In this study, the contribution of multiple scattering component in Compton profile was determined when the photon beam of 662 keV were scattered on C45 steel tar[r]
(1)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Hồng Đức Tâm tgk
_
NGHIÊN CỨU ĐÓNG GÓP CỦA THÀNH PHẦN TÁN XẠ
NHIỀU LẦN TRONG PHỔ TÁN XẠ COMPTON ĐO BẰNG ĐẦU DỊ NHẤP NHÁY NaI(Tl)
HỒNG ĐỨC TÂM*, HUỲNH ĐÌNH CHƯƠNG**, NGUYỄN THỊ MỸ LỆ*** , VÕ HOÀNG NGUYÊN**, TRẦN THIỆN THANH****, CHÂU VĂN TẠO*****
TĨM TẮT
Trong nghiên cứu này, chúng tơi sẽ tính tốn lượng đóng góp tán xạ nhiều lần trong phổ tán xạ đối với chùm photon lượng 662keV tán xạ bia thép C45 góc tán xạ 120o Đểđánh giá sựảnh hưởng đường kính ống chuẩn trực đầu dị việc hạn chế số kiện tán xạ nhiều lần, chúng tơi sử dụng ống chuẩn trực có đường kính kích thước 3,0cm 9,5cm Kết nghiên cứu cho thấylượng đóng góp tán xạ nhiều lần đáng kểđặc biệt ởcác bia có độ dày lớn Bên cạnh đó, nghiên cứu việc sử dụng ống chuẩn trực đầu dị có kích thước nhỏ hơn không làm tăng đáng kể tỉ số tín hiệu nhiễu Kết nghiên cứu sởđể chúng đưa phương pháp phân tích phù hợp cho việc phân tích phổ tán xạ
Từ khóa: tán xạ nhiều lần, NaI(Tl), Compton ABSTRACT
A study on multiple scattering component in compton profile determined by NaI(Tl) scintillator
In this study, the contribution of multiple scattering component in Compton profile was determined when the photon beam of 662 keV were scattered on C45 steel target at scattering angle of 120o The effect of diameter of detector collimator to reduce the multiple scattering component was also studied with detector collimator of 3.0cm and 9.5 cm in diameters The results showed that the contribution of multiple scattering component is considerable, especially with thick targets In addition, the study also showed that the use of detector collimator of smaller diameter had not significant increased the ratio of signal to noise This study is the basic to make appropriate methods for analyzing scattering spectrum
Keywords: Multiple scattering, NaI(Tl), Compton
1. Giới thiệu
Hiện nay, đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) sử dụng nhiều ứng dụng đo độ dày vật liệu [5], dị tìm lắng đọng paraffin bên đường ống [7]… loại đầu dị có có nhiều ưu điểm hiệu suất dò cao, chếđộ vận hành đơn giản cần kết nối với máy tính qua giao thức USB đặc biệt không cần làm lạnh hoạt động Tuy nhiên, nhược điểm đầu dò NaI(Tl) độ phân giải so sánh
*
TS, Trường Đại họcSư phạm TPHCM; Email: hoangductam@hcmup.edu.vn
**
ThS, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TPHCM
***
CN, Trường Đại học Sư phạm TPHCM
****
TS, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TPHCM
*****
(2)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 9(87) năm 2016
_
với đầu dị bán dẫn HPGe Do đó, phổ tán xạ Compton ghi nhận loại đầu dò thường chồng chập thành phần tán xạ lần tán xạ nhiều lần, điều gây khó khăn cho việc xử lí phổđể trích xuất thơng tin cần thiết [1] Thông thường, tán xạ lần thơng tin quan tâm, tán xạ nhiều lần xem nhiễu làm giảm độ xác kết Do vậy, cần phải có nghiên cứu thực nghiệm sựđóng góp thành phần nhằm loại bỏ chúng phổ tán xạ
Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề tán xạ nhiều lần cách hạn chế ảnh hưởng Giải pháp mang tính kĩ thuật mà Priyada cộng [8] thực để hạn chế tán xạ nhiều lần cách sử dụng ống chuẩn trực đầu dò nhỏ đồng thời sử dụng đầu dò HPGe với độ phân giải tốt để ghi nhận phổ tán xạđóng góp chủ yếu thành phần tán xạ lần Ưu điểm phương pháp thu nhận thông tin cần thiết (phổ tán xạ lần) cách trực tiếp thực với nguồn có hoạt độ lên đến vài Ci Một giải pháp khác mà Singh cộng [9] tiến hành tính tốn đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần dựa việc tái tạo phổ tán xạ lần phương pháp giải tích Khi phổ tán xạ nhiều lần thu cách trừ phổ tán xạ tổng với phổ tán xạ lần
Trong nghiên cứu này, phương pháp xử lí phổ dựa kết hợp phương pháp xử lí phổ cải tiến [5] với phương pháp Singh [9] đưa để xác định thành phần tán xạ nhiều lần phổ tán xạCompton Ưu điểm phương pháp kết hợp xác định đỉnh phân bố Gauss (đóng góp chủ yếu tán xạ lần) cách dễ dàng dựa việc làm khớp bình phương tối thiểu sử dụng chương trình Colegram [6] Đồng thời, phép đo tán xạđược tiến hành đểđánh giá sựđóng góp tán xạ nhiều lần phổ thực nghiệm bề dày bia ống chuẩn trực đầu dị đường kính khác
2. Phương pháp thực nghiệm 2.1 Phương pháp
Nghiên cứu lí thuyết Fernández [3] phổ tán xạ Compton ngồi thành phần tán xạ lần cịn đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần Lượng đóng góp phụ thuộc vào lượng chùm photon tới, loại vật liệu cách bố trí thí nghiệm
Đểtính lượng đóng góp số kiện tán xạ nhiều lần, phương pháp Singh cộng [9] sử dụng tính tốn phổ phân bố tạo kiện tán xạ lần Từđó, số kiện tán xạ nhiều lần thu cách lấy phổ tổng trừđi phổ tán xạ lần
Số photon tán xạ lần bia có độ dày X0 tương ứng với lượng E
đến đầu dò xác định [9]:
0 t t i X x x e 0 C d
n(E) n e e d dx
X d (1)
ởđây: C thông lượng photon tới; X0là độ dày bia; ne số electron/cm
(3)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Hồng Đức Tâm tgk
_
đường photon từđiểm tán xạđến khỏi bia; µi µt hệ số suy giảm toàn phần photon vào khỏi vật liệu tương ứng với lượng E0 E, với E0 E có mối quan hệ:
0
2
E E
E
1 cos
m c
(2)
với E0là lượng chùm photon tới, E lượng chùm photon tán xạ góc tán xạ
Trong ứng dụng kĩ thuật gamma tán xạnhư xác định độ dày vật liệu [5], xác định vịtrí ăn mịn [8], thơng tin cần xác định để phục vụ cho nghiên cứu phổ phân bố tán xạ lần (được xem tín hiệu) Tuy nhiên, phép đo thực tế phổ tán xạ ghi nhận đầu dị, có số kiện đóng góp tán xạ nhiều lần (được xem nhiễu) phân bố phổthu có chồng chập tán xạ lần nhiều lần Một phép đo xác yêu cầu tỉ số tín hiệu nhiễu (S/N) lớn tốt Do vậy, vấn đề quan trọng cần đánh giá lượng đóng góp thành phần tán xạ nhiều lần đểcó phương án xử lí phổ phù hợp hạn chếlượng đóng góp loại tán xạ
