NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của vật LIỆU mẫu tới HIỆU SUẤT ĐỈNH của đầu dò HPGE GC3520 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.5 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU MẪU TỚI HIỆU SUẤT ĐỈNH CỦA ĐẦU DÒ HPGE GC3520 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Vũ Ngọc Ba, Trương Hữu Ngân Thy, Huỳnh Thị Yến Hồng, Trương Thị Hồng Loan Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Email: vnba@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Trong công trình này, ảnh hưởng mật độ, thành phần mẫu lên hiệu suất đỉnh đầu dò HPGe GC3520 nghiên cứu phương pháp mô Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 phòng thí nghiệm Los Alamos, Mỹ Trong nghiên cứu mẫu môi trường có dạng trụ đồng nhất, cao cm khảo sát Hiệu suất đỉnh đầu dò tính toán cho mẫu đo có mật độ giống 1,52 g/cm3 thành phần mẫu khác mẫu có thành phần giống nhau, mật độ thay đổi 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; g/cm3 Bên cạnh hiệu suất mẫu đo mật độ cố định 1,52 g/cm3 độ cao thay đổi từ đến cm đánh giá Từ liệu có tìm quy luật phụ thuộc đường cong hiệu suất theo mật độ, thành phần mẫu xây dựng liệu cho việc thiết kế hình học mẫu tối ưu cho hệ phổ kế dùng Từ khóa: Đầu dò HPGe GC3520, hiệu suất đỉnh, MCNP, hình học mẫu tối ưu GIỚI THIỆU Trong trình đo đạc phóng xạ, bên cạnh việc lựa chọn thiết bị đo phương pháp xử lý phổ, vấn đề khác đóng vai trò định phải lựa chọn cấu hình đo cho ghi nhận số đếm đỉnh cách tốt Do hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường tương đối thấp nên để tăng số đếm gamma ghi nhận đỉnh thường phải đo mẫu thời gian tương đối dài Thêm vào phải sử dụng lượng mẫu đủ lớn để tăng lượng tia gamma đến bề mặt detector Việc sử dụng lượng mẫu với cấu để vừa không bị lãng phí mẫu vừa ghi nhận nhiều tia gamma toán tốn nhiều giấy mực nhà nghiên cứu Vào năm 1996, Seppo Klemola [1] sử dụng chương trình máy tính để khảo sát dạng hình học trụ cố định với bán kính nhỏ hơn, lớn bán kính detector với thể tích từ 3ml đến 500ml hai loại detector HPGe 99,8% 39,5% Trong công trình này, tác giả có so sánh cấu hình tối ưu dạng trụ cấu hình dạng Marinelli 500ml nhằm ước lượng cấu hình tối ưu Tiếp đó, vào năm 1999, M.Barrera cộng [2] khảo sát cấu hình tối ưu dạng trụ theo bán kính chiều cao mẫu mô Monte Carlo, đồng thời xét đến phụ thuộc cấu hình vào mật độ mẫu đo khoảng từ 100keV đến 2000keV Năm 2007, Z.B Alfassi F Groppi [3] xây dựng công thức bán giải tích từ tìm chiều cao tối ưu mẫu hình trụ thể tích cho trước Dù cho có không công trình nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa hình học mẫu trụ, phần lớn tập trung vào vấn đề bán kính chiều cao mẫu, chưa xét đến ảnh hưởng mật độ, thành phần mẫu để đưa đánh giá giúp cho nhà thực nghiệm lựa chọn cấu hình tối ưu tốt thuận tiện Do vậy, công trình này, sử dụng chương trình mô MCNP5 phòng thí nghiệm Los Alamos, Mỹ, mô đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết loại GC3520 phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, dùng khảo sát mẫu môi trường dạng trụ, đồng cao cm Hiệu suất đỉnh đầu dò tính toán cho mẫu đo có mật độ giống 1,52 g/cm3 thành phần mẫu khác mẫu có thành phần giống nhau, mật độ thay đổi 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; g/cm3 Bên cạnh hiệu suất mẫu đo mật độ cố định 1,52 g/cm3 độ cao thay đổi từ đến cm đánh