Nghiên cứu ma trận đáp ứng của đầu dò sử dụng chương trình MCNP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐOÀN THỊ ÁNH XUÂN NGHIÊN CỨU MA TRẬN ĐÁP ỨNG CỦA ĐẦU DÒ SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT L Tp Hồ Chí Minh, 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐOÀN THỊ ÁNH XUÂN NGHIÊN CỨU MA TRẬN ĐÁP ỨNG CỦA ĐẦU DÒ SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số chuyên ngành: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT L NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHÂU VĂN TẠO Tp Hồ Chí Minh, 2015 LỜI CÁM ƠN Sau thời gian nghiên cứu đề tài, hoàn thành luận văn Đạt kết hôm nay, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô, bạn bè giúp đỡ suốt trình thực luận văn Lời muốn dành lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Châu Văn Tạo – giảng viên hướng dẫn thực đề tài luận văn Thầy định hướng, tạo điều kiện thuận lợi cho nhận xét quý báu để hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thiện Thanh - giảng viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh dành cho kinh nghiệm quý báu trình thực mô Xin bày tỏ lòng biết ơn Quý Thầy Cô Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đem đến cho kiến thức tảng niềm đam mê nghiên cứu để nghiên cứu đề tài Xin cảm ơn gia đình người bạn quan tâm, giúp đỡ động viên suốt thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành tri ân Quý Thầy Cô Hội đồng chấm luận văn đọc có những ý kiến đóng góp bổ ích để luận văn hoàn thiện Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09, năm 2015 MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan 1.1 Tổng quan nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò 1.2 Tương tác xạ gamma với vật chất 10 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 10 1.2.2 Tán xạ Compton 12 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 13 1.2.4 Tán xạ Rayleigh 15 1.3 Hệ phổ kế gamma đầu dò NaI(Tl) 16 1.4 Dạng đáp ứng đầu dò xạ gamma đơn 17 1.4.1 Đỉnh tương tác tia gamma tới vùng nhạy đầu dò 17 1.4.2 Đỉnh cách bố trí hệ đo 19 1.4.3 Các đặc trưng kỹ thuật đầu dò NaI(Tl) 23 1.5 Chương trình mô MCNP 26 1.5.1 Giới thiệu 26 1.5.2 Mô hình tương tác photon với vật chất MCNP 27 1.5.3 Cách thức sử dụng chương trình MCNP 27 1.5.4 Đánh giá phân bố độ cao xung F8 28 1.6 Nhận xét chương 28 Chƣơng 2: Ma trận đáp ứng đầu dò mô hệ đo gamma sử dụng chƣơng trình MCNP 29 2.1 Ma trận đáp ứng đầu dò 29 2.2 Mô hệ đo đầu dò NaI(Tl) 30 2.2.1 Mô hình thực nghiệm 30 2.2.2 Chuẩn kênh đo, hiệu suất đầu dò 33 2.2.3 Mô hệ đo chương trình MCNP 40 2.3 Nhận xét chương 41 Chƣơng 3: Kết tính toán 42 3.1 Kết mô nguồn chuẩn 42 3.2 Xây dựng ma trận đáp ứng 43 3.3 Kiểm tra ma trận đáp ứng 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 55 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ Các ký hiệu Ao : hoạt độ nguồn phát gamma FWHM : bề rộng nửa độ cao AGC : hoạt độ nguồn phát gamma thu từ phổ giải cuộn ATN : hoạt độ nguồn phát gamma thu từ phổ thực nghiệm đỉnh hấp thụ toàn phần M, N : số khoảng lượng phổ ghi nhận NGC : tổng số đếm ghi nhận BS : tán xạ ngược phổ gamma giải cuộn DE : đỉnh thoát đôi NTN : tổng số đếm ghi nhận dE : lượng vi phân phổ gamma thực nghiệm Ea: lượng giật lùi nguyên tử P/T : tỷ số đỉnh/tổng Elk : lượng liên kết electron pɣ : động lượng tia gamma tới nguyên tử EK : lượng liên kết electron lớp K nguyên tử p’ɣ : động lượng tia gamma tán xạ khỏi nguyên tử E : lượng gamma tớiđầu dò pb: động lượng hạt nhân giật lùi E’: lượng gamma ghi nhận pe : động lượng electron đầu dò pa : động lượng nguyên tử giật lùi : lượng nghỉ electron P(E’) : phân