúng có xu hướng suy giảm

khả năng ghi nhận bởi sự thay đổi các thông số kỹ thuật của đầu dò Theo nghiên cứu[3] chi ra rằng sự thay đôi bê day lớp germanium bất hoạt có ảnh hưởng đến hiệu suất

của đầu dò bán dẫn HPGe và đây là thông số được dé nghị hiệu chỉnh dé làm phù hợp

giữa tính toán mô phóng và thực nghiệm Ngoài ra, theo nghiên cứu [8] thì lớp phản xạ

Al:O› của đầu đỏ Nal(TI) đã được khảo sát và kết quả chi ra rằng bé dày lớp AlaO¬ có

ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò và bề dày được dé nghị là 1,0 mm Vì vậy việc

hiệu chỉnh lại các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp là công việc hết sức quan

trọng.

Trong dé tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu tập trung vào đầu đò nhấp nháy Nal(TI)

bởi nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Đại lượng được dùng cho

công việc tính toán này là hiệu suất ghi của dau đò bởi đây là đại lượng rất nhạy với sự

thay đôi của các thông số kỹ thuật của đầu dò, mà cụ thé là xác định hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phản Kết qua tính toán sẽ được so sánh với thực nghiệm [8] về hiệu suất

đỉnh năng lượng toàn phan và khả năng đáp ứng phd Bộ nguồn “Na, “Mn, “Co, Zan,

Cd, 132Cs, 'Eu sẽ được sử dụng trong mô phỏng MCNPS Đối với nguồn !'?Eu lànguồn da năng sẽ được sử dung để so sánh khả năng đáp ứng phô và không sử dung cho

việc tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan Khao sat, đánh gia va hiệu

chỉnh các thông số kĩ thuật của dau dò nhấp nháy Nal(TI) dé kết qua mô phỏng phù hợp

tốt với thực nghiệm từ đó có thẻ sử dụng kết quả hiệu chỉnh này phục vụ cho công việc

mô phỏng và tính toán sau này.

Đề thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi dựa vào phương pháp Monte Carlo và sửdụng chương trình mô phỏng MCNPS dé tính toán và khảo sát hiệu suất ghi nhận bức xa

của dau đò nhấp nháy Nal(TI) Dựa trên kết quả thu được sẽ hiệu chỉnh các thông số kĩ

thuật của đầu dò Có thê nói hiện nay, các loại đầu dò nhấp nháy được sử dụng rộng rãi

nhờ những ưu điểm riêng của nó, sau khoảng thời gian hoạt động có sự thay đổi các

thông số kỹ thuật của dau dò Vì vậy, yêu cau phải tiền hành khảo sát, đánh giá va hiệuchinh các thông số kĩ thuật do nhà sản xuất cung cấp là van dé rất cần thiết Trong công

trình [8] nghiên cứu vẻ ảnh hưởng của lớp phản xạ AlOs đã được kháo sát và bề dày lớpAlsO› được dé nghị là 1,0 mm Trên cơ sở đó, chúng tôi sẽ tiền hành khảo sát thêm cácthông số kĩ thuật khác của đầu dd bao gồm khối nhôm hình trụ đặc đóng vai trò là ôngnhân quang điện (PMT), lớp silicon, lớp vỏ nhôm, khảo sát đầu đò nhưng chỉ giữ lại tinh

thé Nal(TI) và sau đó thêm từng lớp vật liệu bao quanh tinh thê lần lượt là AlạO:,silicon,

lớp vỏ nhôm.

Nội dung đề tài được trình bay thành ba chương:

- Chương 1: Tông quan trình bày những cơ sở lý thuyết về hiệu ứng quang điện, tán

xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Tìm hiểu một số đặc trưng của phô gamma, khảnăng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dd nhấp nháy Nal(TI)

- Chương 2: Trình bày về phương pháp Monte Carlo và một số kiến thức cơ bản về

chương trình mô phòng MCNP.

- Chương3: Khảo sát, đánh gia va hiệu chỉnh các thông số kĩ thuật của đầu dò Nal(TI)

Mô phỏng đầu dò nhấp nháy với các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất so sánh vớidit liệu thực nghiệm [8] dé kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào Mô phỏng

đầu dd với sự thay đổi các thông số kỹ thuật, tim ra các thông số cho kết quả môphỏng phù hợp tốt với thực nghiệm

vii

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 Tương tác giữa bức xa gamma và vật chat

Bức xạ gamma có khả năng xuyên sâu rat lớn và khi đi qua vật chất chúng bị hap

thụ do tương tác điện từ Tuy nhiên, cơ chế của quá trình này khác với các hạt tích điện

