Khảo sát hiệu suất ghi của detectơ nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng monte carlo

THƯ VIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÝ THANH NGUYÊN KHẢO SÁT HIỆU SUẤT GHI CỦA DETECTƠ NHẤP NHÁY THEO NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ GAMMA BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MINH CẢO Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thân nhận quan tâm giúp đỡ tận tình chu đáo nhiều người Tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc trân trọng cảm ơn đến: Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Cảo, người Thầy kính mến, người truyền cho ý tưởng, cung cấp định hướng phương pháp nghiên cứu khoa học mà dạy bảo đạo đức nghiên cứu khoa học Trong trình thực luận văn, Thầy người tận tình dẫn giúp gỡ bỏ khó khăn Những kinh nghiệm kiến thức quý báu Thầy điều kiện tiên giúp hoàn thành luận văn Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, người Thầy kính mến Sự giúp đỡ Thầy giai đoạn đầu thực luận văn, thiếu thốn điều kiện thực hiện, nguồn động viên lớn giúp tự tin tiến hành nghiên cứu để hoàn thành luận văn Thầy ThS Hoàng Đức Tâm, người tạo điều kiện thuận lợi cho làm thực nghiệm phòng Thí nghiệm Thầy người có dẫn tận tình gặp khó khăn làm việc Cô TS Trương Thị Hồng Loan ThS Trần Thiện Thanh có bảo tận tình giúp thấu hiểu việc mô MCNP vấn đề khác Bạn Phạm Nguyễn Thành Vinh bạn Trịnh Hoài Vinh cung cấp tài liệu nhiệt tình giúp đỡ để vào làm thực nghiệm phòng Thí nghiệm tạo điều kiện tốt làm thực nghiệm Ban chủ nhiệm Khoa vật lý trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất phòng Thí nghiệm để hoàn thành luận văn Cảm ơn cha mẹ tần tảo nắng mưa, hi sinh thân nuôi nấng cho học hành Cảm ơn người bạn người động viên giúp đỡ cho Tp.Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 08 năm 2010 Lý Thanh Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Thầy hướng dẫn khoa học Kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Lý Thanh Nguyên BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore EGS4 Chương trình mô Monte Carlo EGS4 Tiếng Anh nhóm Nelson et al 1985, Stanford Linear Accelerator Center ENDF Thư viện số liệu hạt nhân ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu hạt nhân ENDL Evaluated Nuclear Data Library FOM Thông số đánh giá độ tin cậy phương pháp Figure Of Merit Monte Carlo FWHM Full Width at Half Maximum Ge(Li) Đầu dò germanium “khuếch tán lithium” GEANT Chương trình mô Monte Carlo GEANT nhóm R Brun et al 1986, CERN Data Handling Division, Geneva GEB Gaussian Energy Broadenning HPGe MCG High Purity Germanium Chương trình Monte-Carlo gamma xử lý Monte Carlo Gamma photon lượng cao MCNG Chương trình Monte-Carlo ghép cặp neutron- Monte Carlo Neutron Gamma gamma MCN Có thể giải toán neutron tương tác Monte Carlo Neutron MCNP Chương trình Monte-Carlo mô vận Monte Carlo N-particle chuyển hạt N nhóm J.F Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA12625-M NJOY Mã định dạng thư viện số liệu hạt nhân MCNP P/C Tỉ số đỉnh/Compton Peak/Compton P/T Tỉ số đỉnh / toàn phần Peak/Total REGe Đầu dò germanium điện cực ngược Reverse Electrode Coaxial Germanium Detector MỞ ĐẦU Kể từ người khám phá tượng phóng xạ, chân trời nghiên cứu kĩ thuật ghi nhận xạ mở Từ đó, việc nghiên cứu phương pháp ghi nhận lãnh vực nghiên cứu hạt nhân, vật lý hạt tiến hành 70 năm ngày phát triển mạnh mẽ Nhìn lại giai đoạn phát triển phương pháp ghi nhận vật lý hạt nhân hạt bản, thấy đời phát triển loại detector: buồng bọt, buồng Strimơ, buồng ion, buồng tỷ lệ, ống đếm Geiger Muller, ống đếm