bố độ cao xung E e+ : lượng positron E e- : lượng electron Eb : động hạt nhân giật lùi : lượng tia gamma sau tán xạ Ei : lượng thứ i Pij : tốc độ đếm kênh lượng Ej lượng Ei để lại Pj : tốc độ đếm kênh lượng thứ j R(E,E’) : hàm đáp ứng Rij : phần tử ma trận đáp ứng hay f : tần số gamma tới nguyên tử xác suất để photon có f’: tần số gamma tán xạ khỏi lượng Ei ghi nhận kênh nguyên tử lượng Ej đầu dò S: diện tích đỉnh quang điện Si : phổ lượng ghi nhận lượng Ei : bước sóng gamma tán xạ ζ S(E) : phổ lượng gamma tới SE : đỉnh thoát đơn : tiết diện tán xạ Compton gamma nguyên tử ζ t : thời gian đo : tiết diện hiệu ứng quang điện gamma nguyên tử v : vận tốc electron ζ VC : bờ Compton : tiết diện tạo cặp gamma nguyên tử Z : số hiệu nguyên tử ζ β : tỷ số vận tốc electron vận tốc ánh sáng : tiết diện tán xạ Rayleigh gamma nguyên tử abs : Hiệu suất tuyệt đối θ : góc hợp gamma tán xạ gamma tới I : Hiệu suất nội t : Hiệu suất toàn phần : góc khối tán xạ p : Hiệu suất đỉnh Ω’: số phụ thuộc vào yếu tố hình học Các đơn vị Đại lượng Ký hiệu Trong hệ SI Vận tốc ánh sáng c 3.108 m/s Khối lượng electron me 9,109.10-31 kg Bán kính electron ro 2,818.10-15m : bước sóng gamma tới Trong hệ nguyên tử DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Mối tương quan lượng vị trí kênh đỉnh lượng 34 Bảng 2.2 Hệ số làm khớp đường chuẩn lượng 34 Bảng 2.3 Giá trị đỉnh lượng thực nghiệm làm khớp 35 Bảng 2.4 Hiệu suất đỉnh tương ứng với đỉnh gamma 36 Bảng 2.5 Hệ số làm khớp đường cong hiệu suất 37 Bảng 2.6 So sánh hiệu suất thực nghiệm làm khớp 37 Bảng 2.7 Giá trị FWHM thực nghiệm 38 Bảng 2.8 Hệ số làm khớp FWHM 39 Bảng 2.9 Giá trị FWHM thực nghiệm làm khớp 39 Bảng 3.1 Diện tích đỉnh phổ, tỷ số P/T phổ Cs-137, Mn-54 giải cuộn 47 Bảng 3.2 Hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 thu từ phổ giải cuộn 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cơ chế hiệu ứng quang điện 11 Hình 1.2 Cơ chế hiệu ứng Compton 13 Hình 1.3 Cơ chế hiệu ứng tạo cặp 14 Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma dùng đầu dò NaI(Tl) 16 Hình 1.5 Đỉnh quang điện hấp thụ toàn phần ứng với lượng gamma tới 17 Hình 1.6 Nền Compton ứng với lượng gamma tới 18 Hình 1.7 Vị trí đỉnh thoát đôi, thoát đơn ứng với lượng gamma tới 19 Hình 1.8 Sơ đồ xạ từ vật liệu che chắn vào đầu dò 20 Hình 1.9 Dạng đáp ứng đầu dò NaI(Tl) nguồn Co-60 22 Hình 2.1 Cấu hình hệ đo đầu dò NaI(Tl) 30 Hình 2.2 Nguồn chuẩn model 381 RSS – 8EU 31 Hình 2.3 Cấu trúc nguồn chuẩn Ba-133 32 Hình 2.4 Mặt cắt dọc đầu dò NaI(Tl) 33 Hình 2.5 Hình ảnh mô hệ đo 41 Hình 3.1 Phổ Cs-137 thu từ mô thực nghiệm 42 Hình 3.2 Phổ mô số nguồn đơn 44 Hình 3.3 Nội suy phổ đáp ứng số nguồn gamma đơn 45 Hình 3.4 Phổ Cs-137 trước sau giải cuộn 46 Hình 3.5 Phổ Mn-54 trước sau giải cuộn 46 MỞ ĐẦU Khi qua môi trường đầu dò với cấu hình cụ thể, tia gamma tới tương tác với đầu dò ghi nhận thông qua hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp thoát khỏi đầu dò Tùy theo hình học cấu trúc cụ thể đầu dò bố trí vật liệu xung quanh đầu dò mà ảnh hưởng tán xạ sơ cấp thứ cấp lên phổ thay đổi khác Một cách tổng quát phổ đo kết tương tác hệ đầu dò lên phổ tới, làm phân bố lại dạng phổ tới, bao gồm đỉnh toàn phần hiệu ứng quang điện liên tục từ hiệu ứng tán xạ Compton nhiều lần môi trường đầu dò vật liệu xung quanh [7] Do tốc độ đếm đỉnh toàn phần đầy đủ cường độ nguồn vào đầu dò Phương pháp ma trận đáp ứng phương pháp để chuyển đổi phổ độ cao xung ghi nhận đầu dò thành phổ tới gamma Để giải cuộn phổ tới xạ gamma từ phổ phân bố độ cao xung cần phải biết dạng đáp ứng đầu dò Hàm đáp ứng thu từ thực nghiệm hay