đánh giá hiệu suất đỉnh toàn phần của đầu dò nai tl bằng chương trình penelope

LỜI CẢM ƠN u tiên con xin gi li bin cha m, nh sinh thành và nuôi con khôn ln ngày hôm nay. K n em xin chân thành ct c các thng ging dng dn em trong sut nha Khoa Vt lý nói chung và B môn Vt lý Ht nhân nói riêng. Chính nh s dìu dt tn tình ca các thc nhng thành qu  ngày hôm nay. Em xin gi li cn thy Trn Thin Thanh n tình ch bo, ng d    t nhng kinh nghi    em có th hoàn thành tt khóa lun tt nghip này. Em chân thành cthy Nguyn Quc Hùng và các thy cô trong hng n giúp khóa lun cc hoàn chnh  Em xin gi li cn các anh ch trong b môn, c bit là ch Hunh Th Yn Hng nhit tình  em trong quá trình thc hin khóa lun này. n nhi bnh mình trong sut quá trình hc tp, quá trình thc hin khóa lun. Tp.H  Trn Trung Tín i MỤC LỤC Trang Mục lục i Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình vẽ v Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan lý thuyết 2 1.1. Tng quan v tình hình nghiên cu 2 a gamma vi vt cht 4 1.2.1. Hiu n 4 1.2.2. Tán x Compton 5 1.2.3. Quá trình to cp 7 1.3. S suy gi ng vt cht 8 1.4. H ph k và hiu sut ghi 9 1.5. Gii thing PENELOPE 10 1.5.1. Gii thi 10  12 1.5.3. Gii thi 14 1.6. Nh 16 Chương 2. Bố trí thí nghiệm 17 2.1. Thc nghim 17 2.1.1. H  17 2.1.2. B ngun 18 2.1.3. Detector 20  detector 21 2.1.5. Tin hành thí nghim 22 2.2. Mô phng 22 2.2.1. Ngu detector 22 ii 2.2.2. Mô hình detector dùng trong mô phng 22 2.2.3. X lý ph mô phng 24  lý ph 26 2.3. Nh 26 Chương 3. Kết quả và thảo luận 27 3.1. Kt qu thc nghim 27 3.2. Kt qu mô phng 29 3.3. So sánh gia thc nghim và mô phng 31 3.4. Nh 35 Kết luận và kiến nghị 36 Tài liệu tham khảo 37 Phụ lục 39 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiu  c Vn tc ánh sáng trong chân không (3x10 8 m/s) h Hng s Plank (6,625x10 -34 J.s)  Tn s photon tán x (Hz)  Tn s photon ti (Hz)  Góc tán x E ng (keV) Ch vit tt Ting Anh Ting Vit MCA Multi Channel Analyzer H  FWHM Full Width at Half Maximum B rng mt na giá tr ci PMT Photomultiplier Tube n PENELOPE Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons ng PENELOPE iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông s ca b ngun chun 19 Bảng 2.2. M các vt liu dùng trong quá trình mô phng detector 23 Bảng 3.1. Dinh ca 8 ngun  v trí 20cm và 10cm trong thc nghim 27 Bảng 3.2. Hiu sut ghi ca detector trong thc nghim  v trí 20cm và 10cm .29 Bảng 3.3. Dinh ca 8 ngun  v trí 20cm và 10cm trong mô phng 30 Bảng 3.4. Hiu sut ghi ca detector trong mô phng  v trí 20cm và 10cm 31 Bảng 3.5.  sai bit v s m dinh gia thc nghim và mô phng (%) 31 Bảng 3.6.  sai bit v hiu sut ghi gia thc nghim và mô phng (%) 35 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hiu n 5 Hình 1.2. Tán x Compton 6 Hình 1.3. Quá trình to cp 7 Hình 1.4.  kh- Carlo tng quát 11 Hình 2.1. H p nháy 17 Hình 2.2. Osprey. 18 Hình 2.3. Ngun dùng trong thc nghim 19 Hình 2.4. B ngun dùng trong thc nghim 20 Hình 2.5. Detector NaI(Tl) 802 3x3 inches 20 Hình 2.6. Bn v k thut ca detector NaI (Tl) model 802  3 x 3 inches 21 Hình 2.7.  detector dùng trong thc nghim. 