tia lửa, detector nhấp nháy, detector tinh thể Tren-ren-cốp, detector bán dẫn…Có thể nói detector bán dẫn siêu tinh khiết đỉnh cao việc ghi nhận xạ với ưu điểm bật khả phân giải Tuy nhiên detector khác có ưu điểm riêng ứng dụng phù hợp với tính chất Detector nhấp nháy Hofstadter phát minh từ năm 1948 độ phân giải lượng cao lại có ưu hiệu suất ghi, khả chế tạo hình học đa dạng kích thước khác đáp ứng yêu cầu thí nghiệm Mặc dù phát kiến lâu với ưu điểm nó, ngày giới nước ta, việc ứng dụng detector nhấp nháy diễn mạnh mẽ nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực an ninh, detector nhấp nháy sử dụng thiết bị phát phóng xạ lối vào, máy phát phóng xạ cầm tay…Trong lĩnh vực an toàn xạ môi trường, detector nhấp nháy diện máy đo liều, thiết bị kiểm soát an toàn, máy dò tìm rác thải độc hại…Bên cạnh đó, detector nhấp nháy sử dụng tích cực lĩnh vực giảng dạy nghiên cứu hạt nhân Điều cho thấy việc nghiên cứu để sử dụng hiệu detector loại cần thiết Năm 2008, Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân thuộc khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM thức vào hoạt động để phục vụ việc giảng dạy thực hành vật lý hạt nhân Các thiết bị trang bị phòng thí nghiệm gồm có hệ phổ gamma đầu dò Germanium siêu tinh khiết, hai hệ phổ kế đơn kênh dùng đầu dò nhấp nháy hệ phổ kế 8k kênh Gamma Rad 76BR76 sử dụng đầu dò NaI(Tl) kích thước inch x inch Các thiết bị giai đoạn triển khai sử dụng việc nghiên cứu thiết bị diễn tích cực phòng thí nghiệm Phạm vi luận văn hướng tới việc thực nghiên cứu khía cạnh hệ phổ kế 8k kênh đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất ghi detector theo lượng xạ gamma với hỗ trợ phương pháp mô Monte Carlo Hiện giới, việc sử dụng phương pháp mô máy tính để nghiên cứu đối tượng vật lý trở nên phổ biến thu kết định Trong nước ta có nghiên cứu áp dụng phương pháp mô ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân mang lại kết định Việc áp dụng phương pháp mô cho thấy phù hợp với tình hình khoa học kĩ thuật đất nước: sở vật chất hạn chế không cho phép thực nghiên cứu trực tiếp, lĩnh vực vật lý vi mô Điều cho thấy phương pháp mô khai thác tốt tạo hướng nghiên cứu triển vọng cho lĩnh vực vật lý hạt nhân nói riêng khoa học kĩ thuật nước nói chung Luận văn hướng tới hai mục tiêu khảo sát phụ thuộc hiệu suất ghi detector nhấp nháy theo lượng gamma để sử dụng hiệu thiết bị thông qua trình khảo sát nắm bắt phương pháp nghiên cứu – phương pháp mô (Monte Carlo) Trong đó, detector nhấp nháy khảo sát có kí hiệu 76BR76 hãng Amptek (Mỹ) sản xuất dãy lượng khảo sát cung cấp nguồn chuẩn RSS8EU hãng Spectrum Techniques chế tạo (cả thiết bị thuộc phòng Thí nghiệm vật lí hạt nhân Trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM) Để thực mục tiêu trên, phương pháp Monte Carlo áp dụng thông qua việc mô chương trình MCNP4C2 Trong luận văn này, detector nhấp nháy bố trí hình học đo mô hình hóa chương trình MCNP4C2 Song song với mô đo đạc thực nghiệm tiến hành Các kết mô thực nghiệm đem so sánh với để rút nhận xét định hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu làm việc detector Bên cạnh phương pháp mô phỏng, phương pháp thực nghiệm phương pháp xử lý số liệu phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến thực Nội dung luận văn gồm bốn chương: Chương phần tổng quan, trình bày tình hình nghiên cứu giới nước việc ứng dụng phương pháp mô Monte Carlo nghiên vận chuyển xạ nghiên cứu detector nhấp nháy; trình bày khái quát đặc trưng xạ gamma khái quát thiết bị ghi nhận xạ đặc biệt quan tâm đến detector nhấp nháy; trình bày hiệu suất