Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ BẢO NGỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật Lý Học Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG Người thực hiện: Trần Thị Bảo Ngọc Người hướng dẫn khoa học: ThS Lê Quang Vương Chuyên ngành: Vật Lý Học Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 i LỜI CẢM ƠN Trong trình thực khóa luận, em nhận nhiều giúp đỡ từ Thầy Cô, bạn bè gia đình Đặc biệt em xin gửi đến ThS Lê Quang Vương, giảng viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn chân thành Thầy tận tình bảo giúp đỡ em nhiều suốt q trình làm khóa luận Q trình thầy hướng dẫn, em học hỏi nhiều kiến thức mới, phương pháp làm việc khoa học có định hướng cho tương lai Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt vốn kiến thức quý báu để em có đủ tảng kiến thức để thực đề tài Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận dành thời gian để đọc, phát sai sót có góp ý quý giá giúp khóa luận hoàn thành tốt Em chân thành cảm ơn bạn lớp Cử nhân Vật lý A K42; anh chị, bạn bè phịng thí nghiệm Vật lý Hạt Nhân, trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh ln đồng hành, giúp đỡ động viên để em hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ thành viên gia đình ln ủng hộ, tạo điều kiện tốt để em tập trung làm việc hồn thành khóa luận ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HPGe IAEA MCNP FEPE iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Hình 1.2 Hiệu ứng Compton Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp Hình 1.4 Sơ đồ phân rã đồng vị 238 U Hình 1.5 Sơ đồ phân rã đồng vị 232 Th Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) tập tin đầu vào 13 Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) tập tin đầu vào 15 Hình 2.3 Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) tập tin đầu vào 16 Hình 2.4 Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) tập tin đầu vào 17 Hình 2.5 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe 18 Hình 3.1 Mơ hình hệ phổ kế gamma xây dựng chương trình MCNP6 21 Hình 3.2 Phổ thực nghiệm đỉnh lượng mô mẫu IAEARGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV) 22 Hình 3.3 Phổ thực nghiệm đỉnh lượng mô mẫu IAEARGU-1 (0,5 MeV – MeV) 23 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào chương trình MCNP6 12 Bảng 2.2 Các loại mặt định nghĩa MCNP6 14 Bảng 2.3 Các định nghĩa tham số MCNP6 16 Bảng 2.4 Thông số hình học đầu dị GEMP4-83 nhà sản suất cung cấp 18 Bảng 2.5 Thông số mẫu chuẩn 19 Bảng 2.6 Hàm lượng thành phần nguyên tố chứa mẫu chuẩn .19 Bảng 2.7 Hàm lượng thành phần nguyên tố chứa mẫu chuẩn .20 Bảng 3.1 Thời gian đo phổ gamma mẫu chuẩn 22 Bảng 3.2 Hoạt độ mẫu chuẩn 24 Bảng 3.3 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu IAEA-RGU-1 25 Bảng 3.4 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu IAEA-RGTh-1 .26 Bảng 3.5 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu IAEA-434 26 Bảng 3.6 Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu IAEA-447 27 Bảng 3.7 Độ sai biệt hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính tốn mơ mẫu IAEA-RGU-1 28 Bảng 3.8 Độ sai biệt hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính tốn mô mẫu IAEA-RGTh-1 29 Bảng 3.9 Độ sai biệt hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính tốn mơ mẫu IAEA-434 29 Bảng 3.10 Độ sai biệt hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính tốn mơ mẫu IAEA-447 30 v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG iv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Hiệu