từ mô Trong đó, nghiên cứu hàm đáp ứng đầu dò NaI(Tl) có ý nghĩa thực tiễn loại đầu dò sử dụng nhiều công nghiệp lẫn nghiên cứu Những đề tài đáp ứng đầu dò NaI(Tl) nghiên cứu nhiều giới Việt Nam số đề tài nghiên cứu vấn đề chưa nhiều Đồng thời, xây dựng ma trận đáp ứng cho đầu dò đòi hỏi phải có nguồn phát gamma đơn có hoạt độ cao, hệ đo phải che chắn tốt, thời gian thực thí nghiệm đủ dài để đảm bảo tính thống kê….Tuy nhiên điều kiện thí nghiệm chưa đáp ứng yêu cầu việc sử dụng công cụ mô điều cần thiết Chính điều nêu lý để thực luận văn Nội dung luận văn gồm chương: - Chương 1: Lý thuyết tổng quan - Chương 2: Ma trận đáp ứng đầu dò mô hệ đo gamma sử dụng chương trình MCNP - Chương 3: Kết tính toán 43 Dựa vào kết phổ mô phỏng, rút nhận xét: hình dạng phổ thu từ mô phù hợp với phổ thực nghiệm, có khác biệt vùng đỉnh tán xạ ngược sai biệt không đáng kể Độ sai biệt hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng thực nghiệm mô nguồn chuẩn trình bày phụ lục Kết độ sai biệt mô so với thực nghiệm giá trị hiệu suất đỉnh hiệu suất tổng nhỏ 5% Kết luận: Việc kiểm tra, so sánh hình dạng phổ, hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng thu mô thực nghiệm cho thấy việc mô cấu hình hệ đo sử dụng khảo sát phổ gamma có lượng đơn năng, từ xây dựng ma trận đáp ứng cho đầu dò NaI(Tl) 3.2 Xây dựng ma trận đáp ứng Việc xây dựng ma trận đáp ứng cho đầu dò [19], [24], [25] thực thông qua mô nguồn gamma đơn có lượng từ 0,1MeV đến 1MeV (bước nhảy 0,05MeV) Các phổ gamma ghi nhận từ mô phổ xác suất Hình 3.2 biểu diễn số phổ gamma đơn thu từ mô Làm trơn phổ chuẩn hóa phổ mô cho tổng diện tích phổ hiệu suất nội tinh thể NaI(Tl) ứng với lượng gamma mô Giá trị hiệu suất nội tinh thể NaI(Tl) lượng gamma trình bày phụ lục [33] Đối với phổ gamma đơn năng, tiến hành chia khoảng lượng ghi nhận thành 40 kênh lượng, độ rộng kênh ∆E = 0,025MeV Ghi nhận xác suất 40 kênh lượng Những giá trị xác suất 40 kênh lượng lập thành hàng đáp ứng đầu dò (mỗi hàng gồm 40 phần tử) Từ phổ gamma đơn thu từ mô phỏng, sử dụng phương pháp nội suy B - Spline để nội suy xác suất ghi nhận kênh lượng lượng E thay đổi từ 0,025MeV đến 1MeV (bước nhảy 0,025MeV) Sử dụng chương trình Matlab để thực phép nội suy 44 Xác suất Năng lượng gamma mô E (MeV) E = 0,2MeV E = 0,3MeV E = 0,4MeV E = 0,5MeV E = 0,6MeV E = 0,65 MeV E = 0,75 MeV E = 0,85 MeV E = 0,95 MeV E(MeV) Hình 3.2 Phổ mô số nguồn đơn năng16 Nội suy 40 phổ gamma đơn có lượng từ 0,025MeV đến 1MeV (bước nhảy 0,025MeV) Tương ứng với 40 phổ gamma đơn nội suy lập thành 40 hàng ma trận đáp ứng Hình 3.3 biểu diễn số phổ gamma đơn nội suy Ma trận đáp ứng đầu dò R thu từ phương pháp nội suy ma trận có kích thước 40 x 40 Sử dụng chương trình Matlab để tìm ma trận nghịch đảo R-1 Để giải cuộn phổ gamma đơn thực nghiệm chia phổ gamma thành 40 kênh lượng, độ rộng kênh 0,025MeV ghi nhận xác suất kênh lượng Viết giá trị xác suất thành ma trận hàng P(E) gồm 40 phần tử Phổ gamma tới S(E) thu từ giải cuộn ma trận hàng gồm 40 phần tử Công thức (3.1) dùng để xác định phổ gamma tới S  E   P  E' R 1 (3.1) 45 Xác suất ( x 10-3) E (MeV) Kênh lượng (MeV) Hình 3.3 Nội suy phổ đáp ứng số nguồn gamma đơn 17 3.3 Kiểm tra ma trận đáp ứng Ma trận nghịch đảo R-1 thu dùng để chuyển đổi phổ phân bố độ cao xung thành phổ tới ban đầu (phổ giải cuộn) nguồn đơn có lượng từ 0,025MeV đến 1MeV Vì đầu dò NaI(Tl) có độ phân giải thấp đầu dò HpGe nên việc giải cuộn nguồn đa (đáp ứng nhiều đỉnh lượng) trở nên phức tạp vị trí đỉnh lượng gần Để kiểm tra tính khả dụng ma trận nghịch đảo cần sử dụng ma trận để chuyển đổi phổ gamma đơn thực nghiệm thành