ghi detector Chương phần khái quát phương pháp Monte Carlo, trình bày giới thiệu chương trình MCNP đặc trưng chương trình mô vận chuyển xạ Chương phần xây dựng mô tính toán hiệu suất Trong chương này, cấu trúc đặc điểm nguồn chuẩn RSS8EU, hệ phổ kế Gamma Rad 76BR76 detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước inch x icnh thể hiện; việc mô hình hóa detector xây dựng tệp đầu vào mô tính toán hiệu suất trình bày chi tiết Trong chương này, việc khảo sát phù hợp chương trình mô tính toán hiệu suất detector thực Chương trình bày kết luận văn nhận xét Trong chương này, kết hiệu suất mô hiệu suất thực nghiệm nêu so sánh với từ nảy sinh định hướng nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TRONG LĨNH VỰC GHI NHẬN BỨC XẠ HẠT NHÂN 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới Năm 1972, Peterman, Hontzeas Rystephanick [39] xây dựng chương trình tính toán thông số đặc trưng detector Ge(Li): hiệu suất đỉnh lượng toàn phần, hiệu suất tương đối đỉnh thoát kép Năm 1975, Grosswendt Waibel [24] xây dựng chương trình tính toán hiệu suất đỉnh thoát kép detector bán dẫn Ge(Li) dạng planar dạng hình trụ với thể tích hoạt động 26 cm3 lượng photon từ 100 keV đến 15 MeV Đồng thời công trình tính toán hiệu suất đỉnh lượng toàn phần detector tích 42 cm3 Năm 1982, Gardner cộng [25] áp dụng Monte Carlo để mô phân bố độ cao xung tia X gamma tức thời từ phản ứng bắt neutron hai loại đầu dò Si(Li) Ge Năm 1990, He, Gardner Verghese [28] mở rộng nghiên cứu hàm đáp ứng đầu dò Si(Li) tới miền lượng keV đến 60 keV Năm 1991, Sánchez cộng [42] đề nghị phương pháp tính toán hiệu suất đỉnh lượng toàn phần có hiệu chỉnh tự hấp thụ sử dụng kỹ thuật Monte Carlo với phần mềm GEANT Trong công trình tự hấp thụ tác giả nghiên cứu mẫu Petri Marinelli Kết công trình cho thấy phù hợp tốt với thực nghiệm ( độ lệch lớn 12,8%) Năm 1993, Haase, Tail Wiechen [27] triển khai mô Monte Carlo hệ phổ kế gamma cho phép tính toán quãng đường photon nguồn đầu dò hiệu suất toàn phần Từ hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ trùng phùng tổng đánh giá Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng nguồn 22 Na, 57Co, 60Co 88Y phù hợp tốt với kết thực nghiệm mô hình tính toán khác Năm 1997, nhóm Sima Dovlete [43] bổ sung hiệu ứng matrix phép đo hoạt độ mẫu môi trường Năm 2000, nhóm tác giả Talavera, Neder, Daza Quintana [21] sử phần mềm GEANT3 để mô hàm đáp ứng hệ đầu dò HPGe loại n hãng Canberra Từ tính toán hiệu suất đỉnh toàn phần tác giả so sánh với thực nghiệm với nhiều hình học đo để phát không xác mô tả đặc trưng detector mà nhà sản xuất cung cấp nhằm xác định lại thông số  Năm 2001, nhóm tác giả Vidmar, Korun, Likar Martincic [47] dùng MCNP GEANT để tạo số liệu đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần cho hệ đầu dò HPGe loại n loại p để kiểm tra mô hình bán thực nghiệm cho việc xây dựng đường cong hiệu suất cho đầu dò khoảng lượng từ keV đến 3000 keV ; có quan tâm đến hiệu ứng tự hấp thụ mẫu đo thể tích Năm 2002, Tsutsumi, Oishi, Kinouchi, Sakamoto Yoshida [45] ứng dụng chương trình mô Monte Carlo EGS-4 để tính toán mô nghiên cứu thiết kế hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe triệt Compton sử dụng việc xác định hoạt độ mẫu đo mà thân nguồn phông đáng kể Năm 2004, Hurtado, GarcíaLeón García Tenorio [32] chương trình mô Monte Carlo GEANT4 xây dựng đường cong hiệu suất đặc trưng detector REGe (Reverse Electrode Germanium) tiến hành hiệu chỉnh số thông số vật lý detector nhà sản xuất cung cấp tính toán làm cho hiệu suất tính toán phù hợp với hiệu suất thực