Sử dụng phần mềm K0-IAEA trong hiệu chuẩn đường cong hiệu suất và tính toán hiệu suất thực nghiệm bằng phương pháp bình phương tối thiểu cho đầu do bán dẫn HPGe

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN NHƯ HỔ SỬ DỤNG PHẦN MỀM K0 – IAEA TRONG HIỆU CHUẨN ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT VÀ TÍNH TỐN HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG TỐI THIỂU CHO ĐẦU DO BÁN DẪN HPGe KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN NHƯ HỔ – 1310526 SỬ DỤNG PHẦN MỀM K0 – IAEA TRONG HIỆU CHUẨN ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT VÀ TÍNH TỐN HIỆU SUẤT THỰC NGHIỆM BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG TỐI THIỂU CHO ĐẦU DO BÁN DẪN HPGe KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH THỊ TÚ ANH KHÓA 2013 - 2017 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Đà Lạt, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Giảng viên hướng dẫn [Ký tên ghi rõ họ tên] NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đà Lạt, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Giảng viên phản biện [Ký tên ghi rõ họ tên] LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực khóa luận, em nhận giúp đỡ to lớn từ thầy cơ, bạn bè gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS.Trịnh Thị Tú Anh, giảng viên hướng dẫn giúp em hồn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Đà Lạt, đặc biệt quý Thầy, Cô Khoa Vật lý, Khoa Kỹ thuật hạt nhân anh Trịnh Văn Cường công tác Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt truyền đạt vốn kiến thức quý báu để em có đủ kiến thức để thực đề tài nghiên cứu ngày hôm Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận dành thời gian để đọc, phát sai sót có góp ý quý giá giúp khóa ln hồn thành tốt Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Mẹ, Anh Chị bạn bè bên cạnh động viên em suốt thời gian qua Sinh viên thực đề tài Nguyễn Như Hổ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học TS.Trịnh Thị Tú Anh ý kiến đóng góp từ anh chị công tác Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Ngồi ra, khóa luận khơng có chép đề tài, khóa luận nhờ người khác làm thay Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung trình bày khóa luận Đà Lạt, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Người cam đoan Nguyễn Như Hổ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Các ký hiệu: 𝑆𝐴 : Diện tích đỉnh trừ phông ε abs : Hiệu suất tuyệt đối ε int : Hiệu suất thực ε t : Hiệu suất tổng Tr : Thời gian tính từ lúc sản xuất đến đo T1/2 : Thời gian bán rã nguồn 𝐼ɤ : Cường độ phát gamma 𝑡𝑑 : Tổng thời gian đo A: Hoạt độ riêng nguồn phóng xạ theo (Bq) λ : Hằng số phân rã ε𝑟 : Hiệu suất ghi nguồn chuẩn không trùng phùng ε𝑠 : Hiệu suất ghi nguồn đo cần hiệu chỉnh trùng phùng  Các chữ viết tắt: P/T: Tỷ số hiệu suất đỉnh lượng toàn phần hiệu suất tổng (Peak to total) HPGe: Germanium siêu tinh khiết (Hyper pure Germanium) ADC: Bộ đếm đổi tương tự - số (Analog-to-digital converter) MCA: Máy phân tích đa kênh (Multi channel analyzer) MỞ ĐẦU .1 Chương – TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đầu dò HPGe 1.2 Hệ phổ kê gamma 1.3 Các nguồn gamma chuẩn .4 1.4 Phân loại hiệu suất ghi đầu dò 1.4.1 Hiệu suất tuyệt đối .6 1.4.2 Hiệu suất nội 1.4.3 Hiệu suất toàn phần .7 1.4.4 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần 1.4.5 Hiệu suất danh định .8 1.5 Các hàm chuẩn hiệu suất ghi 1.5.1 Hàm tuyến tính 1.5.2 Hàm đa thức 10 1.5.3 Hàm spline 11 1.6 Khớp hiệu suất phương pháp bình phương tối thiểu tuyế n tính 11 1.6.1 Trường hợp có trọng số .12 1.6.2 Trường hợp khơng có trọng số 13 1.7 Mô ̣t số hiê ̣u chin̉ h phép đo hiê ̣u suấ t 14 1.7.1 Sự phụ thuộc lượng hiệu suất đỉnh 14 1.7.2 Yếu tố hình học đo 15 1.7.3 Hiệu ứng trùng phùng tổng .16 Chương – THỰC NGHIỆM 17 2.1 Phần mền k0_IAEA .17 2.1.1 Phần mềm k0-IAEA 17 Các bước sử dụng k0-IAEA tính toán hiệu suất ghi cho detector 17 2.2 Nhập liệu cho nguồn sử dụng để chuẩn lương 19 2.2.1 Soạn thảo liệu ( Edit permanent database) 20 2.2.2 Khai báo seria databases cho mẫu Đầu tiên 26 2.2.3 Phân tích mẫu 32 2.2.4 Tính hiệu suất cho nguồn .41 Chương – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Kết xác định hiệu suất ghi đầu dò theo khoảng cách .46 3.2 Thảo luận kết đạt 60 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu tạo đầu dò Gem50P4 Hình 2: Sơ đờ khớ i ̣ phở kế gamma .3 Hình 3: phổ gamma đo nguồn 60Co sử du ̣ng đầ u dò HPGe loa ̣i p Hình 4: Minh họa góc khối nguồn – đầu dò Hình 5: Tỉ số giá trị hiệu suất, giá trị 𝓔𝟎 tương ứng với c=0.37, a1=1.12, E0=1 keV 10 Hình 6: Sự phụ thuộc lượng hiệu suất 14 Hình 7: Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma Co60 16 Hình 1: Giao diện ban đầu phần mềm k0-IAEA .17 Hình 2: Mặt cắt ngang nguồn 20 Hình 3: Mặt cắt dọc nguồn .20 Hình 4: Hộp thoại Analysts 21 Hình 5: Hộp thoại Certificates/Chemical elements .21 Hình 6: Hộp thoại Certificates/Radionuclides 22 Hình 7: Hộp thoại khai báo detector .22 Hình 8: Hộp thoại Elements 23 Hình 9: Hộp thoại Facilities 24 Hình 10: Hộp thoại Matrices 25 Hình 11: Hộp thoại Recipients 25 Hình 12: hộp thoại tao thự mục .26 Hình 13: Hộp thoại Samples 26 Hình 14: Các hộp thoại trình tạo nhóm mẫu 27 Hình 15: Hộp thoại bước khai báo mẫu 27 Hình 16: Hộp thoại Packaging 28 Hình 17: Các hộp thoại xuất trình khai báo Pakaging 29 Hình 18: Hộp thoại thông tin mẫu khai báo 30 Hình 19: Quá trình khai báo mẫu cần đo 30 Hình 20: Hộp thoại Mesurement mẫu sau khai báo .31 Hình 21: Chọn phổ phong .32 Hình 22: Nhận biết đỉnh phổ 33 4.00000 -1.4 4.50000 5.00000 5.50000 6.00000 6.50000 -1.9 7.00000 ln(En ln(eff_pract ical) -2.4 -2.9 -3.4 y = 0.0775x5 - 2.4716x4 + 31.346x3 - 197.69x2 + 619.52x - 772.61 -3.9 l -4.4 Hình 2: Đường cong hiệu hiệu suất vị trí cm hiệu trùng phùng thực Hình 3: Giá trị hiệu suất vị trí