NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁP ỨNG KHÔNG TUYẾN TÍNH LÊN ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG CỦA DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG GEANT 4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -o0o - LÊ BÁ MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÁP ỨNG KHƠNG TUYẾN TÍNH LÊN ĐỘ PHÂN GIẢI NĂNG LƯỢNG CỦA DETECTOR NHẤP NHÁY PLASTIC SỬ DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG GEANT Chun ngành: VẬT LÍ HẠT NHÂN NGUN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG CAO Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ HỒNG HẢI TP Hồ Chí Minh – 2011 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin chân thành cảm ơn thầy Võ Hồng Hải người tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy Châu Văn Tạo, thầy mơn Vật lí hạt nhân tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thời gian làm luận văn mơn Chân thành cảm ơn q thầy hội đồng đọc đóng góp ý kiến giúp luận văn tơi hồn thiện Xin chân thành cảm ơn Trương Thị Hồng Loan, thầy Trịnh Hoa Lăng tận tình dẫn, trả lời thắc mắc tơi Xin chân thành cảm ơn gia đình tơi ủng hộ mặt tinh thần, ban giám hiệu trường THPT Lương Thế Vinh tạo điều kiện thuận lợi mặt thời gian cho tơi q trình làm luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn bạn lớp cao học VLHN K18 đóng góp ý kiến hữu ích q trình tơi làm luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng năm 2011 Lê Bá Mạnh Hùng MỤC LỤC Trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt i Danh mục bảng ii Danh mục hình vẽ, đồ thị iii LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT 1.1 Các kiểu tương tác 1.1.1 Ion hóa .4 1.1.2 Tán xạ Moller - tán xạ Bhabha 1.1.3 Phát xạ hãm .5 1.1.4 Phát xạ Cherenkov 1.2 Sự mát lượng electron qua mơi trường 1.2.1 Mất mát lượng ion hóa 1.2.2 Mất mát lượng phát xạ hãm 1.2.3 Mất mát lượng phát xạ Cherenkov .12 1.2.4 Năng lượng tới hạn 13 Chương 2: CHẤT NHẤP NHÁY PLASTIC 14 2.1 Cơ chế phát sáng chất nhấp nháy hữu plastic .14 2.1.1 Chuyển dời vùng singlet S .14 2.1.2 Chuyển dời vùng triplet T1 16 2.2 Các đặc tính detector nhấp nháy plastic 17 2.2.1 Hiệu suất phát sáng khơng tuyến tính 17 2.2.2 Lân quang 18 2.2.3 Các thơng số chất nhấp nháy plastic sử dụng mơ 18 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG GEANT4 20 3.1 Giới thiệu chương trình mơ Geant4 20 3.2 Phương pháp Monte Carlo sử dụng Geant4 21 3.3 Lõi tính tốn 21 3.3.1 Q trình ion hóa .21 3.3.2 Phát xạ hãm .26 3.4 Chương trình mơ 31 3.4.1 Cấu trúc chương trình 31 3.4.2 Bố trí mơ .33 Chương 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 36 4.1 Khảo sát nở rộng phổ ảnh hưởng thành phần thống kê 36 4.1.1 Tính số photon sinh bước 36 4.1.2 Kết .39 4.1.3 Nhận xét 49 4.2 Khảo sát nở rộng phổ ảnh hưởng hiệu suất phát sáng khơng tuyến tính .50 4.2.1 Đường cong đáp ứng chất nhấp nháy 50 4.2.2 Tính số photon sinh bước 53 4.2.3 Kết .55 4.2.4 Nhận xét 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các thơng số chất nhấp nháy plastic 18  Bảng 4.1: Tỉ lệ phần trăm số hạt bỏ lại tồn lượng khối vật liệu nhấp nháy 43  Bảng 4.2: Độ lệch chuẩn tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới 45  Bảng 4.3: Độ phân giải lượng tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới 47  Bảng 4.4: Hiệu suất phát photon khơng tuyến tính detector nhấp nháy