Nâng cao độ chính xác, ổn định cho thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường 06

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Minh NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ C ẢNH BÁO PHĨNG X Ạ MƠI TR ƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà N ội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Minh NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC, ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ C ẢNH BÁO PHĨNG X Ạ MƠI TR ƯỜNG Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã s ố: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Quang Thiệu Hà N ội - 2014 Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Luận văn k ết trình học tập suốt hai năm trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà N ội trình làm lu ận văn thân t ại Viện Khoa học K ỹ thuật hạt nhân – Viện Năng lượng nguyên ửt Việt Nam Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Quang Thiệu - Trung tâm Chi ếu xạ Hà N ội, t ận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức chuyên ngành hướng dẫn em hoàn thành b ản luận văn Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Thị Bảo Mỹ - Viện Khoa học K ỹ thuật hạt nhân, nhi ệt tình giúp đỡ ch ỉ bảo thêm kiến thức chuyên ngành suốt trình nghiênứcu đề tài Em xin cảm ơn thầy cô gi ảng dạy lớp cao học khóa 2011 2013, đặc biệt thầy cô b ộ môn V ật lý h ạt nhân - Tr ường Đại học Khoa học tự nhiênđã t ận tình dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập trường Em gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè bên cạnh em, động viên, giúp em ượvt qua khó kh ăn để hồn thành đề tài Mặc dù r ất nỗ lực cố gắng, chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót R ất mong nhận ý ki ến đóng góp, b ổ sung thầy b ạn bè Hà N ội, tháng 03 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Minh i Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC B ẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ C ẢNH BÁO PHÓNG X Ạ MÔI TR ƯỜNG 1.1 Nhu cầu thực tiễn 1.2 Cơ sở lý thuy ết 10 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 10 1.2.2 Hiệu ứng Compton 12 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron - positron 13 1.2.4 Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất 14 1.2.5 Cấu trúc phổ gamma 15 1.3 Thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ môi tr ường 17 1.3.1 Đầu dị ch ứa khí 19 a) Buồng ion hóa 22 b) Ống đếm tỉ lệ 22 c) Ống đếm Geiger-Muller (G-M) 22 1.3.2 Đầu dò bán dẫn 23 1.3.3 Đầu dò nh ấp nháy 25 CHƯƠNG 2: ĐẦU DÒ NH ẤP NHÁY NaI(Tl) 26 2.1 Đầu dò nh ấp nháy 26 2.1.1 Chất nhấp nháy vô 26 2.1.2 Chất nhấp nháy hữu 27 2.2 Đầu dò nh ấp nháy NaI(Tl) 29 2.2.1 Đặc điểm cấu tạo 29 2.2.2 Sự hình thành xung l ối 33 2.3 Sử dụng phương pháp chuyển phổ thành li ều với đầu dò NaI(Tl) 36 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỔN ĐỊNH CHO THIẾT BỊ40 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới đầu dò NaI(Tl) 40 3.1.1 Ảnh hưởng việc xácđịnh đỉnh 40 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 40 3.2 Nâng cao độ xác 41 3.2.1 Làm tr ơn phổ 42 3.2.2 Xácđịnh đỉnh 44 3.2.3 Chuyển phổ thành li ều 49 3.3 Nâng cao độ ổn định 51 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đỉnh phổ K-40 51 3.3.2 Bù nhiệt độ cho thiết bị 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC B ẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các hệ số A(K) cho tinh thể NaI(Tl) hình trụ 2.5 cm x 2.5 cm Bảng 3.1: Kết đo suất liều thiết bị vị trí có su ất liều chuẩn Bảng 3.2: Kết đo đỉnh K-40 nhiệt độ khác Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ Hình 1.1: Mơ hình tán xạ Compton Hình 1.2: Mơ hình s ự tạo cặp electron - positron Hình 1.3: Sự phụ thuộc tiết diện vào n ăng lượng [1] Hình 1.4: Cấu trúc phổ lý t ưởng