BAO_CAO_TOT_NGHIEP-1 (1)

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Ngày nay, loại đầu dị gamma phơng thấp HPGe thường sử dụng phép phân tích gamma mơi trường Sự phát triển không ngừng hệ ghi đo xạ tạo cơng cụ phương pháp phân tích đời giúp giải nhanh vấn đề phép phân tích cách đơn giản có độ xác cao Bên cạnh phương pháp phân tích hạt nhân thực nghiệm túy đời công cụ mô sử dụng phương pháp Monte Carlo (MCNP, Geant, ) giúp giải vấn đề phức tạp trở nên đơn giản hơn, đỡ tốn giúp tiên đoán trước kết Các detector bán dẫn HPGe sử dụng phổ biến phịng thí nghiệm việc phân tích ngun tố phóng xạ mơi trường Hạn chế sử dụng đầu dị HPGe tăng bề dày lớp chết sau thời gian hoạt động dẫn đến giảm thể tích hoạt động đầu dị, làm giảm hiệu suất ghi nhận xạ Vì vậy, sử dụng thơng tin từ nhà sản suất áp dụng phương pháp Monte Carlo để mơ đầu dị có khác biệt đáng kể giá trị hiệu suất thực nghiệm mơ Có nhiều nhà nghiên cứu phát triển phương pháp mơ hình để tính tốn vùng khơng hoạt động Khi đầu dị sản xuất, bề dày lớp chết tinh thể Ge cịn mỏng, ảnh hưởng khơng đáng kể Theo thời gian sử dụng, với phơi chiếu phóng xạ từ nguồn lên đầu dò, phân tử Li bên ngồi thẩm thấu nhanh vào tinh thể Germanium, tạo nên vùng rộng lớn “không hoạt động” lớp vỏ tinh thể gọi lớp chết đầu dò [Huy (2007), F G Knoll (2000)] Sự tăng bề dày lớp chết theo thời gian ảnh hưởng đến khả hấp thụ tia gamma sơ cấp, khả tán xạ tia gamma thứ cấp Ngoài lớp chết tăng lên làm giảm vùng hoạt động đầu dò làm giảm hiệu suất ghi nhận đầu dị Có nhiều phương pháp khác xác định bề dày lớp chết thực nghiệm bán thực nghiệm Ví dụ nhóm tác giả A Elanique et al (2012) dùng mô thực nghiệm để xác định đặc trưng đầu dò HPGe, Pavel Dryak et al (2006) Jonas Boson et al (2008) sử dụng phương pháp truyền qua dùng nguồn gamma chuẩn trực để chụp ảnh bề dày lớp chết tinh thể detector loại Bên cạnh có nhiều tác giả kết hợp sử dụng phương pháp Monte Carlo với thực nghiệm để xác định bề dày lớp chết thông qua so sánh hiệu suất đỉnh thực nghiệm với hiệu suất tính tốn từ mơ thay đổi bề dày lớp chết [Huy (2007, 2010); J Rodenas et al (2003)] Huy et al (2010) xác định bề dày lớp chết theo thời gian sử dụng hệ phổ kế Trong cơng trình tác giả ý khảo sát toán nhiều nguồn đồng vị phát gamma với lượng từ thấp đến cao Việc xác định tính tốn giá trị lớp chết có vai trị quan trọng việc áp dụng mô Monte Carlo vào việc xác định đặc trưng phổ hiệu suất detector HPGe Ở nước ta năm gần việc nghiên cứu lĩnh vực phóng xạ mơi trường quan tâm trọng Đặc biệt giai đoạn chuẩn bị cho việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân, hầu hết trung tâm, phịng thí nghiệm phân tích mơi trường trang bị hệ phổ kế HPGe Tuy nhiên sau thời gian sử dụng phải kiểm tra lại thơng số hoạt động đầu dị Những năm gần nước có số cơng trình nghiên cứu nước cơng bố Ví dụ, Huy et al (2005, 2007) khảo sát ảnh hưởng tám thông số detector đến hiệu suất ghi nhận detector bán dẫn siêu tinh khiết chương trình MCNP4C2 kết bề dày vùng khơng hoạt động coi thông số quan trọng để hiệu chỉnh để hiệu chỉnh thông số detector đề phù hợp thực nghiệm tính tốn T.T.H Loan cộng (2016) đánh giá bề dày lớp chết detector GMX35P4-70 sau thời gian sử dụng MCNP5 thấy lớp chết tăng