phổ gốc Nhưng số phổ thực nghiệm thu có phổ Mn-54 phổ Cs-137 thỏa yêu cầu phổ đơn có lượng nhỏ 1MeV Phổ Cs-137 phổ Mn-54 thu từ thực nghiệm giải cuộn biểu diễn hình 3.4 hình 3.5 46 Số đếm Phổ giải cuộn Phổ thực nghiệm E(MeV) Hình 3.4 Phổ Cs-137 trước sau giải cuộn18 Số đếm Phổ giải cuộn Phổ thực nghiệm E(MeV) Hình 3.5 Phổ Mn-54 trước sau giải cuộn 19 47 Kết cho thấy phổ nói chung sau giải cuộn có vị trí đỉnh quang điện trùng khớp với phổ thực nghiệm, liên tục bị giảm xuống diện tích đỉnh quang điện tương ứng tăng lên Bên cạnh đó, vùng lượng từ bờ Compton đến đỉnh quang điện có đóng góp số đếm âm Điều có nghĩa ma trận đáp ứng có khả loại bỏ đóng góp thành phần tia gamma tán xạ nhiều lần tinh thể đầu dò NaI(Tl) vào vùng số đếm đỉnh quang điện Khi đánh giá hiệu ma trận đáp ứng phải xác định diện tích đỉnh quang điện tỷ số P/T phổ giải cuộn tăng giảm lần so với phổ thực nghiệm [22], [23] Nếu hai giá trị phổ giải cuộn đồng thời tăng lên ma trận đáp ứng xem có hiệu việc giải cuộn phổ đo Mối liên hệ diện tích đỉnh tỷ số P/T phổ thực nghiệm (TN) phổ giải cuộn (GC) hai phổ nguồn chuẩn Cs-137 Mn-54 nêu bảng 3.1 Bảng 3.1 Diện tích đỉnh phổ, tỷ số P/T phổ Cs-137, Mn-54 giải cuộn10 Nguồn E (MeV) Diện tích đỉnh quang điện TN P/T GC GC/TN TN GC GC/TN Cs-137 0,662 4,4.105 1,01.106 2,29 0,452 0,735 1,62 Mn-54 0,835 6,6.104 1,99.105 3,02 0,443 0,846 1,91 Dựa vào kết thu được, rút nhận xét: diện tích đỉnh quang điện tỷ số P/T hai phổ giải cuộn tăng lên so với phổ thực nghiệm cho thấy ma trận đáp ứng có tác dụng làm giảm liên tục tích lũy số đếm vào diện tích đỉnh quang điện sau giải cuộn Cụ thể là: * Đối với phổ giải cuộn Cs-137 diện tích đỉnh ứng với lượng 0,662MeV tăng 2,29 lần tỷ số P/T phổ giải cuộn tăng 1,62 lần so với phổ thực nghiệm * Đối với phổ giải cuộn Mn-54 diện tích đỉnh ứng với lượng 0,835MeV tăng 3,02 lần tỷ số P/T phổ giải cuộn tăng 1,91 lần so với phổ thực nghiệm 48 Bên cạnh đó, từ phổ gamma xác định hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 sử dụng công thức (3.2) A N 4π t Ω (3.2) Trong đó: A hoạt độ nguồn xác định từ phổ gamma (Bq); N tổng số đếm ghi nhận phổ gamma; t thời gian đo (s); góc khối nhìn từ đầu dò đến nguồn Góc khối xác định công thức (3.3) [6] Trong đó, d khoảng cách từ nguồn đến đầu dò (cm), a bán kính đầu dò NaI(Tl)   d Ω  2π 1   d2  a   (3.3) Đối với cấu hình hệ đo đầu dò NaI(Tl): * Khoảng cách từ nguồn đến đầu dò: d = 25cm * Bán kính đầu dò NaI(Tl) 3’’ x 3’’: a = 3,81cm Từ công thức (3.3) suy giá trị góc khối Ω = 0,0713 Áp dụng công thức (3.2) để xác định hoạt độ nguồn Cs-137, Mn-54 từ phổ giải cuộn Thời gian đo t = 7200s Giá trị hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 thu từ phổ giải cuộn hoạt độ nguồn chuẩn cung cấp nhà sản xuất trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 thu từ phổ giải cuộn11 Hoạt độ nguồn (Bq) Nguồn Giải cuộn Độ lệch (%) Nhà sản xuất Cs-137 33472 36194 7,52 Mn-54 5327 5717 6,83 Sai biệt giá trị hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 thu từ phổ giải cuộn nhỏ 8% so với hoạt độ nguồn cung cấp nhà sản xuất 49 Những kết thu từ việc giải cuộn phổ Cs-137 Mn-54 chứng minh tính hiệu ma trận đáp ứng trình giải cuộn phổ đo Tuy nhiên, phổ giải cuộn thu tồn vùng liên tục Điều có nghĩa là: ma trận đáp ứng không hoàn toàn có hiệu việc tích lũy toàn số đếm ghi nhận có mặt phổ vào đỉnh quang điện 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với mục tiêu nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò NaI(Tl) để chuyển đổi phổ độ cao xung thực nghiệm ghi nhận dạng phổ tới ban đầu, luận văn đạt kết sau: Thiết lập cấu hình hệ đo thực nghiệm nguồn chuẩn sử dụng đầu dò NaI(Tl) mô hình hóa hệ phổ kế gamma đầu dò NaI(Tl) chương trình mô MCNP Khảo sát hiệu suất mô so sánh với hiệu suất thực nghiệm nguồn chuẩn sử dụng Kết cho thấy giá trị hiệu suất mô chương trình MCNP phù hợp tốt với giá trị hiệu suất thực nghiệm (sai biệt 5%) Đồng thời hình dạng phổ mô phù hợp với phổ thực nghiệm Xây dựng ma trận đáp ứng để chuyển đổi phổ độ cao xung ghi nhận thành phổ tới ban đầu Ma trận xây dựng dựa kết mô nguồn đơn có lượng từ 0,1MeV đến 1MeV sử dụng chương trình MCNP kết hợp với phương pháp nội suy B-Spline Kiểm tra tính hiệu ma trận đáp ứng cách sử dụng ma trận để chuyển đổi phổ thực nghiệm Cs-137 phổ Mn-54 thành phổ tới ban đầu Kết cho thấy sử dụng ma trận đáp ứng tác động vào phổ ghi nhận phổ giải cuộn thu có đặc điểm: * Diện tích đỉnh quang điện tỷ số P/T tăng lên so với phổ thực nghiệm ghi nhận đầu dò NaI(Tl) * Có loại bỏ đóng góp gamma tán xạ nhiều lần tinh thể đầu dò NaI(Tl) vào đỉnh quang điện * Độ sai biệt giá trị hoạt độ nguồn Cs-137 nguồn Mn-54 thu từ phổ giải cuộn nhỏ 8% so với hoạt độ nguồn chuẩn cung cấp nhà sản xuất 51 Kiến nghị Bên cạnh kết đạt tồn vấn đề mà luận văn chưa thể giải quyết: * Vì ma trận đáp ứng đầu dò NaI(Tl) xây dựng để giải cuộn phổ gamma đơn nên áp dụng ma trận đáp ứng để giải cuộn phổ gamma đa Nhưng dựa phương pháp ma trận đáp ứng đầu dò để xây dựng ma trận cho phép giải cuộn phổ gamma đa * Khi xây dựng ma trận đáp ứng miền lượng mô từ 0,1 MeV đến 1MeV nên không tính đến đóng góp hiệu ứng tạo cặp phổ gamma Có thể mở rộng miền lượng khảo sát để ma trận đáp ứng mang tính tổng quát * Sự đóng góp thành phần gamma tán xạ lên giá đỡ nguồn vào phổ ghi nhận không tránh khỏi, thiết kế lại hệ đo để loại bỏ đóng góp thành phần tán xạ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] David Halliday, Robert Resnick, Jeard Walker (1999), Cơ sở Vật lý , Tập Quang học vật lý lượng tử, Nhà xuất giáo dục [2] Mai Văn Nhơn (2001), Giáo trình hạt nhân đại cương, Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [3] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật [4] Phạm Nguyễn Thành Vinh (2010), Nghiên cứu đánh giá số thông số kỹ thuật hệ phổ kế gamma dùng detector HpGe GEM15P4, Luận văn thạc sĩ Vật lý, Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh [5] Lý Thanh Nguyên (2010), Khảo sát hiệu suất ghi detector nhấp nháy theo lượng xạ gamma phương pháp mô Monte Carlo, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh [6] Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi xạ ion hóa, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh [7] Trương Thị Hồng Loan (2009), Áp dụng phương pháp mô Monte Carlo để nâng cao chất lượng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn HpGe, Luận văn Tiến sĩ Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh Tiếng Anh [8] Amandeep Sharma (2011), Study of absorption and scatterring tomographic gamma ray techniques for non – destructive testing, Ph.D thesis, Chapter 1, Punjabi University [9] Amandeep Sharma, Karamjit Singh, Bhajan Singh, B.S Sandhu (2011), ―Experimental response function of NaI(Tl) scintillation detector for gamma photons and tomographic measurements for defect detection‖, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (269), p247 – 256 53 [10] Ahmet Cengiz (2008), ―An approximation for response function to gamma- rays of NaI(Tl) detectors up to 1.5 MeV‖, Applied Radiation And Isotopes66, p1371– 1376 [11] Arvind D Sabharwal, Manpreet Singh, Bhajan Singh, B.S Sandhu (2008), ―Response function of NaI(Tl) detectors and multiple backscattering of gamma rays