NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HIỆU SUẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TỰ HẤP THỤ TRONG PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GMX35P470 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HIỆU SUẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TỰ HẤP THỤ TRONG PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GMX35P470 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Vào tháng 7 năm 2013, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt Nhân có lắp ráp hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết (HPGe) cấu hình đồng trục của hãng Ortec với số hiệu GMX35P470.

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN NGUYỄN THÙY NGÂN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HIỆU SUẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ

TỰ HẤP THỤ TRONG PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GMX35P4-70 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Tp Hồ Chí Minh, 2014

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN NGUYỄN THÙY NGÂN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HIỆU SUẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ

TỰ HẤP THỤ TRONG PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ MẪU MÔI TRƯỜNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GMX35P4-70 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao

Mã số chuyên ngành: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

Tp Hồ Chí Minh, 2014

Trang 3

Tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS Trần Thiện Thanh và Th.S Huỳnh Đình Chương đã chia sẻ kinh nghiệm và đưa ra những góp ý quý báu trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Kỹ thuật Hạt nhân – Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên Tp HCM đã hỗ trợ thiết bị hệ phổ kế gamma HPGe cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM đã luôn tạo điều kiện tốt để tôi có thể học tập và thực hiện luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn kỹ thuật viên Phòng Kỹ thuật Hạt nhân – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM, đặc biệt là bạn Huỳnh Thị Yến Hồng, bạn Trương Hữu Ngân Thy, và bạn Vũ Ngọc Ba đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tôi về phần

tư liệu của hệ máy và đo đạc thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Và tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và tình yêu thương sâu sắc đến gia đình

và những người bạn đã luôn hỗ trợ và động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 09 năm 2014

Trần Nguyễn Thùy Ngân

Trang 4

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đặc trưng hiệu suất của hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và hiệu chỉnh sự tự hấp thụ 3

1.2 Chương trình mô phỏng MCNP5 6

1.2.1 Giới thiệu chương trình MCNP 6

1.2.2 Cấu trúc tệp đầu vào trong MCNP 8

1.2.3 Tally F8 8

1.2.4 Đánh giá sai số 9

1.3 Phần mềm ANGLE 3 11

1.4 Một vài đặc trưng cơ bản của đầu dò HPGe 13

1.4.1 Hiệu suất ghi nhận 13

1.4.2 Độ phân giải năng lượng FWHM 15

1.4.3 Tỷ số đỉnh-Compton P/C 16

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX35P4-70 BẰNG MCNP5 17

2.1 Mô tả hệ phổ kế gamma 17

2.1.1 Đầu dò 18

2.1.2 Buồng chì 20

2.1.3 Nguồn chuẩn dạng điểm 20

2.1.4 Mẫu chuẩn RGU1 21

2.2 Mô hình hóa hệ phổ kế gamma dùng chương trình MCNP5 22

2.3 Kiểm tra hiệu lực mô hình 24

Trang 5

2.4 Đề xuất mô hình hiệu chỉnh 26

2.4.1 Mô hình hiệu chỉnh lần dạng 1 27

2.4.2 Mô hình hiệu chỉnh dạng 2 29

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG TỰ HẤP THỤ LÊN HIỆU SUẤT GHI ĐỐI VỚI HÌNH HỌC MẪU THỂ TÍCH 32

3.1 Khảo sát hiệu suất mẫu thể tích 32

3.1.1 Mẫu hộp hình trụ 32

3.1.2 Kiểm tra hiệu lực mô hình 32

3.1.2.1 So sánh hiệu suất từ chương trình MCNP5 với phần mềm ANGLE 333 3.1.2.2 So sánh hoạt độ 238U trong mẫu RGU1 tính toán được từ hiệu suất mô phỏng với số liệu cung cấp bởi IAEA 37

3.2 Mô phỏng hiệu suất mẫu thể tích theo vật liệu và theo mật độ của mẫu 44

KẾT LUẬN 55

KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÔNG TRÌNH 61

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa phương pháp nội suy dùng xác định FWHM 15

Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe GMX35P4-70 18

Hình 2.2 Cấu trúc đầu dò GMX35P4-70 19

Hình 2.3 Cấu trúc buồng chì (kích thước theo cm) 20

Hình 2.4 Mô tả hình học và kích thước nguồn điểm [12] 21

Hình 2.5 Hình học mẫu đo hộp hình trụ 22

Hình 2.6 Mặt cắt dọc của hệ nguồn – đầu dò – buồng chì vẽ bằng MCNP5 23

Hình 3.1 Mặt cắt dọc nguồn – đầu dò – buồng chì của phép đo mẫu thể tích vẽ bằng MCNP5 34

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của f vào mật độ  39

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số a theo ln(E) 40

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của hệ số b theo ln(E) 41

Hình 3.5 Đường cong hiệu suất với vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 0,5 g/cm3 47

Hình 3.10 Tỷ lệ hiệu suất đỉnh của các vật liệu mẫu so với mẫu đất trầm tích tại mật độ 0,5 g/cm3 52

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đánh giá sai số tương đối R 11

Bảng 2.1 Thông tin hoạt độ mẫu RGU1 do IAEA cung cấp 21

Bảng 2.2 So sánh giá trị từ mô phỏng và giá trị danh định 25

Bảng 2.3 So sánh giá trị từ mô phỏng và giá trị từ thực nghiệm của nhà sản xuất 25

Bảng 2.4 Giá trị hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng theo năng lượng 25

Bảng 2.5 So sánh giá trị mô phỏng với giá trị danh định và giá trị thực nghiệm từ nhà sản xuất đối với mô hình hiệu chỉnh dạng 1 28

Bảng 2.7 So sánh giá trị mô phỏng với giá trị danh định và giá trị thực nghiệm từ nhà sản xuất đối với mô hình hiệu chỉnh dạng 2 29

Bảng 2.9 Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 với nguồn đo ở khoảng cách 20,55 cm và 15,55 cm so với mặt đầu dò 31

Bảng 3.1 Thành phần cơ bản của các vật liệu mẫu cần khảo sát [1], [17] 33

Bảng 3.2 Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng của mẫu đất trầm tích với mật độ 0,5 g/cm3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 34

Bảng 3.7 Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng với vật liệu nước (0) 37

Bảng 3.8 Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo mật độ của mẫu đất trầm tích 38

Bảng 3.9 Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu đất trầm tích 39

Trang 8

Bảng 3.10 Giá trị a, b và hệ số tương quan r từ việc làm khớp f theo  dạng (3.3) 40 Bảng 3.11 Các giá trị a, b theo năng lượng đối với mẫu RGU1 42 Bảng 3.12 Kết quả tính f, 0 và  ở một vài năng lượng đối với mẫu chuẩn RGU1 dạng

hộp hình trụ 42 Bảng 3.13 Số liệu diện tích đỉnh từ phổ đo của mẫu chuẩn RGU1 với một số

năng lượng đặc trưng 43 Bảng 3.14 Hoạt độ tính toán được của các đồng vị khảo sát trong mẫu RGU1 43 Bảng 3.15 So sánh hoạt độ của đồng vị 238U trong mẫu chuẩn RGU1 với thông tin từ

nhà sản suất 43 Bảng 3.16 Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu

khác nhau tại mật độ 0,5 g/cm3 44 Bảng 3.17 Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu

khác nhau tại mật độ 2,0g/cm3 46 Bảng 3.21 Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 0,5 g/cm3 49 Bảng 3.22 Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 0,8 g/cm3 50 Bảng 3.23 Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 1,0 g/cm3 50 Bảng 3.24 Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 1,2 g/cm3 50 Bảng 3.25 Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 2,0 g/cm3 51