Các hạt tích điện va chạm nhiều với các electron và hạt nhân nên phương bay bị lệchnhiều so với ban đầu, trong khi bức xạ gamma khi qua môi trường vật chất xác suất xảy

ra va chạm với các electron và hạt nhân là thấp hơn so với các hạt tích điện Nguyên

nhân có sự khác nhau này là do lượng tử gamma không mang điện nên không chịu tác

dụng của lực Coulomb tương tác xa tương tác với electron trong miền với bán kính cỡ103m Các hạt tích điện va chạm nhiều với các electron nguyên tử nên dé dang bị làmchậm trong môi trường, có quãng chạy hữu hạn trong vật chất nên có thê bị hấp thụ hoàn

toàn Khi tăng bè dày vật chat thì chùm tia gamma chỉ suy giảm về cường độ mà không

bị hap thụ hoàn toàn nên không có khái niệm quãng chạy

1.1.2 Các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma tương tác với nguyên tử vật chất thông qua nhiều cơ chế khác

nhau, các tương tác này không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện

nhưng có kha năng làm but electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử Cac electron tự do này

bị làm chậm trong vật chất và gây ion hóa tao ra các cặp electron-ion, electron-l6 trong

và các tia gamma thứ cấp Đôi với hệ do gamma, các cặp mang điện tạo ra do quá trình

ion hóa được dùng đẻ đo lượng điện tích do tương tác tạo ra nhằm xác định năng lượng

của gamma tới.

Trong luận văn này dé cập đến việc ghi nhận các bức xạ gamma có năng lượng

nằm trong dãy từ vài chục keV đến dưới 2 MeV chủ yếu xảy ra ba loại tương tác cơ bản

là hap thụ quang điện, tán xa Compton và hiệu ứng tạo cặp Khi đi qua vật chất, bức xạ

gamma bị mắt năng lượng do hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton bởi sự va chạm vớielectron trở nên vượt trội ở vùng năng lượng thấp và trung bình vùng năng lượng cao là

chiếm ưu thé khi đó bức xạ có thẻ tương tác với trường hạt nhân gây ra hiệu ứng tạo cặp

Ngoài ra, các quá trình khác ít xảy ra hoặc không quan trọng trong vùng năng lượng

được dé cập như tin xạ Thomson xảy ra với electron tự do, tán xa Rayleigh xảy ra với

electron các lớp ngoài cùng, cả hai quá trình đều làm thay đôi hướng bay của photon

nhưng không làm mất năng lượng, một số trường hợp photon tương tác với hạt nhân

cũng sẽ không được quan tâm.

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình gamma tương tac với electron các lớp trong của

nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng E = hv cho các electron này Một phần năng

lượng giúp electron thắng lực liên kết trên lớp thứ i (i= K, L, M ) với năng lượng liên

kết là £, (£„ >£, >£„ > ) và một phần năng lượng trở thành động năng E, của

electron bay ra khỏi lớp vỏ nguyên tử, các electron này gọi là các quang electron.

Electron quang điện

Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện

2

Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, một phần nhỏ năng lượng

cũng được truyền cho nguyên tử giật lùi và xem như không đáng kê nên electron thoát

ra khỏi nguyên tử với năng lượng xấp xi theo công thức:

E.=E-£, (1.2)

Từ công thức (1.2) thi động năng cua electron là xác định và được hệ phô kế ghi

nhận hình thành đính năng lượng toàn phan trong phd gamma.

Các clectron trong nguyên tử hấp thụ hoàn toàn năng lượng gamma tới đề thoát

ra ngoài đồng thời dé lại các lỗ trồng Các electron từ các lớp khác trong nguyên tử sẽ

chuyên vẻ lap day các lỗ trong và phát ra tia X đặc trưng Ngoài ra, hiệu ứng Auger có

thê xảy ra khi năng lượng tia X chuyên cho một electron khác trong cùng nguyên tử, làm

birt electron này ra khỏi lớp vỏ nguyên tử và được gọi là electron Auger.

Electron Auger

Hinh 1.2 Minh hoa sy phat electron Auger

Do nang lượng liên kết thay đôi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang

điện 6, không những phụ thuộc vào năng lượng gamma tới mà còn phụ thuộc vào số Z

của vật liệu theo công thức [1]:

6, =const Z.E”” khi E>, (17)

6, =const.Z`.E' khi E>e„ (1.8)

Theo hai công thức (1.7) và (1.8), đối với những vật liệu có Z lớn thì xác xuất xảy

ra hiệu ứng quang điện là lớn ngay cả đối với những tia gamma có năng lượng cao Điềunày có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán khả năng che chắn và hấp thụ các tiagamma năng lượng cao Đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ

xây ra với những gamma có năng lượng thấp dong thời sự suy giảm mạnh tiết diện quang

điện theo năng lượng gamma là lí do vì sao hiệu ứng quang điện là kênh trội của tương

tác giữa gamma với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp

Hình 1.3 Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [1]

Từ hình 1.3 cho ta thấy ở miền năng lượng gamma lớn tiết điện quang điện rất bé

bởi khi đó gamma tới coi clectron có liên kết rất yếu trong nguyên tử Khi năng lượng

gamma bắt đầu giảm thì tiết diện tăng theo quy luật E† và khi E giảm dan đến £„ thì tiết

điện tăng theo hàm E** va đạt cực đại tại E=e, Nếu năng lượng gamma giảm xuốngdưới giá trị ¢, thì hiệu ứng quang điện không thé xảy ra với các electron lớp K nên tiết

