Nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số trùng phùng vào bề dày mật độ mẫu phân tích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ HÀ THỊ KIM NGÂN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ TRÙNG PHÙNG VÀO BỀ DÀY VÀ MẬT ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ TRÙNG PHÙNG VÀO BỀ DÀY VÀ MẬT ĐỘ MẪU PHÂN TÍCH Người thực hiện: HÀ THỊ KỊM NGÂN Người hướng dẫn khoa học: ThS LÊ QUANG VƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2020 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình thực khố luận, nhận nhiều giúp đỡ to lớn từ q Thầy/Cơ, bạn bè gia đình Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến: • ThS Lê Quang Vương – người hướng dẫn khoa học, tận tình bảo, giúp đỡ, động viên, truyền đạt vốn kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khố luận • Q Thầy/Cơ Bộ mơn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm TP.HCM truyền đạt kiến thức quý báu qua giảng, môn học suốt trình học tập Những kiến thức mà Thầy/Cơ truyền đạt tảng để tơi tiếp thu giải vấn đề khoá luận hành trang cho tiếp công việc sau • Q Thầy/Cơ Hội đồng bảo vệ khố luận dành thời gian xem xét đóng góp ý kiến để khố luận hồn thiện • Phịng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM đáp ứng điều kiện sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để tơi thực khố luận • Viện Y tế Cơng cộng Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ đo đạc mẫu phân tích hệ phổ kế gamma • Các thành viên gia đình ln bên động viên, nhắc nhở tạo điều kiện để học tập thực khố luận • Tất bạn bè động viên, giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành khố luận TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 Sinh viên Hà Thị Kim Ngân ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HPGE IAEA NIST MCNP ETNA iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông tin bề dày, khối lượng, mật độ khối mẫu RGU 12 Bảng 2.2 Thành phần nguyên tố có mẫu RGU [9] 13 Bảng 2.3 Cấu trúc thẻ mô tả nguồn (Source card) tệp đầu vào 14 Bảng 3.1 Xác suất phát gamma đồng vị mẫu RGU [16] 16 Bảng 3.2 Hiệu suất đỉnh thực nghiệm mẫu RGU 17 Bảng 3.3 Hệ số trùng phùng theo bề dày mẫu RGU 19 Bảng 3.4 Hiệu suất thực nghiệm hiệu chỉnh trùng phùng mẫu RGU 20 Bảng 3.5 Hiệu suất trước sau hiệu chỉnh trùng phùng đồng vị mẫu bề dày 1cm 22 Bảng 3.6 Hiệu suất trước sau hiệu chỉnh trùng phùng đồng vị mẫu bề dày 3,7 cm 23 Bảng 3.7 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 609,3 keV 25 214 Bi Bảng 3.8 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 768,4 keV 26 214 Bi iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Hệ phổ kế gamma Viện Y tế Công cộng TP.HCM 10 Hình 2.2 Mơ hình đầu dị GEM50P4-83 11 Hình 2.3 Mơ hệ phổ kế gamma HPGe chương trình MCNP - CP 13 Hình 3.1 Hiệu suất trước sau hiệu chỉnh trùng phùng đồng vị 214 Bi bề dày 1cm 24 Hình 3.2 Hiệu suất trước sau hiệu chỉnh trùng phùng đồng vị 214 Bi bề dày 3,7cm 24 v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iv MỤC LỤC v MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu Tình hình nghiên cứu giới Tình hình nghiên cứu Việt Nam Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2 Cơ sở lí thuyết Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần Hiệu chỉnh trùng phùng chương trình MCNP-CP 1.3 Nhận xét chương CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 2.1 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe 10 Đầu dò Germanium siêu tinh