Đánh giá hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần sử dụng chương trình DETEFF

Ngày nay hệ phổ kế gamma được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong việc xác định hoạt độ của các nguyên tố quan tâm trong các mẫu môi trường. Khi sử dụng hệ phổ kế gamma thì hai yếu tố cần được quan tâm là hiệu suất của đầu dò và độ nhạy của hệ phổ kế. Về độ nhạy của hệ phổ kế đã được tối ưu bởi các đặc trưng của buồng chì và các yếu tố khác trong quá trình thiết kế.

Năm học 2009– 2010 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TỒN PHẦN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH DETEFF Trương Nhật Huy (Sinh viên năm 4, Khoa Vật lý) GVHD: ThS Trần Thiện Thanh Lí chọn đề tài Ngày hệ phổ kế gamma sử dụng rộng rãi phổ biến việc xác định hoạt độ nguyên tố quan tâm mẫu môi trường Khi sử dụng hệ phổ kế gamma hai yếu tố cần quan tâm hiệu suất đầu dò độ nhạy hệ phổ kế Về độ nhạy hệ phổ kế tối ưu đặc trưng buồng chì yếu tố khác q trình thiết kế Vấn đề cịn lại việc xác định hiệu suất đầu dò thời điểm đo mẫu, trình sử dụng bề dày lớp chết dày lên so với bề dày mà nhà sản xuất cung cấp lúc ban đầu làm giảm hiệu suất đầu dò Xác định lại hiệu suất thời điểm đo việc cần thiết Theo cơng thức tính hoạt độ nguyên tố cần đo sau: P  E   Np  E  AI  E  t (1) với  P  E  hiệu suất đỉnh lượng toàn phần tương ứng với lượng E, N p  E  diện tích đỉnh lượng toàn phần, A hoạt độ nguyên tố cần tìm, I   E  xác suất phát gamma, t thời gian đo (s) Phổ thu nhận xử lý chương trình Meastro-32 hãng ORTEC kèm theo hệ phổ kế gamma Trong phương pháp thực nghiệm để xác định đường cong hiệu suất theo lượng, người ta thường dùng nguồn chuẩn biết trước hoạt độ So sánh đường cong hiệu suất thực nghiệm với đường cong hiệu suất mô phỏng, độ sai lệch hai đường cong giới hạn cho phép thay đổi lớp chết không làm ảnh hưởng đến hiệu suất Còn lớp chết tăng lên làm ảnh hưởng đến hiệu suất cần tối ưu lớp chết xác định bề dày lớp chết thời điểm đo Để xác định đường cong hiệu suất có nhiều phương pháp dùng thực nghiệm, bán thực nghiệm hay mơ Trong chương trình DETEFF viết dựa phương pháp mô áp dụng phương pháp Monte Carlo để tính tốn hiệu suất so sánh với thực nghiệm Đối tượng phương pháp nghiên cứu 103 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 2.1 Mô tả đầu dò Đầu dò sử dụng loại đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGeGEM15P4 Phịng thí nghiệm hạt nhân thuộc Bộ mơn Vật lý hạt nhân - Khoa Vật Lý - Trường Đại học Sư phạm TPHCM có dạng hình Đầu dị có dạng đồng trục với đường kính 51,2mm, chiều cao 45mm, đường kính lõi 11mm, chiều cao lõi 33,5mm Tỉ số đỉnh/ Compton: 54:1 Độ rộng nửa chiều cao cực đại (FWHM) lượng 1332,5keV 60Co: 1,71keV Hiệu suất tương đối 60Co lượng 1332,5keV: 18,3% Các thông số kỹ thuật chi tiết đầu dò nhà sản xuất cung cấp (bảng 1) Bảng 1: Thơng số kỹ thuật