cm ngoại suy từ vị trí 15 cm phần mềm k0_IAEA Trang 49 Hình 4: Đường cong hiệu suất vị trí 0cm k0_IAEA Tại vị trí 5cm Bảng 3: Kết hiệu suất ghi tính Excel phần mềm k0_IAEA vị trí cách detector cm Đồng vị E(keV) Hoạt độ (Bq) Hiệu suất Sai số (excell) Sai số(%) Hiệu suất Độ lệch (k0_IA EA) Am-241 59.54 417 4.896E-03 1.51E-04 3.09% - - Cd-109 88.00 37000 2.388E-02 7.18E-04 3.00% 2.46E02 3.00% 122.06 37000 3.763E-02 1.13E-03 3.00% 3.81E02 1.25% 136.47 37000 3.838E-02 1.16E-03 3.02% 3.87E02 0.83% 276.40 37000 2.386E-02 7.19E-04 3.01% 2.44E02 2.26% Co-57 Ba-133 Trang 50 302.85 37000 2.225E-02 6.69E-04 3.00% 2.25E02 1.11% 356.01 37000 2.004E-02 6.01E-04 3.00% 1.98E02 1.18% 383.85 37000 1.895E-02 5.84E-04 3.08% 1.88E02 0.78% Cs-137 661.66 9250 1.209E-02 3.63E-04 3.01% - - Mn-54 834.85 37000 9.258E-03 2.79E-04 3.01% - - Co-60 1173.20 37000 7.244E-03 8.26E-04 3.01% 7.42E03 2.44% Na-22 1274.50 37000 7.156E-03 4.53E-04 3.03% 7.99E03 11.65% Co-60 1332.50 37000 6.638E-03 7.48E-04 3.01% 6.68E03 0.64% Đường cong hiệu suất ghi tai vị trí cm tính phương pháp khớp bình phương tối thiểu 4.00000 4.50000 5.00000 5.50000 6.00000 6.50000 7.00000 ln(Energy) (keV) -3.4 ln(eff_practical) -3.9 ln(eff) ln(eff_fit) -4.4 -4.9 y = 0.07798x5 -2.42304x4 +30.07249x3 -186.330x2 + 575.4689x - 710.7338 -5.4 Hình 5: đồ thị đường cong hiệu suất vị trí cách detector cm sử dụng Excel Trang 51 Hình 6: Đường cong hiệu suất đường cong đỉnh tổng cách detector cm sử dụng k0_IAEA Nhận xét: giá trị hiệu suất vị trí 5cm tính phần mềm k0_IAEA Excel phù hợp, độ lệch giá trị nhỏ Độ lệch hiệu suất tính cho nguồn 109Cd 3% nguồn 22Na 11.2%, nguyên nhân diện tích đỉnh hai chương trình k0_IAEA chương trình Gamma vision có chênh lệch hàm làm khớp khác nhau, nhiên giá trị ghi nhận nằm khoảng sai số cho phép Tại vị trí 10cm Bảng 4: Kết hiệu suất ghi tính Excel phần mềm k0_IAEA vị trí cách detectoe 10 cm Đồng vị Hoạt độ Hiệu suất (Bq) (excell) E(keV) Sai số Sai Hiệu suất số(%) (k0_IAEA) Độ lệch Am-241 59.54 417 1.919E-03 6.20E-05 3.23% - - Cd-109 88.00 37000 1.000E-02 3.13E-04 3.13% 9.99E-03 0.14% Co-57 122.06 37000 1.406E-02 4.28E-04 3.04% 1.41E-02 0.31% Trang 52 136.47 37000 1.451E-02 4.50E-04 3.10% 1.43E-02 1.43% 276.40 37000 9.466E-03 2.86E-04 3.03% 9.68E-03 2.27% 302.85 37000 8.903E-03 2.68E-04 3.01% 8.94E-03 0.42% 356.01 37000 7.940E-03 2.41E-04 3.04% 7.95E-03 0.13% 383.85 37000 7.540E-03 2.28E-04 3.03% 7.53E-03 0.13% Cs-137 661.66 9250 4.943E-03 1.56E-04 3.16% - - Mn-54 834.85 37000 4.439E-03 1.34E-04 3.01% - - Co-60 1173.20 37000 3.080E-03 9.32E-05 3.03% 3.10E-03 0.66% Na-22 1274.50 37000 3.106E-03 9.33E-05 3.00% 3.29E-03 5.91% Co-60 1332.50 37000 2.813E-03 8.61E-05 3.06% 2.84E-03 0.97% Ba-133 -4 3.50000 4.00000 4.50000 5.00000 5.50000 6.00000 6.50000 7.00000 7.50000 ln(Energy) (keV) -4.5 ln(eff_practical) ln(eff_fit) Poly (ln(eff_fit)) Poly (ln(eff_fit)) ln(eff) -5 -5.5 -6 y = 0.0921x5 - 