ứng Compton 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 1.2 Chuỗi phân rã phóng xạ 1.2.1 Chuỗi phân rã đồng vị 238 1.2.2 Chuỗi phân rã đồng vị 232 U Th 1.3 Hiệu suất ghi đầu dò 1.3.1 Hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần 1.3.2 Đường cong hiệu suất 1.4 Tóm tắt Chương 10 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 2.1 Chương trình MCNP6 11 2.1.1 Cấu trúc tập tin đầu vào chương trình MCNP6 11 2.1.1.1 Khai báo ô mạng (Cell Cards) 13 2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards) 14 2.1.1.3 Khai báo thẻ liệu (Data Cards) 15 2.2 Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe 17 vi 2.3 Mẫu chuẩn 18 2.4 Tóm tắt Chương 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Bố trí thí nghiệm 21 3.2 Xác định hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần cho mẫu chuẩn 23 3.3 Đánh giá kết hiệu suất đỉnh lượng tồn phần thực nghiệm mơ 28 3.4 Tóm tắt Chương 31 KẾT LUẬN 32 KIẾN NGHỊ 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 36 LỜI MỞ ĐẦU Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) sử dụng phổ biến cho việc phân tích hàm lượng đồng vị phóng xạ phát gamma mẫu mơi trường nhờ vào ưu điểm như: khả phân tích nhiều đồng vị, độ xác cao Điều cần thiết kỹ thuật đo phổ gamma phải xác định hiệu suất đỉnh lượng tồn phần đầu dị Hiệu suất đỉnh lượng toàn phần phụ thuộc vào hình dạng, thành phần, mật độ mẫu đo lượng xạ gamma phát Các phịng thí nghiệm phân tích mơi trường thường sử dụng mẫu chuẩn biết trước hoạt độ cung cấp từ IAEA để đánh giá đường cong hiệu suất cho mẫu đo có dạng hình học định [9,10,11] Một mẫu môi trường phổ biến cho phép đo phổ gamma mẫu đất, quan trọng nghiên cứu địa chất phân tích mối nguy hiểm phóng xạ mơi trường Một số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến đề tài khóa luận như: năm 2012, S Baccouche cộng [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn hiệu suất đầu dò NaI(Tl) CsI(Tl) cho phép đo gamma từ mẫu đất Năng lượng chọn đỉnh 1460 keV ( ) Độ lệch hiệu suất mơ thực nghiệm cho hai đầu dị CsI(Tl) NaI(Tl) không vượt 4%, ngoại trừ hiệu suất lượng 2614 keV 9% Năm 2018, S Mohammad S Farhad Masoudi [10] nghiên cứu thay đổi hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tố mẫu môi trường cách so sánh khác biệt hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 mẫu đất Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng chương trình MCNP để mơ hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe GEM80P495 hãng ORTEC cung cấp Các đỉnh lượng chọn để khảo sát 63,3 keV ( 1; 238,6 ( 212 Pb ), 583,2 keV ( 208 Tl ), 911,2 keV ( 228 Ac ) mẫu IAEA-RGTH-1 1460,8 keV ( đặt vị trí sát mặt đầu dò Thành phần nguyên tố chứa mẫu xác định phương pháp huỳnh quang tia X Nhóm tác giả sử dụng thành phần nguyên tố để tính tốn hiệu suất đỉnh cho mẫu mô Kết độ sai biệt hiệu suất đỉnh ba mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK- mẫu đất không vượt 8%, ngoại trừ đỉnh lượng 63,3 keV có độ sai biệt 8,32% Từ cơng trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đề tài "Nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố mẫu môi trường" Mục đích khóa luận xác định hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu chuẩn IAEA cung cấp Bên cạnh đó, khóa luận cịn thực đánh giá hiệu suất đỉnh thực nghiệm mô áp dụng phương pháp Monte Carlo Đánh giá ảnh hưởng thành phần nguyên tố chứa mẫu chuẩn lên hiệu suất đỉnh Dựa theo nội dung trên, khóa luận chia thành ba chương: Chương trình bày sở lý thuyết