lên 1,5mm Năm 2014, Phịng Thí Nghiệm kỹ Thuật Hạt Nhân – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM trang bị hệ phổ kế gamma HPGe với độ phân giải cao việc nghiên cứu phơng phóng xạ rơi lắng toàn cầu Để hỗ trợ cho việc xác định hiệu suất tính tốn hoạt độ hệ phổ kế, thực luận văn “Chuẩn hóa mơ hình đầu dị HPGe sử dụng phương pháp Monte Carlo thực nghiệm” nhằm:  Khảo sát, nghiên cứu bề vùng không hoạt động đầu dị sử dụng với mẫu hình học nguồn khác  Ứng dụng phương pháp Monter Carlo việc xác định ảnh hưởng yếu tố tự hấp thụ hiệu ứng thành phần mẫu hình học Nội dung trình bày luận văn gồm phần sau Chương 1: chương này thảo luận tình hình nghiên cứu ngồi nước, phương pháp xác định nghiên cứu xác định lớp chết, giới thiệu đầu dò bán dẫn HPGe tương tác gamma với vật chất Chương hai: Sẽ giới thiệu mô cấu trúc xây dựng file input chương trình MCNP sử dụng phương pháp Monte Carlo Từ dựa thơng tin từ nhà sản suất xây dựng input file cho đầu dò Germanium Chương ba: chúng tơi tiến hành bố trí thí nghiệm đề suất kỹ thuật việc xác định lớp chết detector với nguồn điểm Đánh giá ảnh hưởng bề dày lớp chết theo thời gian nguồn Đánh giá ảnh hưởng lớp chết với dạng nguồn hình học trụ, trụ rỗng, 3pi Qua đó, Ứng dụng phương pháp Monter Carlo vào xác định ảnh tự hấp thụ thành phần mẫu CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT 1.1 Tình hình nghiên cứu nước Trong nghiên cứu hệ phổ kế gamma đặc trưng đầu dò, bên cạnh phương pháp thực nghiệm, thử nghiệm mơ hình phương pháp Monte Carlo giải pháp hỗ trợ nghiên cứu hiệu Đã có nhiều chương trình đáng tin cậy sử dụng phương pháp Monte Carlo để đánh giá đặc trưng hệ phổ kế tiêu biểu phần mềm EGS4 (Nelson et al 1985, Stanford Linear Accelerator Center), GEANT (R Brun et al 1986, CERN Data Handling Division, Geneva), CYLTRAN (Halbleib Mehlhorn, 1986, Integrates Tiger Series), MCNP (J.F Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA12625-M), GESPECOR (O Sima D Arnold, 2000), DETEFF (Cornejo Diaz D Pérez Sánchez,1998; Jurado Vargas et al., 2002), PENELOPE ( PENetration and Energy LOss of Photon and Electrons , Salvat et al., 2003) Các công trình nghiên cứu giới liên quan đến việc sử dụng hệ phổ kế thường tập trung vào vấn đề hiệu suất, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng trùng phùng, hiệu ứng tự hấp thụ, thay đổi hiệu suất theo lượng, theo khoảng cách, theo hình học mẫu, theo bề dày lớp chết…, từ hiệu chuẩn hiệu suất cho cấu hình đo cần quan tâm 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới A Elanique cộng (2011): xác định đặc trưng lớp chết detector vùng nằng lượng thấp với đường cong hiệu suất nguồn Am-241 với lượng từ 10keV đến 60keV So sánh hiệu suất thực nghiệm mô MCNPX kết lớp chết với kết từ 0,4µm đến 0,75µm Nguồn đặt vị trí mặt detector 11 cm Năm 2007, Huy cộng nghiên cứu bề dày lớp chết sử dụng phương pháp Monter carlo với phần mềm MCNP4c với việc xác định bề dày lớp chết sau năm sử dụng bề dày lớp chết tăng từ 0,35 mm đến 1,16 mm với vùng lượng từ 200keV đến 1800keV Với nguồn 137 Cs, Trong năm sử dụng hiệu suất giảm 5% năm giảm 8% Năm 2010, Huy nghiên cứu hiệu suất đầu dò HPGe loại p thay đổi theo thời gian 13 năm thay đổi bề dày lớp chết tới hiệu suất phần mềm