2.8613x4 + 35.401x3 - 218.02x2 + 667.73x - 816.93 -6.5 Hình 7: đồ thị đường cong hiệu suất vị trí cách detector 10 cm sử dụng Excel Trang 53 Hình 8: Đường cong hiệu suất đường cong đỉnh tổng cách detector 10 cm sử dụng k0_IAEA Nhận xét: giá trị hiệu suất vị trí 10cm tính phần mềm k0_IAEA Excel phù hợp, độ lệch giá trị nhỏ Tại vị trí 15cm Bảng 5: : Kết hiệu suất ghi tính Excel phần mềm k0_IAEA vị trí cách detector 15 cm Hoạt độ Đồng vị Hiệu suất E(keV) Sai số (Bq) (excell) Hiệu suất Sai số(%) (k0_IAEA) Độ lệch Am-241 59.54 417 1.001E-03 3.20E-05 3.20% - - Cd-109 88.00 37000 4.707E-03 1.42E-04 3.01% 4.85E-03 3.05% 122.06 37000 6.856E-03 2.17E-04 3.16% 6.82E-03 0.52% 136.47 37000 7.115E-03 2.23E-04 3.13% 7.13E-03 0.21% 276.40 37000 4.615E-03 1.39E-04 3.01% 4.69E-03 1.63% Co-57 Ba-133 Trang 54 302.85 37000 4.344E-03 1.30E-04 3.00% 4.33E-03 0.32% 356.01 37000 3.879E-03 1.17E-04 3.01% 3.89E-03 0.29% 383.85 37000 3.668E-03 1.10E-04 3.01% 3.69E-03 0.60% Cs-137 661.66 9250 2.514E-03 7.58E-05 3.01% - - Mn-54 834.85 37000 2.303E-03 6.94E-05 3.01% - - Co-60 1173.20 37000 1.580E-03 4.75E-05 3.01% 1.59E-03 0.60% Na-22 1274.50 37000 1.648E-03 4.95E-05 3.00% 1.67E-03 1.32% Co-60 1332.50 37000 1.446E-03 4.35E-05 3.01% 1.41E-03 2.49% -4 3.50000 4.00000 4.50000 5.00000 5.50000 6.00000 6.50000 7.00000 7.50000 -4.5 -5 ln(eff_practical) ln(eff_fit) Poly (ln(eff_fit)) Poly (ln(eff_fit)) ln(eff) -5.5 -6 -6.5 -7 -7.5 ln(Energy) (keV) Hình 9: đồ thị đường cong hiệu suất vị trí cách detector 15 cm sử dụng Excel Trang 55 Hình 10: Đường cong hiệu suất đường cong đỉnh tổng cách detector 15 cm sử dụng k0_IAEA Nhận xét: giá trị hiệu suất vị trí 15cm tính phần mềm k0_IAEA Excel phù hợp, độ lệch giá trị nhỏ Độ lệch hiệu suất tính cho nguồn 109Cd khoảng 3% nguyên nhân diện tích đỉnh hai chương trình k0_IAEA chương trình Gamma vision có chênh lệch hàm làm khớp khác nhau, nhiên giá trị ghi nhận nằm khoảng sai số cho phép Sử dụng phần mềm k0_IAEA tính hiệu suất khoảng cách 15cm cho nguồn chuẩn gồm 152Eu, 133Ba, 57Co, 60Co, 22Na giá trị hiệu suất tính Excel cho nguồn đơn gồm 137Cs, 231Am, 109Cd, 54Mn ta soạn thảo sẵn file hiệu suất ghi nhập vào vị trí 15cm cho phần mềm k0 như hình dưới: Trang 56 Hình 11: Giá trị tính cho nguồn chuẩn k0_IAEA Trang 57 *Ngoại suy đường cong hiệu suất với k0_IAEA Thay tiến hành đo hiệu suất vị trí khác để xây dựng đường cong hiệu suất vị trí đó, chương trình k0_IAEA cho phép ngoại suy đường cong hiệu suất ghi cho vị trí khác từ đường cong hiệu suất vị trí xây dựng sẵn hình ảnh biểu thị đường cong hiệu suất vị trí cách detector cm, cm 10 cm ngoại suy từ vị trí cách detector 15 cm đo nguồn 152Eu nguồn chuẩn Hình 12: Đường cong hiệu suất vị trí cm ngoại suy từ đường cong hiệu suất vị trí 15 cm Trang 58 Hình 13: Đường cong hiệu suất vị trí cm ngoại suy từ đường cong hiệu suất vị trí 15 cm Hình 14: Đường cong hiệu suất vị trí 10 cm ngoại suy từ đường cong hiệu