tương tác xạ gamma với vật chất; chuỗi phân rã phóng xạ đồng vị lượng tồn phần Chương giới thiệu đối tượng phương pháp nghiên cứu bao gồm: cấu trúc tệp đầu vào chương trình MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe mẫu chuẩn Chương kết thảo luận Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh lượng toàn phần đánh giá kết hiệu suất đỉnh thực nghiệm mô 30 Bảng 3.10 Độ sai biệt hiệu suất đỉnh thực nghiệm tính tốn mơ mẫu IAEA-447 Chuỗi 232 Th 238 232 Th 238 232 U Th 238 232 U U Th Độ sai biệt hiệu suất đỉnh lượng toàn phần trog thực nghiệm tính tốn mơ xác định theo biểu thức (3.6): RD(%) = (3.6) đó, HSTN giá trị hiệu suất đỉnh làm khớp từ thực nghiệm lấy Bảng 3.3 đến Bảng 3.6, HSMP giá trị hiệu suất đỉnh lượng toàn phần có từ mơ 31 Kết so sánh hiệu suất đỉnh lượng toàn phần thực nghiệm mô cho mẫu chuẩn trình bày Bảng 3.7 đến 3.10 Đối với mẫu IAEA-RGU-1, hai đỉnh lượng đồng vị 234 Th đạt phù hợp kết thực nghiệm mô với độ sai biệt nhỏ 7% Trong mẫu IAEA-RGU1 IAEA-RGTh-1, lượng nhỏ 300 keV thường chịu ảnh hưởng tự hấp thụ mẫu, lượng 300 keV thường bị ảnh hưởng hiệu ứng trùng phùng, đặc biệt đồng vị phát nhiều đỉnh lượng 214 214 Bi, Pb (trong mẫu IAEA-RGU-1), 228Ac, 208Tl (trong mẫu IAEA-RGTh-1) Vì gây chênh lệch lớn hiệu suất thực nghiệm mơ phỏng, mẫu cịn lại tương tự Một số nguyên nhân dẫn đến giá trị thực nghiệm có độ sai biệt lớn so với mơ phỏng: o Thăng giáng thống kê phép đo hiệu suất thực nghiệm o Phép đo hiệu suất thực nghiệm chưa hiệu chỉnh thông số hiệu ứng trùng phùng vị phóng xạ phát nhiều xạ gamma o Chưa hiệu chỉnh hệ số tự hấp thụ mẫu o Kết hiệu suất mô cao so với giá trị thực nghiệm sau thời gian sử dụng thơng số đầu dị bị thay đổi bề dày lớp chết Bề dày thực tế lớp chết tăng lên so với giá trị nhà sản xuất cung cấp sử dụng mô Khi đó, lớp chết mặt ngồi tinh thể gây hiệu ứng che chắn làm suy giảm thể tích vùng nhạy đầu dị khiến việc ghi nhận tín hiệu xạ suy giảm, dẫn đến hiệu suất giảm đặc biệt vùng lượng thấp (dưới 100 keV) Sự gia tăng bề dày lớp chết mặt tinh thể làm giảm hiệu suất vùng lượng cao [3] 3.4 Tóm tắt Chương Trong chương 3, khóa luận trình bày cách bố trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh thực nghiệm cho bốn mẫu chuẩn khoảng lượng từ 46,5 keV đến 2614,5 keV Bên cạnh đó, khóa luận thực đánh giá kết hiệu suất đỉnh thực nghiệm mô với độ sai biệt cao đồng vị phát nhiều xạ gamma 214 Bi, 214 Pb, giải thích nguyên nhân gây độ sai biệt 32 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố mẫu mơi trường, khóa luận đạt kết sau: o Xác định hiệu suất đỉnh lượng toàn phần cho bốn mẫu chuẩn khoảng lượng từ 46,5 keV đến 2614,5 keV với độ sai biệt kết thực nghiệm hiệu suất đỉnh có từ việc làm khớp khơng vượt q 8,50%, ngoại trừ đỉnh lượng 661,7 keV đồng vị biệt 13,37% 137 Cs mẫu IAEA-443 có độ sai o Đánh giá kết hiệu suất đỉnh thực nghiệm mô đạt phù hợp kết thực nghiệm mô hai đỉnh lượng đồng vị 234 Th với độ sai biệt nhỏ 7% Đối với đồng vị phát nhiều xạ gamma 214 Bi, 214Pb, 208Tl, 228Ac có độ sai biệt cao Giải thích ngun nhân dẫn đến độ sai biệt oĐánh giá ảnh hưởng hiệu suất đỉnh vào thành phần nguyên tố mẫu chuẩn Do khóa luận sử dụng thành phần nguyên tố chứa mẫu chuẩn tham khảo từ hai cơng trình nghiên cứu S Baccouche [9] cộng A R Iurian cộng [11] để thực mô phỏng, nên dẫn đến độ sai biệt cao thực nghiệm mô 33 KIẾN NGHỊ Như vậy, khóa luận hồn thành mục tiêu đề Để đạt kết tốt việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng hiệu suất vào thành phần nguyên tố mẫu mơi trường khóa