MCNP Hiệu suất detector thay đổi 18.5% vòng 13 năm Và bề dày lớp chết tăng từ 0,35 µm đế 1,46 µm Huy (2011) tác giả nghiên cứu ảnh hưởng bề dày lớp chết phổ gamma đầu dò HPGe loại P hai thời gian khác Tại thời điểm 2005 bề dày lớp chết 1.15mm tăng lên 1.46mm năm 2009 Việc xác định phổ gamma nguồn điểm Cs-137, Co-60, Na-22 việc so sánh phổ hai thời điểm khác từ lượng 50 keV- 170 keV Năm 2003, J Rodenas cộng sử dụng nguồn hình học Marinelli để xác định bề dày lớp chết với mẫu môi trường sử dụng phương pháp Monter Carlo kết hợp với thực nghiệm có đồng ý tốt giá trị thực nghiệm mô tăng bề dày lớp chết giảm thể tích vung hoạt động đầu dò T Matsumasa cộng (2003) nghiên cứu bề dày lớp chết sử dụng phương pháp Monter Carlo với phầm mềm EGS4 cho hai detector JIRO HANAKO sau thời gian sử dựng với nguồn 60Cs (1332 keV) Thì thay đổi bề dày lớp chết hiệu suất giảm từ 11% 2% với detector JIRO detector HANAKO từ 4,1% 1,5% E Andreotti cộng (2014), R Bemdt cộng (2012) tiến hành sử dụng phương pháp Scan hai mặt detector kết hợp phương pháp Monter Carlo để xác định hình học detector sử dụng tia gamma có lượng thấp Năm 2008, Janas Boson cộng sử dụng MCNP thực nghiệm tiến hành thí nghiệm đo bề dày lớp chết phương pháp cách đo góc nhìn nguồn với detector khác xác định bề dày lớp chết khác so với thông tin nhà sản suất với bề dày lớp chết sấp xỉ 1,5mm Yu B Gurov cộng (2008) sử dụng phương pháp truyền qua để xác định bề dày vùng không hoạt động detector Si(Li) HPGe với tia α gamma để xác định bề dày lớp chết với sai số 1% Năm 2015, W I Zidan sử dụng mơ hình tốn hoc mơ hình hóa lại q trình suy giảm hiệu tia gamma vào đầu dò sử dụng nguồn với lượng 235U (185,7 keV) 238U (1001,03 keV) từ xây dựng đồ hàm toán học cho suy giảm tia gamma Kết thấy với bề dày Ge 900µm lượng 185,7 keV giảm 14% 1001,03 keV giảm 9% Khi tăng bề dày lên 9,4 mm lượng 185,7 keV giảm 69% 1001,03 keV giảm 49% Năm 2015, E Chham cộng tiến hành thí nghiệm xác định bề dày lớp chết kết hợp phương pháp thực nghiệm với dạng hình học khác với mẫu mơi trường Hình trụ xác định bề dày lớp chết bên mặt detector, hình trụ rỗng xác định bề dày lớp chết bên hông 3pi xác định thể tích hoạt động đầu dị với lượng 50 keV đến 1900 keV Kết thấy vùng lượng khác bề dày lớp chết thay đổi Gelsema (2001) xây dựng phương pháp để hiệu chỉnh trùng phùng tự hấp thụ hiệu suất đo dựa xấp xỉ stochastic Từ đưa phương pháp xác định trùng phùng tự hấp thụ dựa vào đường cong thứ ba mang tên “LS Curves”, viết tắt từ Linear-to-Squared curves Năm 2004, Nachab cộng sử dụng MCNP để tính tốn hiệu suất đếm gamma ảnh hưởng mật độ mẫu thành phần mẫu Từ phân tích uranium trầm tích hệ phổ kế gamma có hiệu chỉnh tự hấp thụ Nguồn chuẩn 152 Eu 137 Cs với hoạt độ biết trước pha nước Để hiệu chỉnh tự hấp thụ, nhóm tác giả lập tỉ số hiệu suất đo mẫu hiệu suất đo nước, sau tham số hóa hệ số hiệu chỉnh hàm lượng mật độ mẫu mơ Quy trình áp dụng để đánh giá nồng độ uranium trầm tích phosphates Moroccan Kết so sánh với đánh giá từ đầu dò ghi alpha SSNTD Huy cộng (2013) đưa phương pháp hiệu chỉnh tự hấp thụ mức lượng gamma 63,3 keV 238U việc kết hợp đo thực nghiệm tính tốn Monte Carlo MCNP5 Trong đó, hệ số tự hấp thụ có xét đến ảnh hưởng thành phần hóa học, mật