khiết 10 Buồng chì 11 Mẫu chuẩn 11 2.1.4 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dị HPGe mơ 12 2.2 Đánh giá hệ số trùng phùng 14 2.3 Kết luận chương 15 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16 3.1 Hiệu suất đỉnh thực nghiệm 16 vi 3.2 Hệ số trùng phùng theo bề dày mẫu 19 3.3 Hệ số trùng phùng theo mật độ mẫu 25 3.4 Nhận xét chương 28 KẾT LUẬN 29 KIẾN NGHỊ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 PHỤ LỤC 33 MỞ ĐẦU Hệ phổ kế gamma dùng đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi để xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ Với ưu điểm trội khả phân tích đa nguyên tố, xử lí mẫu khơng q phức tạp, suất phân giải cao nên nhiều sở Việt Nam trang bị hệ phổ kế nghiên cứu phân tích mẫu mơi trường Để xác định hoạt độ phóng xạ mẫu mơi trường, cần phải tính xác hiệu suất đỉnh lượng toàn phần phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất theo lượng Tuy nhiên, tiến hành đo đạc giá trị hiệu suất ln nhỏ giá trị thật mà ba nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn phông (ảnh hưởng từ đến 100%), hiệu ứng tự hấp thụ mẫu (0-50%) hiệu ứng trùng phùng tổng (0-100%) – hiệu ứng nhắc đến chủ yếu khóa luận [5] Hiệu ứng trùng phùng hiệu ứng xảy hai nhiều tia gamma phát từ phân rã hạt nhân ghi nhận xung thời gian phân giải đầu dò Nhiều cơng trình tập trung giải vấn đề hiệu suất đỉnh lượng toàn phần, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiều phương pháp khác sử dụng thuật toán, phương pháp thực nghiệm bán thực nghiệm,… Ngày nay, giới khoa học công nghệ phát triển nhanh chóng đặc biệt cơng nghệ thông tin, phương pháp mô đem lại nhiều lợi ích giúp người giải cơng việc nhanh với độ xác cao Vì vậy, khóa luận này, tơi sử dụng chương trình MCNP-CP để nghiên cứu phụ thuộc hệ số trùng phùng vào bề dày mật độ mẫu phân tích cách sử dụng mẫu chuẩn RGU IAEA cung cấp đo hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dị HPGe Nội dung khố luận bao gồm: Chương 1: Tổng quan Chương trình bày tình hình nghiên cứu nước vấn đề liên quan đến khoá luận, mục tiêu nội dung nghiên cứu, sở lý thuyết sử dụng khoá luận Chương 2: Đối tượng phương pháp nghiên cứu Chương giới thiệu hệ phổ kế gamma HPGe, mô hệ phổ kế gamma hướng dẫn xác định hệ số trùng phùng chương trình MCNP – CP Chương 3: Kết thảo luận Chương đưa kết việc tính toán đánh giá hệ số trùng phùng bề dày thay đổi từ 1,0 cm đến 3,7 cm 3 mật độ mẫu thay đổi từ 1,0 g/cm đến 2,2 g/cm , hiệu suất đỉnh lượng toàn phần thực nghiệm sau hiệu chuẩn trùng phùng, từ rút phụ thuộc hiệu ứng trùng phùng vào bề dày mật độ mẫu phân tích Hệ số trùng phùng theo mật độ đồng vị 214 Bi đỉnh lượng 934 keV, 1120 keV, 1238 keV, 1280 keV, 1764,3 keV, 2204,1 keV, 2447,8 keV thể phụ lục C 27 • Tại lượng 934 keV, hệ số trùng phùng lớn 1,22 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,15 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 3,69 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng lớn 5,7% • Tại lượng 1120 keV, hệ số trùng phùng lớn 1,20 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,14 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 3,69 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng lớn 5% • Tại lượng 1280 keV, hệ số trùng phùng lớn 1,19 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,14 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 3,69 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng lớn 4,2% • Tại lượng 1764,3 keV 