21 Hình 2.8. Cu trúc detector NaI (Tl) model 802 - 3x3 inches 23 Hình 2.9. Cu hình mô phng ca h  24 Hình 2.10. Ph mô phc và sau khi m rng 25 Hình 2.11. Genie-2K. 26 Hình 3.1. Ph thc nghim ca 60 Co, 137 Cs  v trí 10cm 27 Hình 3.2. Ph mô phng ca 60 Co, 137 Cs  v trí 10cm. 29 Hình 3.3. Ph so sánh thc nghim và mô phng ca 60 Co  v trí 10cm 32 Hình 3.4. Ph so sánh thc nghim và mô phng ca 137 Cs  v trí 10cm 32 Hình 3.5. Ph so sánh thc nghim và mô phng ca 133 Ba  v trí 10cm 33 Hình 3.6. Ph so sánh thc nghim và mô phng ca 22 Na  v trí 5cm 33 Hình 3.7. So sánh hiu sut ghi nhn ca detector gia thc nghim và mô phng ca 8 ngun  các v trí khác nhau .34 1 MỞ ĐẦU c khoa hc k thut hin nay, Vt lý Ht nhân ngày càng có vai trò quan trng,   n nhiu ngành khoa hoc, k thut  c ng dng rng rãi trong các ngành công nghip, nông nghip, y hc Do vy vic nghiên cu Vt lý Ht nhân là vic không th thiu, tuy vy vic thit k các mô hình thí nghim b chính xác và an toàn là vi  i s phát trin ca khoa h     phng giúp ích rt nhiu cho vic liên h gia lý thuyt và thc nghim. H ph k  ng v phóng x và tính hot  ca chúng. Hin nay có rt nhiu lo detector HPGe Trong khuôn kh ca khoá lun, em xin trình bày kho sát hiu sut ghi nhn ca detector NaI(Tl) gia thí nghim thc t và mô phng, ph so sánh gia thc nghim và mô phng vng Pi vi mt s ngun phát tia gamma. Nh tin cy c phng PENELOPE, qua    h tr i làm thc nghim xây dng các ng cong hiu sung my  u kin ngun chun không nhii các cu hình khác nhau. Vi mn này c chia làm ba     Tng quan v tình hình nghiên c  c v lý thuyt tia gamma và gii thiu v ng PENELOPE.  2: Gii thiu v h c nghim và hình hc mô phng.  3: Kt qu, so sánh gia thc nghim và mô phng. 2 Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu    Xia Shi và các cng s [8] s dng detector NaI(Tl) 3x3 inches, phn mm mô phng EGS4, MCNP4B, MARTHA, PETRANS 1.0, ph pháp BERGER  n nhng tham s y nhng kt qu sau: -Tng thp: Ph thc nghim ca 137 Cs và 60 Co thì phù hp vi ph c to ra bi MCNP4B, EGS4 và PETRANS 1.0. Vi nn Compi kênh 200 (400keV) thì tt c kt qu u ít i d liu thc nghim do tán x Compton. -Tng cao: Tt c nh ng (MCNP4B, EGS4) và c bit (PETRANS 1.0) u cho kt qu chính xác  ng cao do hiu sut nhp nháy tng cao gn tính. các cng s [9] ng ca tinh th nhi vi nhng tia gamma phát ra t ngum và ngun có th c kt qu  -i vi ngum: S dng ngun 137 Cs làm ngum trong mô phng và so sánh kt qu thc nghim, thy s ng nht gia hai ph trong khong t n 200keV. S ng nht này do nhng photon tán x c. -ng vi ngun có th tích: M ca bài báo ng ci vi ngun có th tích. Ph mô phc t ngun th tích cho thnh gamma tán x . 3  n Thin Thanh và các cng s [6  d   nh hiu sung toàn phn ca ngun 152 Eu ti v trí cách detector  b qua hiu chnh trùng phùng tng ca các tia gamma). Kt qu cho thy có s phù hp tt gia hiu sung toàn phn thc nghim và mô phng vi sai bing ch yu ca 152 Eu, cho th       ph k gamma dùng detector HPGe và ngun chun 152 c xây dy. Nhng áp dng liên n detector HPGe này vi hình hc khác có th c tri y  h tr i làm thc nghim xây dng cong hiu sung m  u kin ngun chun không nhii các cu hình ngun khác nhau. ng s [10]  Carlo ci ti mô phng ca detector NaI(Tl) va ngun 60 Co và 137 ng thi nghiên cu nhng nh ng ca vt liu bên trong detector lên c kt qu: Khi so sánh ph thc nghim và ph mô