điện giảm đột ngột Tiết diện tăng trở lại khi năng lượng gamma tiếp tục giảm bởi lúc

này xảy ra hiệu ứng quang điện đối với electron lớp L và đạt cực đại tại E=¢,, tiết điện

lại giảm đột ngột khi E giảm xuống thấp hơn e, Và nếu năng lượng gamma tiếp tục

giảm thì hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra với các electron lớp M,

4

* Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là quá trình tán xạ giữa gamma với các electron liên kết yếutrong nguyên tử trong đó gamma truyền một phan năng lượng cho electron và sau tán xạ

phương bay của gamma bị lệch so với ban dau, tán xạ này gọi là tán xạ Compton

Hình 1.4 Sơ đô tán xạ gamma lên clectron tự do

Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta tính được năng lượng

gamma sau tán xạ, động năng giật lùi của electron và tìm được mối liên hệ giữa các góc

tán xạ sau va chạm được trình bày theo các công thức (1.9) đến (1.12)

Năng lượng gamma sau tán xạ [12]:

Từ công thức (1.9) cho thấy E: phụ thuộc vào góc tán xạ 0 nên trong phố gamma

thu được nẻn liên tục với các xung mang năng lượng trải đài từ 0 đến năng lượng cực

đại E- Ngoài ra E’ < E và phan năng lượng chênh lệch E- được truyền cho electron giậtlùi Nói cách khác thì năng lượng gamma tới có thê không được hấp thụ hoàn toàn trong

lần tương tác dau tiên vì vậy dé theo đõi toàn bộ quá trình mat năng lượng của gamma

cân xem xét các gamma thứ câp vả tương tác của chúng.

Hiệu ứng Compton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng trung bình từ vài chục keV

đến vài MeV và phụ thuộc vào năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Quá

trình bat đầu xảy ra khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với nănglượng liên kết của các electron lớp trong nguyên tử khi đó có thể xem các electron này

là các electron tự do và hiệu ứng quang điện không còn đáng kê.

Công thức tiết điện tin xa Compton toàn phan theo Klein-Nishina [12]:

; 2(1+

o = 2ar,” ive 2(1+4) _ 1n(1+2ø) +L in(1+20)-—432 (1.13)

a | 1l+2a a 2a (1+ 2a)"

voi r= ` x= 2,82x10!Šm là bán kính electron cô điền.

Hình 1.5 Phân bỏ tiết điện tán xa Compton theo góc tán xạ tính theo công thức

Klein-Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ IkeV đến 10MeV [7]

6

Xét 2 trường hợp giới hạn của tiết điện tán xạ Compton:

Đối với các gamma có năng lượng thắp ( E<€ m,c”) tiết diện tán xa Compton 6,

tăng tuyên tính khi năng lượng gamma giảm và dat xắp xi tiết điện tán xa Thomson được

xác định theo công thức [1]:

26 3

Gc = Gy {I~20+ Ea? + } (1.14)

: ÑT oy ue Q

trong đó Gy, = r, là tiết điện tấn xa Thomson.

Đối với gamma có năng lượng cao (ơ >I hay E>>mc}) thi 6G, được xác định

theo công thức { 1]:

oc =m | 2 +In24, (1.15)

e

a

Từ công thức (1.15) cho thay Ge biến thiên ti lệ nghịch với E ngoài ra trong

nguyên tử có Z electron nên Ø, được xác định [1]:

G, =const Z E7 (1.16)

Hiệu ứng tao cặp

Hiệu ứng tạo cặp là quá trình gamma tương tac với trường điện từ quanh hạt nhân

sinh ra cặp electron-positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron-positron và

nhân giật lùi Do đó, năng lượng gamma tới phải lớn hon hai lần năng lượng nghỉ của

electron (E = 2m c”), trong thực tế xác suất dé hiệu ứng xảy đáng kê là vào khoảng vàiMeV Vậy sự tạo cặp chỉ chiếm ưu thé ở vùng năng lượng cao

Do năng lượng giật lùi là không đáng kề nên theo định luật bảo toàn năng lượng

ta có tông động năng của electron và positron được xác định theo công thức:

E, +E, =E-2m,c* (1.17)

Hai hat electron va positron chuyén dong cham dan trong vat liệu trong đó

electron mat dan năng lượng đẻ ion hóa các nguyên tử môi trường, positron kết hợp với

electron khác gan đó xảy ra hiện tượng hủy cặp electron-positron và hai lượng tử gamma

được phát ra gần như ngược chiêu nhau và mỗi lượng tử mang phan năng lượng là 0,511

MeV.

y, OY \ Electron

Positron : 0.511keV

raed ee

O.S511keV

Hình 1.6 Minh họa hiệu ứng tao cặp electron-positron

Hiệu ứng tạo cặp là kênh trội ở vùng năng lượng cao nên khi xét trong miền năng

lượng Sm.c’ <E<50m,c° thì tiết diện tạo cặp tỉ lệ với Z? Với những vật liệu có số

nguyên tử Z lớn thì tiết điện tạo cặp nằm trong miền năng lượng này là khá lớn Ngoài

ra nó còn phụ thuộc vào InE biéu diễn qua công thức [1]:

Ø;„ = const Z”.lnE (1.18)

Bảng 1.1 Các quá trình tương tác giữa tia gamma với vật chất

| Hiệu r2 lun Hiệu ứng Compton Hiệu ứng tạo cặp

Tương Electron lớp trong Electron lop ngoài của Hạt nhân

tác của nguyên tử nguyên tử

teen | Thấp (<IMeV) Trung bình (0,2-SMeV) | Cao (>1,022MeV)

Tia gamma truyền một Tạo cặp

clectron-Tia gamma truyền | phần năng lượng cho positron Positron mat

toàn bộ năng lượng | electron lớp ngoài năng lượng gặp electron

cho electron ở lớp | nguyên từ và bị lệch và bị hủy cặp, tạo 2

trong của nguyên tử | hướng khỏi bay ban photon có năng lượng

đầu 0,511MeV.