Trang 9

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

FOM Figure of Merit Thông số đánh giá độ tin

cậy của phương pháp Monte Carlo

Maximum

Độ rộng tại nửa chiều cao cực đại

GEANT GEometry ANd Tracking Chương trình mô phỏng

Monte Carlo của nhóm

R Brun, CERN

Broadenning

Mở rộng năng lượng dạng Gauss

HPGe High Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết

Gamma

Chương trình Monte Carlo ghép cặp neutron-gamma

xử lý bài toán vận chuyển neutron

MCNP Monte Carlo N Particle Chương trình Monte Carlo

mô phỏng vận chuyển N hạt

Trang 10

P/T Peak to Total Tỷ số đỉnh-tổng

PENELOPE PENetration and Energy

LOss of Photon and Electrons

Chương trình mô phỏng Monte Carlo PENELOPE của nhóm Salvat

Germanium Detector

Đầu dò germanium điện cực ngược

VOV Variance of Variance Thông số đánh giá độ tin

cậy của phương pháp Monte Carlo

Germanium Detector

Đầu dò germanium dải đo rộng

Trang 11

MỞ ĐẦU

Vào tháng 7 năm 2013, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt Nhân có lắp ráp hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết (HPGe) cấu hình đồng trục của hãng Ortec với số hiệu GMX35P4-70 Trước khi đưa hệ phổ kế vào

sử dụng trong việc phân tích mẫu môi trường hay mẫu kích hoạt neutron cần hiệu chuẩn

hệ phổ kế về mặt năng lượng cũng như hiệu suất ghi nhận, đồng thời khảo sát các thông

số cơ bản của đầu dò

Mục đích nghiên cứu của luận văn này là nghiên cứu đặc trưng hiệu suất ghi nhận đối với nguồn điểm và nguồn dạng thể tích của đầu dò; đồng thời xác định hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ theo năng lượng, mật độ và vật liệu mẫu với hình học mẫu dạng hộp hình trụ nhằm ứng dụng vào quy trình xác định hoạt độ của mẫu môi trường sử dụng hệ phổ kế gamma Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn là phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình mô phỏng MCNP5 Kết quả được kiểm chuẩn bằng thực nghiệm và chương trình ANGLE 3 Từ đó áp dụng xác định hoạt độ của đồng vị 238U thông qua đỉnh 63,3 keV của mẫu chuẩn đất RGU1 và đánh giá sự mất cân bằng địa hóa của 226Ra so với nguyên tố mẹ 238U trong mẫu đất này

Với mục đích nêu trên, nội dung của luận văn bao gồm 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đặc trưng hiệu suất của hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và hiệu chỉnh sự tự hấp thụ, giới thiệu về chương trình MCNP5, phần mềm ANGLE 3 và một số đặc trưng cơ bản của đầu dò

- Chương 2: Giới thiệu chi tiết về hệ phổ kế gamma phông thấp được dùng để mô hình hóa Sử dụng chương trình MCNP5 để mô hình hóa hệ phổ kế gamma Sau đó, kiểm tra độ tin cậy của việc mô hình hóa sử dụng MCNP5 bằng cách xác định hiệu suất đỉnh ở năng lượng 1332,5 keV của 60Co tại khoảng cách 25 cm so với mặt đầu dò và

so sánh với giá trị được cung cấp bởi nhà sản xuất cũng như giá trị hiệu suất thực nghiệm Mô hình hiệu chỉnh cấu hình của đầu dò được xây dựng bằng MCNP5 để làm phù hợp hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm Hiệu lực mô hình được kiểm

Trang 12

chứng thông qua so sánh hiệu suất theo năng lượng thu được từ mô phỏng với hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất tính toán từ phần mềm ANGLE 3

- Chương 3: Khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò với mẫu thể tích dạng hộp hình trụ với các vật liệu mẫu là nước, đất trầm tích, đất thường, bột cỏ và bột sữa cùng với mật

độ mẫu 0,5 g/cm3, 0,8 g/cm3, 1,0 g/cm3, 1,2 g/cm3 và 2,0 g/cm3 thông qua tính toán từ kết quả mô phỏng bằng MCNP5 Sau đó, kiểm tra độ tin cậy của mô hình bằng cách so sánh hiệu suất đỉnh theo năng lượng thu được từ mô phỏng với hiệu suất tính toán từ phần mềm ANGLE 3 Tính toán hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ trong mẫu đất trầm tích,

áp dụng vào tính toán hoạt độ của đồng vị 238U trong mẫu chuẩn RGU1 và so sánh với giá trị hoạt độ do IAEA cung cấp

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đặc trưng hiệu suất của

hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và hiệu chỉnh sự tự hấp thụ

Năm 2001, I.O.B Ewa và cộng sự [14] đã dùng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất ghi nhận đỉnh toàn phần của đầu dò bán dẫn đồng trục HPGe trong vùng năng lượng từ 59,5 keV tới 1836 keV Sai lệch giữa giá trị hiệu suất tính toán so với giá trị hiệu suất thực nghiệm là từ 0,2% đến 12%

Năm 2007, Martin Schlager [25] xây dựng mô hình mô phỏng hai đầu dò bán dẫn HPGe loại điện cực ngược (ký hiệu REGe) và loại dải rộng (ký hiệu XtRa) ứng dụng vào tính toán hiệu suất ghi nhận bằng chương trình mô phỏng MCNP4C2 Sai lệch giữa hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm là từ 10 – 20% Tác giả đã khảo sát lại cấu hình của hai đầu dò bằng phương pháp quét đầu dò (detector scanning) bằng nguồn điểm chuẩn trực Hiệu suất mô phỏng từ mô hình hiệu chỉnh của hai đầu dò so với hiệu suất thực nghiệm sai lệch không quá 3%

Năm 2010, Fatima Padilla Cabal và cộng sự [9] đã xây dựng một quy trình để hiệu chỉnh cấu hình của đầu dò bán dẫn HPGe loại n Phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình mô phỏng MCNPX 2.6 và GEANT4 9.2 cùng với phương pháp bán thực nghiệm được dùng để xây dựng đường cong hiệu suất của hệ đo Do có sự sai lệch giữa giá trị hiệu suất tính toán từ kết quả mô phỏng và giá trị hiệu suất thực nghiệm, qua nghiên cứu nhóm tác giả đã tiến hành hiệu chỉnh khoảng cách từ lớp vỏ bên ngoài đầu

dò đến mặt trên của khối tinh thể cùng với bán kính và chiều cao của hốc bên trong khối tinh thể Qua hiệu chỉnh, độ lệch tương đối giữa hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất thu được từ mô phỏng đã giảm từ 18% xuống 4%

Năm 2012, R Berndt và P Mortreau [7] đã nghiên cứu và hiệu chỉnh cấu hình của đầu dò bánh dẫn HPGe loại n bằng thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP4C Đầu dò được quét bằng nguồn 152Eu để xác định lại các thông

số vật lý như bán kính và chiều dài khối tinh thể, bán kính hốc bên trong khối tinh thể

Trang 14

về khoảng cách từ lớp vỏ bên ngoài đầu dò đến mặt trên khối tinh thể Qua hiệu chỉnh,

độ lệch tương đối giữa hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất thu được từ mô phỏng đã giảm từ 40% xuống 3 – 4% tùy theo năng lượng của bức xạ

