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.

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 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 i LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận văn này tác giả đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ tận tình từ rất nhiều người. Tôi xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến Cô TS. Trương Thị Hồng Loan là người Thầy đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập của tôi và là người đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. 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 ii 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 iii 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 238 U 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 iv 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/cm 3 47 Hình 3.6. Đường cong hiệu suất với vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 0,8 g/cm 3 47 Hình 3.7. Đường cong hiệu suất với vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 1,0 g/cm 3 48 Hình 3.8. Đường cong hiệu suất với vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 1,2 g/cm 3 48 Hình 3.9. Đường cong hiệu suất với vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 2,0 g/cm 3 49 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/cm 3 52 Hình 3.11. Tỷ lệ hiệu suất đỉnh của các vật liệu mẫu so với mẫu đất trầm tích tại mật độ 0,8 g/cm 3 52 Hình 3.12. Tỷ lệ hiệu suất đỉnh của các vật liệu mẫu so với mẫu đất trầm tích tại mật độ 1,0 g/cm 3 53 Hình 3.13. Tỷ lệ hiệu suất đỉnh của các vật liệu mẫu so với mẫu đất trầm tích tại mật độ 1,2 g/cm 3 53 Hình 3.14. Tỷ lệ hiệu suất đỉnh của các vật liệu mẫu so với mẫu đất trầm tích tại mật độ 2,0 g/cm 3 54 v 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 2.6. Giá trị hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng theo năng lượng 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 2.8. Giá trị hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng theo năng lượng 30 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/cm 3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 34 Bảng 3.3. Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng của mẫu đất trầm tích với mật độ 0,8 g/cm 3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 35 Bảng 3.4. Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng của mẫu đất trầm tích với mật độ 1,0 g/cm 3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 35 Bảng 3.5. Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng của mẫu đất trầm tích với mật độ 1,2 g/cm 3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 36 Bảng 3.6. Giá trị hiệu suất đỉnh theo năng lượng của mẫu đất trầm tích với mật độ 2,0 g/cm 3 tính toán từ MCNP5 và ANGLE 3 36 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 vi 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 238 U 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/cm 3 44 Bảng 3.17. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 0,8 g/cm 3 45 Bảng 3.18. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 1,0 g/cm 3 45 Bảng 3.19. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 1,2 g/cm 3 46 Bảng 3.20. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các vật liệu mẫu khác nhau tại mật độ 2,0g/cm 3 46 Bảng 3.21. Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 0,5 g/cm 3 49 Bảng 3.22. Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 0,8 g/cm 3 50 Bảng 3.23. Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 1,0 g/cm 3 50 Bảng 3.24. Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 1,2 g/cm 3 50 Bảng 3.25. Sự thay đổi hiệu suất đỉnh (%) theo vật liệu mẫu tại mật độ 2,0 g/cm 3 51 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT ET Efficiency Transfer Chuyển đổi hiệu suất FOM Figure of Merit Thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp Monte Carlo FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng tại nửa chiều cao cực đại GEANT GEometry ANd Tracking Chương trình mô phỏng Monte Carlo của nhóm R. Brun, CERN GEB Gaussian Energy Broadenning Mở rộng năng lượng dạng Gauss HPGe High Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế MCG Monte Carlo Gamma Chương trình Monte Carlo gamma xử lý các năng lượng cao MCNG Monte Carlo Neutron Gamma Chương trình Monte Carlo ghép cặp neutron-gamma MCN Monte Carlo Neutron Chương trình Monte Carlo xử lý bài toán vận chuyển neutron MCNP Monte Carlo N Particle Chương trình Monte Carlo mô phỏng vận chuyển N hạt P/C Peak to Compton Tỷ số đỉnh-Compton viii 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 REGe Reverse Electrode Coaxial Germanium Detector Đầu dò germanium điện cực ngược VOV Variance of Variance Thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp Monte Carlo XtRa eXtended Range Germanium Detector Đầu dò germanium dải đo rộng [...]... 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... 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... [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... 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. .. 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 2 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... 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. .. 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) 16 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,... 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... 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. .. 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