Quá trình

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì quá trình gamma tương tác với vật chat

xảy ra ba hiệu ứng chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.

Vậy tiết điện tương tác tông cộng của ba quá trình:

Ø =0y +6, +5p,, (1.19)

Năng lượng (keV)

Hình 1.7 Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [14]

Hiệu ứng quang Hiệu ứng tạo

càng giảm Với khoảng năng lượng trung bình thì hiệu ứng Compton trở thành kênh trội.

Tiết điện tương tác của hiệu ứng quang điện và Compton rất nhỏ khi năng lượng gamma

tới E>> 2mcŸ và sự hấp thụ gamma trong vùng năng lượng này xảy ra chủ yếu do quá

trình tạo cặp.

1.1.3 Các đặc trưng của phố gamma

Phố gamma là tập hợp những vạch rời rac được ghi nhận thông qua các hiệu ứng

quang điện, tán xạ Compton hoặc hiệu ứng tạo cặp.

dN/dE Dinh quang dién

Dinh |

tan xa Dinh thoat don

ngược | hu Dịnh thoát đôi |

Nên Compton

Cạnh Compton

Hình 1.9 Minh họa các đỉnh đặc trưng của phô gamma Các đính đặc trưng của phô gamma bao gồm:

- Dinh hap thụ năng lượng toàn phan hay đỉnh quang điện được hình thành bởi

năng lượng gamma tới bị mat toàn bộ năng lượng trong đầu dò thông qua hap thụquang điện hoặc một chuỗi tán xạ Compton và kết thúc bang hiệu ứng quang điện

- Vùng Compton là chuỗi các sự kiện nằm trước đỉnh nang lượng toàn phần được

hình thành bởi các tán xa Compton Cạnh Compton là vị trí ứng với góc tan xa

180° Khu vực nằm giữ cạnh Compton và đỉnh quang điện là vùng tán xạ nhiều

lần được hình thành do các sự kiện tán xạ nhiều lần trong đầu dò và mắt toàn bộ năng lượng trong dau đò.

- Dinh tán xạ ngược xuất hiện trong phô do sau khi gamma tán xạ với những góc

10

lớn trong đầu dò và sau đó bị hap thụ Sự đóng góp cho đỉnh tán xạ ngược là khi

tia gamma mắt năng lượng trong đầu dò Tông năng lượng của đỉnh tan xạ ngược

và cạnh Compton sẽ bằng với năng lượng của đỉnh quang điện.

- Dinh thoát đơn và đỉnh thoát đôi được hình thành bởi sau quá trình tao cặp phát

ra hai tia gamma với cùng năng lượng, các gamma này có thé tiếp tục tương tác

với vật chất trong đầu đò hoặc thoát ra ngoài Trường hợp một trong hai tia gamma

hủy thoát ra sẽ tạo nên đình thoát đơn nằm cách đỉnh quang điện một khoảng đúngbằng 0,511MeV Trường hợp cả hai tia gamma hủy thoát ra ngoài tạo nên đỉnhthoát đôi, đỉnh này nằm cách đỉnh quang điện khoảng 1,022MeV

- Dinh hủy là trường hợp positron được tao ra và hủy cặp ở môi trường ngoài đầu

đò, một trong hai tia gamma hủy lọt vào đầu đò năm ở vị trí tương ứng với năng

lượng 0.51 1IMeV.

Ngoài ra trong thực nghiệm còn thu được đính tia X đặc trưng khi tia gamma từ

nguôn có thê thoát ra khỏi đầu dò đến tương tác với vật liệu che chắn xung quanh và kếtquả là ở vùng năng lượng thấp xuất hiện một đỉnh tia X đặc trưng cho vật liệu mà nó

tương tác Trong phé gamma, đỉnh năng lượng toàn phần mang lại nhiêu thông tin hữu

ích và do tính chất của dé tài sẽ sử dung thông tin từ đình quang điện, phần còn lại của

phô có thê coi như phông Trong những tính toán đơn giản thì đỉnh phô gamma xấp xi

theo dang phân bố Gauss:

f(x)= nex OI (1.20)

2A?

trong đó A là độ cao đỉnh, x, là vị trí của đỉnh và A là độ lệch chuẩn của phân bó đỉnh.

1.2 Hệ pho kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ phố kế gamma

% Quá trình phát triển của đầu dò ghi bức xạ tia gamma và tia X

Trong vat lý hạt nhân thực nghiệm, các đầu dò ghi bức xạ đóng vai trò rất quan

trọng trong việc xác định năng lượng và cường độ gamma Ngày nay, nhiều loại đầu đò

đã ra đời chăng hạn ống dém khí, đầu dò nhấp nháy đầu dò bán dẫn, có thê dùng dé

đo gamma, electron, các hạt nặng mang điện.