nghiệm Năm 2006, Salgado, Conti Becker [17] tính toán đặc trưng detector HPGe kiểu planar chương trình mô Monte Carlo MCNP5 tia X miền lượng 20 keV - 150 keV phát có khác biệt hiệu suất detector tính toán thực nghiệm khoảng 10% Sự khác biết lý giải bề dày lớp chết mà nhà sản xuất cung cấp không xác tác giả thực hiệu chỉnh tăng bề dày lớp chết Năm 2007, Hoover [31] sử dụng GEANT4 xác định đặc trưng hiệu ứng đầu dò điểm ảo đầu dò HPGe đồng trục Khái niệm đầu dò điểm ảo để mô tả mối quan hệ phức tạp hiệu suất đầu dò, dạng đầu dò, khoảng cách nguồn Trong công trình mô Monte Carlo thể rõ ưu tiết kiệm thời gian công sức Mô Monte Carlo cho phép đặc trưng hóa hiệu ứng điểm ảo khắp khoảng lượng khảo sát đầu dò Nó có cho phép mở rộng miền lượng cao mà việc sử dụng thực nghiệm với nguồn chuẩn thích hợp khó đạt Martin [36] dùng MCNP4C2 để mô hai hệ đầu dò Germanium đồng trục: REGe XtRa Sự sai biệt lớn 10-20% giá trị hiệu suất mô so với thực nghiệm lượng photon khác hình học đo khác cho thấy cần phải điều chỉnh thông số đầu dò từ nhà sản xuất Để có thông tin xác tác giả dùng phương pháp quét (scanning) với chùm xạ photon không chuẩn trực Mô hình Monte Carlo hệ đầu dò sau điều chỉnh thông số theo phương pháp thử sai cho kết hiệu suất phù hợp với thực nghiệm Huy N.Q, Binh D.Q, An V.X [34] nghiên cứu tăng bề dày lớp bất hoạt đầu dò Germanium siêu tinh khiết sau khoảng thời gian dài hoạt động chương trình mô MCNP 1.1.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Ở nước ta, phương pháp Monte Carlo vận chuyển xạ triển khai ứng dụng rộng sở nghiên cứu vật lý hạt nhân Ở Viện Khoa học Kĩ thuật hạt nhân Hà Nội, có nhóm Lê Văn Ngọc, Nguyễn Thị Thanh Huyền, Nguyễn Hào Quang nghiên cứu tính toán hiệu suất đỉnh cho hệ phổ kế gamma môi trường ký hiệu GMX có Viện chương trình mô MCNP phiên 4C2; Hoàng Hoa Mai, Lê Văn Ngọc, Nguyễn Đình Dương nghiên cứu phân bố liều thiết bị chiếu xạ trung tâm chiếu xạ Hà nội phần mềm MCNP phương pháp mô Monte Carlo Ở Viện Vật lý Điện tử (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam), có nhóm Lê Hồng Khiêm, Nguyễn Văn Đỗ, Phạm Đức Khuê xây dựng chương trình mô Monte Carlo để nghiên cứu chuẩn hiệu suất cho hình học mẫu lớn phép đo xạ; Lê Hồng Khiêm, Nguyễn Tuấn Khải xây dựng chương trình mô Monte Carlo để tái tạo ảnh cho vật sử dụng hiệu ứng tán xạ ngược Compton; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm, Chu Đình Thúy, Nguyễn Quang Hùng biến đổi ngược mô Monte Carlo để xác định tính chất hấp thụ tán xạ; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm, Chu Đình Thúy mô Monte Carlo dập tắt phổ Ở Viện NCHN Đà Lạt có nhóm Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Xuân Hải, Trần Tuấn Anh, Nguyễn Kiên Cường áp dụng chương trình MCNP4C2 xác định cấu hình che chắn tối ưu thiết kế dẫn dòng giảm phông cho hệ phổ kế cộng biên độ xung trùng phùng kênh ngang số lò phản ứng hạt nhân Đà lạt Trung tâm Nghiên cứu &Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố Hồ Chí Minh có nhóm Trần Khắc Ân, Trần Văn Hùng, Cao Văn Chung sử dụng phần mềm MCNP4C xác định vị trí liều cực tiểu thùng hàng tỷ trọng hàng chiếu khác phục vụ công tác vận hành máy chiếu xạ STSV-Co60/B trung tâm Ở Phân viện Y Sinh Tp.HCM Chợ Rẫy có nhóm Nguyễn Đông Sơn, Nguyễn thị Bích Loan, Trần Cương áp dụng Monte Carlo để tính toán phân bố liều phantom nước chùm photon 6MV từ máy gia tốc bệnh viện Chợ Rẫy Ở Đại học Công nghiệp Tp.HCM Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM có nhóm Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân nghiên cứu phổ tối ưu hiệu suất hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe đặt Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM MCNP4C2 Ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM có nhóm Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP4C2 MCNP5 để nghiên cứu chuẩn hiệu suất đặc trưng đáp ứng đầu dò HPGe có Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM 1.1.3 Phương pháp Monte Carlo nghiên cứu đặc trưng detector nhấp nháy Năm 1966, Snyder Knoll [44] tính toán tỷ số photon hấp tụ toàn phần detector nhấp nháy hình giếng chất nhấp nháy khác gồm: NaI, CsI, CaI2 với thể tích khác Năm 1972, Beattie Byrne [15] xây dựng chương trình mô đánh giá đặc trưng detector nhấp nháy NaI(Tl) với nguồn gamma đơn phân tích phổ xạ hãm bremsstrahlung Năm 1973, Grosswendt [23] xây dựng chương trình tính toán hiệu suất phát hãm bremsstrahlung tán xạ electron thứ cấp với hạt nhân nguyên tử detector NaI, CeI, Si Ge Năm 1974, Belluscio, De Leo, Pantaleo Vox [16] xây dựng chương trình tính toán detector nhấp nháy NaI(Tl) nguồn gamma dày lượng lên đến 10 MeV tất có dạng hình trụ để tính toán số đặc trưng gồm phân bố lượng theo độ cao xung, hiệu suất đỉnh lượng toàn phần hiệu suất toàn phần detector hình học đo nguồn detector khác Năm 1976, Rieppo [40] áp dụng phương pháp Monte Carlo việc tính toán hấp thụ tia gamma nguồn thể tích đầu dò mặt giếng dùng tinh thể NaI Sự hấp thụ gamma môi trường gồm nước, nhôm chì khảo sát Năm 2000, Ghanem [22] xây dựng chương trình tính toán thông số đặc trưng detector nhấp nháy NaI gồm đỉnh lượng toàn phần, đỉnh thoát đơn, đỉnh thoát kép,… Tawara, Sasaki, Saito Shibamura ứng dụng chương trình EGS-4 nghiên cứu tính chất đặc trưng detector nhấp nháy NaI(Tl) dựa sở phổ gamma nguồn 137Ce Năm 2000, Orion Wielopolski [38] nghiên cứu hàm đáp ứng phổ gamma dùng detector nhấp nháy BGO NaI(Tl) giá trị lượng 0.662, 4.4 10MeV Trong công trình có sử dụng ba chương trình mô Monte Carlo EGS-4, MCNP4B PHOTON Năm 2001 Yoo, Chunand Ha [46] sử dụng EGS4 mô hàm đáp ứng hai đầu dò NaI HPGe tia tới lượng lên đến 662 keV Sau sử dụng phổ tính toán để giải cuộn phổ đo Năm 2002, Henndriks, Maucec Meiger chương trình mô Monte Carlo MCNP4C mô phổ gamma chuỗi 40K, 232 Th, 238 U đo hệ phổ kế gamma dùng detector nhấp nháy BGO Năm 2002, Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun [33] thuộc trường đại học Tsinghua Bắc Kinh Trung Quốc khảo sát hàm đáp ứng phổ gamma detector nhấp nháy NaI(Tl) miền lượng 0.4118 đến 7.11 theo phương pháp Berger–Seltzer’s Monte Carlo.Trong đó, tính toán phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình EGS4, MCNP4B Petrans 1.0 sử dụng Năm 2003, Robin P Gardner, Avneet Sood [41] dùng phương pháp mô Monte Carlo xây dựng hàm đáp ứng detector NaI giải thích nguyên nhân gây nên không tuyến tính nhấp nhô vùng Compton liên tục Trong công trình chương trình CEARPGA tác giả sử dụng Năm 2004, Fayez H.H Al-Ghorabie [20] dùng chương trình EGS4 nghiên cứu hàm đáp ứng detector NaI(Tl) đối xạ gamma có lượng nhỏ 300 keV Nghiên cứu cho kết mô phù hợp tốt với kết thực nghiệm Nghiên cứu cho thấy hiệu cao việc sử dụng chương trình mô việc nghiên cứu tham số vật lý vốn khó xác định thực nghiệm Năm 2007, Hashem Miri Hakimabad, Hamed Panjeh, Alireza Vejdani-Noghreiyan [26] dùng MCNP4C tính toán hàm đáp ứng detector NaI inch x3 inch Các kết mô so sánh với số liệu thực nghiệm đo với nguồn chuẩn dãy lượng 0.081 MeV đến 4.438 MeV Năm 2010, N Ghal-Eh, G.R Etaati and M Mottaghian [37] công bố nghiên cứu mô Monte Carlo hàm đáp ứng detector nhấp nháy vô Nghiên cứu có sử dụng chương trình GEANT4 EGS4 có