giá Từ liệu có tìm quy luật phụ thuộc đường cong hiệu suất theo mật độ, thành phần mẫu xây dựng hình học mẫu tối ưu cho hệ phổ kế ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP Đối tượng nghiên cứu công trình hệ phổ kế gamma HPGe thuộc phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên –ĐHQG-HCM đặc trưng hiệu suất đáp ứng phổ mẫu đo hình học dạng trụ với bề dày mật độ mẫu khác Nó bao gồm phần sau: đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết HPGe loại đồng trục (coaxial), có kí hiệu GC3520 [4] gắn liền với tiền khuếch đại, thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch đại, biến đổi tương tự thành số khối phân tích đa kênh (ADC – MCA), đầu dò làm lạnh nitơ lỏng, buồng chì che chắn phông thấp 747 Phần đầu dò GC3520 tinh thể Ge siêu tinh khiết đường kính 62,2 mm, cao 50,1 mm Bên tinh thể có hốc trụ đường kính 7,5 mm, sâu 23 mm Bên lớp tiếp xúc loại n (lithium) khuếch ISBN: 978-604-82-1375-6 149 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM tán dày 0,46 mm nuôi với điện cực dương Mặt hốc lớp tiếp xúc loại p (boron) có bề dày 3,10-3 mm nối điện cực âm Hệ phổ kế ghép nối với máy tính thông qua cổng cáp, việc ghi nhận xử lý phổ kế gamma thực phần mềm chuyên dụng Genie 2000 3.2.1 Hệ phổ kế gamma phông thấp ghi nhận tia gamma có lượng từ khoảng 40 keV – 10 MeV Trong công trình này, sử dụng chương trình mô MCNP5 phòng thí nghiệm Los Alamos, Mỹ để mô đầu dò Tập tin đầu vào mô tả dựa thông tin cấu trúc hình học vật liệu tham khảo từ nhà sản xuất mô tả Từ mô hình xây dựng sử dụng công cụ đồ họa MCNP để vẽ lại cấu hình hệ vừa mô tả Hình hình minh họa cấu hình đầu dò khảo sát hệ che chắn buồng chì vẽ MCNP5 Việc kiểm tra độ tin cậy chương trình mô thực cách so sánh hiệu suất có từ mô với hiệu suất thực nghiệm tính toán từ phổ lượng đo đạc nguồn chuẩn điểm hệ phổ kế Hiệu suất thực nghiệm cần xác định hiệu suất đỉnh định nghĩa: E  S Abt đó, S số đếm diện tích đỉnh toàn phần hiệu chỉnh thời gian chết, A hoạt độ nguồn phóng xạ thời điểm đo; b xác suất phát gamma; t thời gian đo Kết tính toán hiệu suất thực nghiệm mô tâm trục khoảng cách 25 cm so với mặt đầu dò nguồn chuẩn điểm Eckert & Ziegler Co-57, Co-60, Na-22, Cs-137, Mn-54, Cd-109, Zn-65, Ba-133, Am-241 trình bày bảng Bảng So sánh hiệu suất thực nghiệm mô khoảng cách 25cm so với mặt đầu dò Năng lượng (keV) Hiệu suất thực nghiệm (εtn) Hiệu suất mô (εmp) Tỉ số (εmp/ εtn) 122,0614 2,43E-03 2,38E-03 0,98 136,4743 2,40E-03 2,35E-03 0,98 1173,228 5,12E-04 5,17E-04 1,01 1332,5 4,59E-04 4,71E-04 1,03 Na-22 1274,537 4,71E-04 4,88E-04 1,04 Cs-137 661,657 7,84E-04 8,02E-04 1,02 Mn-54 834,838 6,55E-04 6,71E-04 1,02 Cd-109 88,04 2,33E-03 2,26E-03 0,97 Zn-65 1115,546 5,26E-04 5,39E-04 1,03 276,4 1,59E-03 1,63E-03 1,03 302,85 1,49E-03 1,52E-03 1,02 356,02 1,30E-03 1,33E-03 1,03 383,85 1,20E-03 1,25E-03 1,04 59,54 1,53E-03 1,62E-03 1,05 Tên nguồn Co-57 Co-60 Ba-133 Am-241 Từ kết bảng 1, ta thấy số liệu hiệu suất thu chương trình MCNP phù hợp với số liệu thu từ thực nghiệm (tỉ số 0,9) Đây kết tốt, kết đạt nhờ tính toán mô xác chương trình MCNP mô tả hình học hệ đo cách chi tiết tỉ mỉ người sử dụng Kết cho thấy chương trình mô mà xây dựng dựa mã nguồn MCNP5 đủ tin cậy cho phép tiếp tục khảo sát ảnh hưởng mật độ, thành phần hình học mẫu trụ lên hiệu suất đầu dò ISBN: 978-604-82-1375-6 150 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Mô