đầu dị HPGe – GEM15P4 Thơng số kỹ thuật đầu dị cung cấp nhà sản xuất Mơ tả Kích thước (mm) Vật chất Chiều dài vỏ 94 Nhôm Khoảng cách từ cửa sổ đến tinh thể Đế vỏ 3,2 Nhôm Bề dày của sổ 1,3 Nhôm Chất cách điện/lớp bảo vệ 0,03/0,03 Mylar Lớp tiếp xúc bên 0,7 Li Lớp tiếp xúc lõi 0,0003 Bo Lớp bảo vệ bên 0,76 Nhơm Lớp vỏ đầu dị 1,3 Nhơm Bán kính góc bo Hình 1: Đầu dị HPGe – GEM15P4 mơ chương trình DETEFF 104 Năm học 2009– 2010 2.2 Buồng chì nguồn chuẩn Buồng chì nhằm giảm phơng mơi trường ảnh hưởng lên đỉnh phổ mà ta khảo sát Buồng chì gồm nhiều chì ghép lại với thành hình trụ trịn có đường kính ngồi 602mm, chiều dài 519,3mm lót lớp đồng dày 1,5mm nhằm hấp thụ tia X gamma tương tác với lớp chì gây nhiễu phổ đo Trong nghiên cứu sử dụng nguồn chuẩn 133Ba, 109Cd, 57 Co, 60Co, 22Na, 65Zn, với hoạt độ ban đầu 1μCi , phát đỉnh lượng từ 53,16keV-1332,5keV 2.3 Chương trình DETEFF Phương pháp Monte Carlo sử dụng phổ biến để mô thiết bị, hệ đo, đặc biệt q trình vật lý hạt nhân Trong cơng trình để đánh giá hiệu suất chương trình DETEFF dùng để mô tương tác gamma với vật chất thông qua hiệu ứng hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hiệu ứng tạo cặp Đây chương trình viết dựa tảng phương pháp Monte Carlo dùng để tính hiệu suất đỉnh lượng tồn phần đầu dị Bằng việc cung cấp đầy đủ xác liệu thơng số kỹ thuật đầu dị, nguồn thơng số mơ phỏng, chương trình DETEFF cho giá trị hiệu suất theo công thức (2) sai số tương đối kèm theo Để sai số hiệu suất 1% số hạt cần mô 10 hạt Tệp số liệu đầu vào Tệp số liệu đầu DETEFF Dữ liệu detector Dữ liệu nguồn Thông số mô Hiệu suất Sai số phép tính Hình 2: Sơ đồ khối chương trình DETEFF Hiệu suất mơ tính theo cơng thức sau: P  Np N source (2) với Np số gamma đỉnh lượng toàn phần, Nsource số gamma phát từ nguồn Kết nghiên cứu 3.1 Kết thực nghiệm 105 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Sử dụng công thức (1) hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính sai số tương ứng hiệu suất Tuy nhiên không cung cấp sai số hoạt độ nguồn nên xem sai số nguồn khoảng 2% sai số hệ thống Áp dụng công thức truyền sai số để xác định sai số giá trị hiệu suất thực nghiệm Giá trị hiệu suất đầu dò đo nhiều lượng cách sử dụng nguồn chuẩn, người ta nhận thấy cần phải làm khớp thành đường cong từ điểm để mơ tả hiệu suất tồn vùng lượng mà ta quan tâm Trong cơng trình này, chúng tơi tiến hành đánh giá dạng hàm làm khớp khác số liệu hiệu suất thực nghiệm theo hàm lnε p = a iln  E  i i theo dạng hàm liên tục bậc chương trình Origin6.0 [7], dạng hàm kép chương trình DSFF đề nghị tác giả Noguchi [4] với điểm cắt lượng 200keV dạng hàm kép đề nghị chương trình Genie [3], hình cho thấy dạng hàm liên tục cho giá trị nội suy với độ sai biệt thấp Vì vậy, cơng trình dạng hàm làm khớp liên tục chọn q trình làm khớp HiƯu st 0.01 1E-3 Thùc nghiệm Làm khớp hàm liên