Năm 2013 Tran Thien Thanh và cộng sự [27] đã sử dụng chương trình mô phỏng PENELOPE2008 và MCNP5 để nghiên cứu hiệu ứng năng lượng cut-off của photon

và electron đối với đáp ứng của đầu dò và xác suất xảy ra đỉnh thoát đối với việc xác định hiệu suất đối với đầu dò bán dẫn HPGe loại n Đồng thời, cấu hình của đầu dò được nghiên cứu và hiệu chỉnh bằng mô phỏng PENELOPE2008 với sự thay đổi về kích thước khối tinh thể, bề dày lớp chết boron và khoảng cách từ lớp vỏ bên ngoài đầu

dò đến mặt trên khối tinh thể

Ngoài ra, ảnh hưởng riêng của lớp chết đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò cũng được quan tâm nghiên cứu

Năm 2003, J Ródenas và cộng sự [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chết đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò HPGe đối với mẫu môi trường dạng Marinelli bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo dùng chương trình MCNP4B Năm 2010, Ngo Quang Huy [22] đã nghiên cứu sự suy giảm hiệu suất ghi nhận của đầu dò bán dẫn HPGe loại p do ảnh hưởng của sự gia tăng bề dày lớp chết bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo dùng chương trình MCNP5 Kết luận của tác giả là: sau mười ba năm hoạt động, lớp chết của đầu dò là 1,46 mm so với giá trị ban đầu được cung cấp bởi nhà sản xuất là 0,35 mm

Năm 2012, A Elanique và cộng sự [13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chết đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò bán dẫn HPGe ở vùng năng lượng thấp bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo dùng chương trình MCNPX Kết quả quan trọng của nghiên cứu là sự điều chỉnh bề dày của lớp chết từ 0,4 m thành 7,5 m

Tất cả các phép đo tốc độ phát gamma bằng đầu dò rắn chủ yếu là đo tương đối Mẫu nghiên cứu hoặc được so sánh trực tiếp với nguồn chuẩn có cùng chất phát gamma hoặc so sánh gián tiếp với những chất phát gamma khác mà được dùng để xây dựng đường cong hiệu suất cho cấu hình đầu dò – nguồn đặc biệt Trong điều kiện lý tưởng

Trang 15

mẫu được đo và nguồn chuẩn sử dụng có cùng hình dạng, kích thước, mật độ và thành phần Điều này đảm bảo rằng trong số các yếu tố ảnh hưởng, ảnh hưởng tự hấp thụ mẫu

và chuẩn là như nhau Tuy nhiên, trong khi hầu hết các phòng thí nghiệm đo mẫu môi trường dùng hệ phổ kế gamma có thể chuẩn bị mẫu lý tưởng về hình dạng và kích cỡ, nhưng khó có thể khống chế để có cùng mật độ và thành phần Vì vậy người ta phải hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu Phương pháp được ưa chuộng để hiệu chỉnh cấp độ khác nhau của sự tự hấp thụ là chuẩn đầu dò sử dụng vật liệu tham khảo có thành phần mẫu tự nhiên giống với mẫu đo cần phân tích Tuy nhiên phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và không thực tế đối với đa số phòng thí nghiệm

Năm 2001, F.L Melquiades và C.R Appoloni [20], đã nghiên cứu hiệu chỉnh tự hấp thụ cho phép đo phổ gamma của mẫu sữa bột khi sử dụng hộp Marinelli Sự tự hấp thụ được xác định cho tính toán hoạt độ ở đỉnh 1460,8 keV của 40K và ở 2614,47 keV của 208Tl trong các mẫu sữa bột

Năm 2002, Francisco Javier Hernández Suárez [26] đã dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để hiệu chỉnh tự hấp thụ dùng phổ gamma môi trường Tác giả đã

có kết luận: Hiệu chỉnh tự hấp thụ là thiết yếu trong phổ gamma môi trường Trong trường hợp thành phần cấu tạo của mẫu đã biết hoặc biết chưa rõ lắm, mô phỏng Monte Carlo có thể cung cấp hệ số hiệu chỉnh chính xác cho phép tính hoạt độ Trong trường hợp thành phần cấu tạo mẫu biết ít thì tốt hơn là dùng phương pháp tương đối hoặc thực nghiệm suy ra hệ số hiệu chỉnh Điều cần lưu ý là không áp dụng được mô phỏng Monte Carlo để hiệu chỉnh nếu không biết trước thành phần cấu tạo mẫu

Năm 2004, C.A McMahon, M.F Fegan, J Wong, S.C Long, T.P Ryan và P.A Colgan [19] nghiên cứu sự tự hấp thụ đối với các mẫu môi trường có vật liệu mẫu và mật độ khác nhau thông qua sử dụng mẫu chuẩn là nước Từ đó thiết lập hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với các vật liệu mẫu khác nhau Phương pháp này ít tốn thời gian

và do đó đáp ứng được nhu cầu ứng dụng hệ phổ kế gamma trong phép đo môi trường Năm 2006 M Mostajaboddavati, S Hassanzadeh, H Faghihian, M.R Abdi và M Kamali [21] đã tìm ra sự phụ thuộc của hệ số tự hấp thụ của các nguyên tố phóng xạ (họ 238U, họ 232Th, họ 137Cs và họ 40K) vào mật độ của mẫu đất sử dụng hộp Marinelli

Trang 16

Trong nghiên cứu này, bảy mẫu đất có mật độ thay đổi từ 1,090 g/cm3 đến 1,603 g/cm3được khảo sát và đều có kết quả là hệ số tự hấp thụ và mật độ phụ thuộc tuyến tính với với nhau

Năm 2013, Ngo Quang Huy, Do Quang Binh, Vo Xuan An, Truong Thi Hong Loan, Nguyen Thanh Can [23] đã nghiên cứu hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với việc xác định 238U thông qua đỉnh 63,3 keV bằng chương trình mô phỏng MCNP5

Trong luận văn này chúng tôi đi nghiên cứu đặc trưng hiệu suất ghi nhận và ảnh hưởng của hiệu ứng tự hấp thụ trên hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò HPGe GMX35P4-70 với hình học mẫu trụ bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 Kết quả được kiểm chứng bằng thực nghiệm và phần mềm ANGLE 3

1.2 Chương trình mô phỏng MCNP5

1.2.1 Giới thiệu chương trình MCNP

MCNP (Monte Carlo N – Particle) là một chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng neutron,…)

MCNP là một công cụ tính toán rất mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển neutron, photon và electron và giải các bài toán vận chuyển bức xạ ba chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các lĩnh vực từ thiết kế lò phản ứng đến bảo vệ bức xạ

và vật lý y học đối với các miền năng lượng neutron từ 10-11 MeV đến 20 MeV và các miền năng lượng photon và electron từ 1 keV đến 1000 MeV Chương trình này là công

cụ mô phỏng được thiết lập rất tốt cho phép người sử dụng xây dựng các dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện hạt nhân Sự phức tạp của tương tác photon cũng được xử lý trong chương trình MCNP Chương trình điều khiển các quá trình bằng cách gieo số theo quy luật thống kê cho trước và mô phỏng được thực hiện trên máy tính vì số lần cần thiết thường rất lớn [4], [28], [29]