độ hình học Cơng trình khảo sát mẫu hình trụ xét giá trị độ cao mật độ mẫu khác loại đất Việt Nam: đất đỏ, đất xám đất phù sa Các kết thu từ phương pháp phù hợp tốt với kết tính từ phương pháp khác 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Huy cộng (2005, 2007) khảo sát ảnh hưởng tám thông số detector đến hiệu suất ghi nhận detector bán dẫn siêu tinh khiết chương trình MCNP4C2 kết bề dày vùng không hoạt động coi thông số quan trọng để hiệu chỉnh để hiệu chỉnh thông số detector đề phù hợp thực nghiệm tính tốn Năm 2013, Trần Thiện Thanh cộng sử dụng hai code mô MCNP5 PENELOPE2008 khảo sát ảnh hưởng lượng cut-off photon electron lên hàm đáp ứng đầu dò, cường độ đỉnh thoát, ảnh hưởng chúng lên hiệu suất đầu dò Những kết cho thấy phù hợp hai code, cường độ đỉnh hiệu suất tổng cộng tính PENELOPE2008 cao MCNP5 Tuy nhiên, hiệu suất tính tốn cao 8% so với kết thực nghiệm vùng lượng thấp Các tác giả sử dụng thơng số tối ưu hóa hình học đầu dị sai biệt kết thực nghiệm mô giảm xuống Năm 2016, T.H Loan cộng đánh giá bề dày lớp chết detector GMX35P4-70 sau thời gian sử dụng MCNP5 thấy lớp chết tăng lên 1,5mm Qua đánh giá việc sử dụng phần mềm Geant MCNP việc đáp ứng phổ hiệu suất ghi nhận đầu dò 1.2 Phương pháp nghiên cứu Hạn chế sử dụng đầu dò HPGe tăng bề dày lớp chết sau thời gian hoạt động dẫn đếm việc giảm hiệu suất, thể tích đầu dị Vì vậy, sử dụng thông tin từ nhà sản suất áp dụng phương pháp Monte carlo để mô đầu dị có khác biệt đáng kể giá trị thực nghiệm mơ Có nhiều nhà nghiên cứu phát triển phương pháp mô hình để tính tốn vùng khơng hoạt động Ví dụ nhóm tác giả A Elanique et al (2012) dùng mô thực nghiệm để xác định đặc trưng đầu dò HPGe, Pavel Dryak et al (2006) Jonas Boson et al (2008) sử dụng phương pháp truyền qua dùng nguồn gamma chuẩn trực để chụp ảnh bề dày lớp chết tinh thể detector loại Bên cạnh có nhiều tác giả kết hợp sử dụng phương pháp Monte Carlo với thực nghiệm để xác định bề dày lớp chết thông qua so sánh hiệu suất đỉnh thực nghiệm với hiệu suất tính tốn từ mơ thay đổi bề dày lớp chết [Huy (2007, 2010); J Rodenas et al (2003)] Huy et al (2010) xác định bề dày lớp chết theo thời gian sử dụng hệ phổ kế 1.2.1 Phương pháp truyền qua Phương pháp truyền qua (transmission method) đưa N>H Cutshall cộng (1983) dựa nguyên lý suy giảm tia gamma chuyền qua vật chất, tùy thuộc vào detector Khi tia gamma vào bên vật chất xảy trình tương tác như: quang điện, tán xạ compton, tạo cặp, nên chuyền qua lớp vật chất, cường độ chùm gamma bị suy giảm Thực nghiệm cho thấy độ suy giảm cường độ chùm gamma phụ thuộc vào bề dày vật liệu, trình bày theo cơng thức 10 ... cường độ I qua bề dày u cho phương trình I=I0e ∫ -μ(x,y)du (1) Ở I0 cường độ tia gamma ban đầu, µ(x,y) hệ sơ hấp thụ khối Phương trình (1) viết lại thành 11 d= I ln( ) ∫ μ(x,y)du I (2) Hình 1.1.1.1.1:... lượng Vì tốc độ đếm detector tỷ lệ với cường độ tia gamma vị trí đặt detector nên từ phương trình (1), ta dễ dàng suy tỷ số tốc độ đếm R(α) detector N (α) = = e - µ x R N0 (2) 1.2.2 Phương pháp... giảm cường độ chùm gamma phụ thuộc vào bề dày vật liệu, trình bày theo cơng thức 10 I = I0e-µx (1) Trong đó: I0 cường độ gamma khơng bị che chắn, x bề dày vật liệu, µ hệ số hấp thụ tuyến tính