hình mô hệ đầu dò buồng chì vẽ chương trình MCNP5 Hình Mô hình mô cấu trúc đầu dò HPGe GC3520 chương trình MCNP5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đầu tiên, sử dụng mô hình hệ phổ kế mô đánh giá ảnh hưởng thành phần mẫu lên hiệu suất đỉnh việc khảo sát hiệu suất ghi nhận đầu dò mẫu đạng trụ có bán kính 3,575 cm, mật độ mẫu 1,52 g/cm3 độ cao mẫu cm với thành phần mẫu khác Hình trình bày kết so sánh dạng phổ hiệu suất toàn phần theo thành phần vật liệu mẫu đất khác [6] Bảng trình bày kết so sánh giá trị hiệu suất mô thay đổi theo thành phần vật liệu mẫu tương ứng đánh giá tỉ lệ hiệu suất mô mẫu đất khác so với đất loại Dirt1 Từ bảng hình 3, ta thấy với bán kính, mật độ, độ cao mà thành phần mẫu đất khác hiệu suất khác nhau, đặc biệt vùng lượng thấp 100 keV có khác tương đối lớn hiệu suất Đối với lượng 100 keV hiệu suất với thành phần đất khác khác không đáng kể Nguyên nhân khác hiệu suất với loại đất khác thành phần, phần trăm nguyên tố mẫu đất khác dẫn đến điện tích hiệu dụng (Z) mẫu đất khác Như biết, hiệu ứng quang điện xảy nhiều vùng lượng thấp tỉ lệ thuận với Z4,5 [5] dẫn đến hiệu suất ghi nhận có thay đổi lớn vùng lượng thành phần vật liệu mẫu thay đổi Bảng So sánh hiệu suất theo thành phần vật liệu mẫu khác với mẫu hình học dạng trụ Năng lượng (keV) 40 Dirt1(1) Dirt2(2) Dirt4(3) Us(4) Wester(5) (2)/(1) (3)/(1) (4)/(1) (5)/(1) 7,94E-04 8,58E-04 5,93E-04 7,10E-04 9,87E-04 -7,95 25,42 10,66 -24,20 60 4,29E-03 4,46E-03 3,64E-03 4,06E-03 4,74E-03 -3,92 15,22 5,40 -10,44 80 6,25E-03 6,37E-03 5,84E-03 6,13E-03 6,51E-03 -1,81 6,58 1,94 -4,16 100 7,32E-03 7,40E-03 7,10E-03 7,27E-03 7,47E-03 -1,01 3,05 0,70 -1,99 120 7,44E-03 7,49E-03 7,33E-03 7,43E-03 7,52E-03 -0,67 1,44 0,14 -1,06 140 7,22E-03 7,26E-03 7,18E-03 7,23E-03 7,26E-03 -0,50 0,60 -0,15 -0,58 300 4,49E-03 4,50E-03 4,51E-03 4,51E-03 4,49E-03 -0,21 -0,45 -0,43 0,05 600 2,59E-03 2,59E-03 2,60E-03 2,60E-03 2,59E-03 -0,15 -0,44 -0,36 0,08 800 2,03E-03 2,04E-03 2,04E-03 2,04E-03 2,03E-03 -0,13 -0,39 -0,32 0,08 1500 1,31E-03 1,31E-03 1,31E-03 1,31E-03 1,31E-03 -0,10 -0,29 -0,24 0,06 Độ sai biệt % Hiệu suất ISBN: 978-604-82-1375-6 151 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình So sánh phổ hiệu suất theo thành phần vật liệu mẫu Kế tiếp khảo sát ảnh hưởng mật độ mẫu lên hiệu suất mẫu dạng trụ có bán kính 3,575 cm, độ cao mẫu cm, với mật độ khác từ 1,2 g/cm3 đến g/cm3 Bảng trình bày kết so sánh giá trị hiệu suất/ khối lượng mật độ khác Bảng So sánh giá trị hiệu suất/ khối lượng với mật độ khác Năng lượng (keV) 40 1,2 1,4 1,6 1,8 5,96E-06 4,71E-06 3,82E-06 3,17E-06 2,68E-06 60 80 100 120 140 300 3,08E-05 4,38E-05 5,19E-05 5,24E-05 5,09E-05 3,12E-05 2,51E-05 3,60E-05 4,28E-05 4,34E-05 4,21E-05 2,60E-05 2,10E-05 3,03E-05 3,61E-05 3,66E-05 3,55E-05 2,21E-05 1,79E-05 2,59E-05 3,10E-05 3,14E-05 3,05E-05 1,91E-05 1,54E-05 2,24E-05 2,69E-05 2,74E-05 2,66E-05 1,67E-05 600 800 1500 1,78E-05 1,39E-05 8,94E-06 1,49E-05 1,17E-05 7,55E-06 1,28E-05 1,00E-05 6,50E-06 1,11E-05 8,74E-06 5,70E-06 9,78E-06 7,71E-06 5,05E-06 Mật độ mẫu (g/cm3) Hình So sánh đường cong hiệu suất/khối lượng theo mật độ mẫu (g/cm3) với lượng từ 40-120keV ISBN: 978-604-82-1375-6 Hình So sánh đường cong hiệu suất / khối lượng theo mật độ mẫu (g/cm3) với lượng từ 140-1500keV 152 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Từ bảng 