phng to ra t lp MgO b dày 0,315(cm) thì có mt s phù hp tng ca biên Compton và nh tán x c. Kt qu tt nhc vi b dày 0,315(cm), m 2,5(g/cm 3 ) ca lp MgO và vi b dày 0,21(cm) ca lp MgO có m 3,58(g/cm 3 ). Kt qu tính toán có mt s ng nhng cnh n. - Bng vit c nh xy ra ca photon thì tác gi  c mt s ging nhau gia thc nghim và mô ph u này chng minh rng mô phng y s phân b ng ca photon tán x c. - Do ng ca vùng bên trong detector, ta có th thy mnh không nh trong nc gnh tán x c, nó sinh ra do tán x Compton ci vi vt liu bao quanh tinh th detector. 4 Do vy khóa lun này s  và hiu sut ghi nhng ca detector NaI(Tl) gia thc nghim và mô phng bENELOPE. 1.2. Tương tác của gamma với vật chất Tia gamma thuc loi bc x có tính thâm nhi vi vt cht. Chúng có th i ht nhân, electron và nguyên t  và ng ca chúng b suy gim. S suy gi ca chùm tia gamma theo quy lu thuc vào: m vt chn tích hng ca gamma. Bc x i vt chn: o Hiu ng quan. o Tán x Compton. o Quá trình to cp. Hiu n chi ng tia gamma th keV) và vt liu có Z cao. Quá trình to cp chi ng gamma cao (5-10 MeV) và vt liu có Z thp. Tán x Compton chiu th  ng gamma trung bình. 1.2.1. Hiệu ứng quang điện Tia gamma va chi vi nguyên t, truyn toàn b ng cho electron ca nguyên t. Electron này s b bn ra khi nguyên t c gi là quang electron) và tia gamma b hp th hoàn toàn, còn nguyên t thì b  hiu  1.1. [2] Toàn b ng ca tia gamma b mp th, quang electron nhn    (E e) bng hiu s gi  ng tia gamma ti (h   ng liên kt (E b) ca electron trên lp v c khi b bt ra. [2] E e = hE b (1.1) Hiu n xy ra mnh nht vi các tia ng vào khong liên kt ca electron trong nguyên tng liên kt ca nguyên t càng li vi các electron nm sâu  lp trong cùng nên hiu ng n ch yu xy ra  lp trong cùng ca v nguyên tà các electron [...]... khi mở rộng 25 2.2.4 Các chương trình phân tích và xử lý phổ a) Chương trình Genie-2K Genie-2K là một chương trình xử lý phổ gamma hiệu quả Ta có thể biết được diện tích kèm sai số của từng đỉnh phổ mà ta quan tâm, xác suất của nó, thời gian chết, FWHM Chương trình Genie-2K có giao diện như hình bên dưới Hình 2.11 Chương trình Genie-2K b) Chương trình Origin 6.0 Là chương trình tự động vẽ và fit số... tố cần được quan tâm là hiệu suất của detector và độ nhạy của hệ phổ kế Vấn đề độ nhạy của hệ phổ kế đã được tối ưu bởi các đặc trưng của buồng chì và các yếu tố khác trong quá trình thiết kế Vấn đề còn lại là việc xác định hiệu suất của detector tại thời điểm đo là việc rất cần thiết Phương pháp thực nghiệm được sử dụng trong quá trình xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng là... tác của gamma với vật chất, hệ phổ kế và hiệu suất ghi của detector Giới thiệu phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu khoa học, cơ sở của phương pháp và khả năng áp dụng trong tương lai Giới thiệu chương trình PENELOPE dùng để mô phỏng phổ gamma được dùng trong khóa luận này 16 Chương 2 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 2.1 Thực nghiệm 2.1.1 Hệ đo Sử dụng hệ đo gamma dùng detector nhấp nháy NaI( Tl) gồm các thành phần: ... ra từ chương trình material.exe phải được bố trí thành 1 hệ thống theo thứ tự vật liệu đã được định nghĩa trong file không gian 1.5.3 