Nghiên cứu phương pháp xác định thành phần tán xạ một lần và nhiều lần trong phép đo tán xạ gamma và đánh giá sự biến thiên của chúng theo các thông số hình học khác nhau

Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh hí Minh Ch BÁO CÁO TỔNG KẾT Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp xác định thành phần tán xạ lần nhiều lần phép đo tán xạ gamma đánh giá biến thiên chúng theo thơng số hình học khác Ngày tháng 06 năm 2017 Chủ tịch hội đồng nghiệm thu (Họ tên, chữ ký) Trần Quốc Dũng Ngày tháng 06 năm 2017 Cơ quan chủ quản Ngày 19 tháng 06 năm 2017 Chủ nhiệm (Họ tên chữ ký) Châu Văn Tạo Ngày tháng 06 năm 2017 Cơ quan chủ trì (Họ tên, chữ ký, đóng dấu) TP.HCM, tháng 06 năm 2017 MỤC LỤC TÓM TẮT ABSTRAC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI CẢM ƠN BÁO CÁO TÓM TẮT Trang Chương - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Nhận xét chương I 10 Chương - HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ VÀ CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG GEANT4 11 2.1 Hệ đo gamma tán xạ 11 2.1.1 Khối nguồn 11 2.1.2 Bia tán xạ 13 2.1.2.1 Bia nhôm dạng phẳng 13 2.1.2.2 Bia thép hình trụ đặc 14 2.1.3 Khối đầu dò 15 2.1.3.1 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) 15 2.1.3.2 Osprey 17 2.1.4 Hệ khung học giá đỡ 18 2.1.5 Bố trí hệ đo 19 2.2 Chương trình mơ GEANT4 20 2.2.1 Giới thiệu chung GEANT4 20 2.2.2 Phương pháp Monte Carlo sử dụng GEANT4 20 2.2.3 Cấu trúc chương trình GEANT4 21 2.3 Nhận xét chương II 23 Chương - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24 3.1 Kết nghiên cứu nội dung 24 3.1.1 Xây dựng code mơ Monte Carlo theo cấu hình hệ đo 24 3.1.2 Đánh giá độ xác kết mơ 24 3.2 Kết nghiên cứu nội dung 25 3.3 Kết nghiên cứu nội dung 28 3.3.1 Sự phụ thuộc diện tích đỉnh tán xạ theo bề dày bia 28 3.3.1.1 Dữ liệu mô 28 3.3.1.2 Dữ liệu thực nghiệm 30 3.3.2 Ảnh hưởng khoảng cách từ bia đến đầu dò lên thành phần tán xạ 32 3.3.3 Ảnh hưởng đường kính ống chuẩn trực nguồn lên thành phần tán xạ 35 3.4 Nhận xét chương III 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 TĨM TẮT Trong đề tài này, chúng tơi cải tiến hệ thiết bị tán xạ có môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-TpHCM để nghiên cứu trình tán xạ vật liệu, cụ thể nghiên cứu vật liệu thép nhơm Song song đó, chương trình mô MCNP5 Geant4 sử dụng để kiểm tra độ xác đáp ứng phổ gamma phổ tán xạ từ thực nghiệm Đặc biệt là, thành công việc sử dụng Geant4 việc tách trình tán xạ thứ cấp (tán xạ lần, tán xạ hai lần, tán xạ lần tán xạ nhiều lần) Kết nghiên cứu ra: - Kết thực nghiệm có phụ thuộc cường độ tán xạ lần, nhiều lần theo đường kính ống chuẩn trực khoảng cách từ bia tới đầu dò - Kết mô đáp ứng MCNP5 phù hợp dạng hàm đáp ứng mơ thực nghiệm Kết tính tốn đường cong bão hịa mơ cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm - Kết mô chương trình Geant4 cho thấy phù hợp với đáp ứng phổ thực nghiệm tách thành phần tán xạ Đây kết nghiên cứu nhóm Đề tài thu sản phẩm