Tại trung tâm Los Alamos, phương pháp Monte Carlo đã được bắt đầu ứng dụng từ những năm 1940 bởi Tiến sĩ Stanislaw và cộng sự, và chương trình MCNP là một trong những sản phẩm ra đời từ việc ứng dụng này Tiền thân của MCNP là một chương trình

Trang 17

Monte Carlo vận chuyển hạt mang tên là MCS được phát triển tại Los Alamos từ năm

1963 Tiếp theo đó là MCN được phát triển vào năm 1965 Chương trình MCN có thể giải bài toán các neutron tương tác với vật chất hình học ba chiều và sử dụng các thư viện số liệu vật lý MCN được hợp nhất với MCG (chương trình Monte Carlo gamma

xử lý các photon năng lượng cao) năm 1973 để tạo ra MCNG – chương trình ghép cặp neutron – gamma Sau đó, MCNG được hợp nhất với MCP (chương trình Monte Carlo photon với xử lý vật lý chi tiết đến năng lượng 1 keV) để mô phỏng chính xác các tương tác neutron – photon song hiện nay nó lại mang ý nghĩa là Monte Carlo N hạt, với N có thể là neutron, photon và electron [4], [16]

Các phiên bản của MCNP [4], [16]:

- MCNP3 được viết lại hoàn toàn và công bố năm 1983 MCNP3 là phiên bản đầu tiên được phân phối quốc tế Các phiên bản tiếp theo MCNP3A và MCNP3B lần lượt được ra đời tại phòng thí nghiệm Los Alamos trong suốt thập niên 1980

- MCNP4 được công bố năm 1990, cho phép việc mô phỏng được thực hiện trên các cấu trúc máy tính song song MCNP4 cũng đã bổ sung phần vận chuyển electron

- MCNP4A được công bố năm 1993 với các điểm nổi bật là phân tích thống kê được nâng cao

- MCNP4B được công bố năm 1997 với việc tăng cường các quá trình vật lý của photon và đưa vào các toán tử vi phân nhiễu loạn

- MCNPX được công bố lần đầu tiên vào 1999 trên nền tảng của MCNP4B với

mô hình mất mát năng lượng do va chạm được cải tiến, và phát triển dần đến năm 2011 với các mức năng lượng và chủng loại hạt được mở rộng

- MCNP4C được công bố năm 2000 với các tính năng của electron được cập nhật,

xử lý cộng hưởng không phân giải

- MCNP4C2 có bổ sung thêm các đặc trưng mới như hiệu ứng quang hạt nhân và các cải tiến cửa sổ trọng số, được công bố năm 2001

- MCNP5 được công bố vào năm 2003 cùng với việc cập nhật các quá trình tương tác mới chẳng hạn như các hiện tượng va chạm quang hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler, kỹ thuật giảm phương sai với tally độ cao xung

Trang 18

- MCNP6 được công bố năm 2013, là sự kết hợp giữa MCNP5 và MCNPX, bổ sung thêm các đặc trưng mới như vận chuyển electron được mở rộng xuống đến 10 eV,

mô tả quá trình phát bức xạ huỳnh quang và electron Auger…

1.2.2 Cấu trúc tệp đầu vào trong MCNP

Cấu trúc tệp đầu vào trong MCNP được trình bày như sau [5], [29]:

Dòng thông báo hoặc dùng để ghi chú (tùy ý)

Dòng thông báo tên bài toán

bố năng lượng của xung được tạo ra trong đầu dò và cho biết sự mất năng lượng trong

ô mạng đó Tally F8 được tính toán ở các điểm nguồn và các mặt của ô đầu dò [5], [28]

Đánh giá độ cao xung F8 được mô phỏng tương tự một đầu dò vật lý với bộ phân tích năng lượng đa kênh Các khoảng năng lượng trong đánh giá F8 tương ứng với năng lượng toàn phần của một bức xạ mất đi trong đầu dò Tương tự như vậy, đánh giá độ cao xung ô nguồn được tính bằng năng lượng nhân với trọng số của hạt nguồn Khi một hạt đi qua một bề mặt, năng lượng nhân với trọng số của hạt sẽ bị trừ đi trong ô

mà nó đi khỏi và cộng thêm vào trong ô mà nó đi tới Năng lượng ở đây là động năng của hạt cộng với 2moc2 = 1,022 MeV nếu hạt là positron Ở cuối lịch sử các dữ liệu được ghi nhận trong ô sẽ được chia cho trọng số của nguồn Năng lượng tính ra sẽ xác định khoảng năng lượng nào được ghi nhận xung Giá trị của số đếm là trọng số của nguồn đối với đánh giá F8 và trọng số của nguồn nhân với năng lượng nếu là đánh giá

Trang 19

*F8 Giá trị của số đếm sẽ là 0 nếu không có hạt nào vào trong ô trong suốt lịch sử [5], [28]

Đánh giá độ cao xung khác so với các đánh giá khác của MCNP ở điểm là F8:P, F8:E và F8:P, E đều tương đương với nhau Tất cả năng lượng của cả photon và electron nếu hiện diện đều sẽ được tính dù cho đánh giá nào được mô tả [1], [5]

Khi đánh giá độ cao xung được dùng với các khoảng năng lượng, cần chú ý đến các

số đếm âm từ các quá trình không tương tự và các số đếm zero được tạo nên bởi các hạt đi qua ô mà không để lại năng lượng MCNP xử lý việc này bằng cách đếm các hiện tượng này vào bin năng lượng zero và một bin năng lượng nhỏ (thường là

10-5 MeV) và từ đó chúng ta có thể cô lập chúng

Tuy nhiên trong thực nghiệm do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là sự giãn nở thống kê

số lượng các hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp của nhiễu tín hiệu điện tử làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thực nghiệm của dạng đỉnh Gauss Do đó, trong quá trình mô phỏng còn sử dụng thêm lựa chọn GEB của đánh giá F8 Với lựa chọn GEB này phổ gamma mô phỏng phù hợp tốt với phổ gamma thực nghiệm [5]

Trong MCNP thì FWHM được xác định theo công thức [1], [5]:

2

Trong đó a, b và c là các hệ số được xác định bằng cách làm khớp số liệu FWHM

từ thực nghiệm theo dạng của biểu thức (1.1) Các hệ số này sẽ được sử dụng cho quá trình mô phỏng phân bố độ cao xung theo năng lượng

1.2.4 Đánh giá sai số

Trong MCNP các kết quả truy xuất được chuẩn hóa trên một hạt nguồn cùng với sai số tương đối R, các đại lượng cần được đánh giá sai số tương đối R sẽ được tính toán sau mỗi quá trình mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo Một kết quả mô phỏng tốt sẽ có R tỷ lệ với 1/ N với N là số quá trình, sai số tương đối được dùng để xác định khoảng tin cậy của trị trung bình và cho biết kết quả nào là kết quả thực Theo định lý của giới hạn trung tâm khi N thì có 68% cơ hội giá trị thực nằm trong

Trang 20

khoảng x  và có 95% cơ hội giá trị thực nằm trong khoảng x 2 Tuy nhiên đây chỉ là độ chính xác của bản thân phương pháp Monte Carlo chứ không phải là độ chính xác của kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm Trong MCNP sai số tương đối

R được định nghĩa là tỷ số giữa số lệch chuẩn và giá trị trung bình của kết quả mô phỏng Sai số trung bình R được dùng để phân tích kết quả mô phỏng được đánh giá như trong bảng 1.1 [4], [5], [28]