Nhìn lại các giai đoạn phát triển của thiết bị ghi nhận trong vật lý hạt nhân và hạt

cơ bản thì vào giai đoạn đầu chỉ có thể xác định sự hiện diện của bức xạ, sau đó là đo

được cường độ nhưng vẫn chưa biết thông tin về năng lượng Các nhà khoa học khôngngừng nghiên cứu và phát triển các hệ đo cho đến ngày nay phép đo phổ đã có những

bước tiến mới với sự ra đời của các đầu đò có độ phân giải tốt, hiệu suất ghi cao cho

phép xác định chính xác cường độ cũng như năng lượng của bức xạ Một sô mốc thời

gian đánh dau từng bước phát triển của đầu dò ghi nhận bức xạ gamma và tia X:

Năm 1895, Roentgen bat đầu đo các tia X với những phép đo dau tiên sử dụngcác phương pháp huỳnh quang, chụp ảnh và buông ion hóa

Năm 1908, Rutherford và Geiger phát triển đa dang các loại ống đếm chứa khí

cho phép đo và xác định nhanh chóng sự hiện điện của bức xạ nhưng vẫn chưa

định được năng lượng của chùm bức xạ.

Năm 1948, Hofstadter chế tạo đầu dò Nal(TI) có kha nang đo phô năng lượngtrên một dai rộng có độ phân giải tốt hon so với ống đếm chứa khí, hiệu suất ghi

cao, hoạt độ ôn định, tinh thé bên vững về mặt vật lý và hóa học Đề hấp thụ được

tia gamma năng lượng cao yêu cau tinh thé nhấp nháy với kích thước lớn đã được sản xuất.

Năm 1962, Pell và các nhà nghiên cứu khác cho ra đời detector được chế tạo từ

vật liệu đơn tỉnh thé có ti trọng lớn, đầu đò bán dan Ge(Li) Việc nuôi cay dontinh thé với thé tích lớn là rất khó nên chỉ có đơn tinh thé Si và Ge được sử dụng.Trong đó, đầu dd Ge đo được miễn rộng năng lượng còn Si chủ yếu do photonnăng lượng thấp Đầu đò bán dẫn có độ phân giải cao hơn so với đầu dò Nal

Vào những năm 1980, đầu dd bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe (High purity

germanium) có thé được bảo quan ở nhiệt độ phòng đã được chế tạo nhằm khắc

phục hạn chế của đầu dò Ge(Li) yêu cầu bảo quản thường xuyên ở nhiệt độ nitơ

lỏng (-196°C).

Ngày nay HPGe và Nal(TI) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghiên cứu

bởi những ưu điểm riêng của nó Sau chặng đường dài nghiên cứu và phát triển các hệ

đo bức xạ, các nhà khoa học đã đạt được những thành công vượt bậc mang lại những

12

bước tiền mới trong phép ghi đo phô bức xạ.

% Nguyên tắc làm việc chung của đầu dò nhấp nháy.

Như đã trình bày ngày nay có nhiều loại đầu dò được ra đời Trong nghiên cứu

này, chúng tôi sẽ sử dụng loại dau dé Nal(TI) Đây là loại đầu dò nhấp nháy có độ nhạycao và đáp ứng nhanh, sử dụng tốt trong việc ghi nhận các gamma năng lượng lên đến

vài MeV.

Khi bức xạ gamma vào tương tác với tinh thê nhấp nháy chúng bị hap thụ và

được chuyển hóa thành ánh sáng nhấp nháy Anh sáng này có cường độ rất thấp đượcdẫn qua photocathode nhằm chuyên đôi ánh sáng thành các quang electron và được

khuếch đại trong ông nhân quang điện thông qua các dynode Đến cuối quá trình khuếch

đại thành phan anode đóng vai trò chuyển hóa các quang clectron thanh các xung điện

Các xung điện được khuếch đại qua mạch khuếch đại, sau đó sẽ được phân tích và hiềnthị qua bộ phân tích độ cao xung Nếu xung nằm trong phạm vi cửa số đã chọn chúng sẽ

được ghi lại trong bộ nhớ máy tính.

Nhấp nhảy sáng

Quang electron

Tinh thể Photocathode Anode =

Hình 1.10 Minh hoa quá trình hoạt động của hệ do dùng dau dd nhấp nháy

1.2.2 Cau tạo và nguyên tắc hoạt động các bộ phận của đầu đò nhấp nháy

Dau dò nhấp nháy là tô hợp hai thành phan chính gồm tinh thé nhấp nháy và ôngnhân quang điện Nếu trong điều kiện hai thành phần này phải đặt cách xa nhau chang

hạn tinh thẻ đặt trong từ trường mà ống nhân quang điện không thé làm việc trong môi

trường này thì cần dùng đến phần dẫn quang Phần dẫn quang được chế tạo từ thạch anh

hoặc thủy tinh hữu cơ Một lưu ý quan trọng là mặt kết nỗi với ống nhân quang phải