2204,1 keV có hệ số trùng phùng Đặc biệt, đỉnh đỉnh 1764, keV thường nhà nghiên cứu sử dụng để phân tích hoạt độ đồng vị có mẫu mơi trường lựa chọn đỉnh lượng 1764, keV để phân tích cho sai số nhỏ nhà nghiên cứu không cần hiệu chỉnh ảnh hưởng hiệu ứng trùng phùng gây • Tại lượng 2247,8 keV, hệ số trùng phùng lớn 0,97 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 0,96 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 1,0 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng lớn 1% Qua việc phân tích số liệu hệ số trùng phùng đồng vị 214 Bi đỉnh lượng khác nhau, hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào mật độ mẫu, mật độ tăng hệ số trùng phùng tăng với độ chênh lệch hệ số trùng phùng lớn hệ số trùng phùng nhỏ vùng lượng nhỏ 7% 28 3.4 Nhận xét chương Trong chương này, khố luận trình bày vấn đề: xác định hiệu suất đỉnh thực nghiệm mẫu RGU có bề dày từ 1,0 cm đến 3,7 cm với sai số tương đối nhỏ 9%, xác định hệ số trùng phùng hiệu chỉnh lại hiệu suất theo bề dày tương ứng thấy bề dày mẫu lớn ảnh hưởng hiệu ứng trùng phùng giảm Ngồi ra, khố luận cịn xác định thêm hệ số trùng phùng theo mật độ thấy mật độ tăng hệ số trùng phùng tăng 29 KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu phụ thuộc hệ số trùng phùng vào bề dày mật độ mẫu, khoá luận đạt kết sau: o Xây dựng tệp đầu vào cho chương trình MCNP – CP cho hiệu ứng có trùng phùng khơng có trùng phùng o Xác định hiệu suất đỉnh thực nghiệm đồng vị mẫu RGU với bề dày 1,0 cm; 1,5 cm; 2,0 cm; 2,6 cm; 2,9 cm; 3,7 cm, hiệu suất đỉnh thực nghiệm có sai số nhỏ 9% o Xác định hiệu suất phụ thuộc vào bề dày mẫu, hiệu suất thực nghiệm giảm bề dày mẫu tăng o Xác định hệ số trùng phùng theo bề dày mẫu, từ tính hiệu suất hiệu chỉnh trùng phùng o Xác định hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào bề dày mẫu, bề dày mẫu lớn ảnh hưởng hiệu ứng trùng phùng giảm o Xác định hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào mật độ mẫu, mật độ tăng hệ số trùng phùng tăng với độ chênh lệch hệ số trùng phùng lớn hệ số trùng phùng nhỏ vùng lượng nhỏ 7% 30 KIẾN NGHỊ Như vậy, khố luận hồn thành mục tiêu nghiên cứu đề Đồng thời, để đạt kết tốt việc xác định phụ thuộc hệ số trùng phùng vào bề dày mật độ mẫu phân tích, khố luận kiến nghị công việc nghiên cứu nên thực tiếp theo: o Tiến hành đo đạc mẫu phân tích với bề dày khác tương ứng với mật độ phân tích o Đánh giá hệ số tự hấp thụ o Sử dụng hiệu suất hiệu chỉnh trùng phùng để tính hoạt độ đồng vị có mẫu, so sánh hoạt độ đồng vị thực nghiệm với hoạt độ chuẩn để kiểm tra tính đắn phương pháp 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Phạm Hà My (2017), Nghiên cứu ảnh hưởng bề dày mẫu đến đường cong hiệu suất thực nghiệm mô phỏng, Luận văn Thạc sĩ [2] Đặng Nguyên Phương, “Hướng dẫn sử dụng MCNP cho hệ điều hành Windows”, nhóm NMTP, 06/2015 [3] Hồng Đức Tâm (2019), Phân tích sai số liệu thực nghiệm, NXB Đại học Sư Phạm, Thành phố Hồ Chí Minh [4] Trần Thiện Thanh (2007), Hiệu chỉnh trùng phùng tổng hệ phổ kế gamma sử dụng chương trình MCNP, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG-TP.HCM Tiếng Anh: [5] ANSI N42.14-1999 (revised 2003), American National Standard for Calibration and Use of Germanium Spectrometers for the Measurement of Gamma -Ray Emission Rates of Radionuclides, American National Standards Institude [6] Berlizov, A (2012), A correlated particle source extension of a general purpose Monte Carlo N-particle transport