S

N

Với

2 1/2

Trang 21

Bảng 1.1 Đánh giá sai số tương đối R

Giá trị FOM càng lớn thì quá trình mô phỏng Monte Carlo càng hiệu quả vì chỉ cần

ít thời gian tính toán cũng có thể đạt được giá trị R mong muốn Khi N tăng thì giá trị FOM sẽ tiến đến giá trị không đổi vì tỷ lệ R2 với 1/N và T tỷ lệ với N

Đồng thời để đánh giá độ chính xác của sự ước lượng sai số tương đối R, MCNP đưa ra tiêu chuẩn VOV để đánh giá độ lệch tương đối của sai số tương đối R Giá trị VOV được xác định bởi công thức [28]:

Trang 22

ANGLE cho phép xác định tương đối chính xác hoạt độ của các mẫu phân tích phát bức xạ gamma thông qua việc tính toán hiệu suất ghi với hình học mẫu và vật liệu mẫu không hoàn toàn giống với mẫu chuẩn Phần mềm sử dụng phương pháp chuyển đổi hiệu suất “efficiency transfer” (ET) dựa trên việc tính toán góc khối hiệu dụng của phép

đo 

ANGLE kết hợp ưu điểm của phương pháp tuyệt đối (Monte Carlo) và phương pháp tương đối (dựa vào mẫu chuẩn), hạn chế được sai số hệ thống và giới hạn trong việc làm thực nghiệm

ANGLE được áp dụng rộng rãi trong việc tính toán hiệu suất ghi đối với hầu hết các hệ phổ kế gamma trong thực tế (loại đầu dò cùng cấu hình, hình học và thể tích của mẫu, vật liệu mẫu, khoảng cách từ nguồn đến đầu dò,…)

Những đặc trưng chính của ANGLE [6]:

- Khả năng ứng dụng rộng rãi trong tính toán hiệu suất ghi có liên quan đến hệ phổ kế gamma như đo đạc và quản lý chất phóng xạ, quan trắc môi trường, xử lý chất thải phóng xạ, phân tích kích hoạt neutron NAA,…)

- Phương pháp tính toán dựa trên phép chuyển đổi hiệu suất ET và tính toán góc khối hiệu dụng với độ chính xác cao (sai số chỉ khoảng vài phần trăm), cho thấy độ tin cậy so với các phương tính toán toán hiệu suất khác

- Giao diện thân thiện với người sử dụng, linh hoạt trong việc thay đổi thông số đầu vào

- Thời gian cho một phép tính rất nhanh, thường chưa đến một phút khi sử dụng máy tính cá nhân

Để ANGLE thực hiện một phép tính hiệu suất ghi của đầu dò, người sử dụng cần nhập những thông số sau [6]:

- Thông tin về đầu dò bao gồm: loại đầu dò, bán kính và chiều dài của khối tinh thể germanium, bán kính đường cong bo góc của khối tinh thể, kính thước của hốc bên trong khối tinh thể, bề dày lớp chết mặt ngoài khối tinh thể và ở mặt của hốc tinh thể, kích thước lớp vỏ nhôm bao khối tinh thể, Người sử dụng chỉ cần nhập đầy đủ các thông tin mà phần mềm yêu cầu để mô tả lại cấu hình của đầu dò

Trang 23

- Thông tin về mẫu đo bao gồm: hình học, kích thước và vật liệu của hộp chứa mẫu

- Thông tin về hình học phép đo (khoảng cách từ mẫu đo đến đầu dò)

- Nguồn phát phóng xạ: kích thước, vật liệu và mật độ của nguồn phát

- Thông tin về năng lượng của bức xạ cần tính hiệu suất ghi và đường cong hiệu suất tham khảo Trong đó, đường cong hiệu suất tham khảo được xây dựng từ bộ số liệu thực nghiệm

Dựa trên những thông số được cung cấp, ANGLE sẽ tính toán ra hiệu suất ghi theo yêu cầu của người sử dụng Ví dụ: sau khi nhập đầy đủ thông tin về đầu dò, mẫu đo, các năng lượng cần khảo sát và đường cong hiệu suất xây dựng từ số liệu thực nghiệm của mẫu đo ở khoảng cách 25 cm so với đầu đò, ANGLE sẽ tính toán hiệu suất ghi đối với mẫu đo đó ở khoảng cách 20 cm, 15 cm, hoặc 10 cm Ngoài ra, với đường cong hiệu suất xây dựng từ số liệu thực nghiệm của nguồn phát dạng điểm, ANGLE có thể tính toán hiệu suất ghi đối với mẫu đo hình trụ hoặc mẫu Marinelli

1.4 Một vài đặc trưng cơ bản của đầu dò HPGe

1.4.1 Hiệu suất ghi nhận

Khi bức xạ tới đầu dò, tương tác với vật liệu đầu dò xảy ra theo một trong các hiệu ứng chính sau: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Thomson, và hiệu ứng tạo cặp Trong đó hiệu ứng quang điện sẽ chuyển toàn bộ năng lượng toàn phần của bức

xạ cho đầu dò còn các hiệu ứng khác chỉ chuyển một phần năng lượng của bức xạ cho đầu dò Hiệu suất của đầu dò được chia làm hai loại: hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất nội [2]

Hiệu suất tuyệt đối (abs) được định nghĩa là tỷ số giữa số các xung ghi nhận được

và số bức xạ được phát ra bởi nguồn Hiệu suất tuyệt đối không chỉ phụ thuộc vào tính chất của đầu dò mà còn phụ thuộc vào hình học phép đo như khoảng cách từ nguồn đến dầu dò [2]

Hiệu suất nội (int) được định nghĩa là tỷ số giữa số các xung ghi nhận được và số bức xạ tới đầu dò

Trang 24

Đối với những nguồn đồng vị, hai hiệu suất này có mối liên hệ như sau:

    Với  là góc khối của đầu dò được nhìn từ vị trí của nguồn

Hiệu suất nội tiện lợi hơn nhiều so với hiệu suất tuyệt đối, bởi vì hiệu suất nội gần như không phụ thuộc vào yếu tố hình học giữa đầu dò và nguồn, nó chỉ phụ thuộc vào vật liệu đầu dò, năng lượng bức xạ tới và bề dày vật lý của đầu dò theo chiều bức xạ tới Sự phụ thuộc nhỏ vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò vẫn còn, bởi vì quãng đường trung bình của bức xạ xuyên qua đầu dò sẽ thay đổi một ít theo khoảng cách này

Mặt khác, hiệu suất cũng được phân loại theo bản chất của bức xạ được ghi nhận bao gồm hiệu suất tổng và hiệu suất đỉnh [2]

Hiệu suất toàn phần hay hiệu suất tổng (total) được sử dụng khi ghi nhận tất cả xung

từ đầu dò Tất cả các tương tác dù có năng lượng thấp cũng giả sử được ghi nhận Hiệu suất đỉnh (peak) được giả sử chỉ có những tương tác mà làm mất hết toàn bộ năng lượng của bức xạ tới được ghi nhận

Hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh được liên hệ bởi tỷ số “đỉnh – tổng” P/T được định nghĩa như sau:

peak total



Trên thực tế, để giải quyết một số những khó khăn trong việc trình bày hiệu suất của đầu dò, rất nhiều nhà sản xuất đầu dò đã mô tả hiệu suất đỉnh tương đối so với hiệu suất đỉnh của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) hình trụ chuẩn có kích thước 7,62 cm x 7,62 cm (3” x 3”), khoảng cách giữa nguồn và đầu dò được cho là 25 cm trong cả hai trường hợp để chuẩn hóa Đỉnh năng lượng thông thường được sử dụng để xác định hiệu suất tương đối là năng lượng 1332,5 keV của nguồn 60Co với hiệu suất đỉnh tuyệt đối của đầu dò NaI(Tl) là 1,2 x 10–3 [5], [11]