được đánh bóng can thận nhằm dam bao phản xạ ánh sáng toàn phan

Trong dé tài nghiên cứu này sử dụng đầu đò Nal(T!) hình trụ kích thước 3x3in

có phần dẫn quang rất mỏng chủ yếu đóng vai trò liên kết tỉnh thể và ống nhân quang

Tỉnh thể nhấp nháy

Chất nhấp nháy sử dụng trong ghi bức xạ hạt nhân phải thỏa mãn các yêu cầu cơ

bán Thứ nhất, chất nhấp nháy có hiệu suất phải cao, tức tỷ số năng lượng của các nháy

sáng trên năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy phải lớn Thứ hai, một chất

nhấp nháy tốt phải không hap thụ ánh sáng phát ra bên trong nó Ngoài ra dé đảm bảokhả năng phân giải thời gian cao thì thời gian phát sáng của bản nhấp nháy cần phải nhỏ

Có hai loại chất nhấp nháy được sử dung phô biến là chất nhấp nháy vô cơ và hữu

cơ Chất nhấp nháy vô cơ có thành phân cơ bản là muối halogen của kim loại kiềm được

chế tạo ở dang đơn tinh thé, pha thêm một lượng nhỏ chất hoạt tính (~0,1%) làm xuất

hiện các mức tạp chất gọi là tâm bắt nhăm kích hoạt quá trình phát huỳnh quang

Trong giới hạn của dé tài chỉ trình bày tinh thé Nal(TU) thuộc chất nhấp nháy vô

cơ Tinh thé nhấp nháy sử dụng phô biến nhất là Nal được kích hoạt bởi Thallium (0.1%)

có cường độ sáng rat cao, sử dụng tốt trong hệ phd kế gamma Vì tinh thé này dé hút âm

nên nó được đặt trong vỏ nhôm kín về ba phía, mặt còn lại nối với ông nhân quang điện

Cơ chế hình thành nháy sáng sẽ được giải thích trên cơ sở lý thuyết vùng năng

lượng của chat rắn Các electron trong nguyên tử phân bó trên các mức năng lượng, khi

không bị kích thích các electron chiếm day vùng hóa trị Các trạng thái kích thích caohơn thì các electron sẽ nằm trong vùng dẫn

Khi bức xạ đi vào tỉnh thê nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chấtnhấp nháy trong vùng hóa trị tạo ra lượng lớn các cặp electron-lỗ trồng Các lỗ trồngmang điện tích dương bắt các electron trong nguyên tử trở thành nguyên tử trung hòa.Các electron được tạo ra nhận được năng lượng tối thiêu bằng với độ rộng năng lượng

của vùng trong sẽ chuyền từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Sau đó nhảy xuống vùng cam và

bị các tâm bắt giữ lại Electron tôn tại ở trạng thái kích thích với thời gian cỡ nano giây

14

tùy thuộc vào bản chat tinh thé sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra ánh sáng trong

vùng nhìn thay, đó là anh sáng nhâp nháy.

% Ong nhân quang điện

Khi bức xạ bị hap thụ thì sẽ phát ra ánh sáng nhấp nháy Anh sáng này được dẫnqua cửa số quang có thé là thủy tinh hoặc thạch anh và đập vào bẻ mặt photocathode

Những ánh sáng nhấp nháy sẽ làm bật các electron từ lớp man cảm quang của

photocathode giúp chuyến đổi ánh sáng thành các quang electron Cường độ ánh sáng

càng lớn thì clectron bật ra càng nhiều nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu trong ghi nhận Vì

vậy, các electron này sẽ được gia tốc và hội tụ thông qua điện trường, gọi là lưới hội tụ

hướng các electron này tới dynode Dynode này có nhiệm vụ lam tăng lượng electron

lên bởi nó được chế tạo bằng vật liệu có công thoát điện tử nhỏ và khi bị các electron

bắn phá sẽ bức xạ những electron thứ cấp Những electron thứ cấp này lại được gia tốc

và hội tu tại dynode tiếp theo, quá trình nay được lặp di, lặp lại và điều này làm tăng

lượng electron lên rất nhiều Cuối quá trình là ban anode đóng vai trò thu góp điện tích

và tạo xung lôi ra Sau đó, xung này sẽ được khuéch đại qua mạch khuêch dai.

Như vậy, ống nhân quang điện không những đóng vai trò biến tín hiệu quang học

thành tín hiệu điện mà còn khuếch đại chúng lên rất nhiều lần so với ban đầu Trong thực

nghiệm do hiện tượng bức xa electron nhiệt từ những dynode có thé gây ra những tap