suất vị trí 15 cm Trang 59 3.2 Thảo luận kết đạt Đường cong hiệu suất vị trí cm gần detector bị lệch nhiều ảnh hưởng hiệu ứng trùng phùng nguồn phát nhiều lượng thời gian chết hoạt độ nguồn cao đặt sát detector vị trí 0cm, để tính xác hiệu suất ghi phải phối hợp nhiều phương pháp khác Tại vị trí 5cm, 10cm, 15cm, ta thấy giá trị hiệu suất tính excel k0-IAEA độ lệch nhỏ phù hợp hai phương pháp, kết nằm sai số cho phép Với nguồn 241 Am, 137 Cs, 54 Mn nguồn đơn dùng tính tốn tỉ số đỉnh tổng, phần mềm khơng tính hiệu suất đỉnh nguồn đơn Hiệu suất ghi detector tăng dần khoảng từ đến 136 keV, sau giảm dần theo lượng Đối vùng lượng gamma thấp có giá trị nhỏ 136 keV, trước vào vùng hoạt đầu dò (detector), xạ phải trải qua q trình tương tác mơi trường bên vật liệu bên detector lớp vỏ nhôm bề dày lớp chết… nên chúng dể dàng bị hấp thụ vật liệu bên detector Vì hiệu suất ghi detector dải lượng thấp tăng dần lượng xạ gamma tăng Đối với vùng lượng gamma cao 136 keV, xác suất chúng thoát khỏi vùng hoạt detector cao, nghĩa xác suất ghi nhận lượng tia gamma vùng hoạt detector thấp làm cho hiệu suất ghi giảm lượng tăng lên Khi nguồn đặt xa detector góc khối detector nguồn giảm, tia gamma từ nguồn đến vùng hoạt detector giảm hiệu suất giảm theo khoảng cách đặt nguồn Trang 60 KẾT LUẬN Khóa luận giải mục tiêu đặt ban đầu với kết sau: Đã nghiên cứu cài đặt, sử dụng ứng dụng thành công chương trình k0_IAEA để xây dựng đường cong hiệu suất ghi đầu dò HPGe bốn vị trí khác 0cm, 5cm, 10cm, 15cm Xây dựng đường cong hiệu suất ghi từ vị trí khác cách ngoại suy sử dụng phần mềm k0_IAEA, nhằm tiết kiệm thời gian cơng sức Có thể sử dụng k0-IAEA đồng thời phương pháp tính tốn bình thường, để kiểm tra chéo kết tính tốn hiệu suất Việc sử dụng phần mềm k0_IAEA chuẩn đường cong hiệu suất cho kết xác Trang 61 Tài liệu tham khảo [1] Trần Tuấn Anh, Xác định hiệu suất ghi hệ đo xạ, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, 2016 [2] Cao Đông Vũ, Nghiên cứu, áp dụng chương trình k0-IAEAtrên lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp sở, Viện lượng nguyên tử Việt Nam, 2009 [3] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2006 [4] Trần Ái Khanh, Khảo sát hiệu suất detector HPGe với hình học mẫu lớn phương pháp Monte Carlo, Luận văn thạc sĩ, TP Hồ Chí Minh (2008) [5] Mai Xuân Trung, Xử lý số liệu thực nghiệm, ĐH Đà Lạt, 2008 [6] Trần Thị Thuý Liên, Khảo sát thông số hệ phổ kế gamma với đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết (HPGe) GC2018, LVTN, 2006 [7] Đặng Nguyên Phương, Khảo sát đường cong hiệu suất đầu dò HPGe chương trình MCNP, LVTN, 2006 [8] Anas M Ababneh, Coincidence summing correction in HPGe gamma-ray spectrometry for Marinelli-beakers geometry using peak to tatal (P/T) calibration, Journal of Radiation Research and Applied Sciences 8, 2005 [9] Germanium detector: User’s Manual, Canberra Industries, USA, 1995 Trang 62 Trang 63