tục Làm khớp hàm (bậc bậc 1) cắt 200keV Làm khớp hàm (bậc bậc 2) cắt 122keV 5E-4 30 100 Năng lượng (keV) 1000 2000 Hỡnh 3: So sánh dạng hàm làm khớp từ hiệu suất thực nghiệm 3.2 Kết mô Sau xây dựng xong tệp đầu vào chương trình, trước sử dụng để khảo sát đặc trưng hệ phổ kế, ta phải xác định độ tin cậy bước đầu chương trình mơ độ tin cậy thông tin nhà sản xuất cấu trúc đầu dị Ở chúng tơi so sánh kết tính tốn hiệu suất đầu dị HPGe mô DETEFF với hiệu suất thu thực nghiệm Đặc biệt lượng 1332,5 keV 60Co khoảng cách nguồn – đầu dò 106 Năm học 2009– 2010 25cm Kết tính tốn hiệu suất tuyệt đối mô DETEFF lượng 1332,5 keV khoảng cách nguồn - đầu dò 25cm cho giá trị 2,40.10-4 tương đương với hiệu suất tương đối 20,0% mà độ sai biệt 9,3% so với hiệu suất danh định nhà sản xuất (18,3%) Bảng 2: So sánh dạng làm khớp 53,16 Làm khớp HSTN làm Làm khớp theo khớp hàm chương theo Genie liên tục trình DSFF 1,30E-03 1,35E-03 1,28E-03 SS HSTN làm khớp hàm (%) 0,50 SS HSTN DSFF (%) 4,82 SS HSTN Genie (%) 0,79 81,00 4,11E-03 3,79E-03 4,23E-03 4,72 12,01 1,85 88,03 4,62E-03 4,33E-03 4,80E-03 4,94 1,56 9,10 122,06 5,65E-03 5,80E-03 5,53E-03 0,80 3,40 1,27 136,47 5,62E-03 5,89E-03 5,40E-03 2,47 7,37 1,64 160,61 5,31E-03 5,59E-03 4,86E-03 2,96 2,12 11,27 276,40 3,41E-03 3,42E-03 3,25E-03 1,14 1,45 3,67 302,85 3,11E-03 3,10E-03 3,01E-03 0,83 0,69 2,23 356,01 2,62E-03 2,61E-03 2,62E-03 0,02 0,64 0,17 383,85 2,43E-03 2,41E-03 2,45E-03 0,22 1,03 0,78 511,00 1,81E-03 1,77E-03 1,87E-03 1,91 0,20 5,48 1115,54 8,17E-04 7,67E-04 8,03E-04 3,33 9,22 5,03 1173,20 7,70E-04 7,27E-04 7,56E-04 8,06 2,05 6,09 1274,54 6,94E-04 6,65E-04 6,84E-04 3,99 7,97 5,46 1332,50 6,54E-04 6,34E-04 6,47E-04 3,90 0,72 2,74 E(keV) Mô tiến hành vị trí 132mm tương ứng với mức lượng đồng vị thực nghiệm kết trình bày bảng Bảng 3: Giá trị hiệu suất thực nghiệm mô khoảng cách từ nguồn tới đầu dò 132mm E(keV) 53,16 81,00 88,03 Hiệu suất thực nghiệm Làm khớp hiệu suất thực nghiệm Hiệu suất mô Độ sai biệt làm khớp thực nghiệm mô 1,29E-03 (4,88%) 4,31E-03 (2,02%) 4,40E-03 (7,45%) 1,30E-03 4,11E-03 4,62E-03 2,37E-03 (0,12%) 4,78E-03 (0,17%) 5,04E-03 (0,13%) 43,24% 12,39% 6,65% 107 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 122,06 136,47 160,61 276,40 302,85 356,01 383,85 511,00 1115,54 1173,20 1274,54 1332,50 5,61E-03 (2,00%) 5,49E-03 (2,45%) 5,47E-03 (7,27%) 3,37E-03 (2,15%) 3,08E-03 (2,13%) 2,62E-03 (2,03%) 2,43E-03 (2,13%) 1,77E-03 (2,02%) 8,45E-04 (2,13%) 7,12E-04 (2,04%) 7,23E-04 (2,06%) 6,30E-04 (2,04%) 5,65E-03 5,62E-03 5,31E-03 3,41E-03 3,11E-03 2,62E-03 2,43E-03 1,81E-03 8,17E-04 7,70E-04 6,94E-04 6,54E-04 5,42E-03 (0,14%) 5,33E-03 (0,24%) 5,04E-03 (0,23%) 3,30E-03 (0,27%) 2,99E-03 (0,19%) 2,54E-03 (0,12%) 2,54E-03 (0,16%) 1,76E-03 (0,36%) 8,57E-04 (0,65%) 8,29E-04 (0,66%) 7,66E-04 (0,94%) 7,35E-04 (0,22%) 4,55% 6,04% 4,72% 2,49% 