rõ độ tin cậy kết mô 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao trạng thái kích thích thấp hay trở trạng thái phát kèm theo xạ điện từ có bước sóng ngắn xạ gamma Bức xạ gamma có khả xuyên sâu lớn Các nhân phóng xạ xác định phát xạ gamma có lượng xác định Năng lượng xạ gamma cao tới MeV -10 MeV Khi qua vật chất, xạ gamma bị lượng trình hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton hiệu ứng tạo cặp 1.2.1 Sự truyền xạ gamma vật chất Cũng giống hạt tích điện, xạ gamma bị hấp thụ qua vật chất Tuy nhiên chế trình hấp thụ xạ gamma khác với hạt tích điện hai nguyên nhân Nguyên nhân thứ nhất, lượng tử gamma điện tích nên không chịu ảnh hưởng trường lực Coulomb Tương tác lượng tử gamma với electron xảy miền với bán kính cỡ 10-13 m tức ba bậc nhỏ kích thước nguyên tử Vì qua vật chất lượng tử gamma va chạm với electron hạt nhân lệch khỏi phương bay ban đầu Nguyên nhân thứ hai, xạ gamma lượng tử ánh sáng nên khối lượng nghỉ chuyển động với vận tốc ánh sáng Điều có nghĩa lượng tử gamma không bị làm chậm môi trường Nó bị hấp thụ bị tán xạ thay đổi phương bay Sự suy giảm xạ gamma qua môi trường khác với suy giảm xạ alpha beta Bức xạ alpha beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn vật chất, nghĩa chúng bị hấp thụ hoàn toàn Bức xạ gamma truyền qua môi trường, va chạm làm suy giảm từ từ cường độ chùm tia Xét chùm tia hẹp gamma đơn với cường độ ban đầu I0 Sự thay đổi cường độ qua lớp dx bằng: dI = -Idx (1.1) Trong  hệ số hấp thụ Đối với môi trường đồng chất  số ta dễ dàng lấy tích phân phương trình trên: I = I0e-x (1.2) Trong I0 cường độ ban đầu Một khái niệm thông dụng hệ hấp thụ khối τ =  /ρ , với ρ mật độ vật chất Trong trường hợp này, để thuận tiện bề dày đo đơn vị cm2/g Hệ số hấp thụ mô tả dịch chuyển xạ gamma qua môi trường; phụ thuộc vào tính chất môi trường lượng lượng tử gamma Nếu trình hấp thụ kết số trình khác nhau, hệ số hấp thụ tổng cộng tổng tất hệ số hấp thụ μi trình:   i (1.3) i Chia hệ số hấp thụ μi ứng vói trình cho số tâm hấp thụ n i 1cm ta thu tiết diện tán xạ σi trình: μi = niσi (1.4) Do để xác định μ cần biết trình đóng góp chủ yếu vào hấp thụ tổng cộng tìm phụ thuộc tiết diện tán xạ trình vào lượng lượng tử gamma vào loại môi trường 1.2.2 Các chế tương tác tia gamma với vật chất Trong luận văn đề cập đến việc ghi nhận xạ gamma có lượng thấp giới hạn khoảng lượng khảo sát từ 60 keV đến MeV Ở khoảng lượng có ba loại tương tác chính: + Tán xạ Compton + Hiệu ứng quang điện + Hiệu ứng tạo cặp Trong hai trình đầu lượng tử gamma va chạm với electron, trình thứ ba với nhân Sự va chạm với electron vượt trội vùng lượng thấp, vùng lượng cao tương tác với trường hạt nhân chiếm ưu Bên cạnh có trình khác tán xạ Rayleigh tán xạ Thomson miền lượng thấp Các tương tác khác chẳng hạn tượng hấp thụ quang hạt nhân (photonuclear absorption) hay quang phân hạch (photofission) xảy lượng cao (trên MeV) bỏ qua 1.2.2.1 Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron liên kết nguyên tử, lượng tử gamma truyền toàn lượng E cho electron liên kết Năng lượng phần giúp electron thắng lực liên kết lk, phần trở thành động Ee electron Theo định luật bảo toàn lượng: Ee = E - lk (1.5) Trong lk = K electron lớp K, lk = L electron lớp L, lk = M electron lớp M K > L > M Biểu thức (1.5) cho thấy lượng lượng tử gamma tới phải lớn lượng liên kết electron hiệu ứng quang điện xảy Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện xảy mạnh với lượng tử gamma có lượng so với lượng liên kết nguyên tử tăng mạnh theo bậc số Z môi trường.Tiết diện tán xạ quang điện mô tả công thức