bao gồm: - Công bố 01 báo ISI, 03 báo tạp chí phát triển ĐHQG-TpHCM 01 báo cáo hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc - Đăng ký 02 giải pháp hữu ích cục sở hữu trí tuệ - Đã hướng dẫn thành công 01 luận án tiến sĩ, 04 luận văn thạc sĩ 04 khóa luận tốt nghiệp đại học ABSTRACT In this project, we have improved the Compton scattering system on the department of Nuclear physics, VNUHCM-University of Science, which study on the scattering of the steel and aluminum material Parallel, The MCNP5 and Geant4 codes were using to evaluate gamma spectra response of the experiment The simulation result shows that it is a good agreement with the experimental value Moreover, we have succeeded in using Geant4 in the separation of secondary scattering processes (single scattering, double scattering, third scattering, and multiple scattering) The research present that: - The experimental measurements were performed that there is a dependence on the collimator and distance of the scattering intensity - The simulation of the MCNP5 code shows that a response function between simulation and experiment The results of the saturation curve of the simulation result in good agreement with the experiment - The Geant4 code presents that a good agreement with the experiment and it canbe separeted the Compton components (single scattering, double scattering, third scattering, and multiple scattering) This is a new research result of the group The result of the project includes that: - Published 01 ISI article, 03 articles in Journal of Science and Technology Development, Vietnam National University – Ho Chi Minh City and 01 article at the National Nuclear Science and Technology Conference - Registed 02 Intellectual Propertyto the Department of Intellectual Property - Supervior: 01 doctoral dissertation, 04 master's theses and 04 under-graduation theses DANH MỤC CÁC BẢNG TT Bảng Diễn giải 2.1 Đặc trưng phát tia X tia gamma nguồn 137Cs 11 2.2 Hàm lượng nguyên tố nhôm 5052 14 2.3 Hàm lượng nguyên tố thép C45 14 3.1 Tổng số đếm thành phần tán xạ khoảng cách bia – đầu dò 16cm 26 3.2 Tỉ số thành phần tán xạ / số đếm tổng 27 3.3 Diện tích đỉnh tán xạ mơ theo bề dày bia 29 3.4 Kết làm khớp đường cong bão hịa mơ 29 3.5 Diện tích đỉnh tán xạ thực nghiệm theo bề dày bia 31 3.6 Kết làm khớp đường cong bão hòa thực nghiệm 31 10 3.7 Diện tích đỉnh tán xạ lần ba khoảng cách bia – đầu dò 32 11 3.8 Diện tích vùng tán xạ nhiều lần ba khoảng cách bia – đầu dò 33 12 3.9 Diện tích tán xạ tổng ba khoảng cách bia – đầu dò 33 13 3.10 Tỉ số diện tích đỉnh tán xạ theo khoảng cách bia – đầu dò 34 14 3.11 Tỉ số tán xạ nhiều lần tán xạ tổng theo khoảng cách bia – đầu dị 35 15 3.12 Diện tích đỉnh tán xạ lần ứng với ống chuẩn trực nguồn 36 16 3.13 Diện tích vùng tán xạ nhiều lần ứng với ống chuẩn trực nguồn 37 17 3.14 Diện tích tán xạ tổng ứng với ống chuẩn trực nguồn 37 18 3.15 Tỉ số diện tích đỉnh tán xạ theo đường kính ống chuẩn trực nguồn 38 19 3.16 Tỉ số tán xạ nhiều lần/tán xạ tổng theo đường kính ống chuẩn trực nguồn 39 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang TT Hình Diễn giải Trang 1.1 Phổ tán xạ tổng đỉnh phổ tán xạ Compton lần 1.2 Phổ tán xạ tổng, phổ tán xạ nhiều lần phổ tán xạ lần 1.3 So sánh kiện tán xạ nhiều lần xác định phương pháp thực nghiệm Monte Carlo 2.1 Mơ hình nguồn phóng xạ 137Cs 11 2.2 Mơ hình hộp chứa nguồn 12 2.3 Mơ hình ống chuẩn trực nguồn với đường kính 1,0cm 13 2.4 Cách lắp ráp chi tiết khối nguồn 13 2.5 Các bia nhôm với bề dày khác 14 2.6 Các bia thép C45 hình trụ đặc 15 10 2.7 Đầu dò NaI(Tl) 802 Canberra sản xuất 16 11 2.8 Mơ hình khối đầu dị có trang bị ống chuẩn trực 17 12 2.9 Giao diện chương trình Genie – 2000 17 13 2.10 Mơ hình xe nâng khung di chuyển 18 14 2.11 Bố trí thực nghiệm hệ đo tán xạ ngược gamma bia nhôm 19 15 2.12 Sơ đồ cấu trúc chương trình GEANT4 22 16 3.1 Mơ hình hệ đo tán xạ ngược gamma mô 24 17 3.2 So sánh phổ thực nghiệm mô bia 70,6mm 24 18 3.3 Các thành phần phổ gamma tán xạ bia nhôm dày 70,6mm 25 19 3.4 Tổng số đếm thành phần tán xạ khoảng cách bia – đầu dò 16cm 26 20 3.5 Tỉ lệ đóng góp thành phần tán xạ thay đổi theo bề dày bia 28 21 3.6 Đường cong bão hịa mơ 30 22 3.7 Đường cong bão hịa thực nghiệm 30 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực đề tài này, nhóm nghiên cứu nhận nhiều giúp đỡ tận tình Phịng Khoa học Cơng nghệ, Phịng Thanh tra pháp chế Sở hữu trí tuệ, Phịng Kế hoạch Tài bạn đồng nghiệp gần xa Nhân đây, xin cho phép nhóm nghiên cứu gửi lời biết ơn chân thành trân trọng đến: • Đại học Quốc gia Tp.HCM tài trợ cho nhóm nghiên cứu thực đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định thành phần tán xạ lần nhiều lần phép đo tán xạ gamma đánh giá biến thiên chúng theo thơng số hình học khác nhau”, mã số: B2015-18-03 • Phịng KHCN phịng KHTC tạo điều kiện thuận lợi trình phê duyệt, thực nghiệm thu đề tài • Phịng TTPC&SHTT tạo điều kiện thuận lợi trình đăng ký sản phẩm sở hữu trí tuệ • Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn hội đồng nghiệm thu có ý kiến đóng góp giúp cho tổng kết hồn chỉnh • Q Thầy/Cơ, q đồng nghiệp Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-TpHCM tạo nhiều điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian thực Tp.HCM, ngày tháng 05 năm 2017 Đại diện nhóm nghiên cứu Châu Văn Tạo CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới Tán xạ lần tán xạ nhiều lần thành phần đặc trưng ghi nhận phép đo tán xạ gamma Ở đó, liệu tán xạ lần đối tượng quan tâm nhà nghiên cứu, ứng dụng nghiên cứu kỹ thuật phân tích để phục vụ cho lĩnh vực cơng nghiệp y tế Trong đó, tán xạ nhiều lần xem thành phần gây nhiễu cần phải loại trừ Tuy nhiên, phân biệt thành phần tán xạ lần tán xạ nhiều lần công việc phức tạp, chồng chập chúng phổ lượng ghi nhận biến thiên khác thành phần theo điều kiện đo khác Cho đến nay, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu công bố nỗ lực xác định thành phần tán xạ lần tán xạ nhiều