2,47% 2,56% 1,78% 2,04% 6,11% 6,43% 11,20% 12,83% Với 1,29E-03 (4,88%) = 1,29E-3 ± 4,88% (giá trị ngoặc sai số tương đối) Trong bảng đường cong hiệu suất thực nghiệm mô phù hợp vùng lượng từ 88,03keV-1173,20keV với độ sai biệt hiệu suất làm khớp thực nghiệm mô khoảng 6% Hai vùng lượng lại thi phù hợp với độ sai biệt lên đến 13% Đặc biệt lượng 53,16keV hiệu suất thực nghiệm làm khớp mô khác nhiều có độ sai biệt lên đến 43,24% Trên hình chúng tơi nhận thấy, giá trị nhận nội suy vùng lượng thực nghiệm từ 53,16keV đến 1332,5keV tốt Tuy nhiên, vùng lượng 1332,5keV đường cong hiệu suất bị gãy đột ngột, làm cho việc ngoại suy giá trị vùng lượng dẫn đến sai số lớn Hiện tượng giá trị thực nghiệm không đủ để khớp hàm cho vùng lượng HiÖu suÊt 0.01 HiƯu st néi suy HiƯu st m« pháng Khíp hàm liên tục 1E-3 5E-4 30 100 Năng lượng (keV) 1000 2000 Hình 4: So sánh hiệu suất làm khớp mô khoảng cách 132mm từ nguồn tới đầu dò 108 Năm học 2009– 2010 3.3 Kết thực nghiệm tối ưu Do khác biệt hiệu suất thực nghiệm hiệu suất mơ việc xác định lại thông số đầu dị cần thiết Phương pháp mơ sử dụng để hiệu suất làm khớp thực nghiệm mô phù hợp cho toàn dãy lượng Quá trình mơ tiến hành cách tăng dần giá trị lớp chết bên tinh thể bên hông tinh thể với nhiều bề dày khác Kết thu cho thấy với bề dày lớp chết tăng thêm 0,1mm khoảng cách từ tinh thể đến cửa sổ tăng 1mm so với thông số cung cấp nhà sản xuất thu phù hợp tốt cho vùng lượng quan tâm Ngoài trừ đỉnh 53,16keV có sai biệt 35,14%, sai biệt tập hợp điện tích tới hai góc tinh thể Q trình mơ tiến hành với thơng số đầu dị cho hai khoảng cách 132mm 60mm kết thu độ sai biệt phù hợp cho toàn dãy lượng 3E-1 HiÖu suÊt 0.01 60mm 1E-3 Thùc nghiÖm Thực nghiệm mô Làm khớp thực nghiệm Làm khớp thực nghiệm mô 132mm 2E-4 30 100 Năng lượng (keV) 1000 2000 Hỡnh 5: So sỏnh hiu suất thực nghiệm tối ưu khoảng cách 132mm khoảng cách 60mm Trong cơng trình chúng tơi tiến hành mô thêm đỉnh lượng 1836,06keV đồng vị 88Y Kết cho thấy giá thị thực nghiệm nhận thêm giá trị mơ dạng hàm lúc trở nên liên tục không bị gãy khúc cho hàm làm khớp khoảng cách 132mm 60mm trình bày hình Kết luận hướng phát triển đề tài 4.1 Kết luận 109 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Trong nghiên cứu so sánh đường cong hiệu suất đỉnh lượng toàn phần thực nghiệm so với đường cong hiệu suất sử dụng chương trình mơ DETEFF Chương trình mơ cấu trúc đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe nguồn chuẩn, so sánh khác biệt đường cong hiệu suất nhằm đưa đánh giá xác hiệu suất đầu dị Bộ môn Vật lý Hạt nhân Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TPHCM sau năm hoạt động Đồng thời với việc rút kết luận hiệu suất đầu dò thời điểm này, xác định ảnh hưởng thơng số đầu dị lên hiệu suất ghi nhờ vào phương pháp mô Kết nghiên cứu xác định bề dày lớp chết đầu dò tăng thêm 0,1mm từ 0,7mm