gần sau: σphoto = constZ-5 E-3.5 E ≥ K σphoto = constZ-5 E-3.5 E >> K Theo hiệu ứng quang điện cấu hấp thụ trội vùng lượng thấp, vai trò trở nên không đáng kể vùng lượng cao Bên cạnh việc tạo electron quang điện, tương tác tạo lỗ trống Lỗ trống nhanh chóng lấp đầy cách bắt electron tự môi trường hay chuyển dời từ electron tầng khác nguyên tử làm phát sinh tia X đặc trưng Trong vài trường hợp phát electron Auger thay cho tia X đặc trưng 1.2.2.2 Hiệu ứng Compton Khi tăng lượng gamma đến giá trị lượng lớn nhiều so với lượng liên kết electron lớp K nguyên tử hiệu ứng quang điện không đáng kể bắt đầu hiệu ứng Compton Khi bỏ qua lượng liên kết electron so với lượng gamma tán xạ gamma lên electron coi tán xạ với electron tự Tán xạ Compton tán xạ đàn hồi gamma tới với electron chủ yếu quỹ đạo nguyên tử Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay bị phần lượng truyền electron giải phóng khỏi nguyên tử Trên sở tính toán động học trình tán xạ đàn hồi hạt gamma chuyển động với lượng E lên electron đứng yên ta có công thức sau lượng gamma E electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay θ gamma sau tán xạ E = E 1 + α (1- cos θ ) (1.6) Ee = E α (1- cosθ ) + α (1- cos θ ) (1.7) Trong   E ; me = 9,1.10-31 kg c = 3.108 m/sec; mec2 = 0,511 MeV m ec φ Hình 1.2 Hiệu ứng tán xạ Compton Góc bay φ electron sau tán xạ liên hệ với góc θ sau: tanφ = θ 1+ α tan (1.8) Sau tán xạ Compton, lượng tia gamma giảm phần lượng giảm truyền cho electron giật lùi Năng lượng electron giật lùi lớn gamma tán xạ với góc θ lớn Đối với photon có góc tán xạ nhỏ lượng electron tiến đến không, lượng photon tán xạ gần lượng photon tới Trong trình tán xạ Compton có photon phát nên lượng photon tới không hấp thụ hoàn toàn vị trí Ngay với góc tán xạ 180º , photon tán xạ có lượng đáng kể tính bởi: E '  E Để theo dõi phân tán lượng photon  2 tới ta cần phải xem xét photon tán xạ thứ cấp trình tương tác chúng Tiết diện tán xạ Compton vi phân biểu diễn theo công thức Klein-Nishima: re2 d  d 2(1  (1  cos )) 2   1  cos    (1  cos )    (1  cos )   (1.9) Tiết diện tán xạ Compton toàn phần thu cách lấy tích phân biểu thức (1.9) theo tất góc tán xạ θ:   α  2(1  α) 1  3α   ln(1  2α)   ln(1  2α)  σ Compton  2πre2   1  2α 2  2α  α   2α α   (1.10)  - Khi α bé, tức Emec2, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với lượng E nguyên tử có Z electron nên phụ thuộc tiết diện tán xạ Compton mô tả sau:  Compton  const Z E (1.12) 1.2.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - positron Nếu gamma tới có lượng E lớn hai lần lượng nghỉ electron (2mec2=1,022 MeV) qua điện trường hạt nhân sinh cặp electron – positron Đó hiệu ứng tạo cặp electron-positron Quá trình tạo cặp xảy gần hạt nhân, động chuyển động giật lùi hạt nhân bé nên phần lượng dư biến thành động electron positron Hiệu số lượng E – 2mec2 tổng động electron Ee- positron Ee+ bay Do hai hạt có khối lượng giống nên có xác suất lớn để hai hạt có lượng Ee- = Ee+ Electron dần lượng để ion hóa nguyên tử môi trường Positron mang điện tích dương nên gặp electron nguyên tử, điện tích chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn gọi tượng hủy cặp Khi hủy electron - positron hai lượng tử gamma sinh bay ngược chiều nhau, lượng tử có lượng 0,511 MeV Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp Trong miền lượng 5mec2 >2m ec trở nên nhỏ hấp thụ tia  vùng lượng xảy chủ yếu trình tạo cặp Hệ số hấp thụ toàn phần tia  vật chất tổng hệ số hấp thụ photo, compton, pair, tức là:  = photo+ompton+pair Hình 1.4 Đồ thị hàm số hệ số hấp thụ theo lượng tia  hệ số hấp