âm nhiệt hoặc có thẻ hệ thông điện áp không ồn định làm thăng giáng thống kê lớn thậm

chí là bị dịch phô Với những lí do này có thê làm xuất hiện biên độ tạp âm gây khó khăn

trong quá trình xử lý phổ Chang hạn, nếu biên độ xung lớn hơn biên độ tạp âm phảidùng bộ hạn chế biên độ Nếu tạp âm quá cao phải tìm cách giảm đến mức tối thiểu,

thông thường cần hạ thấp nhiệt độ của photocathode dé làm giảm tạp âm nhiệt vì xác

xuất bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ

1.2.3 Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dd nhắp nháy

Khả năng phân giải năng lượng của đầu dò

Là một đại lượng quan trọng được đánh giá qua độ rộng các đỉnh phô Độ phân

giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kẻ nhau, giúp ghi nhận được các nguồn yếu khi nó nimchồng lên miễn liên tục Đại lượng FWHM được sử dụng đánh giá độ phân giải năng

lượng là bé rộng toàn phan tại một nửa chiều cao đỉnh, ta có mỗi quan hệ giữa FWHM

và độ lệch chuan A của phân bồ đính [7]:

FWHM = 24/2 In2A = 2,355A (1.21)

Tùy thuộc vào loại đầu dd và năng lượng gamma tới mà FWHM có thé thay đỗi và

thường được làm khớp theo năng lượng có dạng [8]:

FWHM =a+bVE+c E* (1.22)

Trong phô gamma dang của đỉnh phô không hoàn toàn tuân theo phân bố Gauss

và đại lượng dùng đề chi ra đặc trưng của phần đuôi của đỉnh là FWTM, bè rộng toàn

phan ở một phần mười chiều cao của đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan.

Số đếm kênh

Hình 1.12 Các đại lượng độ phân giải định FWHM và FWTM [7]

16

% Hiệu suất ghi của đầu dò

Một gamma tới tương tác với với vật liệu đầu dò chủ yếu theo 3 cơ chế là hap thụquang điện sẽ truyền toàn bộ năng lượng của gamma tới trong đầu đò, còn tán xạ

Compton và tạo cặp chỉ truyền một phần năng lượng hoặc kết thúc của hai quá trình nàybằng hap thụ quang điện cũng sẽ đóng góp vào đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan Dựa

trên đặc tính này về cơ bản có thê chia hiệu suất ghi (xác suất ghi nhận bức xạ) của đầu

đò thành hai loại là hiệu suất toàn phan va hiéu suat dinh

Hiệu suất toàn phan là xác suất các photon phát ra từ nguồn để lại bat cứ nănglượng khác không trong thê tích vùng hoạt động của đầu dò

Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phan là xác suất một photon để lại toàn

bộ năng lượng của nó trong vùng thẻ tích hoạt động của đầu dò, được tính bằng tỉ số

giữa tông số các sự kiện dé lại toàn bộ năng lượng trong dau đò và tông số các photon

phat ra từ nguồn

Trong phô phân b6 độ cao xung vi phân các sự kiện mat nang lượng toàn phan

được thé hiện bởi đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan, tổng số các sự kiện này có thẻ thuđược diện tích đình năng lượng toàn phần bởi một tích phân đơn giản Phân còn lại trong

phô là những bức xạ chỉ mang một phần năng lượng của bức xạ tới.

Số đếm đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phan (N)

với £ là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan; N là điện tích đỉnh năng lượng toàn phan

(số đếm); t là thời gian đo (giây); /, là hiệu suất phát gamma với năng lượng tương ứng;

A là hoạt độ nguồn phóng xa tại thời điểm đo (Bq)

Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan là một trong những đại lượng được

nghiên cứu trong đề tài bởi nó khá nhạy với các thông số kỹ thuật của đầu dò nên thườngđược dùng dé hiệu chỉnh các thông số này

18

CHƯƠNG 2 CHUONG TRÌNH MÔ PHÒNG MCNP

2.1 Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP

Phương pháp Monte Carlo

Là phương pháp thử thong kê sử dung một loạt các thuật toán lay mẫu ngẫu nhiên

dé thu được kết quả số, được đặt theo tên của một thành pho ở Monaco, nơi nỗi tiếng với

các song bạc Việc sử dung phương pháp nay dé mô hình hóa các quá trình vật lý và chophép đánh giá các hệ thống phức tạp đồng thời khắc phục nhiều hạn chế trong thựcnghiệm, cho kết quả đáng tin cậy Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

đã có rất nhiều chương trình mô phỏng vận chuyên hạt bằng phương pháp Monte Carlo

đã ra đời và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu.

Phương pháp Monte Carlo là một công cụ hữu hiệu trong tính toán và giải quyếtcác van dé trong nhiều ngành khoa học trong đó có vật lý hạt nhân Day là phương pháp

được xây dựng dựa trên các nên tảng cơ bản Thứ nhất, tạo ra day sé ngau nhién phan

bo đều trên khoảng (0, 1) Thứ hai, là luật số lớn nhằm dam bao cho sự ôn định của cácgiá trị trung bình càng gan với giá trị kì vọng của các biến ngẫu nhiên khi phép thử đủ

lớn Cuối cùng là định lý giới hạn trung tâm mô tả cách uée lượng Monte Carlo tiến đến

giá trị thực hay hội tụ về một biển ngẫu nhiên nào đó khi kích cỡ mẫu được tăng lên và