lần, đánh giá ảnh hưởng điều kiện đo khác (như thơng số hình học hệ đo, lượng tia gamma tới, vật liệu bia v.v.) lên kết đo nhằm tối ưu hóa cho phép đo tán xạ gamma Sau đây, số công trình nghiên cứu tiêu biểu trình bày đánh giá Các nghiên cứu công bố nhằm xác định tán xạ lần nhiều lần thực dựa phương pháp sau: giải tích, Monte Carlo, bán thực nghiệm, thực nghiệm Phương pháp giải tích: Trước tiên, cần phải nói đến nghiên cứu Dumond [1] cơng bố năm 1930 Trong cơng trình này, lý thuyết tán xạ cổ điển Thompson hiệu chỉnh Breit cho phân cực sử dụng để tính tốn cho q trình tán xạ photon Từ đó, tác giả đưa biểu thức giải tích cho tính tốn cường độ phân bố phổ tán xạ hai lần theo góc tán xạ với mẫu có dạng khối cầu Năm 1937, Kirkpatrick cơng bố nghiên cứu [10] tính tốn giải tích cho cường độ tán xạ hai lần góc 900 mẫu có dạng cầu trụ, với photon tới trạng thái phân cực Nền tảng nghiên cứu dựa lý thuyết tán xạ Thompson hiệu chỉnh xấp xỉ cho lượng mát electron giật lùi Năm 1976, Tanner Epstein cơng bố nghiên cứu [2] tính tốn giải tích cho xác suất tán xạ Compton lần nhiều lần mẫu dạng trụ phân bố chúng theo góc tán xạ Trong cơng trình này, tổng xác suất tán xạ hai lần phân bố góc tính từ cơng thức tiết diện tán xạ Thompson đẳng hướng so sánh với Kết cho thấy rằng, hầu hết trường hợp hình học mẫu quan trọng dạng tiết diện việc xác định xác suất phân bố góc tán xạ lần nhiều lần Trong năm gần đây, J E Fernández cộng sự, đại học Bologna-Italy, thực nghiên cứu lý thuyết vận chuyển photon cho trường hợp không phân cực phân cực Kết nghiên cứu ứng dụng để xây dựng phần mềm mô nhằm tính tốn cường độ thành phần tán xạ lần nhiều lần Cụ thể: Năm 1991, Fernández công bố nghiên cứu [3] tán xạ hai lần hiệu ứng Compton Rayleigh cho xạ photon không phân cực Trong nghiên cứu này, tác giả đưa biểu thức giải tích cho cường độ tia photon tán xạ hai lần hiệu ứng Compton Rayleigh, bao gồm trình tương tác: Compton-Compton, ComptonRayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh Các biểu thức suy dựa mơ hình lý thuyết vận chuyển Boltzmann cho mẫu dày vô hạn chiếu xạ chùm tia photon đơn Sự phân biệt tán xạ lần nhiều lần đạt dựa lời giải số bậc tương tác phương trình vi phân khả tích Boltzmann Trong cơng trình cơng bố [4-7] vào khoảng thời gian từ năm 1993-1999, Fernández cộng trình bày mơ hình lý thuyết sử dụng phương trình vận chuyển Boltzmann biểu diễn toán học Stokes phân cực để nghiên cứu q trình vận chuyển photon Từ đó, tác giả đưa biểu thức giải tích để tính tốn cho q trình tán xạ mà photon tới trạng thái phân cực Các nghiên cứu cho phép xác định thông tin cường độ tán xạ lần, nhiều lần trạng thái phân cực toàn phần chúng phép đo tán xạ từ mẫu dày vô hạn chiếu chùm tia đơn [4, 7] Đến năm 2007, báo cáo [8] cho thấy phần mềm SHAPE với phương pháp tất định (deterministic) xây dựng nhóm nghiên cứu Fernández đại học Bologna, để mô q trình vận chuyển photon dựa mơ hình lý thuyết nghiên cứu (mơ hình đẳng hướng vector [7]) Một ứng dụng