code, Institute for Nuclear Research, National Academy of Sciences of Ukraine [7] García-Talavera, M., Laedermann, J P., Décombaz, M., Daza, M J., & Quintana, B (2001) Coincidence summing corrections for the natural decay series in γ-ray spectrometry Applied Radiation and Isotopes, 54(5), 769–776 [8] Huy, N.Q., Binh, D.Q (2014), “A semi-empirical approach to analyze the activities of cylindrical radioactive samples using gamma energies from 185 to 1764 keV”, Applied Radiation and Isotopes, 94, pp 82 – 88 [9] International Atomic Energy Agency (1987), Preparation and certification of IAEA gamma-ray spectrometry reference material RGU-1, RGTh-1 and RGK-1 Report-IAEA/RL/148, Vienna 32 [10] Lépy M.C., Brun P., Collin C., Plagnard J (2006), Experimental validation of coincidence summing corrections computed by the ETNA software, Applied Radiation and Isotopes, 1340-1345 [11] Lépy, M.C., Pearce, A., Sima, O (2015), “Uncertainties in gamma-ray spectrometry”, Metrologia, 52, pp 123– 145 [12] Loan T.T.H., Thanh T.T., Phuong D.N., Khanh T.A., Nhon, M.V., Ngoc L.V (2007), Gamma spectrum simulation and coincidence summing factor calculation for point sources with using MCNP code, Communication in Physics, Vol 2, No 2, 110– 116 [13] Semkow T.M., Pravin G.M., Parekh P.P., Virgil M (1990), Coincidence summing in gamma-ray spectroscopy, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A290, 437-444 [14] Thanh T.T, Vuong L.Q (2018), Validation of an advanced analytical procedure applied to the measurement of environmental radioactivity, Journal of Environmental Radioactivity 184-185, 10 Trang web: [15] https://nucleus.iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Index-for- Radionuclides.aspx [16] http://www.nucleide.org/Laraweb/index.php 33 PHỤ LỤC Phụ lục A: Thơng số đầu dị GEM50P5-83 hệ phổ kế gamma HPGe Phụ lục B: Hộp đựng mẫu RGU có bề dày khác 34 Phụ lục C: Hệ số trùng phùng theo mật độ đồng vị lượng khác 214 Bi ứng đỉnh Bảng PC.1 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 934 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 Bảng PC.2 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 1120 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 35 Bảng PC.3 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 1238 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 Bảng PC.4 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 1280 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 36 Bảng PC.5 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 1764,3 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 Bảng PC.6 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 2204,1 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 37 Bảng PC.7 Hệ số trùng phùng theo mật độ đỉnh lượng 2447,8 keV Mật độ (g/cm ) 1,0 1,2 1,42 1,44 1,50 1,51 1,54 1,56 1,8 2,0 2,2 ... với hệ số trùng phùng bề dày 1,0 cm Tại 609,3 keV, hệ số trùng phùng tăng mật độ tăng với hệ số trùng phùng lớn 1,19 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,13 bề dày mật độ. .. keV, hệ số trùng phùng lớn 1,22 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,15 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 3,69 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng. .. keV, hệ số trùng phùng lớn 1,20 bề dày mật độ 2,2 g/cm bề dày 1,0 cm hệ số trùng phùng nhỏ 1,14 bề dày mật độ 1,0 g/cm bề dày 3,69 cm, độ chênh lệch hệ số trùng phùng nhỏ so với hệ số trùng phùng