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò:

Hiệu suất ghi nhận của đầu dò phụ thuộc vào các yếu tố sau: kiểu đầu dò, kích thước đầu dò, hình học, kích thước và vật liệu của mẫu đo, khoảng cách từ mẫu đo tới đầu

Trang 25

dò, kiểu bức xạ quan tâm (alpha, beta, gamma cùng năng lượng của chúng), tán xạ ngược của bức xạ từ môi trường xung quanh tới đầu dò và sự hấp thụ bức xạ trước khi đến được đầu (do không khí, vật liệu bao quanh phần nhạy của đầu dò, bản thân vật liệu mẫu và mật độ) [3], [4]

Trong phạm vi luận văn, chúng tôi quan tâm ảnh hưởng của sự tự hấp thụ bức xạ bởi mẫu đo đối với hiệu suất ghi nhận của đầu dò

Đối với mẫu đo môi trường thường có thể tích lớn thì một số bức xạ gamma phát

ra có khả năng bị mất một phần hay toàn bộ năng lượng của chúng trong mẫu đo trước khi rời khỏi mẫu đến đầu dò Ảnh hưởng này gọi là sự tự suy giảm hay sự tự hấp thụ Hiệu ứng sự tự hấp thụ xảy ra khi bức xạ gamma bị hấp thụ trong thể tích của mẫu Mức độ tự hấp thụ phụ thuộc vào hình học (bao gồm bề dày, thể tích mẫu), vật liệu và mật độ của mẫu Đối với phép đo có sử dụng mẫu chuẩn mà vật liệu hay mật độ của nó không giống với mẫu phân tích thì cần phải hiệu chỉnh sự tự hấp thụ [3]

1.4.2 Độ phân giải năng lượng FWHM

Độ phân giải năng lượng được xác định bằng bề rộng ở một nửa chiều cao cực đại của đỉnh năng lượng toàn phần, đơn vị biểu diễn là keV Đầu dò có độ phân giải năng lượng càng nhỏ càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau

Hình 1.1 Minh họa phương pháp nội suy dùng xác định FWHM

FWHM của một đỉnh phổ có thể được xác định thông qua phương pháp nội suy như sau [15]:

Kênh

Trang 26

Ở bờ năng lượng thấp của đỉnh phổ, A và B lần lượt là vị trí kênh có số đếm CA và

CB tương ứng là các số đếm thấp gần nhất và cao gần nhất đối với CH Tương tự cho

bờ năng lượng cao của đỉnh phổ, D và C lần lượt là vị trí kênh có số đếm CD và CCtương ứng là các số đếm thấp gần nhất và cao gần nhất đối với CH

1.4.3 Tỷ số đỉnh-Compton P/C

Đối với đồng vị 60Co, tỷ số đỉnh-Compton được định nghĩa là tỷ số giữa số đếm tại năng lượng 1332,5 keV và trung bình số đếm vùng Compton của năng lượng 1332,5 keV (trong khoảng từ 1040 keV đến 1096 keV) [11] Tỷ số này tăng theo kích thước đầu dò (do nhiều tán xạ Compton được hấp thụ và đóng góp vào đỉnh năng lượng toàn phần) và chất lượng của độ phân giải năng lượng (độ phân giải càng tốt thì đỉnh phổ sẽ hẹp và cao hơn)

Trang 27

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỔ KẾ GAMMA GMX35P4-70 BẰNG MCNP5

Trong chương này việc mô hình hóa hệ phổ kế gamma dùng đầu dò HPGe số hiệu GMX35P4-70 bằng chương trình MCNP5 được trình bày Để thực hiện điều này cần tìm hiểu chi tiết cấu hình của hệ đo, vật liệu tương ứng, các thông số về mật độ, thành phần hóa học, nồng độ từng nguyên tố tham gia trong chất cấu thành vật liệu tương ứng, các đặc trưng của nguồn phóng xạ, loại phân bố năng lượng, xác suất phát hạt, loại hạt gây tương tác trên đầu dò, kiến thức về quá trình tương tác của các hạt quan tâm, các ảnh hưởng liên quan, loại đánh giá cần xác định… Các hiểu biết đầy đủ và chính xác về loại bài toán cần xác định như thế giúp người sử dụng xây dựng được tệp đầu vào thành công Để làm được điều đó phép thử trên mô hình xây dựng được áp dụng liên tục Cứ mỗi một thay đổi nhỏ của bài toán cần đánh giá luôn có sự thử nghiệm kiểm tra độ tin cậy tương ứng Chính vì vậy trong phần áp dụng mô hình ở chương III,

ở mỗi bước đi của bài toán đều có kiểm tra kết quả đạt được của mô hình với kết quả thực nghiệm, hoặc kết quả có được từ các phương pháp khác để kiểm chứng Dưới đây trình bày tổng quát và tuần tự các bước thực hiện mô hình hóa hệ phổ kế

bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh được tích hợp trong một thiết

bị được gọi là DSpec Jr 2.0, nguồn phóng xạ, buồng chì che chắn phông bao quanh đầu

dò và nguồn, thiết bị làm lạnh cho đầu đò XCooler-III Tuy nhiên khi mô hình hóa hệ phổ kế chúng tôi chỉ quan tâm đến cấu hình của đầu dò, nguồn và buồng chì che chắn

Trang 28

đó và P4-70 cho biết lớp vỏ này có đường kính ngoài là 70 cm Lớp vỏ Poptop được thiết kế có phần chân không riêng biệt nên có thể tương thích với dạng làm lạnh bằng nitơ lỏng hoặc thiết bị làm lạnh X-Cooler III

Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe GMX35P4-70

Phần chính của đầu dò GMX35P4-70 là tinh thể germanium siêu tinh khiết (độ tạp chất vào khoảng 1010 nguyên tử/cm3 [17]) gồm tinh thể germanium đường kính ngoài 55,8 mm, chiều cao 78,1 mm, bán kính đường cong bo góc là 8 mm Bên trong tinh thể

có một hốc hình trụ đường kính 7 mm, độ sâu của hốc là 35 mm Mặt ngoài tinh thể là

Trang 29

lớp tiếp xúc loại p (lớp boron) được cấy ion có bề dày 3.10-4 mm nối với điện cực âm Mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp lithium) nối với điện cực dương

Mặt trên cùng của tinh thể có phủ hai lớp vật liệu bao gồm lớp trên được làm bằng nhôm với bề dày 0,03 mm và lớp dưới được làm bằng mylar được kim loại hóa với bề dày 0,03 mm

Hộp kín bằng nhôm có độ dày 0,8 mm để đảm bảo tránh được sự hấp thụ các photon năng lượng thấp Khoảng chân không ở giữa mặt trên của tinh thể germanium với mặt dưới của vỏ nhôm là 3 mm để tránh va chạm với bề mặt tinh thể germanium khi lắp ráp đầu dò

Hình 2.2 Cấu trúc đầu dò GMX35P4-70

Cửa sổ ghi nhận bức xạ của đầu dò được làm bằng beryllium bề dày 0,5 mm thích hợp với việc khảo sát bức xạ có năng lượng thấp dưới 100 keV