thụ toàn phần chì [3] 1.3 CÁC DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA 1.3.1 Khái quát detector Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, detector ghi đo xạ đóng vai trò quan trọng Các detector sử dụng từ việc đo đạc xạ đến xử lý kết đo Chúng thiết bị hoạt động dựa tương tác xạ với vật chất Detector ghi xạ tia X tia gamma ban đầu dùng để xác định có mặt xạ tia X tia gamma sau xác định cường độ chùm xạ Các detector ghi xạ tia X tia gamma ngày cho phép xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo lượng tia X tia gamma Năm 1895, Roentgen thực phép đo tia X phát từ ống phóng điện chứa khí Phổ kế quang học ứng dụng tượng tán sắc ánh sáng dùng để đo bước sóng tia X đo bước sóng tia X lớn 0,1 nm Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X mặt phẳng tinh thể, Bragg đo tia X có bước sóng bé nhận thấy phổ tia X có cấu trúc vạch phân biệt rõ phông liên tục Năm 1896, Becquerel khám phá tượng phóng xạ tự nhiên Đến năm 1900, Villard nhận thấy chất phóng xạ tự nhiên phát tia α β mà phát loại xạ có khả đâm xuyên mạnh gọi tia gamma Cùng với nghiên cứu tia X tia gamma, thiết bị ghi xạ tia X tia gamma không ngừng phát kiến ứng dụng Sự phát triển detector nhìn chung chia làm nhóm chính: detector chứa khí phát triển sớm nhất, sau đến detector nhấp nháy, đại detector bán dẫn 1.3.1.1 Các detector chứa khí Nguyên tắc chung detector xạ xạ qua môi trường vật chất detector chúng tương tác với nguyên tử, phân tử khí gây nên ion hóa kích thích nguyên tử, phân tử khí Trong detector chứa khí, môi trường vật chất môi trường khí Một số loại detector chứa khí phổ biến: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger – Muller Trong trường hợp buồng ion đơn giản hay ống đếm tinh thể, ion electron tạo nên hạt khối vật chất detector chuyển động tác động điện trường gây nên dòng điện chạy mạch bên detector Trị số dòng điện thước đo hiệu ứng ion hóa tạo nên buồng ion Buồng ion hóa có tín hiệu lối bé nên không thích hợp để đo gamma riêng biệt thường sử dụng để đo dòng tổng cộng cho chùm gamma có thông lượng lớn trạm quan trắc xạ Trong buồng ion có khuếch đại khí (ống đếm tỷ lệ) điện trường sử dụng để thu nhận ion electron, mà dùng để khuếch đại hiệu ứng ion hóa, nhờ tượng ion hóa thứ cấp Cường độ dòng điện mạch detector trường hợp phụ thuộc vào mật độ ion hóa ban đầu hạt, đồng thời phụ thuộc vào hệ số khuếch đại khí detector Ống đếm tỉ lệ dùng để đo tia X tia gamma thường có độ phân giải lượng vừa phải Khi hệ số khuếch đại khí lớn hiệu ứng ion hóa không phụ thuộc vào mật độ ion hóa ban đầu hạt gây nên nữa, mà phụ thuộc vào tính chất thân detector Detector loại (ống đếm Geiger – Muller) gọi ống đếm với phóng khí tự lập, giá trị ban đầu hiệu ứng ion hóa (hoặc mật độ ion hóa ban đầu) xác định mà người ta kết luận có hạt bay qua detector hay không mà 1.3.1.2 Các detector nhấp nháy Trong chất nhấp nháy, có hạt mang điện qua thường xuất hiện tượng phát quang rõ rệt, chuyển mức lượng nguyên tử hay phân tử bị kích thích hạt Năng lượng photon (sự phát quang) dùng để làm bật electron từ lớp nhạy quang đặc biệt (các electron gọi photon electron) Số lượng photon electrton sau khuếch đại lên nhiều lần, nhờ ống nhân điện tử Các detector hoạt động dựa tượng (được gọi ống đếm nhấp nháy) cho phép ta thực đo đạc thông qua cường độ xung ánh sáng tạo nên hạt chất phát quang Detector loại trình bày kĩ phần sau 1.3.1.3 Các detector bán dẫn Nguyên lý chung loại detector bán dẫn sau: Khi lượng tử gamma vào chất bán dẫn, tạo nên electron tự thông qua ba hiệu ứng chủ yếu quang điện, tán xạ Compton