3, hình cho thấy hình học mẫu dạng trụ có độ cao, bán kính thành phần vật liệu mẫu nhau, mật độ mẫu khác hiệu suất tính đơn vị khối lượng ghi nhận khác Hiệu suất/khối lượng mẫu đạt cực đại mật độ mẫu 1,6 g/cm3 Điều giải thích đơn vị khối lượng, mật độ tăng lượng chất phóng xạ tăng nên khả ghi nhận số đếm phóng xạ tăng lên Tuy nhiên mật độ tăng lên giá trị giới hạn tùy theo lượng mình, xạ gamma có khả xuyên sâu khác nhau, đến lúc lượng gamma truyền qua dần tự hấp thu khối vật chất dày đặc dẫn tới hiệu suất giảm Ngoài từ kết cho thấy vùng lượng thấp 40 keV hay lượng cao 1500 keV, cực đại hiệu suất/khối lượng không thất rõ thay đổi mật độ Điều giải thích tia gamma lượng thấp có lớp phóng xạ đáy mẫu (gần mặt đầu dò) ghi nhận hiệu ứng tăng chất phóng xạ mật độ tăng không rõ nét Ở vùng gamma lượng cao khả xuyên sâu qua bề dày vật chất hữu hạn lớn ảnh hưởng hiệu ứng mật độ không đáng kể Tiếp đến, khảo sát thay đổi hiệu suất theo độ cao mẫu với hình học mẫu trụ có bán kính 3,575cm mật độ mẫu 1,52g/cm3 với thành phần mẫu Dirt1 Bảng trình bày so sánh kết tính toán mô giá trị hiệu suất mẫu dạng trụ nói có độ cao khác từ 2cm đến 4cm Hình biểu diễn đồ thị đường cong hiệu suất theo lượng với độ cao mẫu (cm) khác bảng Bảng So sánh giá trị hiệu suất mẫu có độ cao khác Năng lượng (keV) 40 60 80 100 120 140 300 600 800 1500 Độ cao mẫu 2cm 1,00E-03 5,18E-03 7,50E-03 8,75E-03 8,87E-03 8,60E-03 5,30E-03 3,03E-03 2,37E-03 1,51E-03 2,5cm 8,63E-04 4,59E-03 6,68E-03 7,81E-03 7,93E-03 7,69E-03 4,77E-03 2,74E-03 2,15E-03 1,38E-03 3,0cm 7,54E-04 4,11E-03 5,99E-03 7,03E-03 7,14E-03 6,93E-03 4,32E-03 2,50E-03 1,96E-03 1,26E-03 3,5cm 6,67E-04 3,70E-03 5,42E-03 6,37E-03 6,48E-03 6,30E-03 3,94E-03 2,29E-03 1,80E-03 1,16E-03 1.00E-02 9.00E-03 8.00E-03 7.00E-03 6.00E-03 5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03 1.00E-03 0.00E+00 4,0cm 5,97E-04 3,36E-03 4,93E-03 5,81E-03 5,92E-03 5,75E-03 3,62E-03 2,11E-03 1,67E-03 1,08E-03 Hiệu suất 2.5 3.5 500 1000 1500 E (keV) Hình So sánh đường cong hiệu suất theo lượng với độ cao mẫu (cm) khác Dựa vào đồ thị hình ta thấy với bán kính mật độ mẫu nhau, độ cao mẫu khác hiệu suất khác Với mẫu có độ cao thấp hiệu suất cao Nguyên nhân ảnh hưởng tự hấp thụ mẫu Với mẫu có độ cao lớn tự hấp thụ xảy mẫu lớn đặc biệt với tia gamma vùng lượng thấp 100 keV Đối với tia gamma lượng cao khác biệt không đáng kể khả xuyên sâu mạnh qua khỏi lớp vật chất mẫu ghi nhận đầu dò Ngoài thay đổi hiệu suất theo lượng mẫu dạng trụ giống nguồn điểm, điểm cross-over dao động quanh giá trị 120 keV thường thấy đường cong hiệu suất theo lượng nguồn điểm ISBN: 978-604-82-1375-6 153 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT LUẬN Trong công trình này, sử dụng chương trình MCNP5 để khảo sát ảnh hưởng mật độ, thành phần mẫu lên giá trị hiệu suất hệ phổ kế gamma phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Đầu tiên, xác định độ tin cậy chương trình mô cách so sánh hiệu suất ghi thực nghiệm mô với nguồn chuẩn điểm Eckert & Ziegler Co-57, Co-60, Na22, Cs-137, Mn-54, Cd-109, Zn-65, Ba-133, Am-241 Kết so sánh cho thấy tỷ số giá trị hiệu suất mô thực nghiệm mức lượng khác cao 0,9, chương trình mô mà xây dựng dựa mã nguồn MCNP5 đủ tin cậy để nghiên cứu phương pháp mô vấn đề liên quan đến hệ phổ kế Từ đó, tiếp tục khảo sát hiệu suất đỉnh đầu dò cho mẫu dạng trụ, chiều cao cm có mật độ giống 1,52 