Giới thiệu các chương trình chính (MAIN) Các chương trình chính (MAIN) được tích hợp sẵn là: penslab.f, pencyl.f, penmain.f Chúng ta sẽ tìm hiểu qua về mỗi chương trình, từ đó có lựa chọn chương trình để sử dụng sao cho phù hợp với mục đích của mô phỏng * Chương trình. .. định.Chúng ta cần chú ý rằng chương trình sẽ ghi đè lên những file output cũ trong thư mục làm việc Chúng ta phải lưu lại tất cả các file kết quả trong một thư mục riêng trước khi chạy lại chương trình [7] Ngoài các chương trình chính được giới thiệu như trên, người dùng có thể viết thêm các chương trình khác tùy theo mục đích sử dụng 1.6 Nhận xét chương 1 Trong chương này đã giới thiệu về tình hình nghiên... tuyến tính Chương trình này còn có thể liên kết với các phần mềm thông dụng về xử lý số liệu như excel 2.3 Nhận xét chương 2 Trong chương này đã giới thiệu về bố trí thí nghiệm: nguồn, giá đỡ detector, detector cùng với các thông số liên quan Các bước thực nghiệm Trình bày các cấu hình mô phỏng và việc xử lý phổ mô phỏng, đồng thời giới thiệu một số chương trình phân tích và xử lý phổ 26 Chương 3 KẾT... Eu, 226Ra để tính toán hiệu suất này, khi ấy ảnh hưởng của hiện tượng gamma nối tầng gây ra sự mất số đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần khi tiến hành thí nghiệm ở khoảng cách gần detector (hiệu ứng trùng phùng tổng) cần được hiệu chỉnh Bên cạnh đó, các nguồn này không đủ các đỉnh năng lượng cho toàn bộ vùng quan tâm từ 50keV đến 2000keV Những khó khăn trên có thể được giải quyết bằng phương pháp mô phỏng,... thành phần của các đơn chất cũng như hợp chất này, chúng ta sẽ mở chương trình con pendbase, và file pdcompos.tab nằm trong penbase File pdcompos.tab sẽ cung cấp các thông số: nguyên tử số Z của các thành phần, thành phần khối lượng, chỉ số hóa học, mật độ khối Khi dùng file 13 material.exe, chúng ta cần khai báo số Z của thành phần vật liệu, thành phần khối lượng, chỉ số hóa học và mật độ khối (giá. .. 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 từ hệ điện tử làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thực nghiệm có dạng Gauss Khi đó phổ mô phỏng các đỉnh năng lượng toàn phần được mở rộng bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo hàm Gauss [5] 24  E - E0  -  A     2 f (E) = C.e (2.1)... luật bảo toàn năng lượng có thể được viết dưới dạng sau: E = T- + T+ + 2moc2 (1.4) với T-, T+ lần lượt là động năng của electron và positron mo là khối lượng nghỉ của electron Hình 1.3 Quá trình tạo cặp Quá trình tạo cặp electron - positron xảy ra chủ yếu ở gần trường Coulomb của hạt nhân, hạt nhân này cũng hấp thụ một phần xung lượng của photon ban đầu Tiết diện hiệu dụng tỉ lệ với Z2, nghĩa là hiệu ứng . Detector NaI( Tl) 802 3x3 inches 20 Hình 2.6. Bn v k thut ca detector NaI (Tl) model 802  3 x 3 inches 21 Hình 2.7.  detector dùng trong thc nghim. 21 Hình 2.8. Cu trúc detector NaI.    1.5. Giới thiệu chương trình mô phỏng PENELOPE 1.5.1. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo n chuyn bc x qua vt cht. vùn detector  ng [7] 1.5.2. Chương trình PENELOPE PENELOPE (PENetration and Energy Loss of Positrons and Electrons  s xuyên sâu và