năm 2007 tăng lên 0,8mm năm 2010 trình đưa vào vận hành hệ phổ kế gamma chưa hoạt động nhiều nên bề dày lớp chết tăng Khoảng cách từ tinh thể đến sổ xác định phương pháp mô 4mm, q trình sản xuất đầu dị nhà sản xuất đưa giá trị danh định cho khoảng cách 3mm Đây phương pháp phù hợp cho việc xác định hiệu suất đầu dò theo thời gian Bên cạnh đó, phương pháp mơ thể ưu điểm sau kiểm tra độ xác kết phương pháp mô cách so sánh với kết đo từ thực nghiệm, người ta dùng để có thêm giá trị liệu cho việc làm khớp đường cong hiệu suất mà thực nghiệm khơng có Các giá trị thêm vào hữu dụng làm khít so với liệu thực nghiệm đường cong hiệu suất theo lượng hoàn chỉnh vùng lượng từ 50keV đến 2000keV 4.2 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai tiếp tục nghiên cứu thêm số vấn đề như: - Xác định thay đổi hiệu suất theo thời gian, từ xây dựng số liệu hiệu suất đầu dò nghiên cứu - Xây dựng đường cong hiệu suất cho hình học đo khác - Xác định hoạt độ mẫu môi trường hiệu chỉnh liên quan tự hấp thụ, hiệu ứng trùng phùng… TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] N,Cornejo Diaz, M, Jurad Vargas, (2008), “DETEFF: An improved Monte Carlo computer program for evaluating the efficiency in coaxial gamma-ray detectors”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 586, 204–210 110 Năm học 2009– 2010 [2] MAESTRO-32 (2006), MCA Emulator for Microsoft Windows 98, 2000, NT and XP, Software Version [3] Genie 2000 Tutorials Manual, (2004), Canberra Industries, Inc [4] Masayasu Noguchi (2008), “Gamma – ray spectrometry for environmental sample”, The 3rd – JAEA - VAEC joint training course on “Application of nuclear technique in industry and environment” [5] M.Garcia-Talavera, H.Neder,M.J Daza,B Quintana (2007), “Toward a proper modeling of detector and source characteristics in Monte Carlo simulations”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 52, 777–783 [6] N.Q.Huy, D.Q.Binh, V.X.An (2007), “Study on the I ncrease of inactive germanium layer in a high-purity germanium detector after a long time operation applying MCNP code”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 537, 384-388 [7] www.physics.hmc.edu/howto/Origin50 [8] www.laraweb.free.fr 111 ... cong hiệu suất sử dụng chương trình mơ DETEFF Chương trình mơ cấu trúc đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe nguồn chuẩn, so sánh khác biệt đường cong hiệu suất nhằm đưa đánh giá xác hiệu suất. .. số giá trị hiệu suất thực nghiệm Giá trị hiệu suất đầu dò đo nhiều lượng cách sử dụng nguồn chuẩn, người ta nhận thấy cần phải làm khớp thành đường cong từ điểm để mơ tả hiệu suất tồn vùng lượng. .. biệt q trình vật lý hạt nhân Trong cơng trình để đánh giá hiệu suất chương trình DETEFF dùng để mô tương tác gamma với vật chất thông qua hiệu ứng hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hiệu ứng