Ngoài ra, để bảo vệ cửa ổ beryllium của đầu dò khỏi bị nhiễm bẩn thì chúng tôi có

sử dụng thêm một nắp bảo nhựa bảo vệ trong suốt quá trình đầu dò hoạt động của đầu

dò Nắp nhựa này được cung cấp kèm với đầu dò từ nhà sản xuất

A: 55,8 mm -Đường kính tinh thể germanium B: 78,1 mm -Chiều dài tinh thể germanium C: 8,6 mm -Đường kính hốc tinh thể D: 69,6 mm- Chiều dài hốc tinh thể E: 5 mm- Bán kính góc bo hốc tinh thể F: 94 mm- Chiều dài vỏ nhôm bao khối tinh thể G: 3 mm- Khoảng cách từ vỏ bên ngoài đến mặt trên tinh thể

H: 0,03 mm nhôm + 0,03 mm mylar I: 0,05 mm- Bề dày cửa sổ beryllium J: 8 mm -Bán kính góc bo khối tinh thể K: 0,8 mm -Bề dày lớp vỏ nhôm bao tinh thể L: 1 mm -Bề dày lớp vỏ nhôm bên ngoài M: 0,3  m- Bề dày lớp boron

N: 0,7 mm -Bề dày lớp lithium O: 3 mm -Bề dày lớp nhôm

Trang 30

2.1.2 Buồng chì

Đầu dò GMX35P4-70 được đặt trong buồng chì giảm phông từ môi trường Trong

số các loại vật liệu, chì có số nguyên tử Z cao chính điều này đã giúp nó hấp thụ tia gamma trong môi trường và làm giảm phông cho đầu dò Buồng chì được bao phủ bên ngoài bằng một lớp thép có hàm lượng carbon thấp với bề dày 12,7 mm, tiếp đó là một lớp chì với bề dày 10,1 cm

Tuy nhiên tương tác của tia gamma với chì cũng tạo ra các tia X có năng lượng trong khoảng 75 – 85 keV Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu Để hạn chế điều này người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp đồng (Cu) và thiếc (Sn) có bề dày tương ứng là 1,6 mm và 0,5 mm

Ngoài ra, trong buồng chì còn được lắp thêm một bộ phận bằng đồng được gọi là

cổ đồng tại đáy buồng chì giúp làm kín khoảng hở khi lắp đặt đầu dò

Hình 2.3 Cấu trúc buồng chì (kích thước theo cm) 2.1.3 Nguồn chuẩn dạng điểm

Các nguồn được dùng để tiến hành thí nghiệm là 22Na (mã số GF-022-D) có hoạt

độ 1,009 Ci, 54Mn (mã số GF-054-D) có hoạt độ 1,030 Ci, 57Co (mã số GF-057-D)

có hoạt độ 1,015 Ci, 60Co (mã số GF-060-D) có hoạt độ 1,011 Ci, 65Zn (mã số GF-065-D) có hoạt độ 1,015 Ci, 109Cd (mã số GF-109-D) có hoạt độ 0,9809 Ci,

Trang 31

133Ba (mã số GF-133-D) có hoạt độ 1,080 Ci, và 137Cs (mã số GF-137-D) có hoạt độ 1,034 Ci được sản xuất ngày 15/05/2013 bởi hãng Eckert & Ziegler, Đức Vật chất nguồn là một lớp muối thông qua quá trình bốc hơi được lắng đọng lại ở đáy của hốc dạng trụ nhỏ có đường kính 5 mm, chiều cao 3,18 mm, và hốc được chèn kín bằng một nút epoxy Lớp vỏ nguồn có đường kính 25,4 mm và chiều cao 6,35 mm và được làm bằng plastic mật độ cao, trên bề mặt được phủ một lớp acrylic [12]

Hình 2.4 Mô tả hình học và kích thước nguồn điểm [12]

2.1.4 Mẫu chuẩn RGU1

RGU1 là mẫu chuẩn đất chứa chủ yếu là 238U, và một ít những đồng vị có mặt phổ biến trong các loại đất đá như 232Th, 40K Trong luận văn này sử dụng một mẫu RGU1

có khối lượng 148,2257 g đựng trong hộp hình trụ với mật độ mẫu là 1,6 g/cm3 Thông tin về mẫu RGU1 cho trong bảng 2.1 được cung cấp bởi IAEA [17]

Bảng 2.1 Thông tin hoạt độ mẫu RGU1 do IAEA cung cấp

Trang 32

2.2 Mô hình hóa hệ phổ kế gamma dùng chương trình MCNP5

Để mô hình hóa hệ phổ kế gamma bằng MCNP5, cần mô tả tệp đầu vào (input file)

ở đó hệ cần mô phỏng được chia thành các ô đồng chất giới hạn bởi các mặt được định nghĩa trước Mỗi ô thể hiện một thành phần của hệ đo

Trong luận văn này hệ đầu dò – buồng chì – nguồn được chia thành 24 ô và được lắp đầy bằng các vật liệu tương ứng Chi tiết được mô tả sau đây:

Ô 1: lớp vỏ nhôm bên ngoài đầu dò

Ô 2: cửa sổ beryllium

Ô 3: lớp nhôm bên ngoài tinh thể germanium

Ô 4: lớp nhôm sát trên lớp mylar

Ô 5: lớp mylar sát trên mặt tinh thể

Ô 6: lớp chết trên bề mặt tinh thể (lớp boron)

Ô 7: khối tinh thể germanium

Ô 8: lớp chết bên trong hốc (lớp lithium)

Ô 9: chân không bên trong đầu dò

Ô 10: phần đuôi của đầu dò

Ô 11: lớp thép trên nắp buồng chì

Ô 12: lớp thép thân buồng chì

Hình 2.5 Hình học mẫu đo hộp hình trụ

Trang 33

Ô 13: lớp chì trên nắp buồng chì

Ô 14: lớp chì thân buồng chì

Ô 15: lớp thiếc trên nắp buồng chì

Ô 16: lớp thiếc thân buồng chì

Ô 17: lớp đồng trên nắp buồng chì

Ô 18: lớp đồng thân buồng chì

Ô 19: cổ đồng

Ô 20: lớp vỏ của nguồn điểm

Ô 21: phần lõi của nguồn điểm

Ô 22: không khí trong buồng chì

Ô 23: vùng không gian xung quanh buồng chì

Ô 24: vũ trụ

Tương ứng với 24 ô ở trên cần 56 mặt khác nhau để liên kết tạo thành 24 ô với độ quan trọng của 23 ô đầu bằng 1 và ô 24 bằng 0 nghĩa là trong quá trình mô phỏng nếu

có hạt nào ra ngoài buồng chì thì MCNP5 sẽ không theo dõi hạt này nữa

Hình 2.6 Mặt cắt dọc của hệ nguồn – đầu dò – buồng chì vẽ bằng MCNP5

Sau đó mô phỏng N hạt phát ra từ nguồn Chúng được ngẫu nhiên hóa bằng phương pháp Monte Carlo theo đúng như bản chất thống kê xảy ra trong quá trình tương tác với hệ đầu dò Tức là có hạt bay vào và có hạt thì không Những hạt sau khi bay vào đầu dò tiếp tục lịch sử của chúng, chúng có thể tham gia vào các tương tác khác nhau

Trang 34

bên trong đầu dò hoặc thoát khỏi đầu dò mà không chịu tương tác nào Tất cả các sự kiện này đều được ghi nhận theo xác suất tương ứng của chúng