Để tính tốn lượng đóng góp này, chúng tơi thực sau: Đầu tiên, phổ tán xạthu được, làm khớp đỉnh phổ tạo đóng góp chủ yếu tán xạ lần hàm khớp dạng Gauss sử dụng phương pháp xử lí phổ cải tiến [5] Sau đó, số kiện tán xạ lần xác định cách lấy diện tích đỉnh Gauss từ trình làm khớp chia cho tỉ số đỉnh tổng (P/T) Số kiện bắt nguồn từ tán xạ nhiều lần thu cách lấy phổ tổng trừđi phổ tán xạ lần
Đểxác định tỉ số P/T, phổ phân bốđộ cao xung ghi nhận photon lượng 224,9 keV mô phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 [10] Giá trịnăng lượng 224,9 keV chọn lượng chùm photon tán xạở góc 120onhư bố trí thí nghiệm nghiên cứu Tỉ số P/T phụ thuộc vào lượng chùm photon tới, loại đầu dị sử dụng cách bố trí thí nghiệm
Với việc sử dụng Tally F8, đầu chương trình mơ phổ phân bốđộ cao xung Để phổthu có dạng giống phổ thực nghiệm, sử dụng thẻ FT8 với hàm bề rộng nửa (FWHM) đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) có dạng [2]:
2
FWHM a b E cE (3)
với a = – 0,0137257 MeV; b = 0,0739501 MeV1/2 c = – 0,152982 MeV–1 [4]
Để phổ phân bốđộ cao xung thu đảm bảo mặt thống kê, số lịch sử hạt 1.109 hạt đưa vào tính
2.2 Bố trí thực nghiệm
(4)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 9(87) năm 2016
_
kênh Nguồn 137Cs có hoạt độ mCi đặt khối chì dạng trụ Ống chuẩn trực nguồn có đường kính 1cm
Để đánh giá đóng góp tán xạ nhiều lần, chúng tơi sử dụng hai loại ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0 cm 9,5 cm Bố trí thí nghiệm trình bày Hình Với bố trí này, chùm photon sau khỏi nguồn tán xạtrên bia đến đầu dị có lượng 224,9 keV
Hình Bố trí thí nghiệm đo tán xạ nhiều lần với trường hợp ống chuẩn trực đầu dò có đường kính 3,0 cm
3. Kết quả 3.1. Tỉ số P/T
Để tính tỉ số P/T, tiến hành mô Monte Carlo với nguồn có lượng 224,9 keV đặt vị trí bia bố trí thí nghiệm đo phổ tán xạ Phổ mô thu cho hai trường hợp ống chuẩn trực có đường kính 3,0cm 9,5cm trình bày Hình
a) b)
Hình Phổ mơ Monte Carlo đỉnh lượng toàn phần 224,9 keV
(5)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Hồng Đức Tâm tgk
_
Tỉ sốP/T xác định dựa việc xử lí liệu từ phổ mơ sử dụng chương trình Colegram [6] Kết quảđược trình bày Bảng
Bảng Các thông số phổthu từ mô MCNP5
Ống chuẩn trực
đường kính 9,5cm
Ống chuẩn trực
đường kính 3,0cm
Năng lượng đỉnh
quang điện (keV) 224,5 224,5
FWHM (keV) 21,5 21,3
Tỉ số P/T 0,8429 0,9253
Từ Bảng thấy lượng đỉnh quang điện FWHM gần không thay đổi đường kính ống chuẩn trực đầu dị, nhiên tỉ số P/T lại có thay đổi lớn Điều hồn tồn hợp lí tỉ số P/T phụ thuộc vào góc khối nhìn đầu dị tất nhiên chúng khác trường hợp đường kính ống chuẩn trực đầu dị khác
3.2. Kết quảtính tốn lượng đóng góp của thành phần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton
Kết xác định số đếm tán xạ lần, số đếm tỉ lệ đóng góp tán xạ nhiều lần (với thời gian ghi nhận chuẩn giờ) phổ tán xạ Compton ghi nhận với bềdày bia thép khác cho hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dò 3,0 cm 9,5 cm trình bày Bảng Bảng
Bảng Số liệu tán xạ lần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0 cm