in aluminium‖, Applied Radiation and Isotopes 66, p1467 – 1473 [12] Avneet Sood, Robin P.Gardner (2004), ―A new Monte Carlo assisted approach to detector response functions‖, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (213), p100–104 [13] C.D.Zerby, H.S.Moran (1961), ―Calculation of the pulse-height response of NaI(Tl) scintillation counters‖, Nuclear Instruments and Methods 14, p115 – 124 [14] J.H.Hubbell (1958), ―Response of a Large Sodium-Iodide Detector to High- Energy X-Rays‖, The Review Of Scientific Instruments Volume 29(1), p65-68 [15] J K Shultis, R E Faw (2000), An MCNP Primer, Department of Mechanical and Nuclear Engineering Kansas State University Manhata, KS 66506 [16] Knoll G.F (1999), Radiation detection and measurement, Third Edition, John Wiley [17] Mahmoud I.Abbas, Sherif Nafee, Younis S.Selim (2006), ―Calibration of cylindrical detectors using a simplified theoretical approach‖, Applied Radiation and Isotopes 64, p1057 – 1064 [18] H.Itadzu (2000), ―Evaluation of Response Functions of 16" x 16" x 4" Large -sized NaI(Tl) Scintillation Detector for Environmental Gamma-ray Survey‖, Proceedings of the Second International Workshop on EGS, Tsukuba, Japan [19] Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun (2002), ―Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response functions for an NaI(Tl) detector‖, Applied Radiation and Isotopes 57, p517 – 524 [20] G.Friedlander, J.W.Kennedy and Radiochemistry, John Wiley and Sons Inc T.M.Miller (1964), Nuclear and 54 P.Subrahmanyam, P.Ammiraju (1965), ―An analytical method of analysing [21] gamma-ray pulse height spectra‖, Nuclear Instruments and Methods 33, p87 – 92 [22] R.Venkataraman, S Croft, W R Russ (2005), ―Calculation of peak-to-total ratios for high purity germanium detectors using Monte-Carlo modeling‖, Journal of Radio analytical and Nuclear Chemistry Vol 264 (1), p183 – 191 [23] S.Yalcin, O.Gurler, G.Kaynak, O.Gundogd (2007), ―Calculation of total counting efficiency of a NaI(Tl) detector by Hybrid Monte - Carlo method for point and disk sources‖, Applied Radiation And Isotopes 65, p1179 – 1186 [24] S.Baccouche A, D Al-Azmi (2012), ―Application of the Monte Carlo method for the efficiency calibration of CsI and NaI(Tl) detectors for GammaRay measurements from terrestrial samples‖, Applied Radiation And Isotopes 70, p227–232 [25] S.Rahman and G.Cho (2010), ―Unfolding Low-Energy Gamma-Ray Spectrum Obtained with NaI(Tl) in Air Using Matrix Inversion Method‖, Journal of Scientific Research 2, p221 - 226 [26] Susumu Minato (2001), ―Diagonal Elements Fitting Technique to Improve Response Matrixes for Environmental Gamma Ray Spectrum Unfolding‖, Applied Radiation And Isotopes 50, p463 – 471 [27] X-5 Monte Carlo Team (2003), MCNP — A General Monte Carlo N-Particle Transport Code Version Một số trang Web tham khảo [28] http://www.amptek.com/grad.html [29] http://laraweb.free.fr [30] http://www.matweb.com [31] http://www.oken.co.jp [32] http://physics.nist.gov [33] http://www.crytur.cz [34] http://www.nsspi.tamu.edu 55 PHỤ LỤC Phụ lục Hoạt độ hiệu chỉnh nguồn chuẩn Nguồn Hoạt độ Sai số Ngày Ngày đo tham khảo (%) định danh ATK (Bq) Chu kỳ Hoạt độ bán rã hiệu hỉnh T(106 s) Ao(Bq) Na-22 37000 12/1/2012 4/22/2015 75,3 19587 Mn-54 37000 1/1/2013 4/22/2015 72,6 5717 Co-60 37000 1/1/2013 4/21/2015 72,6 27337 Ba-133 37000 1/1/2013 4/23/2015 72,7 31793 Cs-137 37370 12/1/2013 4/21/2015 43,7 36194 Eu-154 35749 12/1/2013 4/21/2015 43,7 31970 Phụ lục Giá trị hoạt độ, xác suất phát, diện tích đỉnh nguồn chuẩn Đồng E vị (keV) Hoạt độ δAo Xác suất phát