luận kiến nghị đề tài nghiên cứu có hướng phát triển sau: oĐánh giá hệ số tự hấp thụ mẫu chuẩn IAEA thực nghiệm oĐánh giá hiệu ứng trùng phùng đồng vị phóng xạ phát nhiều đỉnh lượng 214 Bi, 214 Pb oXác định hoạt độ mẫu mơi trường để đánh giá độ xác phương pháp 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Ngô Quang Huy, (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật [2]Hoàng Đức Tâm, (2019), Phân tích sai số liệu thực nghiệm, NXB Đại học Sư Phạm, Thành phố Hồ Chí Minh [3]L T N Trang, H D Chuong, and T T Thanh, (2019), “Efficiency calibration for HPGe detector by Monte Carlo efficiency transfer method,” Sci Technol Dev J - Nat Sci., vol 3, no SE-Original Research [4] Nguyễn Ngọc Lệ, (2013), “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng nguyên tố phóng xạ mẫu thực vật phương pháp phổ gamma”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội [5]Trần Ái Khanh, (2008), Khảo sát hiệu suất detector HPGe với hình học mẫu lớn phương pháp Monte Carlo, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, 2008 [6]Đặng Nguyên Phương, (2015), “Hướng dẫn sử dụng MCNP cho hệ điều hành Windows”, nhóm NMTP Tài liệu nước ngồi [7]G K Skinner, (1996), Practical gamma-ray spectrometry, vol 52, no [8]U S Customs, B Protection, D Nuclear, and D Office, (2011), “Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling” [9]S Baccouche,D Al-Azmi, N Karunakara, and A Trabelsi, (2012), “Application of the Monte Carlo method for the efficiency calibration of CsI and NaI detectors for gamma-ray measurements from terrestrial samples,” Appl Radiat Isot., vol 70, no 1, pp 227–232 [10] S Mohammad Modarresi and S Farhad Masoudi, (2018), “On the gamma spectrometry efficiency of reference materials and soil samples,” J Environ Radioact., vol 183, no July 2017, pp 54–5 35 [11] A R Iurian, A Pitois, G Kis-Benedek, A Migliori, R Padilla- Alvarez, and A Ceccatelli, (2016), “Assessment of measurement result uncertainty in determination of 210Pb with the focus on matrix composition effect in gamma-ray spectrometry,” Appl Radiat Isot., vol 109, pp 61–69 [12] Vuong L.Q, Tao C.V, Thanh T.T, (2017), Revision of nuclear data of U-235 and Ra-226 for the 186 keV gamma-ray peak for the determination of activity in environmental samples, J Radioanal Nucl Chem 314:1273-1277 [13] 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 tham khảo [14] IAEA/RL/148, 1987 [15] http://www.nucleide.org/Laraweb/index.php https://nucleus.iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages /Index-for Radionuclides.aspx [16] 36 PHỤ LỤC PHỤ LỤC A Hình P.A Mẫu chuẩn 37 PHỤ LỤC B Bảng P.B.1 Diện tích đỉnh lượng tồn phần mẫu chuẩn IAEA-RGU-1 Chuỗi 238 U Bảng P.B.2 Diện tích đỉnh lượng tồn phần mẫu chuẩn IAEA-RGTH-1 Chuỗi 232 Th 38 Bảng P.B.3 Diện tích đỉnh lượng tồn phần mẫu chuẩn IAEA-434 Chuỗi 238 U Bảng P.B.4 Diện tích đỉnh lượng toàn phần mẫu chuẩn IAEA-447 232 238 232 238 39 PHỤ LỤC C Bảng P.C Xác suất phát gamma đồng vị phóng xạ ứng với lượng [15] Chuỗi 238 232 U Th ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG Người thực hiện:... luận chọn tên đề tài "Nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất ghi đỉnh lượng toàn phần vào thành phần ngun tố mẫu mơi trường" Mục đích khóa luận xác định hiệu suất đỉnh lượng toàn phần mẫu chuẩn IAEA cung... phóng xạ đến hiệu suất ghi đỉnh lượng tồn phần đầu dò Các vấn đề tảng sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hiệu suất đỉnh lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố mẫu chuẩn