plastic theo lượng 51  Bảng 4.5: Độ lệch chuẩn tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới 59  Bảng 4.6: Độ phân giải lượng tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới 61  Bảng 4.7: So sánh giá trị R-int mơ với thành phần R-intrinsic thực nghiệm 63    iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ   Hình 1.1: Tỉ lệ mát lượng electron positron theo lượng 4  Hình 1.2: Mơ tả q trình ion hóa electron tới 5  Hình 2.1: Sơ đồ mức lượng singlet S1 chất nhấp nháy hữu 15  Hình 2.2: Phổ hấp thụ phát xạ loại chất nhấp nháy hữu 16  Hình 2.3: Sơ đồ mức lượng triplet T1 chất nhấp nháy hữu 17  Hình 3.1: Cấu trúc hình học detector nhấp nháy plastic kích thước 15 × 20 × 20 cm mơ 34  Hình 3.2: Hình ảnh tương tác electron lượng 1,5MeV qua chất nhấp nháy plastic 35  Hình 4.1: Lưu đồ chương trình tính số photon sinh bước 37  Hình 4.2: Phổ ứng với lượng electron tới 1,0MeV 40  Hình 4.3: Phổ lượng electron biễu diễn theo số photon sinh tương ứng với lượng 0,2MeV; 0,3MeV; 0,4MeV; 0,6MeV; 0,8MeV 41  Hình 4.4: Phổ lượng electron biễu diễn theo số photon sinh tương ứng với lượng 1,0MeV; 1,5MeV; 2,0MeV; 3,0MeV 42  Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ số kiện bỏ lại tồn lượng 44  Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn thành phần độ lệch chuẩn theo lượng 46  Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn thành phần độ phân giải lượng 48  Hình 4.8: Đường cong đáp ứng khơng tuyến tính tương đối 52  Hình 4.9: Lưu đồ chương trình tính số photon sinh bước 54  Hình 4.10: Phổ ứng với lượng electron tới 1,0MeV 56  Hình 4.11: Phổ electron biễu diễn theo số photon sinh có lượng 0,2MeV; 0,3MeV; 0,4MeV; 0,6MeV; 0,8MeV 57  Hình 4.12: Phổ electron biễu diễn theo số photon sinh có lượng từ 1,0MeV; 1,5MeV; 2,0MeV; 3,0MeV 58  Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn thành phần độ lệch chuẩn theo lượng 60  iv Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn thành phần độ phân giải lượng 62  Hình 4.15: So sánh độ phân giải lượng thành phần khơng tuyến tính đóng góp độ phân giải nội R-intrinsic thực nghiệm 64  MỞ ĐẦU Đối với detector hạt nhân, độ phân giải lượng thơng số quan trọng việc ghi nhận tia xạ, đặc biệt việc phân biệt đỉnh phổ sát gần Trong nghiên cứu phân rã hai beta để xác định khối lượng hạt neutrino, số phòng thí nghiệm (như dự án superNEMO-Pháp [23]) sử dụng detector nhấp nháy plastic để ghi nhận phổ phân rã hai beta khơng neutrino (0ν-ββ) phổ phân rã hai beta kèm theo hai neutrino (2ν-ββ), độ phân giải detector yếu tố định việc phân tách hai phân rã Chính việc nghiên cứu ngun nhân gây nên độ phân giải lượng detector nhấp nháy cần thiết Các nghiên cứu thực nghiệm [14], [15], [16], detector nhấp nháy cho thấy độ phân giải lượng bao gồm hai thành phần, thành phần thống kê thành phần nội “R-intrinsic” vật liệu gây Có ý kiến cho rằng, thành phần R-intrinsic detector phụ thuộc vào ngun nhân hàm đáp ứng khơng tuyến tính detector, phân bố phân tử chất nhấp nháy, khơng đồng vật liệu, chất dẫn sáng, Trong luận văn này, chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng đáp ứng khơng tuyến tính vào độ phân giải lượng detector nhấp nháy plastic phương pháp mơ Ở đó, số liệu thực nghiệm hiệu suất phát photon khơng tuyến tính vật liệu nhấp nháy plastic trích từ thực nghiệm [14] Thơng số chất nhấp nháy plastic lấy từ hãng BICRON [21] Chúng tơi khảo sát cho electron tới có lượng gián đoạn từ 0,2MeV đến 3,0MeV Sự ảnh hưởng tuyến tính detector thực luận văn với mục đích so sánh với trường hợp đáp ứng detector khơng tuyến tính Kết mơ so sánh với kết thực nghiệm [16] Chương trình mơ GEANT4 (GEometry ANd Tracking) [18] sử dụng nghiên cứu Chương trình mơ Geant4 phần mềm mơ tương tác hạt tới với vật chất, có mã nguồn mở, độ tin cậy cao nghiên cứu phát triển đội ngũ nhà nghiên cứu CERN (European Organization for Nuclear Research) Bố cục luận văn gồm có chương: Chương 1: Trình bày sở lí thuyết tương tác electron với vật chất Chương 2: Trình bày chế tương tác đặc tính chất nhấp nháy plastic Chương 3: Giới thiệu tổng quan cấu trúc, ngun lí thơng số cài đặt cho việc chạy chương trình mơ Geant4 Chương 4: Trình bày kết mơ phỏng, so sánh với số liệu thực nghiệm Chương TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT Trong chương này, chúng tơi trình bày lí thuyết tương tác electron với vật chất, bao gồm loại tương tác, tiết diện tương tác ứng với q trình độ mát lượng q trình tương tác 1.1 Các kiểu tương tác Electron mang lượng qua mơi trường vật chất detector để lại phần tồn lượng tương tác với hạt vật chất mơi trường Tương tác electron với mơi trường vật chất phụ thuộc chủ yếu vào lượng Ở lượng thấp, chủ yếu tương tác xảy thơng qua hiệu ứng: • Kích thích, ion hóa • Tán xạ Moeller • Tán xạ Bhabha • Electron- positron huỷ cặp Ở mức lượng cao, q trình phát xạ hãm chiếm ưu Ngồi ra, electron chuyển động với vân tốc lớn vận tốc ánh sáng mơi trường đó, lượng electron mát thơng qua hiệu ứng phát xạ Cherenkov Hình 1.1 thể tỉ lệ mát lượng electron theo dạng tương tác, số liệu mát lượng tồn phần positron thể a Số đếm Số đếm 56 b N (photon) c Số đếm N (photon) E (MeV) d E (MeV) N (photon) Hình 4.10: Phổ ứng với lượng electron tới 1,0MeV  a) Histogram (phổ) lượng bỏ lại detector b) Histogram (phổ) số photon sinh c) Histogram (phổ) số photon sinh theo lượng d) Đỉnh phổ làm khớp dạng Gauss (đường màu đỏ liền nét) 57 - Để so sánh dạng đáp ứng ứng với giá trị lượng khác detector đóng góp số kiện đỉnh phổ, chúng tơi vẽ phổ đáp ứng detector với mức lượng khác lên đồ thị Phổ lượng electron từ 0,2MeV đến 0,8MeV biễu diễn hình 4.11 Phổ lượng electron từ 1,0MeV đến 3,0MeV Số đếm biễu diễn hình 4.12 0,2MeV 0,3MeV 0,4MeV 0,6MeV 0,8MeV N (photon) Hình 4.11: Phổ electron biễu diễn theo số photon sinh tương ứng với lượng 0,2MeV; 0,3MeV; 0,4MeV; 0,6MeV; 0,8MeV  58 Số đếm − Phổ lượng electron từ 1,0MeV đến 3,0 MeV: 1,0MeV 1,5MeV 2,0MeV 3,0MeV N (photon) Hình 4.12: Phổ electron biễu diễn theo số photon sinh tương ứng với lượng từ 1,0MeV; 1,5MeV; 2,0MeV; 3,0MeV  59 4.2.4 Phân tích độ phân giải lượng Các kết thu từ q trình làm khớp trình bày bảng 4.5, bao gồm số photon sinh trung bình (Ntb); độ lệch chuẩn sigma tính theo phân bố Poison (σPoisson = N tb ) làm khớp theo hàm Gauss (σtotal), cho electron có lượng từ 0,2MeV đến 3,0MeV Các số liệu vẽ hình 4.13 Bảng 4.5: Độ lệch chuẩn tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới Năng lượng Ntb ± ΔNtb σPoisson ± ΔσPoisson σtotal ± Δ σtotal 0,2 1637,3 ± 0,5 40,464 ± 0,007 48,02 ± 0,57 0,3 2546,1 ± 0,7 50,459 ± 0,007 61,58 ± 0,74 0,4 3490,3 ± 0,8 59,079 ± 0,007 73,02 ± 0,93 0,6 5454,4 ± 1,1 73,854 ± 0,007 94,37 ± 1,16 0,7 6453,7 ± 1,2 80,335 ± 0,008 101,35 ± 1,53 0,8 7457,8 ± 1,8 86,359 ± 0,010 118,02 ± 1,35 1,0 9543,6 ± 1,5 97,691 ± 0,008 135,52 ± 2,31 1,2 11764,0 ± 1,8 108,462 ± 0,008 146,15 ± 1,89 1,3 12880,0 ± 1,5 113,490 ± 0,007 140,00 ± 1,60 1,4 13965,0 ± 2,1 118,174 ± 0,009 132,44 ± 1,69 1,5 15018,0 ± 1,5 122,548 ± 0,006 131,69 ± 1,69 1,7 17036,0 ± 2,3 130,522 ± 0,009 144,85 ± 1,98 2,0 20047,0 ± 2,8 141,587 ± 0,008 160,46 ± 2,14 2,3 23083,0 ± 2,8 151,931 ± 0,009 170,30 ± 2,30 2,5 25096,0 ± 2,9 158,417 ± 0,009 180,30 ± 2,31 2,7 27108,0 ± 3,1 164,645 ± 0,009 187,47 ± 2,53 3,0 30127,0 ± 3,2 173,571 ± 0,009 200,17 ± 2,55 (MeV) 60 σPoisson(Photon) σTotal (Photon) Độ lệch chuẩn (photon) 200 150 100 50 Năng lượng (MeV) Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn thành phần độ lệch chuẩn theo lượng 61 Bảng 4.6 trình bày kết độ phân giải lượng cho thành phần đóng góp (RPoisson, Rint), độ phân giải tổng (Rtotal) kèm theo sai số tính tốn dựa vào số liệu bảng 4.5, tính theo cơng thức (4.1), (4.2), (4.3), (4.4) Các số liệu tính tốn thể hình 4.14 Bảng 4.6: Độ phân giải lượng tương ứng với giá trị lượng khác hạt tới Năng lượng (MeV) RPoisson± Δ RPoisson (%) Rtotal ± Δ Rtotal (%) Rint ± Δ Rint (%) 0,2 5,8077 ± 0,0021 6,8927 ± 0,0823 3,7121 ± 0,1528 0,3 4,6573 ± 0,0014 5,6837 ± 0,0684 3,2580 ± 0,1193 0,4 3,9777 ± 0,0010 4,9162 ± 0,0627 2,8890 ± 0,1067 0,6 3,1820 ± 0,0007 4,0658 ± 0,0499 2,5310 ± 0,0802 0,7 2,9253 ± 0,0006 3,6905 ± 0,0555 2,2500 ± 0,0911 0,8 2,7212 ± 0,0007 3,7189 ± 0,0424 2,5348 ± 0,0622 1,0 2,4055 ± 0,0004 3,3370 ± 0,0568 2,3128 ± 0,0819 1,2 2,1667 ± 0,0004 2,9195 ± 0,0378 1,9568 ± 0,0565 1,3 2,0707 ± 0,0003 2,5543 ± 0,0292 1,4957 ± 0,0499 1,4 1,9886 ± 0,0003 2,2287 ± 0,0284 1,0062 ± 0,0629 1,5 1,9176 ± 0,0002 2,0607 ± 0,0264 0,7544 ± 0,0721 1,7 1,8005 ± 0,0003 1,9981 ± 0,0273 0,8665 ± 0,0630 2,0 1,6598 ± 0,0002 1,8810 ± 0,0250 0,8851 ± 0,0532 2,3 1,5468 ± 0,0002 1,7338 ± 0,0234 0,7833 ± 0,0518 2,5 1,4834 ±0,0002 1,6883 ± 0,0216 0,8062 ± 0,0453 2,7 1,4273 ± 0,0002 1,6252 ± 0,0219 0,7772 ± 0,0458 3,0 1,3539 ± 0,0002 1,5614 ± 0,0199 0,7777 ± 0,0399 62 RPoisson (%) RTotal (%) Rint (%) R (%) 0 Năng lượng (MeV) Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn thành phần độ phân giải lượng 4.2.4 Nhận xét - Ở hình 4.13 ta thấy có đóng góp đáp ứng khơng tuyến tính, có chênh lệch giá trị độ lệch chuẩn tính theo phân bố Poisson (σpoisson) độ lệch chuẩn thu từ mơ (σint) Điều chứng tỏ đáp ứng khơng tuyến tính có đóng góp vào độ phân giải lượng detector nhấp nháy plastic - Hình 4.14 cho ta thấy vùng lượng thấp 1,0MeV có đóng góp đáng kể khơng tuyến tính vào độ phân giải lượng; vùng lượng cao 1,5MeV đóng góp đáp ứng khơng tuyến tính nhỏ khơng đáng kể ([...]... Sơ đồ mức năng lượng triplet T của chất nhấp nháy hữu cơ 2.2 Các đặc tính của detector nhấp nháy plastic 2.2.1 Hiệu suất phát sáng không tuyến tính Vấn đề chủ yếu khi sử dụng chất nhấp nháy plastic là đáp ứng không tuyến tính, nghĩa là ánh sáng phát ra trên một đơn vị chiều dài không phụ thuộc tuyến tính với năng lượng mất mát trên mỗi đơn vị đường đi của bức xạ Độ không tuyến tính được tính bằng biểu... detector nhấp nháy plastic BC -40 8 [21] 20 Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG GEANT4 3.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng Geant4 Geant4 (GEometry ANd Tracking) là một gói công cụ phần mềm được nghiên cứu và phát triển bởi trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN) Phần mềm này được dùng để mô phỏng tương tác của hạt vật chất với môi trường mà nó đi qua Với ưu điểm nổi trội là chương trình mô phỏng mã... quan tâm đến ảnh hưởng của hiệu suất phát sáng đến độ phân giải năng lượng của chất nhấp nháy hữu cơ plastic 2.1 Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ plastic 2.1.1 Chuyển dời vùng singlet S Cơ chế cơ bản của chất nhấp nháy hữu cơ plastic là phát ánh sáng huỳnh quang hay phát ánh sáng tức thời sau dịch chuyển trạng thái điện tử S Để giải thích cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy plastic, chúng... thức năng lượng mất mát do ion hoá và năng lượng mất mát do phát bức xạ, ta thấy năng lượng mất mát do ion hóa thay đổi theo hàm logarit của năng lượng hạt tới và tuyến tính với Z; đối với năng lượng mất mát do phát bức xạ hãm hầu như tuyến tính với năng lượng hạt tới và bình phương của Z Sự phụ thuộc này giải thích sự biến đổi của độ mất mát năng lượng của electron do ion hóa và do phát bức xạ của. .. electron khi đi qua chất nhấp nháy plastic trên hình 1.3 12 Độ mất mát năng lượng (Mev.cm2/g) CHẤT NHẤP NHÁY PLASTIC (POLIVINYLTOLUENE) Mất mát năng lượng do va chạm Mất mát năng lượng do bức xạ Năng lượng (MeV) Tổng năng lượng mất mát Hình 1.3 Mất mát năng lượng do ion hóa so sánh với mất mát do phát bức xạ của electron trong chất nhấp nháy plastic [19] 1.2.3 Mất mát năng lượng do phát bức xạ Cherenkov... mở, Geant4 có thể được sử dụng một cách linh hoạt tương ứng với mục đích sử dụng của người dùng, đồng thời, người dùng cũng có điều kiện tham gia tích cự vào đội ngũ không ngừng cải tiến, hoàn thiện và phát triển chương trình Trong chương trình này, chúng tôi tập trung phát triển chương trình mô phỏng tương tác của electron khi đi qua khối vật liệu plastic nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của đáp ứng không tuyến. .. Sơ đồ mức năng lượng singlet S của chất nhấp nháy hữu cơ [6] Quá trình chuyển từ trạng thái dao động S1 về mức S1 cơ bản là quá trình chiếm ưu thế trong detector nhấp nháy, trong quá trình này electron mất một phần năng lượng, do đó năng lượng phát ra trong suốt quá trình chuyển từ mức năng lượng S1 sang S0 nhỏ hơn, phần năng lượng chất nhấp nháy hấp thụ từ tia bức xạ để chuyển mức từ S0 lên mức S1... đáp ứng không tuyến tính vào độ phân giải năng lượng của đầu dò 21 nhấp nháy plastic 3.2 Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4 Chương trình Geant4 sử dụng đồng thời các phương pháp kết hợp và phương pháp loại trừ trong Monte Carlo Các bước cơ bản của các phương pháp này như sau: Giả sử cần gieo giá trị ngẫu nhiên x trong đoạn [x1,x2] tuân theo hàm phân bố f(x) và hàm mật độ xác suất chuẩn hóa... nhiệt độ Ghi nhận các bức xạ Tia X ( ... cải tiến, hồn thiện ph t triển chương trình Trong chương trình này, chúng t i t p trung ph t triển chương trình mơ t ơng t c electron qua khối v t liệu plastic nhằm nghiên cứu ảnh hưởng đáp ứng. .. v t ch t, bao gồm loại t ơng t c, ti t diện t ơng t c ứng với q trình độ m t lượng q trình t ơng t c 1.1 Các kiểu t ơng t c Electron mang lượng qua mơi trường v t ch t detector để lại phần t n... su t ph t sáng, đáp ứng thời gian, dập t t đặc điểm quan trọng cần t m hiểu q trình sử dụng ch t nhấp nháy detector h t nhân Trong luận văn này, chúng t i quan t m đến ảnh hưởng hiệu su t phát