Iɣ δ Iɣ Diện tích δS (%) S (%) Ao (Bq) % 511,7 19587 1,8070 0,111 725893 0,12 1274,537 19587 0,9994 0,130 171569 0,24 Mn-54 834,838 5717 0,9997 0,001 66589 0,39 Co-60 1173,228 27337 0,9985 0,030 234352 0,21 1332,492 27337 0,9998 0,001 217362 0,21 302,8508 31793 0,1834 0,709 181781 0,23 356,0129 31793 0,6205 0,306 512443 0,14 Cs-137 661,657 36194 0,8499 0,235 441852 0,15 Eu-154 123,0706 31970 0,4040 1,238 379888 0,16 247,9288 31970 0,0689 1,016 60252 0,41 591,755 31970 0,0495 1,010 24968 0,63 873,1834 31970 0,1217 0,986 41231 0,49 1274,429 31970 0,3490 0,860 96724 0,32 Na-22 Ba-133 56 Phụ lục Hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng thực nghiệm (TN) mô (MP) Nguồn E (MeV) Hiệu suất đỉnh Độ Hiệu suất tổng lệch Độ lệch TN MP 0,5117 0,00280 0,00272 4,6 0,00828 0,00794 4,1 1,2745 0,00122 0,00120 1,3 0,01462 0,01437 1,7 Mn-54 0,8348 0,00157 0,00162 3,1 0,00377 0,00365 3,0 Co-60 1,1732 0,00119 0,00114 4,2 0,00745 0,00715 3,6 1,3325 0,00111 0,00108 2,7 0,00734 0,00714 2,7 0,3029 0,00383 0,00376 1,7 0,04608 0,04534 1,6 0,3560 0,00361 0,00353 2,1 0,01368 0,01340 2,1 0,6616 0,00217 0,00199 2,9 0,00457 0,00441 3,3 0,5918 0,00219 0,00194 1,2 0,02384 0,1718 1,8 0,1231 0,00380 0,00368 3,2 0,14211 0,0268 3,5 0,2479 0,00372 0,00364 1,9 0,19614 0,0112 2,9 0,8732 0,00147 0,00119 0,9 0,07890 0,0187 1,8 1,2744 0,00120 0,00191 1,1 0,02737 0,0441 1,0 Na-22 Ba-133 Cs-137 Eu-154 (%) TN MP (%) 57 Phụ lục Hệ số hấp thụ tuyến tính hiệu suất nội tinh thể NaI(Tl) E(MeV) µt (cm-1) 0,025 43,728 0,525 0,3321 0,71691 0,05 37,801 0,55 0,3208 0,70449 0,075 14,001 0,575 0,3094 0,69140 0,1 6,0555 0,6 0,2980 0,67774 0,125 4,1343 0,625 0,2915 0,66968 0,15 2,213 0,99978 0,65 0,2851 0,66155 0,175 1,7047 0,99846 0,675 0,2786 0,65309 0,2 1,1964 0,98939 0,7 0,2721 0,64441 0,225 1,0478 0,98134 0,725 0,2657 0,63566 0,25 0,8992 0,96719 0,75 0,2592 0,62655 0,275 0,7505 0,94227 0,775 0,2527 0,61721 0,3 0,6019 0,89845 0,8 0,2463 0,60778 0,325 0,5578 0,87993 0,825 0,2423 0,60178 0,35 0,5138 0,85807 0,85 0,2383 0,59568 0,375 0,4698 0,83224 0,875 0,2343 0,58948 0,4 0,4257 0,80164 0,9 0,2303 0,58320 0,425 0,4052 0,78557 0,925 0,2263 0,57681 0,45 0,3846 0,76811 0,95 0,2223 0,57033 0,475 0,3641 0,74932 0,975 0,2183 0,56375 0,5 0,3435 0,72891 0,2143 0,55707 εi E(MeV) µt (cm-1) εi [...]... tổng quan tình hình nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò ở trong và ngoài nước; tìm hiểu hệ phổ kế gamma đầu dò NaI(Tl) và dạng đáp ứng của đầu dò NaI(Tl) đối với bức xạ gamma đơn năng; giới thiệu đôi nét về chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ đa năng MCNP được sử dụng 29 CHƢƠNG 2: MA TRẬN ĐÁP ỨNG ĐẦU DÒ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐO GAMMA SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH MCNP 2.1 Ma trận đáp ứng đầu dò Xác suất để một photon... quan nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò Những công trình nghiên cứu trên thế giới về ma trận đáp ứng của đầu dò NaI(Tl) được thực hiện đa dạng về kích thước của đầu dò, năng lượng khảo sát, kích thước ma trận, khoảng cách nguồn – đầu dò, phương pháp xây dựng ma trận đáp ứng bằng thực nghiệm hoặc mô phỏng Năm 1958, Hubbell [14] đã nghiên cứu đáp ứng của đầu dò NaI(Tl) có kích thước 5’’x 4’’, năng lượng của. .. P là một ma trận có M phần tử có được từ phổ gamma ghi nhận; R là một ma trận đáp ứng đầu dò có kích thước N x M, S cũng là một ma trận có N phần tử 30 Nếu lấy N = M thì đáp ứng của đầu dò có thể thu được một cách dễ dàng bằng cách nhân ma trận P(E’) với ma trận nghịch đảo của R Ta có công thức (2.5) S  E   P  E' R 1 (2.5) Trong