Với đánh giá phân bố độ cao xung tally F8 của MCNP5, các hạt bay vào đầu dò, tương tác với vật chất đầu dò và được chương trình ghi nhận vào các khe (bin) năng lượng tương ứng với năng lượng mà chúng truyền cho đầu dò Thống kê số đếm tại các khe tương ứng với năng lượng quan tâm ta thu được số tia gamma ứng với năng lượng

đó đã được đầu dò ghi nhận Thu thập các số đếm tại tất cả các khe năng lượng ta sẽ có được phổ năng lượng gamma

Trong luận văn này để mô phỏng hệ đo giống với thí nghiệm, các khoảng năng lượng được chia tương ứng với các kênh trong hệ phổ kế, tức là 16384 kênh Để sai số tương đối của hiệu suất dưới 1%, việc mô phỏng với số lịch sử hạt cỡ 108, còn đối với việc mô phỏng phân bố độ cao xung số lịch sử hạt mô phỏng tùy vào số gamma phát

ra từ nguồn thực nghiệm Trong thực nghiệm, mỗi phép đo được thực hiện trong khoảng thời gian sao cho số đếm đỉnh lớn hơn 2.104 để sai số thống kê dưới 1%

2.3 Kiểm tra hiệu lực mô hình

Sau khi xây dựng xong tệp đầu vào của chương trình, trước khi sử dụng nó để khảo sát các đặc trưng của hệ phổ kế, chúng tôi thực hiện việc xác định độ tin cậy bước đầu của chương trình mô phỏng cũng như độ tin cậy thông tin của nhà sản suất về cấu trúc của đầu dò Cách tốt nhất là so sánh với các số liệu thực nghiệm đo được trong thực tế

Ở đây việc kiểm tra được thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán các giá trị đặc trưng của đầu dò HPGe trong mô phỏng MCNP5 với các giá trị đặc trưng tính toán từ thực nghiệm và các giá trị danh định của nhà sản xuất

Để đánh giá hiệu lực của mô hình mô phỏng, các giá trị đặc trưng như hiệu suất tương đối, độ phân giải năng lượng (FWHM), tỷ số đỉnh-Compton (P/C) đối với năng lượng 1332,5 keV của 60Co đặt tại khoảng cách 25 cm so với mặt đầu dò tính toán từ

mô phỏng MCNP5 được so sánh với các giá trị đặc trưng có được từ thực nghiệm và các giá trị danh định từ nhà sản xuất Các số liệu so sánh được trình bày trong bảng 2.2

và bảng 2.3 Giá trị hiệu suất theo năng lượng đối với nguồn đo đặt cách mặt đầu dò

Trang 35

25,55 cm từ thực nghiệm và kết quả mô phỏng được so sánh và trình bày trong bảng 2.4

Bảng 2.2 So sánh giá trị từ mô phỏng và giá trị danh định

Với E = 1332,5 keV của 60Co Giá trị danh định Giá trị mô phỏng

Bảng 2.3 So sánh giá trị từ mô phỏng và giá trị từ thực nghiệm của nhà sản xuất

Với E = 1332,5 keV của 60Co Giá trị thực nghiệm Giá trị mô phỏng

Giá trị hiệu suất tuyệt đối của năng lượng 1332,5 keV của 60Co tại khoảng cách 25

cm so với mặt đầu dò tính toán từ kết quả mô phỏng MCNP5 là 0,0005089 tương đương với hiệu suất tương đối là 42% Do đó, sai lệch với hiệu suất danh định được cung cấp bởi nhà sản xuất là 20% và sai lệch với hiệu suất tương đối từ thực nghiệm do nhà sản xuất cung cấp là 10,52%

Bảng 2.4 Giá trị hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng theo năng lượng

E (keV) tn Sai số (%) mp Sai số (%) Độ lệch (%)

136,5 0,0019236 3,32 0,0021215 0,20 10,29 276,4 0,0013096 3,09 0,0014617 0,33 11,61 302,9 0,0011963 3,09 0,0013298 0,22 11,16 356,0 0,0010838 3,02 0,0012020 0,12 10,91 661,7 0,0006733 3,00 0,0007621 0,09 13,18 834,8 0,0005726 3,01 0,0006505 0,22 13,59 1115,5 0,0004585 3,02 0,0005378 0,22 17,30 1173,2 0,0004467 3,01 0,0005134 0,31 14,94 1274,5 0,0004222 3,01 0,0004881 0,36 15,60 1332,5 0,0004060 3,01 0,0004754 0,32 17,11

Trang 36

Ngoài ra, tỷ số đỉnh-Compton P/C tính toán từ mô phỏng là lớn hơn so với giá trị danh định (sai lệch 34,54%) và giá trị đạt được từ thực nghiệm từ nhà sản xuất (sai lệch 21,31%)

Giá trị hiệu suất theo năng lượng đối với nguồn đặt cách mặt đầu dò 25,55 cm tính toán từ kết quả mô phỏng và giá trị hiệu suất thực nghiệm có sai lệch khá lớn từ 4,38% đến 17,30%

2.4 Đề xuất mô hình hiệu chỉnh

Với mô hình mô phỏng của hệ đo như trên giá trị hiệu suất tương đối với năng lượng 1332,5 keV của 60Co ở khoảng cách 25 cm so với mặt đầu dò cao hơn so với giá trị xác định được từ thực nghiệm Trên thế giới đã có nhiều công trình áp dụng phương pháp Monte Carlo để tính toán hiệu suất ghi của đầu dò và trong các công trình này kết quả tính toán hiệu suất cao hơn số liệu thực nghiệm [7], [9], [14], [25] Một trong các hiệu chỉnh được áp dụng để đạt được sự phù hợp giữa tính toán và thực nghiệm là thay đổi các thông số vật lý của đầu dò so với các thông số do nhà sản xuất cung cấp

Để xác định nguyên nhân gây ra sự khác biệt về hiệu suất như đã nói ở trên, đã có một số công trình điều chỉnh các thông số vật lý của đầu dò sao cho kết quả tính toán phù hợp với số liệu thực nghiệm [7], [9], [14], [25] Các thông số vật lý liên quan đến cấu trúc hình học và thành phần vật liệu của đầu dò có thể ảnh hưởng đến hiệu suất gồm bề dày vỏ nhôm của đầu dò, khoảng cách giữa lớp vỏ nhôm bên ngoài và mặt trên của khối tinh thể germanium, bề dày vỏ hộp chứa tinh thể, đường kính và chiều cao tinh thể germanium, bán kính đường cong bo góc của khối tinh thể germanium, độ sâu hốc tinh thể germanium, bề dày lớp boron được cấy ion ở ngoài tinh thể và bề dày lớp lithium khuếch tán ở mặt hốc tinh thể germanium Trong các thông số vật lý vừa đề cập, bề dày của lớp boron và bề dày của lớp lithium thường tăng mạnh trong quá trình hoạt động của detector, đặc biệt là khi đầu dò không được làm lạnh hợp lý trong thời gian dài [11], [13], [17], [22], [23] Những thông số vật lý còn lại tuy được đảm bảo bởi nhà sản xuất nhưng trong một số trường hợp vẫn có sai lệch so với thực tế Trong những công trình trên thế giới liên quan đến vấn đề này, kích thước thực tế của khối tinh thể, khoảng cách từ lớp vỏ nhôm bao ngoài đầu dò đến mặt trên của tinh thể được

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,35 MB