tia gamma theo hiệu ứng: a) quang điện; b) tạo cặp; c) Compton, d) phổ thực [1] Hình 1.5: Sơ đồ khối thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường 17 Hình 1.6: Một số thiết bị đo xạ cầm tay Hình 1.7: Hình thiết bị đo xạ đặt trạm quan trắc Nhật Bản Hình 1.8: Các tượng xảy với cặp ion dương điện tử điện cực hình trụ với cường độ xạ hiệu điện thay đổi [9] Hình 1.9: Mơ hình bu ồng ion hóa Hình 1.10: Đầu dị b ề mặt Hình 1.11: Đầu dị Si Ge-photon Hình 2.1: Sự phụ thuộc hệ số suy giảm tinh thể NaI(Tl) vào n ăng lượng tia gamma [4] Hình 2.2: Lý thuy ết th ực nghiệm phổ tia gamma gây b ởi tương tác Comton quang điện đầu dị NaI(Tl) [5] Hình 2.3: Biênđộ xung theo số tích phân [3, 6] Hình 3.1: Sơ đồ q trình nâng cao độ xác cho thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ mơi tr ường Hình 3.2: Sơ đồ trình xácđịnh đỉnh phương pháp fit Gauss Hình 3.3: Số liệu thu Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Hình 3.4: Số liệu thu biểu diễn theo thang log Hình 3.5: Phổ đo sau làm tr ơn Hình 3.6: Phổ đo sau fit Gauss Hình 3.7: Phổ K-40 nhiệt độ T = 20oC T = 26 oC Hình 3.8: Sự phụ thuộc đỉnh K-40 vào nhi ệt độ Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, n ăng lượng nguyên ửt dần trở thành ngu ồn lượng thay cho nguồn lượng hóa th ạch dần cạn kiệt Không vậy, việc sử dụng nguồn lượng hạt nhân cách để giảm thiểu lượng khí thải CO2, nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính s ự nóng lên tráiđất Khơng nh ững vậy, xạ hạt nhân sử dụng rộng dãi nhi ều lĩnh vực khác y tế, khoa học, quân sự… đem lại lợi ích to lớn đời sống Tuy nhiên, lượng nguyên ửt tiềm ẩn nguy hiểm người Thực tế, t ừng chứng kiến ảnh hưởng nghiêm trọng chúng vụ nổ bom nguyên ửt Tokyo Hirosima, v ụ nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl g ần nhà máy điện hạt nhân Fukushima Chính vậy, yêu ầcu đặt nhà môi trường nhà qu ản lý ph ải kiểm sốtđược liều lượng phóng x mơi tr ường để có nh ững biện phápứng phó k ịp thời với ựs cố liên quan ớti phóng x hạt nhân Các thiết bị quan trắc môi tr ường c ảnh báo phóng xạ cơng c ụ để nhà quản lý nhà mơi tr ường theo dõi ki ểm sốt nhiễm phóng x Vì hầu quan tâm t ới việc xây d ựng trạm quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Hiện nay, Nhật Bản có 37 trạm quan trắc, Hàn Qu ốc có 13 tr ạm, Ấn Độ có 16 tr ạm,… T ại Việt Nam, có tr ạm quan trắc phóng x môi tr ường Viện Khoa học k ỹ thuật hạt nhân, Vi ện Nghiên ứcu hạt nhân thu ộc Viện Năng lượng nguyên ửt, Trung tâm Công ngh ệ xử lý mơi tr ường (Bộ Quốc phịng) Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Qua thực tế hoạt động, trạm quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi trường nước ta b ộc lộ nhiều hạn chế như: chưa đồng bộ, khả thu thập phân tích ch ưa đápứng đầy đủ tiêu tính liên ụtc, độ nhạy theo tiêu chuẩn quốc tế Ngoài trạm ch ưa có ch ức cảnh báo trực tuyến ựs cố rò r ỉ để phục vụ cho việc ứng phó v ới trường hợp khẩn cấp Nắm vai trò quan tr ọng trạm quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường, Viện Năng lượng nguyên ửt giao cho Vi ện Khoa học k ỹ thuật hạt nhân nghiên cứu xây d ựng thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Qua trình nghiênứcu tri ển khai đo đạc thực nghiệm, tốnđược đặt cho nhà nghiên ứcu làm th ế để có th ể nâng cao độ xác ổn định cho thiết bị đo đạc cácđiều kiện môi tr ường khác Luận văn thực với mục tiêu nâng cao độ xác, tính ổn định thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Trong s dụng phương pháp JAERI, phương pháp chuyển phổ thành li ều dùng hàm G(E), ổn định phổ phương pháp bù nhiệt độ ghim đỉnh K-40 Luận văn gồm chương với nội dung sau: Chương trình bày t quan vai trị, ngun lý c ấu tạo thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Chương nghiên ứcu đầu dò nh ấp nháy phương phápđo số