Độ dày vật liệu (mm)
Số kiện tán xạ một lần
Số kiện tán xạ nhiều lần
Tỉ lệ(%) đóng góp của tán xạ nhiều lần
trong phổ
3,4 2039 2336 53,4
5,4 2899 3856 57,1
6,2 3053 4510 59,6
9,2 3784 5908 61,0
10,1 3854 6232 61,8
12,3 3982 7043 63,9
15,7 4209 8148 65,9
18,3 4077 8287 67,0
20,3 4166 8777 67,8
23,3 4323 9059 67,7
24,0 4286 9200 68,2
(6)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 9(87) năm 2016
_
Bảng Số liệu tán xạ lần tán xạ nhiều lần phổ tán xạ Compton với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 9,5cm
Độ dày vật liệu (mm)
Số kiện tán xạ
một lần
Số kiện tán xạ
nhiều lần
Tỉ lệ(%) đóng góp
của tán xạ nhiều lần phổ
3,4 13035 16616 56,0
5,4 17349 28024 61,8
6,2 18733 31821 62,9
9,2 22274 46054 67,4
10,1 22796 48734 68,1
12,3 24291 55982 69,7
18,3 26104 69289 72,6
20,3 26648 71594 72,9
23,3 27142 75120 73,5
24,0 27021 75639 73,7
25,4 26701 75647 73,9
Sự phụ thuộc tán xạ nhiều lần vào độ dày bia thể Hình Từ đồ thị hình cho thấy rằng, với thời gian đo, số kiện tán xạ nhiều lần giảm đáng kể dùng ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm so sánh với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 9,5cm Tuy nhiên, vấn đềởđây số kiện tán xạ lần giảm theo đáng kể (Bảng 3) vấn đề giảm tán xạ nhiều lần trường hợp không mang ý làm tăng tính thống kê phép đo Thực vậy, thấy từ bảng tỉ lệđóng góp tán xạ nhiều lần phổtrong hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm giảm ít, tối đa 6% tất bề dày khảo sát so sánh với ống chuẩn trực có đường kính 9,5cm
(7)TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Hồng Đức Tâm tgk
_
Đồ thị Hình tỉ số tín hiệu nhiễu giảm độ dày vật liệu tăng lên, điều có nghĩa số kiện tán xạ nhiều lần tăng tăng độ dày vật liệu Do vậy, để hạn chế tán xạ nhiều lần, cần sử dụng bia với độ dày mỏng
Hình Tỉ số tín hiệu nhiễu (S/N) ống chuẩn trực đầu dị có kích thước khác
4. Kết luận
Bài báo đưa phương pháp xử lí phổ kết hợp để tính tốn lượng đóng góp tán xạ nhiều lần phổ tán xạkhi đo đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) Theo đó, tỉ lệđóng góp tán xạ nhiều lần hai trường hợp khảo sát (với ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm 9,5cm) thay đổi theo độdày bia lên đến 68,1% ống chuẩn trực 3,0cm 73,9% ống chuẩn trực 9,5cm Với hai kích thước đầu dị mà chúng tơi khảo sát, thấy đầu dò nhấp nháy việc sử dụng ống chuẩn trực nhỏkhơng làm tăng tính thống kê số đếm Tuy nhiên nhận định ban đầu, cần phải khảo sát thêm nhiều đường kính ống chuẩn trực để đến kết luận tin cậy Cũng cần nói thêm rằng, cách tốt để hạn chế tán xạ nhiều lần đặt cửa sổnăng lượng quanh đỉnh tán xạđủ nhỏđể loại bỏ thành phần Tuy nhiên, cách làm phù hợp với đầu dị có độ phân giải tốt, cụ thể HPGe, với loại đầu dò NaI(Tl) thăng giáng lượng quanh đỉnh tán xạ lớn nên cách làm không khả thi Giải pháp cần thiết sử dụng kĩ thuật phân tích phổ phù hợp
Ghi chú: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Sư phạm TPHCM qua Đề