g/cm3 thành phần mẫu khác mẫu có thành phần giống nhau, mật độ thay đổi 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; g/cm3 Bên cạnh đó, hiệu suất ghi nhận mẫu đo mật độ cố định 1,52 g/cm3 độ cao thay đổi từ đến cm tiến hành khảo sát Từ liệu khảo sát cho thấy ảnh hưởng thành phần mẫu đến giá trị hiệu suất lớn vùng lượng gamma thấp phụ thuộc tiết diện tương tác quang điện theo giá trị lũy thừa bậc  Z Kết khảo sát ảnh hưởng mật độ lên hiệu suất cho thấy hiệu suất riêng đơn vị khối lượng đạt giá trị cực đại mật độ có giá trị 1,6 g/cm3 miền lượng tia gamma 40 keV Ngoài kết đánh giá ảnh hưởng chiều cao mẫu tự hấp thụ xảy mẫu cho thấy gamma lượng thấp hiệu ứng chiều cao bị ảnh hưởng đáng kể Các kết kiện tốt cho người làm thực nghiệm phân tích hoạt độ hệ phổ kế gamma phông thấp cần ý đến hiệu chỉnh cần thiết sử dụng tia gamma lượng thấp 100 keV đánh giá hoạt độ phông thấp mẫu môi trường Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn đến Đại học Quốc gia Thành phố Hố Chí Minh tài trợ kinh phí cho dự án phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân nơi làm việc thực thí nghiệm hệ phổ kế HPGe công trình STUDY OF THE INFLUENCE OF SAMPLE MATERIAL ON PEAK EFFICIENCY OF HPGE DETECTOR GC3520 BY SIMULATION USING MCNP CODE Vu Ngoc Ba, Truong Huu Ngan Thy, Huynh Thi Yen Hong, Truong Thi Hong Loan Nuclear Technique Laboratory, University of Science, VNU – HCM Email: vnba@hcmus.edu.vn ABSTRACT In this work, the influence of density, composition of sample on peak efficiency of HPGe detector GC3520 were studied by using MCNP5 code of the Los Alamos Laboratory The environmental samples were homogeneously filled in cylindrical beaker for the sample height of cm The peak efficiencies of detector were evaluated under samples of the same density of 1.52 g/cm3 with different sample compositions and the same sample composition with the different densities of 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 and g/cm3 Besides, the samples with the same density of 1.52 g/cm and the different heights from to cm were also surveyed From the obtained data, the dependence of the peak efficiency curves according to the sample densities, compositions were evaluated With these results, the geometry optimization for analysis using the spectrometer will be surveyed Key works: HPGe detector GC3520, peak efficiency, MCNP, geometry optimization TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Seppo Klemola, Optimization of sample geometries in low-level gamma spectroscopy, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 369 (1996) 578-581 [2] M Barrera, I Ramos-Lerate, R.A Ligero, M Casas-Ruiz, Optimization of sample height in cylindrical geometry for gamma spectrometry measurements, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 421 (1999) 163-175 [3] Z.B Alfassia, F Groppib, An empirical formula for the efficiency detection of Ge detectors for cylindrical radioactive sources, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 574 (2007) 280-284 [4] Detector specification and performance data, Canberra, (2012) [5] K Debertin and R.G Helmer, Gamma and X ray spectrometry with semiconductor detectors, North Holland, (1988), 31-32 [6] Canberra Industries, Inc., Genie 2000 version 3.3- Customization Tools Manual, Canberra Industries, Inc., USA, (2009) 586-589 ISBN: 978-604-82-1375-6 154