liệu sử dụng loại đầu dò Chương đề xuất phương pháp nâng cao độ xác tính ổn định cho thiết bị Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Quá trình chuyển phổ thành li ều thực cách ựt động dựa vào đỉnh tính sử dụng phương pháp Fit Gauss trình bày áp dụng vào cơng th ức (2.12) Tóm l ại, việc kết hợp xácđịnh đỉnh fit hàm Gauss s dụng phương pháp chuyển phổ thành li ều ta có th ể tăng độ xác thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường lên ươtng đối cao, đápứng yêu ầcu thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường sử dụng ngồi th ực địa Điều nghiệm Bảng 3.1 Bảng 3.1: Kết đo suất liều thiế STT 10 11 12 13 14 15 16 17 50 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp 3.3 Nâng cao độ ổn định Như bi ết, biênđộ lối đầu dò ph ụ thuộc vào nhi ều thông số khác như: nhiệt độ, thời gian sử dụng, nuôi cho PMT Đối với thiết bị sử dụng phịng thí nghi ệm, ta có th ể liên ụtc thực chuẩn thiết bị với nguồn chuẩn Tuy nhiên,đối với thiết bị sử dụng ngồi mơi tr ường m ột vấn đề tương đối phức tạp Quá trình nghiênứcu thực nghiệm ch ỉ rằng, nhiệt độ y ếu tố ảnh hưởng lớn gây s ự trôi c kết đo Do đó, lu ận ánđã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới phổ thu được, đặc biệt v ới đỉnh K-40 m ột đỉnh phóng x tự nhiên xuất nhiều mơi tr ường Qua đó, đưa hệ số bù nhiệt độ thích hợp 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đỉnh phổ K-40 Sự ảnh hưởng nhiệt độ phổ đo đỉnh phổ K40 mơ t ả Hình 3.7 Ta thấy rằng, nhiệt độ giảm xuống phổ thu gần khơng thay đổi, nhiên có dịch chuyển đỉnh phổ tương ứng với thay đổi nhiệt độ 51 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp o o Hình 3.7: Phổ K-40 nhiệt độ T = 20 C T = 26 C Ngồi ra, chúng tơi kh ảo sát vị trí đỉnh phổ K-40 nhiệt độ khác Kết thực nghiệm ghi lại Bảng 3.2 hình 3.8 v ới giá trị đỉnh xácđịnh phương pháp Fit Gauss trình bày phần 3.1 Bảng 3.2: Kết đo đỉnh K-40 nhiệt độ khác T 16 Kênh 315 52 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Sù phô thuéc đỉnh K40 vào nhiệt độ 338 336 334 332 330 Kªnh 328 326 324 322 Sè liƯu 320 y=1.3x+293.8 (R=0.9978) 318 316 314 16 18 20 28 22 24 30 32 26 34 NhiƯt ®é (C) Hình 3.8: Sự phụ thuộc đỉnh K-40 vào nhi ệt độ Từ Hình 3.8, ta thấy rằng, vị trí đỉnh K-40 phụ thuộc vào nhi ệt độ ươ đố ế ứ độ ệ ả o t ng i n tính v i m c l ch kho ng 1.3 kênh/C 3.3.2 Bù nhiệt độ cho thiết bị Ta thấy nhiệt độ ảnh hưởng tương đối tuyến tính lên giáị tr đo Do đó, ta hồn tồn có th ể thêm giá trị xácđịnh vào k ết đo để bù lại thay đổi nhiệt độ Giá trị bù xácđịnh sau: kênh = k * (T - T) (3.13) Trong đó, kênh giá ịtrbù tương ứng với nhiệt độ T, T0 nhi ệt độ mà ta xácđịnh vị trí đỉnh K-40 chu ẩn thiết bị K h ệ số bù xác ằ độ ị ủ đỉ ệ độ o nh b ng d ch c a nh K-40 theo nhi t (1.3 kênh/C) đị Bằng cách bù nhiệt độ vậy, ta hồn tồn có th ể hạn chế ảnh hưởng nhiệt độ tới kết đo Ngoài ra, để góp ph ần nâng cao độ xác, ta kết hợp kiểm tra đỉnh K-40 (xuất đất đá ngồi tự nhiên) ạti vị trí sau bù 53 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Phương phápổn định bù nhiệt độ c ũng góp ph ần vào k ết thực nghiệm đo Bảng 3.1 54 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp KẾT LUẬN Trong thời gian nghiên ứcu, thực đề tài: “nâng cao độ xác, ổn định cho thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ môi tr ường”, tác giả thực nội dung sau: - Nghiên ứcu, tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ mơi tr ường Đồng thời tìm hiểu khối đầu dò s dụng NaI(Tl) - Nghiên ứcu phương pháp xácđịnh đỉnh phương pháp fit Gauss s dụng thuật toán chuyển phổ thành li ều để nâng cao độ xác cho thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Nghiên ứcu phụ thuộc vị trí đỉnh phổ vào nhi ệt độ, đề xuất sử dụng bù nhiệt độ để nâng cao tính ổn định cho thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng x mơi tr ường Kết vậy, hồn toàn phù h ợp với mục tiêu ủca đề tài Tuy nhiên, thời gian thực đề tài có h ạn nên luận văn m ột số hạn chế chưa khảo sátđược phụ thuộc vào nhi ệt độ cácđỉnh nguồn phóng x khác K-40 chưa thực khảo sátđo suất liều ứng với nhiệt độ khác 55 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp TÀI LI ỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Nguyễn Đức Hòa (2012), Điện tử hạt nhân , NXB Giáo dục Việt Nam Trần Đại Nghiệp (2007), Giáo trình xử lý b ức xạ c sở công ngh ệ xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà N ội Tiếng Anh: Baba H., Fukuchi T., Kurokawa M and Shimoura S (2004), Study of Digital Pulse Shape Analysis for NaI(Tl) Scintillator, CNS Anual Report Hamamatsu, Photomultiplier Tubes handbook Heath R L (1997), Sintillation Spectrometry gamma-ray spectrum catalogue, Gamma-ray spectrometry center Helmuth S (2002), Pulse processing and analysis, IEEE NPSS short course on Radiation detection and measurement Ianakiev K D., Alexandrov B S., Littlewood P B., Browne M C (2009), “Temperature behavior of NaI (Tl) scintillation det ectors”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Đầu dòs and Associated Equipment , Vol 607(2) Kamiya K, Sasatani M, “Effects of radiation expo sure on human body”, Nihon rinsho Japanese journal of clinical medicine, Vol 70(3), pp 367-374 LoveLock J E (1961), “Ionization Methods for A nalysis of Gases and Vapors”, Analytical Chemistry, Vol 33(2), pp 162-178 10 Miglierini M (2004), Đầu dò of Radiation , E Wigner Course on reactor physics experiments 11 Nelson G., Reilly D (1991), “Gamma-Ray Interac tions with Matter”, Passive Nondestructive Analysis of Nuclear Material, Los Almos National Laboratory, pp 27-42 12 Reeder P L., Stromswold D C., “Performance of Large NaI(Tl) Gamma-Ray Detectors Over Temperature -50ºC to +60ºC”, Pacific Northwest National Laboratory 56 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp PHỤ LỤC 1-Code chương trình tìm đỉnh tự động sử dụng phần mềm MATLAB clear all; close all; clc; [filename, pathname] = uigetfile('*.mca', 'Select adata file file'); fid=fopen([pathname filename]); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); fgets(fid); y=fscanf(fid,'%d'); fclose(fid); plot(y); x=200:500; figure; yy=smooth(y,5); plot(yy,'r'); xlim([250 600]); [xmin ymin]=ginput(1); [xmax ymax]=ginput(1); xmin=round(xmin); xmax=round(xmax); figure; ydata=yy(xmin:xmax); xdata=xmin:xmax; 57 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp ymax=max(ydata(:)); plot(xdata,ydata); [a, resnorm]=lsqcurvefit(@(a,xdata) mygausian(a,xdata),[ymax (xmax+xmin)/2 50 0],xdata',ydata); y2=mygausian(a,xdata); hold on; plot(xdata,y2,'g'); Peak=round(a(2)) FWHM=round(a(3)*2*sqrt(2*log(2))) s2=resnorm/(xmax-xmin) hold off; function f=mygausian(a,xdata) f=a(1)*exp(1/2*((xdata-a(2))/a(3)).^2)+a(4); end 2- Hệ số G(E) tính cho đầu dị NaI(Tl) 2.5 cm x 2.5 cm E(MeV) 0.050 0.055 0.060 0.065 0.070 0.075 0.080 0.085 0.090 0.095 0.100 0.105 0.110 0.115 0.120 0.125 0.130 0.135 0.140 0.145 0.150 0.155 Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp 62 Nguyễn Thị Minh ... pháp nâng cao độ xác tính ổn định cho thiết bị Nguyễn Thị Minh Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC VÀ C ẢNH BÁO PHÓNG X Ạ MÔI TR ƯỜNG 1.1 Nhu cầu thực tiễn Trong môi. .. d Độ rộng đỉnh hấp thụ toàn ph ần ứng với độ rộng nửa chiều cao đỉnh (FWHM) gọi độ phân gi ải đầu dò 1.3 Thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ môi tr ường Thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ. .. ựng thiết bị quan trắc c ảnh báo phóng xạ mơi tr ường Qua q trình nghiênứcu tri ển khai đo đạc thực nghiệm, tốnđược đặt cho nhà nghiên ứcu làm th ế để có th ể nâng cao độ xác ổn định cho thiết bị