điều kiện của định lý là ca giá trị trung bình va phương sai của phân bố phải hữu hạn.Một

số thành phan chính trong phương pháp Monte Carlo

Ước lượng sai số

Giám phương sai

Các bước can thực hiện trong một bài toán mô phỏng là mô hình hóa, tìm phương

thức dé thé hiện các tính toán trên máy tinh và cuối cùng là mô phỏng

% Giới thiệu chung về chương trình mô phỏng MCNP

MCNP là sản pham của việc ứng dụng phương pháp Monte Carlo tại trung tâm

thí nghiệm Quốc gia Los-Alamos, Mỹ Chương trình mô phỏng đầu tiên mang tên MCS

được viết năm 1963, sau đó là MCN có thé giải các bài toán neutron tương tác với vật

chất trong hình học ba chiều thông qua việc sử dụng các thư viện số liệu vật lý dé tính

toán Năm 1973, MCN kết hợp với chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon

năng lượng cao mang tên MCG cho ra MCNG (chương trình mô phỏng

neutron-gamma) Sau đó nó hợp nhất với MCP (chương trình Monte Carlo photon tính toán chi

tiết đến năng lượng của photon là 1 keV) dé mô phỏng các tương tác neutron-photon vàtrở thành MCNP Ngày nay MCNP có nghĩa là Monte Carlo N hạt có thé là neutron,photon hoặc clectron, chương trình được các nhà nghiên cứu hoàn thiện và phát triển

mạnh mẽ qua nhiều phiên bản như MCNP3, MCNP4, MCNP4A, MCNP4B, MCNP4C,

MCNP4C2 và gan đây nhất là MCNPS có bồ sung thêm hiệu ứng giãn nở Doppler cùng

với thư viện tiết diện được cập nhật Đây là công cụ tính toán rất mạnh đề mô phóng các

quá trình vật lý hạt nhân như các quá trình phân rã, tương tác bức xạ với vật chất, giải

quyết các bài toán vận chuyên bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian Chương trình

MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh viết bang FORTRAN và 1000 dòng lệnh C với

khoáng 400 chương trình con Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân chủ yếu được cung cấp từ các phòng thí nghiệm lớn trên thé giới.

Trong khoảng nhiều năm trở lại đây các tính toán bằng phan mềm mô phỏng

MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện nghiên cứu hạt nhân Da

Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triên khai Công nghệ bức xạ Tp HCM, Viện năng lượng

Nguyên tử Việt Nam và các trường dai học Những nghiên cứu chủ yếu tập trung vàophô ghi nhận bức xa, phân tích an toàn che chắn, nghiền cứu các loại đầu dò, phân bốtrường liều bức xạ,

Trong dé tài này, chương trình MCNPS được sử dụng dé mô phỏng dau dò nhấpnháy Nal(TI) đẻ tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan

20

2.2 Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP

Trong chương trình MCNP quá trình vận chuyên hạt được mô phỏng từng bước,

đối với mỗi lịch sử hạt sẽ được tạo ra bởi đãy các số ngẫu nhiên với loại hạt phát ra từnguôn khảo sát Sau đó các thủ tục nguồn phát như loại nguồn sẽ được chương trình gọi

ra Các thông số của hạt như vị trí, năng lượng, hướng phát, sẽ được tạo bằng cách laymẫu ngẫu nhiên theo như phân bố được khai báo trong tệp đầu vào

Trong đè tài này sẽ khảo sát các nguồn phát gamma với điểm giao các vết của hạt

với mặt biên của cell sẽ được tính toán, các tiết điện tương tác dựa vào thư viện dữ liệu

dé tìm khoảng cách đương nhỏ nhất từ vị trí hạt đến mặt biên của cell từ đó cho biết mặt

kế tiếp mà hạt hướng tới Nếu khoảng cách đến lần va chạm kế tiếp lớn hơn khoáng cách

dương nhỏ nhất hạt sẽ ra khỏi cell đang ở Các tally ghi nhận vết sẽ được tính toán và

cập nhật những thông tin mới của hạt Sau khi hạt qua mặt biên hoặc quá trình va chạm

đã kết thúc, hạt tiếp tục được tính toán xác định khoảng cách đến mặt biên kế tiếp, cử

như vậy cho đến khi hạt mat trong quá trình va chạm, chương trình sẽ kiểm tra xem có

hạt thứ cấp nào được tạo ra, nếu không thì lịch str hạt sẽ kết thúc Đồng thời chương trình

sẽ kiểm tra các điều kiện như số lịch sử hat, thời gian chạy chương trinh, nếu thỏa thìthông tin sẽ được đưa vao tally kết qua, chương trình sẽ kết thúc và kết quả được in ra

Qui trình mô phỏng trong MCNP được thực hiện qua các bước sau:

Tệp đầu vào Í MCNP Tép đầu ra

+ Định nghĩa 6 * Khởi tạo - Nội dung tệp đầu

* Định nghĩa mặt * Tính toán hình học vào

* Định nghĩa vật + Xử lý tiếL điện tương « Các bảng thông tin

liệu tác * Các đánh giá thống

* Mô phỏng các quá kê

trình + Kết quả tally

+ Xuất kết quả

Phan quan trọng trong MCNP là xây dựng tệp số liệu đầu vào cung cấp các thông

tin về cầu trúc hình hoc, vật liệu đo, thông sô nguôn loại hạt quan tâm, so hạt cân gieo

Một tệp dau vào chuẩn gồm có: