khảo sát albedo gamma trên vật liệu cu, al, thép c45

Với xu hướng trên, nhằm mục đích sử dụng phương pháp tán xạ ngược gamma đo đạc bề dày vật liệu trong thực tế, các thông số sau của bài toán tán xạ ngược gamma cần được khảo sát là góc tá

Võ Th ị Thắm

Thành ph ố Hồ Chí Minh – 2013

Võ Th ị Thắm

Chuyên ngành: V ật lí nguyên tử

Mã s ố: 60 44 01 06

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS CHÂU V ĂN TẠO

Thành ph ố Hồ Chí Minh – 2013

giúp đỡ và sự hướng dẫn tận tình từ các Thầy Cô, bạn bè và gia đình Giờ đây

khi luận văn đã hoàn thành, học viên xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 PGS.TS Châu Văn Tạo – người hướng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo,

giúp đỡ, giảng dạy và truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báo cho học viên

trong việc học tập và cả trong nghề nghiệp giáo viên của học viên

 ThS Trịnh Hoa Lăng, ThS Hoàng Đức Tâm, TS Trần Thiện Thanh –

những người Thầy đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu, chia sẻ kinh

nghiệm cho học viên trong quá trình làm luận văn

 Quý Thầy Cô trong khoa Vật Lý, trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM đã

giảng dạy trong suốt những tháng năm học viên học đại học và cao học

Những kiến thức thu nhận được qua từng bài giảng, từng môn học của Thầy

Cô là nền tảng để học viên có thể tiếp thu và giải quyết các vấn đề trong

luận văn

 Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã

đáp ứng các điều kiện trang thiết bị cần thiết để học viên hoàn thành luận

văn

 Anh Huỳnh Đình Chương, em Vũ Ngọc Ba – kỹ thuật viên phòng thí

nghiệm Kỹ Thuật Hạt Nhân, đã hỗ trợ và chia sẻ kinh nghiệm cho học viên

trong suốt thời gian học viên làm luận văn

 Các quý Thầy Cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc, nhận xét,

góp ý để luận văn này hoàn thiện hơn và giúp học viên trưởng thành hơn

trong công việc nghiên cứu khoa học

 Và cuối cùng, xin cảm ơn các thành viên trong gia đình đã luôn ở bên động viên và chia sẻ

những lúc khó khăn để con có thể an tâm vả có thêm động lực thực hiện luận văn

Học viên

Võ Th ị Thắm

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp0 100

1.3 Giới thiệu về phương pháp gamma tán xạ ngược0 110

1.3.1 Phép đo tán xạ ngược gamma0 11

Chương 3 - THỰC NGHIỆM0 230

3.1 Các thiết bị dùng trong đo tán xạ0 230

3.1.1 Nguồn phóng xạ0 230

3.3 Xử lý phổ0 340

3.3.1 Nguyên lý ghi nhận0 340

3.3.2 Hình dạng phổ tán xạ ngược gamma0 350

Amptek

FWHM Full Width at Half Maximum - Bề rộng ở một nửa giá trị cực đại

HPGe High Purity Germanium - Germani siêu tinh khiết

MCA Multi Channel Analyzer - Máy phân tích đa kênh

MCNP Monte Carlo N Particles - Chương trình mô phỏng MCNP

NDT Non Destructive Testing - Kiểm tra không phá hủy mẫu

B ảng 3.2 Giá trị thực nghiệm của số kênh và FWHM tương ứng với Ucác đỉnh

năng lượng của nguồn chuẩn 330

B ảng 3.3 Giá trị αU n RU của bia nhôm và bia thép C45 ứng với các góc Után xạ θ

B ảng 3.6 Giá trị αU

n RUứng với các góc tới θU

0 RU khác nhau.U 450

B ảng 3.11 So sánh giá trị bề dày tính được dựa vào công thức hàm làm Ukhớp từ

các dữ liệu thực nghiệm và bề dày thực nghiêm 51

năng lượng gamma tới và bậc số nguyên tử Z của vật liệuU 60

Hình 1.2 Cơ chế hấp thụ quang điệnU 70

Hình 1.3 Tán xạ ComptonU 80

Hình 1.4 Hiệu ứng tạo cặpU 110

Hình 1.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm phép đo tán xạ ngượcU 12 0

Hình 2.1 Sơ đồ tán xạ ngược tính toán giá trị albedoU 160

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát các đặc trưng tán xạ ngược theo bề dày vật

liệuU 190

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton trên một electron theo góc

tán xạ θ cho một số năng lượng gamma tớiU 21 0

Hình 3.1 Nguồn, hộp chứa nguồn và ống chuẩn trực được sử dụng.U 240

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối các bộ phận của hệ đo gamma NaI(Tl) 8K.U 250

Hình 3.3 Hệ đo gamma NaI(Tl) 8K.U 260

Hình 3.4 Bố trí thí nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma số đếm theo Ugóc tán

Hình 3.6 Bố trí thí nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma số đếm theo Ubề dày

vật liệu, với góc tới θR

Hình 3.7 Phép đo tán xạ ngược có bia, với góc tới 45U

0

Hình 3.8 Phép đo phông với góc tới 45U

0

P, góc tán xạ 100U

0

P Bố trí tương Utự như phép đo tán xạ ngược nhưng không có bia tán xạ 320

Hình 3.9 Bố trí thí nghiệm phép đo số đếm gamma tớiU 320

Hình 3.10 Đường làm khớp đường chuẩn năng lượng.U 34

Hình 3.19 Sự biến thiên của giá trị αU n RU theo bề dày vật liệu cho bia nhôm.U 470

Hình 3.20 Sự biến thiên của giá trị αU n RU theo bề dày vật liệu cho bia đồng.U 480

Hình 3.21 Sự biến thiên của giá trị αU n RU theo bề dày vật liệu cho Ubia thép C45 50

M Ở ĐẦU

Ngày nay, vật lý hạt nhân có một vị trí hết sức quan trọng trong khoa học kỹ thuật

vì nó liên quan với nhiều ngành khoa học khác nhau như sinh học, địa chất, hóa

học, y học…Cùng với sự phát triển đó, nhiều phương pháp, nhiều kỹ thuật hạt nhân khác nhau đã ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, khảo cổ, y sinh với mục đích chính là phục vụ những nhu cầu ngày càng cao của con người

Trong công nghiệp, hiện nay đã có nhiều phương pháp NDT, kiểm tra khuyết tật hay đo bề dày sản phẩm mà không cần phá hủy mẫu như phương pháp truyền qua,

chụp ảnh phóng xạ…cho kết quả nhanh chóng với độ chính xác cao Tuy nhiên, trong thực tế, đối với các công trình có cấu trúc phức tạp thì các phương pháp trên không được áp dụng vì tỏ ra kém ưu thế, đặc biệt trong khâu bố trí đo đạc, thay vào

đó nổi trội lên chính là phương pháp tán xạ ngược Ưu điểm của phương pháp này

là thiết bị đo không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo, nguồn phóng xạ và đầu dò ghi nhận được đặt cùng một phía so với đối tượng cần đo Do đó, việc bố trí đo đạc

dễ dàng hơn đồng thời mang lại kết quả đo đạc có độ chính xác không kém

Với xu hướng trên, nhằm mục đích sử dụng phương pháp tán xạ ngược gamma

đo đạc bề dày vật liệu trong thực tế, các thông số sau của bài toán tán xạ ngược gamma cần được khảo sát là góc tán xạ, góc tới, năng lượng gamma tới, bậc số nguyên tử của vật liệu, bề dày vật liệu đo đạc được Qua đó, đề ra các phương án

đo đạc, các giải pháp khắc phục để phương pháp tán xạ ngược trở nên hoàn thiện

và được ứng dụng rộng rãi hơn nữa Và nội dung đề tài này cũng không nằm ngoài

mục đích đó

Trong lý thuyết tán xạ, đại lượng albedo (thường được ký hiệu là α) chính là tỉ số

giữa cường độ chùm tia tán xạ ngược và cường độ chùm tia tới bề mặt vật chất Nó

phụ thuộc vào nhiều đại lượng vật lý như năng lượng tia tới E0, năng lượng tia tán

xạ ngược E, góc tới θ , góc tán xạ θ, góc phương vị ϕ và bề dày vật liệu d Ý nghĩa 0

của hệ số albedo chính là xác suất tán xạ ngược của bức xạ có năng lượng E0 trên

bề mặt vật liệu Như vậy nếu biết hệ số albedo ở một điều kiện đo đạc nhất định, ta

có thể suy ra khả năng tán xạ ngược của bức xạ ở điều kiện đó là bao nhiêu và do

đó đây là một nguồn dữ liệu rất có ích

Mục tiêu của luận văn là khảo sát sự biến thiên của giá trị albedo gamma số đếm theo góc tán xạ, góc tới và bề dày bia Từ các kết quả đó, ta đánh giá khả năng tán

xạ ngược tối ưu của bức xạ gamma trên vật liệu, góp phần hoàn thiện phương pháp

đo tán xạ ngược gamma

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là giá trị albedo gamma đối với các vật liệu thép C45, nhôm và đồng có dạng tấm phẳng

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm sử dụng đầu dò NaI(Tl)

60

P

Co

Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu albedo gamma trên thế

giới, đặc điểm tương tác của bức xạ gamma với vật chất và giới thiệu về phương pháp tán xạ ngược gamma

Chương 2: Giới thiệu về đại lượng albedo gamma, các định nghĩa về albedo

gamma và sự phụ thuộc của albedo gamma số đếm vào một số yếu tố

Chương 3: Trình bày cách tiến hành thực nghiệm và kết quả đạt được Cách tiến

hành thực nghiệm bao gồm việc giới thiệu về các dụng cụ sử dụng, cách bố trí thí nghiệm, cách xử lý phổ thực nghiệm thu được và xử lý sai số của số liệu Kết quả thu được bao gồm cho việc khảo sát albedo gamma số đếm theo góc tán xạ, theo góc tới và theo bề dày vật liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 T ổng quan tình hình nghiên cứu về albedo gamma

Việc đo lường giá trị albedo của bức xạ gamma tán xạ ngược có nhiều ứng dụng trong vấn đề che chắn bức xạ gamma đặc biệt trong che chắn cho máy gia tốc, cho

lò phản ứng hạt nhân và trong nhiều cơ sở hạt nhân khác [7] Tùy theo mục đích sử

dụng, thông thường có ba loại albedo gamma là albedo gamma số đếm, albedo gamma năng lượng và albedo gamma liều Ứng với mỗi loại lại chia ra thành hai

dạng: albedo vi phân và albedo toàn phần Albedo toàn phần có được bằng cách lấy tích phân albedo vi phân trên toàn bộ góc khối Định nghĩa cho ba loại albedo vi phân sẽ được trình bày ở phần 2.2 Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu

về albedo gamma Trong đó có hai phương pháp được sử dụng chủ yếu là phương pháp lý thuyết dựa trên thuật toán Monte Carlo và phương pháp thực nghiệm

Theo nghiên cứu tài liệu của Selph [16], một trong những tính toán Monte Carlo

sớm nhất được thực hiện bởi Berger và Doggette Berger và Doggette đã tính toán giá trị albedo gamma liều toàn phần cho nguồn đơn năng tán xạ ngược trên bề mặt

sắt, thiếc, chì và nước Qua đó thấy được sự phụ thuộc của giá trị albedo gamma

liều toàn phần vào bề dày vật liệu tán xạ, khi bề dày tăng thì albedo gamma liều toàn phần tăng Berger và Raso cũng đã đưa ra một loạt các tính toán Monte Carlo

để giải quyết giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần cho nguồn gamma đơn năng tán xạ ngược trên một số vật liệu đối với một số góc tán xạ khác nhau và thực

hiện cho một số năng lượng khác nhau Kết quả nghiên cứu của họ còn cho thấy sự

biến thiên của giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần theo bậc số nguyên tử Z

của vật liệu tán xạ

Ngoài ra theo tài liệu của Brockhoff và Shultis [15], Chilton và Huddleston đã

tiến hành làm khớp các dữ liệu tính toán Monte Carlo và đưa ra công thức xấp xỉ tính giá trị albedo gamma liều vi phân còn gọi là công thức Chilton-Huddleston với các hệ số khác nhau phụ thuộc vào năng lượng của photon tới Dù công thức

Chilton-Huddleston được sử dụng rộng rãi nhưng dữ liệu về các hệ số của công

thức Chilton-Huddleston có giá trị cho rất ít nguồn năng lượng tới

Về mặt thực nghiệm, phần lớn các thực nghiệm về albedo gamma đều được thực

quả thực nghiệm có hơi khập khiễng

Bulatov và Garusov [8] đã tiến hành thực nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần cho một số vật liệu khác nhau Thực nghiệm được tiến hành

, đầu dò sử dụng là ống đếm chứa khí (gas counter) Về kết quả, các tác giả

đã đưa ra được công thức thực nghiệm thể hiện sự phụ thuộc của giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần vào bề dày vật liệu Ngoài ra các tác giả cũng đưa ra

một công thức thực nghiệm khác thể hiện sự phụ thuộc của giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần vào năng lượng tia tới, góc tới (góc tới là góc tạo bởi tia gamma tới và pháp tuyến của mặt bia tại điểm tới), bậc số nguyên tử của bia tán xạ

và mật độ của bia với sai số khoảng 20 % , công thức áp dụng được cho bia có bậc

số nguyên tử Z lớn hơn 6

Mizukami, Matsumoto và Hyodo [12] đã tiến hành thực nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma năng lượng toàn phần và albedo gamma số đếm toàn phần theo bề dày vật liệu đối với bia nhựa polyethylence, nhôm và chì Bố trí thí nghiệm với nguồn P

60

P

Co, hoạt độ 10 μCi được đặt ngay trên bia tán xạ, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 7,6 cm × 7,6 cm đặt cách bia 80 cm Kết quả, các tác giả cũng đưa ra được công thức thực nghiệm thể hiện sự phụ thuộc của giá trị albedo gamma vào

bề dày bia tương tự như công thức của Bulatov và Garusov

Bhattacharjee và Sinha [6] đã tiến hành thực nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma số đếm đối với bia tán xạ bao gồm các tấm nhôm, sắt hoặc bê tông xếp

chồng với các tấm chì có bề dày khác nhau Mục đích thực nghiệm là xem xét cấu hình sắp xếp các lớp vật liệu thích hợp cho việc tăng hiệu quả che chắn khi chèn vào vật liệu che chắn các lớp chì, đồng thời các tác giả cũng nghiên cứu sự phụ

thuộc của bề dày bão hòa vào bậc số nguyên tử hiệu dụng của mỗi cấu hình Nguồn

sử dụng là nguồn P

137

P

Cs, hoạt độ 30 μCi, được đặt ngay trên bia tán xạ Đầu dò sử

dụng là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 5,1 cm × 5,1 cm có màng lọc bức xạ bằng nhôm dày 35 g/cmP

2

P Kết quả cho thấy giá trị albedo gamma số đếm toàn phần giảm đáng

kể khi bia tán xạ có cấu hình là một lớp chì phía trước, tiếp theo là một lớp vật liệu che chắn nhôm, sắt hoặc bê tông và như vậy hiệu quả che chắn đã được tăng lên Khi bề dày của bia tăng, giá trị albedo gamma số đếm toàn phần đạt giá trị bão hòa

ở bề dày nào đó và giá trị bề dày bão hòa này giảm khi bậc số nguyên tử hiệu dụng

của bia tăng Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy giá trị albedo gamma số đếm toàn

phần tăng khi bậc số nguyên tử hiệu dụng giảm Điều này được các tác giả giải thích là do khi bậc số nguyên tử tăng thì tiết diện của quá trình hấp thụ quang điện các tia gamma tới tăng

Sabharwal, Singh và Sandhu [7] đã nghiên cứu về tán xạ nhiều lần và albedo gamma vi phân bằng phương pháp thực nghiệm Trong đó các sự kiện tán xạ nhiều

lần được xác định bằng cách trừ phổ tán xạ toàn phần cho phổ tán xạ một lần, với

phổ tán xạ một lần được tái tạo bằng phương pháp giải tích sử dụng các thông số được xác định từ thực nghiệm Nguồn sử dụng là nguồn P

65

P

Zn (phát gamma có năng lượng 1,12 MeV), hoạt độ 222 MBq được đặt lần lượt ngay trên các bia cacbon, nhôm, sắt, thiếc, đồng thau, hợp kim đồng – thiếc Khảo sát trên các bia có bề dày khác nhau, kết quả cho thấy khi bề dày tăng thì cường độ bức xạ tán xạ nhiều lần tăng và đạt giá trị bão hòa ở một bề dày nào đó Tương tự đối với giá trị albedo gamma năng lượng vi phân và albedo gamma số đếm vi phân, tuy nhiên điều đặc

biệt được nhận thấy ở đây là bề dày bão hòa ở các khảo sát là như nhau

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

Để ghi bức xạ gamma và đặc biệt đối với sự suy giảm của nó trong môi trường,

ba quá trình sau đây có ý nghĩa thật sự là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và

hiệu ứng tạo cặp Tùy thuộc vào năng lượng của tia gamma tới và bậc số nguyên tử

Z của vật liệu mà ba cơ chế tương tác trên có xác suất xảy ra khác nhau, như minh

họa ở hình 1.1 Theo đó, ta thấy hiệu ứng quang điện là hiệu ứng chiếm ưu thế đối

với các gamma năng lượng thấp và vật liệu có số Z cao Hiệu ứng tạo cặp xảy ra

chủ yếu khi gamma có năng lượng cao và vật liệu có số Z cao Tán xạ Compton là

hiệu ứng chiếm ưu thế đối với gamma năng lượng trung bình khoảng từ 0,2 – 10 MeV và có số Z thấp Do đó đối với các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo với năng lượng tia gamma vào cỡ 0,25 – 2,6 MeV, tương tác của tia gamma với các vật

liệu nhẹ chủ yếu là do tán xạ Compton đóng góp

Hình 1.1 Xác suất xảy ra ba cơ chế tương tác chính của bức xạ gamma theo

năng lượng gamma tới và bậc số nguyên tử Z của vật liệu [14]

Sau đây, đặc điểm cơ chế tương tác cũng như tiết diện tương tác của ba quá trình trên sẽ được trình bày

1.2.1 Hi ệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của photon với electron liên kết trong nguyên tử Các photon tới truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết trong nguyên tử Năng lượng này, một phần cung cấp cho electron thắng lực liên

kết, một phần trở thành động năng ban đầu của electron Năng lượng của electron được xác định từ hệ thức:

e i i

T = − = υ − E I h I (1.1) Trong đó IR

i Rlà năng lượng liên kết của electron lớp i của nguyên tử

Từ hệ thức (1.1), ta thấy hiệu ứng quang điện chỉ có thể xảy ra khi hυ > Theo Ii

định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn năng lượng thì photon không tương tác được với electron tự do Do đó năng lượng của photon không được quá

lớn hơn so với năng lượng liên kết của electron để electron liên kết không được xem gần đúng là electron tự do Và khi năng lượng của photon cùng bậc với năng lượng liên kết của electron thì tiết diện hiệu ứng quang điện có giá trị tăng vọt

Hình 1.2 Cơ chế hấp thụ quang điện

Tiết diện của hiệu ứng quang điện σ phụ thuộc vào năng lượng Ephot R 0 R của photon tới và bậc số nguyên tử Z của môi trường:

5 phot

0

ZE

σ ∝ đối với ER

0 R >> IR

5 phot 7/ 2

0

ZE

σ ∝ đối với ER 0 R > IR K R (1.2.b)

Với IR

K Rlà năng lượng liên kết của electron lớp K của nguyên tử

Từ (1.2.a) và (1.2.b) ta thấy hiệu ứng quang điện có xác suất xảy ra lớn đối với

vật liệu nặng và xác suất này đáng kể ngay cả đối với những photon năng lượng cao Trong vật liệu nhẹ, hiệu ứng này chỉ có ý nghĩa với những photon có năng lượng tương đối thấp

1.2.2 Tán x ạ Compton

Khi năng lượng của photon tới có giá trị lớn đáng kể so với năng lượng liên kết

của electron trong nguyên tử thì có thể xem gần đúng electron tự do Photon tới tán

xạ đàn hồi trên electron và lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu Quá trình trên

gọi là quá trình tán xạ Compton Năng lượng ban đầu của photon tới được truyền cho electron và photon tán xạ

Hình 1.3 Tán xạ Compton

Giả sử trước lúc va chạm electron đứng yên Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của photon tán xạ được tính bằng công thức:

0 0 2 e

EE

0 Rlà năng lượng ban đầu của photon tới

mR e R là khối lượng nghỉ của electron

θ là góc hợp bởi phương chuyển động của photon tới và photon tán xạ Khi đó, năng lượng của electron bay ra là:

0

e 0 0

0 2 e

ε = , rR e R là bán kính cổ điển của electron

Tiết diện tán xạ Compton toàn phần trên một electron có được bằng việc lấy tích phân (1.5) trên cả góc khối:

Xét hai trường hợp giới hạn của tiết diện tán xạ Compton (1.6) như sau:

- Trường hợp ε 1 hay E0 m ce 2, công thức (1.6) biến đổi thành:

e 2 Com e

và do có Z electron trong một nguyên tử nên tiết diện tán xạ Compton tính trên một nguyên tử tỉ lệ thuận với bậc số nguyên tử Z của môi trường theo công thức xấp xỉ sau:

Com

0

ZE

1.2.3 Hi ệu ứng tạo cặp

Nếu photon tới có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron 1,022 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron – positron Đó là hiệu ứng tạo cặp Năng lượng của gamma tới được chuyển thành

khối lượng của cặp electron – positron Phần năng lượng lớn hơn 1,022 MeV của các gamma tới chính là tổng động năng của cặp electron – positron và hạt nhân giật lùi

γ

γ

Hình 1.4 Hiệu ứng tạo cặp

Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, mà đòi hỏi phải ở lân cận

hạt nhân hoặc electron Thật vậy, nếu hiện tượng tạo cặp xảy ra trong chân không thì theo định luật bảo toàn động lượng và năng lượng cần thỏa mãn hai biểu thức:

Do cặp electron – positron sinh ra trong trường điện từ của hạt nhân nên dưới tác động của lực Coulomb, positron bay ra ngoài kết hợp với một electron tự do theo hiệu ứng hủy cặp tạo thành hai gamma bay ngược chiều nhau, mỗi gamma có năng lượng 0,511 MeV

Tiết diện của hiệu ứng tạo cặp trong trường hạt nhân tỷ lệ với ZP

1.3 Gi ới thiệu về phương pháp gamma tán xạ ngược

1.3.1 Phép đo tán xạ ngược gamma

Tán xạ ngược gamma là hiện tượng các tia gamma tới bề mặt vật chất, sau khi tương tác với các electron trong vật chất, các tia tán xạ bị bật ngược trở lại môi trường tới ban đầu Các tia tán xạ ngược này bao gồm các electron được sinh ra do

hiệu ứng quang điện và các lượng tử gamma bị tán xạ ngược chủ yếu do tán xạ Compton Các electron bị phát ngược về phía sau sẽ bị hấp thụ mạnh trong vật chất

đến nỗi ảnh hưởng của nó có thể bỏ qua khi chiều dày lớp vật chất tăng lên Do vậy

chỉ còn lại các lượng tử gamma tán xạ ngược ở trong vật chất và thoát ra khỏi bề

mặt vật chất

Trong thực nghiệm, có nhiều cách thiết lập hệ đo, nhưng nói chung là nguồn và đầu dò phải ở cùng một phía so với vật được đo Một phép đo tán xạ ngược có thể được thiết lập với ba thành phần chính: một nguồn phát bức xạ gamma, một bia tán

xạ và một đầu dò như minh họa ở hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm phép đo tán xạ ngược [4]

Nguồn phát bức xạ gamma thường được sử dụng trong phép đo là các nguồn đồng vị phóng xạ như P

(thường là chì) Đồng thời, việc chuẩn trực cho chùm tia phát ra cũng rất cần thiết

để xác định trường chiếu của chùm tia gamma lên bia

Đầu dò được sử dụng để ghi nhận các lượng tử gamma bị tán xạ ngược trên bia Tùy theo mục đích đo đạc mà các loại đầu dò khác nhau được sử dụng Trong phép

đo tán xạ ngược, có hai loại đầu dò thường được sử dụng là đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) và đầu dò bán dẫn HPGe Ưu điểm của đầu dò HPGe là có độ phân giải năng lượng cao nên thường được sử dụng trong các phép đo yêu cầu sự chính xác

về năng lượng Trong khi đó, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có hiệu suất ghi nhận cao nên sẽ phù hợp với các phép đo yêu cầu cao về số tín hiệu thu nhận Xung quanh đầu dò cũng cần được bao bọc bởi vật liệu chì nhằm che chắn các tia phóng xạ không mong muốn từ môi trường và những tia phóng xạ đến trực tiếp từ nguồn Để xác định trường chiếu của chùm tia tán xạ lên đầu dò, việc chuẩn trực cũng cần được thực hiện cho đầu dò Ngoài ra, mặt trong của lớp chì cũng cần được bao phủ

bởi các lớp vật liệu có Z thấp hơn (như nhôm, sắt, thiếc, đồng, cadimi) để hấp thụ các tia X huỳnh quang phát ra khi nguyên tử chì bị kích thích bởi tương tác với tia gamma

1.3.2 S ự phân bố năng lượng của gamma tán xạ ngược

Đối với một phép đo tán xạ ngược được bố trí như hình 1.5, kết quả ghi nhận được sẽ bao gồm các sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần Việc phân tích phân bố năng lượng của các lượng tử gamma tán xạ ngược bao gồm việc xem xét đối với các photon bị một lần tán xạ trong vật chất bia và cả các photon bị tán xạ nhiều hơn một lần

Tán xạ một lần là quá trình mà bức xạ gamma chỉ xảy ra duy nhất một lần tán

xạ Compton hoặc Rayleigh với bia trước khi được ghi nhận trong đầu dò Các photon bị tán xạ Rayleigh chỉ thay đổi hướng bay, không thay đổi năng lượng Do

đó kết quả ghi nhận cho phổ năng lượng là một mức năng lượng rời rạc bằng năng lượng ban đầu của photon tới Đối với các photon bị một lần tán xạ Compton thì hướng bay và năng lượng của chúng thay đổi so với các photon tới Năng lượng

của tia gamma tán xạ phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của photon tới và góc tán

xạ theo công thức (1.3)

Tán xạ nhiều lần là quá trình mà bức xạ gamma trải qua nhiều lần tương tác Compton và Rayleigh với bia trước khi được ghi nhận trong đầu dò Các tia gamma tán xạ nhiều lần có năng lượng nằm trong miền liên tục từ năng lượng của tia gamma tới trở xuống Theo lý thuyết của Fernández về tán xạ hai lần [10], các sự

kiện tán xạ hai lần bao gồm bốn loại: Compton – Compton, Compton – Rayleigh, Rayleigh – Rayleigh, Rayleigh – Compton Trong đó, tán xạ Rayleigh chỉ đóng góp

một mức năng lượng rời rạc bằng với năng lượng ER 0 R của gamma tới Sự phân bố năng lượng của tán xạ Compton – Compton là liên tục với phổ năng lượng trải dài

E E

E '2E E

E và có cực đại tại năng lượng bằng với năng lượng tán xạ Compton một lần Như

vậy, sự đóng góp của tán xạ Compton – Rayleigh và Rayleigh – Compton gây khó khăn cho việc đánh giá các sự kiện tán xạ một lần vì sự chồng chập của chúng là không thể phân biệt được trên phổ tán xạ Ngoài ra, sự chồng chập của các sự kiện tán xạ Compton – Compton, Compton – Rayleigh và Rayleigh – Compton cũng tạo thành một đỉnh tán xạ hai lần Do xác suất xảy ra tán xạ Rayleigh nhỏ nên diện tích đỉnh tán xạ hai lần thường nhỏ hơn diện tích đỉnh một lần

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ALBEDO GAMMA

2.1 Gi ới thiệu chung

Albedo xuất phát từ tiếng Latin có nghĩa là “độ trắng” (“whiteness”), trong kỹ thuật còn gọi là hệ số phản xạ Ban đầu albedo được sử dụng trong thiên văn học và quang học để mô tả tính chất phản xạ của các hành tinh, các vệ tinh và các ngôi sao Đại lượng albedo được giới thiệu đầu tiên trong một quyển sách có tên

“Photometria” của tác giả Johann Heinrich Lambert vào năm 1976 Về sau, đại lượng này được sử dụng trong lĩnh vực hạt nhân để mô tả sự tán xạ ngược của các

bức xạ

Đại lượng albedo được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ dòng bức xạ phản xạ từ

bề mặt vật liệu và cường độ dòng bức xạ tới bề mặt đó [16] Sơ đồ tán xạ tính toán giá trị albedo được minh họa ở hình 2.1 Nguồn bức xạ đơn năng có năng lượng E0

chiếu tới bề mặt vật liệu dưới góc tới θ0, mật độ dòng bức xạ tới là J0(E ,0 θ 0)

(photon.cmP

-2

P.sP

-1

P) Mật độ dòng bức xạ tán xạ ngược (hay phản xạ) ra khỏi bề mặt

vật liệu có bề dày d dưới góc tán xạ θ , góc phương vị ϕ và có năng lượng E trên

một đơn vị góc khối là J(θ ϕ, , d) (photon.cmP

-2

P.sP

-1

P.srP

-1

P) (sr là ký hiệu của steradian – đơn vị trong hệ SI của góc khối) Khi đó, đại lượng albedo α(E ,0 θ θ ϕ0, , , d) (srP

-1

P) được định nghĩa bằng:

Tùy theo mục đích nghiên cứu khi áp dụng cho các bức xạ hạt nhân, albedo có

thể được diễn đạt bằng các hình thức khác nhau như tỉ số giữa mật độ dòng phản xạ trên mật độ thông lượng dòng tới hay tỉ số giữa liều phản xạ và liều tới….trong đó

Để đơn giản cho việc tính toán, ở đây ta giả thiết các tia bức xạ thoát ra khỏi bề

mặt vật liệu tại cùng một điểm tới

Hình 2.1 Sơ đồ tán xạ ngược tính toán giá trị albedo [19]

2.2 Các định nghĩa về albedo gamma

Không giống như đối với sự phản xạ của ánh sáng chỉ được xem xét như các hiện tượng bề mặt, bức xạ gamma xuyên sâu hơn vào vật chất và do đó, giá trị albedo gamma phụ thuộc vào số tương tác của bức xạ gamma trong vật chất trước khi tán

xạ ngược ra khỏi bề mặt tới Ý nghĩa của hệ số albedo gamma chính là xác suất tán

xạ ngược của bức xạ gamma có năng lượng ER

0 R trên bề mặt vật liệu Như đã trình bày, thông thường albedo gamma được chia thành ba loại và mỗi loại gồm hai

dạng Dạng định nghĩa như công thức (2.1) là albedo vi phân Sau đây, để đơn giản

ta gọi albedo vi phân là albedo

Giả sử trong thời gian ∆t, có NR 0 R photon gamma chiếu tới bề mặt bia có diện tích

S, bề dày d theo một hướng θ xác định Sau khi bị tán xạ trong bia, có N photon 0

tán xạ ngược ra khỏi diện tích bia và được ghi nhận trong đầu dò theo góc tán xạ θ Khi đó albedo gamma số đếm được xác định như sau:

n 0

NN

α =

Với Ω là góc khối nhìn đầu dò tại vị trí tán xạ và được cho bởi:

Giá trị albedo gamma năng lượng α được định nghĩa là phần năng lượng tới bị E

tán xạ ngược thoát ra khỏi bia và được tính bởi công thức [7]:

E n 0

EE

Theo cách tương tự, giá trị albedo gamma liều α được định nghĩa tỉ lệ với D

albedo gamma năng lượng theo hệ số tỉ lệ là đáp ứng của đầu dò nhấp nháy tương ứng với năng lượng tán xạ ngược và năng lượng tới và được cho bởi [7]:

( ) ( )

a

D E

a 0

EE

luận văn này, việc khảo sát được tiến hành cho albedo gamma số đếm

2.3 Các y ếu tố ảnh hưởng đến albedo gamma số đếm α n

Trong phương pháp tán xạ ngược gamma thì cường độ tia gamma tán xạ phụ thuộc vào nhiều thành phần như năng lượng chùm tia tới E0, bề dày bia tán xạ d,

bậc số nguyên tử Z của vật liệu, cách bố trí hình học của phép đo… Xem xét đối

với một chùm tia tới hẹp có cường độ không đổi, khi đó αR n R phụ thuộc vào cường

độ tia gamma tán xạ và do đó αR n R cũng là một đại lượng phụ thuộc vào nhiều thành

phần Sau đây sự phụ thuộc của αR n R vào một số thành phần sẽ được khảo sát

2.3.1 S ự phụ thuộc của α n vào góc t ới

Cho chùm bức xạ gamma chiếu đến một môi trường tán xạ xác định có bậc số nguyên tử Z, mật độ ρ và bề dày d không đổi Ở đây chùm tia gamma tới là chùm tia hẹp sao cho có thể xem số photon gamma tới bia là không đổi theo góc tới Như

vậy khi tăng góc tới thì số photon gamma tán xạ ngược tăng và điều này được giải thích là do khi góc tới tăng thì độ sâu của mặt phản xạ giảm đi làm cho quãng đường tự do trung bình của các gamma tán xạ trong vật liệu giảm nên xác suất tán

xạ ngược tăng, làm tăng số đếm các photon tán xạ ngược Và do đó giá trị αR n Rtăng khi góc tới tăng

2.3.2 S ự phụ thuộc của α n vào b ề dày vật chất

Cho một chùm tia gamma có năng lượng ER 0 Rđược chuẩn trực và có cường độ IR 0 R(gamma.cmP

-2

P.sP

-1

P) chiếu tới bia có bề dày xR

0 R như minh họa ở hình 2.2 Khi đó, số photon gamma n(E,x) tán xạ một lần trong một bề dày bia dx tại khoảng cách x từ

mặt trước của bia dưới góc tán xạ θR

1 Rđược ghi nhận trong đầu dò được tính bởi [1]:

-1

P, lần lượt là hệ số suy giảm tuyến tính đối với tia gamma tới có năng lượng ER

0 R và tia gamma tán xạ ngược có năng lượng E;

  là tiết diện tán xạ Compton tại góc θR

1 R, thường được tính theo công

thức Klein-Nishina; r = AB (cm) là quãng đường đi của tia tán xạ trong bia,

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát các đặc trưng tán xạ ngược

theo bề dày vật liệu [1]

Tổng số photon gamma tán xạ ngược được ghi nhận trong đầu dò mà nó trải qua một lần tán xạ trong toàn bộ bia có bề dày xR 0 R (cm) được xác định bằng:

( ) x 0

0 0

Từ công thức (2.8) ta thấy tổng số đếm các photon tán xạ một lần là một hàm theo bề dày bia Vì các tia gamma có một độ xuyên sâu nhất định trong vật liệu nên lúc đầu khi bề dày tăng thì số điểm tán xạ tăng và nó làm cho số sự kiện tán xạ một

lần tăng lên Tuy nhiên, hai yếu tố cần chú ý là sự suy giảm của chùm tia gamma

tới trong bia ( )E 0 x

e−µ và sự suy giảm của chùm tia gamma tán xạ ngược trong bia

e−µ và e−µ(E )r tiến đến giá trị rất nhỏ Khi đó

số sự kiện tán xạ một lần n(E,x) trong lớp bề dày dx tính theo công thức (2.7) cũng

tiến đến giá trị rất nhỏ, được xem như không đáng kể và có thể bỏ qua Như vậy

nếu bề dày bia x (cm) gia tăng lớn hơn x ' (cm) thì tổng số đếm các gamma tán xạ

một lần ghi nhận được không tăng nữa, hay nói cách khác là nó đã đạt đến giá trị bão hòa Và do đó, với cường độ nguồn không đổi, khi bề dày tăng lên thì giá trị αR n Rcũng tăng lên và đạt đến giá trị bão hòa ở một bề dày x ' (cm) nào đó

Ngoài ra, với vật liệu có mật độ càng lớn thì bề dày làm cho αR

n R đạt đến giá trị bão hòa càng nhỏ Điều này được giải thích là do khi mật độ vật liệu càng lớn thì xác suất va chạm giữa các photon của chùm gamma tới với các electron trong nguyên tử để xảy ra tán xạ càng lớn Vì vậy, số các photon tán xạ một lần tăng lên đến mức bão hòa càng nhanh với cùng một vật liệu gây nên tán xạ và do đó bề dày bão hòa càng nhỏ

2.3.3 S ự phụ thuộc của α n vào năng lượng gamma tới

Cho chùm bức xạ gamma chiếu đến một môi trường tán xạ xác định có bậc số nguyên tử Z, mật độ ρ và bề dày d không đổi Khi năng lượng gamma tới tăng thì năng lượng gamma tán xạ tăng và do đó xác suất tán xạ về phía trước theo hướng gamma tới tăng Tiết diện tán xạ Compton trên một electron phụ thuộc vào năng lượng gamma tới và góc tán xạ theo công thức Klein-Nishina (1.5) Hình 2.3 biểu

diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton trên một electron theo góc tán xạ cho các tia gamma tới có năng lượng từ 1 keV đến 10 MeV

Ta thấy, khi năng lượng gamma tới tăng thì tiết diện tán xạ Compton giảm Đối

với các gamma có năng lượng thấp 1 keV, tiết diện tán xạ Compton về phía trước

và phía sau đối xứng nhau Tuy nhiên, khi năng lượng gamma tới tăng trên 1 keV thì tiết diện tán xạ Compton về phía trước và phía sau trở nên bất đối xứng và chùm tia tán xạ chủ yếu phân bố về phía trước theo phương đến của tia gamma ban đầu

Do đó, cường độ chùm tia tán xạ ngược giảm

Như vậy, khi năng lượng tia gamma tới tăng thì số photon gamma tán xạ ngược

giảm và do đó αR

n R giảm

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton trên một electron

theo góc tán xạ θ cho một số năng lượng gamma tới [17]

2.3.4 S ự phụ thuộc của α n vào góc tán x ạ

Tương tự, xét chùm bức xạ gamma chiếu đến một môi trường tán xạ xác định

có bậc số nguyên tử Z, mật độ ρ và bề dày d không đổi Cũng từ hình 2.3, ta thấy đối với các tia gamma tán xạ về phía trước, khi góc tán xạ tăng thì tiết diện tán xạ Compton trên một electron giảm, bất kể năng lượng của tia gamma tới Tuy nhiên đối với các gamma tán xạ ngược về phía sau, tiết diện tán xạ Compton trên một electron cho các góc tán xạ khác nhau còn phụ thuộc vào năng lượng của tia gamma tới Khi năng lượng tia gamma tới trong khoảng từ 500 keV trở xuống thì khi góc tán xạ tăng, tiết diện tán xạ Compton trên một electron tăng Đối với các tia gamma có năng lượng tới trên 500 keV tới khoảng 10 MeV, khi góc tán xạ tăng thì

tiết diện tán xạ Compton trên một electron giảm Như vậy đối với các nguồn P

137

P

Cs hay P

60

P

Co phát gamma có năng lượng lớn hơn 500 keV thì khi góc tán xạ tăng, tiết

diện tán xạ ngược giảm và do đó số photon gamma tán xạ ngược giảm hay αR

n R

giảm

2.3.5 S ự phụ thuộc của α n vào b ậc số nguyên tử Z của vật liệu tán xạ

Cho chùm bức xạ gamma chiếu đến các môi trường tán xạ có bậc số nguyên tử

Z khác nhau nhưng có cùng một bề dày d, với bố trí hình học của phép đo không đổi Đối với nguồn phát gamma là các đồng vị phóng xạ tự nhiên hay nhân tạo có năng lượng tia gamma phát ra là thấp (vào cỡ 0,25 – 2,6 MeV) thì tương tác của tia gamma với vật chất bao gồm tán xạ Compton và hiệu ứng quang điện như minh

họa ở hình 1.1 Với bậc số nguyên tử Z của môi trường thấp (khoảng từ 40 trở

xuống), tương tác của bức xạ gamma với vật chất chủ yếu là tán xạ Compton Khi

đó, nếu Z tăng, mật độ vật chất ρ của môi trường tán xạ tăng, xác suất tương tác Compton giữa bức xạ gamma với vật chất tăng theo công thức (1.9) Do đó số photon gamma tán xạ ngược tăng hay giá trị αR n Rtăng khi Z tăng (với Z < 40) Tuy nhiên, với bậc số nguyên tử Z của môi trường cao (khoảng từ 40 trở lên), tương tác

của gamma với vật chất ngoài tán xạ Compton còn có sự đóng góp đáng kể của

hiệu ứng quang điện Khi đó, nếu Z tăng, mật độ vật chất ρ của môi trường tán xạ tăng, xác suất bức xạ gamma tới bị hấp thụ quang điện tăng theo công thức (1.2.a)

và (1.2.b) Mặc dù theo công thức (1.9), lúc này xác suất tán xạ Compton cũng tăng nhưng xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện tăng nhanh hơn do xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện tỉ lệ với ZP

5

P, trong khi xác suất tán xạ Compton chỉ tỉ lệ với Z Vì

vậy, số photon gamma tán xạ ngược giảm hay giá trị αR n R giảm khi Z tăng (với Z > 40)

P

Co và biến thành đồng vị phóng xạ P

Co thường được chế tạo thành những viên nhỏ hoặc các đĩa mỏng Sau khi bị kích

hoạt, các viên hoặc đĩa mỏng P

60

P

Co sử dụng có hoạt độ 10μCi, có dạng hình trụ với đường kính 1,27 cm và chiều dài 2 cm, bao gồm vật liệu phóng xạ Co được nén thành dạng viên trụ có đường kính 0,2 cm, chiều dài 0,4 cm và được bọc kín bởi

lớp vỏ thép CT3 có bề dày 0,1 cm Các đặc trưng phát bức xạ tia X và tia gamma

của nguồn P

60

P

Co được trình bày trong bảng 3.1

B ảng 3.1 Đặc trưng phát bức xạ tia X và tia gamma của nguồn P

Trong phép đo tán xạ ngược, ta chỉ quan tâm đến các sự kiện tia gamma phát ra

từ nguồn, tán xạ trên bia và sau đó được ghi nhận trong đầu dò Nhưng các nguồn đồng vị phóng xạ đều phát gamma đẳng hướng nên sẽ có các tia gamma đi trực tiếp

từ nguồn đến đầu dò gây ra số đếm không mong muốn Do đó, nguồn phóng xạ

phải được đặt bên trong hộp chứa nguồn bằng chì để làm suy giảm tia bức xạ phát

ra các hướng xung quanh không mong muốn Đồng thời, một ống chuẩn trực cũng được sử dụng để thu được một chùm tia gamma hẹp phát ra từ nguồn đến bia Hình 3.1 là hình ảnh nguồn, hộp chứa nguồn và ống chuẩn trực được sử dụng trong luận văn này

Hình 3.1 Nguồn, hộp chứa nguồn và ống chuẩn trực được sử dụng

Hộp chứa nguồn làm bằng chì, có dạng hình trụ đường kính 10,8 cm, dài 6,6

cm, bên trong có một hốc nhỏ để đựng nguồn phóng xạ Ống chuẩn trực làm bằng

chì, dài 31,4 cm gồm phần trước là một khối trụ rỗng, có đường kính trong 1,3 cm, đường kính ngoài 4,2 cm, dài 20 cm và phần phía sau là khối trụ rỗng có đường kính trong 1,3 cm, đường kính ngoài 10,8 cm bằng đường kính hộp chứa nguồn và dài 11,4 cm

3.1.2 H ệ đo gamma Na (Tl) 8K

Hệ đo gamma NaI(Tl) 8K là thiết bị dùng cho việc ghi nhận và phân tích phổ gamma Hệ bao gồm các bộ phận chính là đầu dò nhấp nháy, bộ phận tiền khuếch đại, bộ xử lý xung gồm khối khuếch đại và máy phân tích biên độ đa kênh MCA,

phần mềm điều khiển và kết nối thông tin với máy tính Sơ đồ kết nối các bộ phận

của hệ như trong hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối các bộ phận của hệ đo gamma NaI(Tl) 8K

 Đặc trưng kỹ thuật:

- Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có dạng hình trụ đường kính 8,6 cm bao gồm

một tinh thể NaI(Tl) hình trụ với kích thước 7,6 cm × 7,6 cm, ống nhân quang, chất dẫn sáng, lớp phản xạ và các lớp vỏ nhôm bọc bên ngoài bảo vệ tinh thể Đầu dò là bộ phận để ghi nhận bức xạ

- Bộ phận tiền khuếch đại được nối liền với đầu dò, có tác dụng hòa hợp

tổng trở giữa lối ra của đầu dò và lối vào của bộ phận khuếch đại, giúp cao

thế ổn định và giảm bớt ảnh hưởng của các xung nhiễu

- Bộ xử lý xung có tác dụng khuếch đại biên độ xung và biến đổi dạng xung thành dạng số, phân tích biên độ tín hiệu theo từng kênh

- Phần mềm chuyên dụng Amptex ADMCA được cài đặt sẵn trong máy tính giúp thể hiện hình ảnh phổ và phân tích phổ

Đầu dò

nhấp nháy

Tiền khuếch đại

Khối khuếch đại

tính

Nhằm che chắn các tia phóng xạ không mong muốn từ môi trường và những tia phóng xạ đến trực tiếp từ nguồn, xung quanh đầu dò được bao bọc bởi

một ống trụ bằng chì có đường kính trong 9,4 cm, đường kính ngoài 11,2

cm, dài 21,5 cm Ngoài ra, còn có thêm ống chuẩn trực cho đầu dò là một ống trụ có đường kính trong 7,6 cm, đường kính ngoài 11,2 cm, dài 2 cm

 Các tiêu chuẩn của hệ:

- Mức năng lượng hệ đo được: 10 – 3000 keV

- Độ phân giải: nhỏ hơn 7 % FWHM với đỉnh năng lượng 0,662 MeV và

nhỏ hơn 5 % FWHM với đỉnh năng lượng 1,332 MeV

- Tốc độ đếm: 200.000 cps (số đếm trên giây)

- Công suất : 750 mW

- Cao thế: 556 V, có thể lên cao thế khoảng 1000 V

Hình 3.3 cho thấy hình ảnh hệ đo gamma NaI(Tl) 8K được sử dụng trong luận văn, trong đó đầu dò NaI(Tl) chưa được che chắn

Hình 3.3 Hệ đo gamma NaI(Tl) 8K

3.1.3 Bia tán x ạ

Bia tán xạ được sử dụng trong luận văn là bia đồng, nhôm và thép C45 Bia có

dạng tấm phẳng và có kích thước bề mặt 10 cm × 10 cm Các tấm bia có bề dày khác nhau Đối với mỗi loại vật liệu bia, việc thay đổi bề dày bia được thực hiện

bằng cách ghép chồng với nhau các tấm bia có bề dày khác nhau Việc đo đạc bề dày bia được thực hiện bằng thước cặp có độ chính xác đến 0,01cm

3.1.4 Các chương trình máy tính

Hai chương trình máy tính được sử dụng cho việc phân tích phổ trong luận văn

là Genie 2000 và Colegram

 Genie 2000 là một phần mềm tập hợp các khả năng toàn diện phục vụ cho

việc thu thập dữ liệu từ MCA, hiển thị và phân tích các dữ liệu phổ alpha hay gamma Nó bao gồm một tập hợp các cơ sở thuật toán phân tích quang

phổ, mỗi thuật toán phân tích có thể được thực hiện bằng tay hoặc tự động thông qua một khối lệnh thủ tục Các thuật toán này cung cấp khả năng xác định vị trí đỉnh phổ và tính toán diện tích đỉnh Việc tính toán diện tích đỉnh được thực hiện khác nhau đối với đỉnh đơn và đỉnh kép Đối với đỉnh đơn, thuật toán đơn giản chỉ là lấy tổng tất cả số đếm của vùng đỉnh quan tâm và

trừ cho số đếm của phông nền liên tục Đối với đỉnh kép, thuật toán là làm

khớp dữ liệu bằng phương pháp bình phương tối thiểu dạng đa thức Ngoài

ra, một tập hợp các thao tác trên phổ khác cũng được cung cấp như làm trơn

dữ liệu hay trừ phổ này cho phổ khác Thêm nữa, Genie 2000 còn hỗ trợ

việc chuẩn năng lượng, chuẩn FWHM hay chuẩn hiệu suất Quá trình chuẩn năng lượng có thể thực hiện đơn giản bằng các tệp chuẩn có trong thư viện chương trình hoặc nhập giá trị năng lượng tương ứng với số kênh Đường chuẩn năng lượng có thể là hàm đa thức bậc 1, bậc 2 hay bậc 3

 Bộ phần mềm Colegram bước đầu được thiết kế ra nhằm sử dụng cho phép

đo phổ gamma và tia X Mục đích của Colegram là để xử lý phổ thực nghiệm một cách chính xác, để tách các thành phần chồng chập và suy ra

diện tích đỉnh của mỗi thành phần, đặc biệt trong vùng năng lượng 100 keV

bao gồm cả đỉnh tia X và tia gamma Về sau, Colegram đã được nâng cấp

với nhiều tùy chọn hơn giúp cho việc xử lý nhiều dạng phổ khác nhau Điều này đạt được bằng việc làm khớp các hàm toán học với các bộ dữ liệu thực nghiệm Phụ thuộc vào tính chất của phổ, một số loại hàm khác nhau được

sử dụng đặc trưng cho từng dạng đỉnh phổ riêng biệt: alpha, gamma, X hay beta Colegram sử dụng phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu dạng

đa thức với hai tùy chọn cho phép người sử dụng cải thiện các thông số của hàm khớp để đạt được sự phù hợp tốt nhất giữa mô hình toán học và phổ

thực nghiệm Tùy chọn thứ nhất ứng với việc cực tiểu hóa không có sự tham gia của các trọng số riêng của từng dữ liệu thực nghiệm (σ =i 1) gọi là

“phương pháp bình phương tối thiểu” (Least square method) Tùy chọn thứ hai gọi là “phương pháp Chi bình phương” (CHI square method), việc cực

tiểu hóa bao gồm độ lệch chuẩn của mỗi giá trị thực nghiệm yR i R ( 2 )

i y i

Ngoài ra để giải quyết phông nền của phổ, có hai phương pháp được sử

dụng trong Colegram Phương pháp thứ nhất là mô hình hóa dạng phông nền

bằng một hàm đơn giản như hàm đa thức hay hàm mũ và các hàm này được

cộng vào hàm làm khớp đỉnh Tuy nhiên đối với phổ gamma, phông nền không cung cấp thông tin định lượng hữu ích nào cho quá trình xử lý phổ nên phương pháp thứ hai được cung cấp là trừ phông nền ra khỏi vùng đỉnh quan tâm trong phổ thực nghiệm

3.2 B ố trí thí nghiệm

Trong hệ đo tán xạ ngược thiết lập, bia tán xạ đặt tại vị trí cách nguồn 51,4 cm và cách bề mặt tinh thể NaI(Tl) 18 cm Nguồn, bia và đầu dò được đặt sao cho tâm

của ống chuẩn trực nguồn, tâm của bề mặt bia và tâm của ống chuẩn trực đầu dò

nằm trong cùng một mặt phẳng vuông góc với bề mặt bia (góc phương vị 0

90

ϕ = ) Như đã trình bày ở phần 2.3, giá trị αR n R phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng do điều

kiện giới hạn nên trong luận văn này chỉ tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của giá trị

αn theo bề dày, theo góc tán xạ và theo góc tới Tùy theo mỗi loại khảo sát mà bố

trí hình học của phép đo khác nhau Tuy nhiên, trong phép đo tán xạ ngược, có hai

yếu tố ta cần quan tâm là diện tích và độ rộng của đỉnh tán xạ một lần Diện tích

của đỉnh tán xạ một lần đặc trưng cho xác suất ghi nhận tia gamma tán xạ trong đầu

dò, do đó diện tích đỉnh càng lớn thì thống kê của phép đo đạt được càng tốt Đối

với độ rộng của đỉnh tán xạ một lần thì yêu cầu càng nhỏ càng tốt để hạn chế sự đóng góp của các sự kiện tán xạ nhiều lần Bởi vì tán xạ nhiều lần gây ra sự thăng giáng thống kê làm tăng sai số của phép đo Theo kết quả mô phỏng bằng chương trình MCNP của Huỳnh Đình Chương [1], tác giả đã chỉ ra rằng với góc đo 80P

0

P thì xác suất ghi nhận các tia gamma tán xạ là lớn nhất nhưng độ chính xác của phép đo

là thấp nhất, trong khi đó góc đo 120P

0

P cho khả năng đánh giá chính xác nhất nhưng

thống kê của phép đo sẽ thấp hơn trong cùng điều kiện đo so với góc nhỏ hơn Do

đó, việc khảo sát theo các bề dày và theo các góc tới khác nhau được thực hiện với góc tán xạ 100P

0

P

Hình 3.4 Bố trí thí nghiệm khảo sát giá trị albedo gamma số đếm theo góc

tán xạ, với góc tới θ0 = 450 và bề dày bia được giữ không đổi