quan trọng phần mềm có hỗ trợ để tính tốn cường độ tán xạ lần nhiều lần cho hình học đo tán xạ Nhận xét: Các cơng trình nêu cho thấy rằng, việc xác định tán xạ lần nhiều lần phương pháp giải tích nghiên cứu cách có hệ thống Tuy nhiên, phương pháp có giới hạn Có thể thấy rằng, tính tốn giải tích thực xây dựng dựa mơ hình đơn giản xem lý tưởng hình học hệ đo tán xạ, nhằm mục đích làm rõ vấn đề q trình tán xạ Với bố trí hình học đo thực tế, phương pháp giải tích khơng thể mơ tả đầy đủ hiệu ứng để tính tốn xác tán xạ nhiều lần Phương pháp Monte Carlo: Năm 1975, Felsteiner Pattison cơng bố tính tốn Monte Carlo cho việc xác định số lượng tán xạ nhiều lần phép đo tán xạ Compton [14] Trong đó, điều kiện đo khác khảo sát, bao gồm biến thiên bề dày mẫu, vật liệu mẫu lượng photon tới Quãng đường tự trung bình photon tới bên vật liệu tán xạ cho thấy đóng vai trị quan trọng việc xác định đóng góp tán xạ nhiều lần Năm 1976, Tanner Epstein đưa tính tốn cho xác suất tổng, phân bố góc phổ lượng tán xạ nhiều lần mẫu dạng trụ có kích thước hữu hạn sử dụng kỹ thuật mơ Monte Carlo [12] Nghiên cứu rằng, việc sử dụng tiết diện Klein-Nishina tiết diện phân cực Thompson gây sai lệch đáng kể cho phân bố góc phổ lượng với tiết diện phân cực trung bình Thompson Đồng thời, bán kính tia photon tới gây ảnh hưởng đáng kể lên xác suất tán xạ nhiều lần phân bố góc cho mẫu hình trụ hữu hạn Các tán xạ ba lần bậc cao cho thấy không đáng kể Năm 1979, V Halonen B Williams công bố nghiên cứu [11] dựa tính tốn Monte Carlo nhằm xác định phân bố góc tán xạ hai lần cho mẫu nhôm Nikel dạng trụ, sử dụng tiết diện Klein-Nishina tương đối tính Trong nghiên cứu này, khác biệt tiết diện Thompson phi tương đối tiết diện Klein-Nishina nghiên cứu lượng khác Bên cạnh đó, ảnh hưởng việc sử dụng tiết diện Ribberfors (hiệu chỉnh cho phân bố động lượng electron) nghiên cứu Nó cho thấy rằng, tiết diện tương đối tính phi tương đối khác biệt lượng 160 keV, phụ thuộc vào lượng hai tiết diện giống cách Hơn nữa, tiết diện tương đối Klein-Nishina Ribberfors khơng có khác đáng kể cho việc tính tốn tán xạ hai lần Năm 2004, Y Kakutani N Sakai công bố nghiên cứu [13] dựa mô Monte Carlo cho phép đo tán xạ Compton với tia X tới phân cực tuyến tính ellip Trong cơng trình này, phổ lượng tán xạ Compton hai lần tính tốn hàm lượng tia X tới số nguyên tử (Z) mẫu có hình dạng kích thước khác ... thiên khác thành phần theo điều kiện đo khác Cho đến nay, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố nỗ lực xác định thành phần tán xạ lần tán xạ nhiều lần, đánh giá ảnh hưởng điều kiện đo khác. .. Phổ tán xạ tổng (d) Đỉnh phổ tán xạ Compton lần Hình 1.1 Phổ tán xạ tổng đỉnh phổ tán xạ Compton lần [17] Tổng Nhiều lần Một lần Hình 1.2 Phổ tán xạ tổng, phổ tán xạ nhiều lần phổ tán xạ lần. .. xác định thành phần tán xạ lần nhiều lần phép đo tán xạ photon giải nhiều phương pháp khác Mỗi phương pháp có ưu hạn chế định Nhưng thực tế rằng, chưa có phương pháp cơng bố mà cho phép xác định