đó, R-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận R Sử dụng ma trận nghịch... khối hệ phổ kế gamma dùng đầu dò NaI(Tl)4 17 1.4 Dạng đáp ứng của đầu dò đối với bức xạ gamma đơn năng Khi đi qua môi trường của đầu dò với cấu hình cụ thể, tia gamma tới tương tác với đầu dò sẽ được ghi nhận thông qua các hiệu ứng trực tiếp (hiệu ứng quang điện) hoặc gián tiếp như tán xạ Compton, tạo cặp, thoát khỏi đầu dò [4], [7], [16] Tùy theo hình học và cấu trúc cụ thể của đầu dò cũng như bố trí... của gamma chiếu tới từ 0,01MeV đến 8MeV và sử dụng ma trận đáp ứng có kích thước 28 x 28 Ma trận đáp ứng có các kênh năng lượng từ 0,01MeV đến 7,84MeV Mỗi kênh năng lượng được chia đều nhau và trong mỗi kênh năng lượng sẽ có một đỉnh quang điện Tuy nhiên ma trận đáp ứng này chỉ phù hợp cho phổ liên tục mà không phù hợp cho những đỉnh nhọn bên trong phổ Năm 2000, Itadzu [18] đã sử dụng Chương trình mô... tác của tia gamma tới trong vùng nhạy của đầu dò 1.4.1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện dẫn đến sự hấp thụ toàn bộ năng lượng của gamma tới E Trong điều kiện lý tưởng, toàn bộ năng lượng này được truyền cho động năng của electron, đây là một hằng số ứng với chùm gamma đơn năng chiếu vào đầu dò Khi đó, trong phổ gamma xuất hiện một đỉnh hấp thụ toàn phần tương ứng với năng lượng E của gamma... Thị Hồng Loan đã sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP4 C2 và MCNP5 để nghiên cứu chuẩn hiệu suất và đặc trưng đáp ứng 10 của đầu dò HPGe có tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh [7] 1.2 Tƣơng tác giữa bức xạ gamma với vật chất Tia gamma đầu tiên được phát hiện vào năm 1900 bởi Becquerel và Villard, là một thành phần của bức xạ từ uranium... trong một số vùng của đầu dò hoặc do các electron thứ cấp và bức xạ hãm trong vùng thể tích hoạt động 1.4.3.3 Hiệu suất  Định nghĩa về hiệu suất Hiệu suất ghi của đầu dò được xác định như là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hóa đập tới đầu dò và được ghi nhận Cơ chế ghi nhận của đầu dò dựa theo tương tác của bức xạ trong môi trường đầu dò Một photon tới tương tác với vật liệu đầu dò theo ba cơ chế:... trong phổ gamma tới Si : phổ gamma tới của năng lượng Ei Rij: là phần tử của ma trận đáp ứng hay xác suất để một photon có năng lượng Ei được ghi nhận tại kênh năng lượng Ej của đầu dò (được xác định từ thực nghiệm hay mô phỏng) Nếu phổ độ cao xung được chia thành M kênh thì thu được hệ M phương trình có dạng thức (2.3) N Pj  Pji (2.3) i 1 Tương ứng, ma trận thu được có dạng cho bởi phương trình (2.4)... tán xạ ngược vào đầu dò sau khi phát ra từ nguồn phóng xạ nhưng không đi đến đầu dò + Phần bức xạ bị hấp thụ bởi lớp bao bọc đầu dò và phần bức xạ đi ra khỏi đầu dò + Góc nhìn của nguồn đối với đầu dò  Đƣờng cong hiệu suất: Hiệu suất ghi của đầu dò có thể được đo tương ứng với nhiều giá trị năng lượng khác nhau bằng cách sử dụng nguồn chuẩn Các điểm hiệu suất ghi cần được làm khớp thành một đường cong ... gamma sử dụng chương trình MCNP - Chương 3: Kết tính toán CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò Những công trình nghiên cứu giới ma trận đáp ứng đầu dò. .. chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu ma trận đáp ứng đầu dò nước; tìm hiểu hệ phổ kế gamma đầu dò NaI(Tl) dạng đáp ứng đầu dò NaI(Tl) xạ gamma đơn năng; giới thiệu đôi nét chương trình. .. chương trình mô vận chuyển xạ đa MCNP sử dụng 29 CHƢƠNG 2: MA TRẬN ĐÁP ỨNG ĐẦU DÒ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐO GAMMA SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH MCNP 2.1 Ma trận đáp ứng đầu dò Xác suất để photon tới lượng xác