Hình 3.5. Phổ năng lượng so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trong vùng năng lượng (3 – 70) MeV.
Hình 3.5 trình bày kết quả so sánh giữa phổ năng lượng mô phỏng (màu xanh) và phổ năng lượng thực nghiệm (màu đỏ) của bức xạ vũ trụ trên đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng từ (3 – 70) MeV. Kết quả cho thấy, phổ mô phỏng có sự phù hợp tốt so với thực nghiệm, đều là phổ có dạng liên tục, có đỉnh năng lượng nằm ở vùng (36 – 40) MeV.
Với kết quả từ mô phỏng cũng như đo được trong thực nghiệm, đối với hệ đo gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được đặt trong buồng chì, thì bức xạ vũ trụ tác động lên đầu dò NaI(Tl) có dạng phổ liên tục và có đỉnh năng lượng ở vùng (36 – 40) MeV.
Ở vùng năng lượng cao (lớn hơn 3 MeV), mô hình mô phỏng (từ việc xây dựng các đầu dò, vật lý tương tác, cũng như nguồn tạo bức xạ vũ trụ tới từ CRY) trong luận văn
này cho kết quả tốt; cũng dựa vào mô phỏng ta có thể phân tích các thành phần đóng góp của từng loại hạt, mà thực nghiệm không thể đo đạt được.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết luận:
Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng nghiên cứu đáp ứng bức xạ vũ trụ lên hệ đo NaI(Tl) model 802 của hãng Canberra dựa trên nền tảng GEANT4 để xây dựng hệ đo, tương tác vật lý, kết hợp sử dụng phần mềm CRY để tạo nguồn bức xạ vũ trụ tới hệ đo. Từ đó, đánh giá lại sự đúng đắn của quá trình thực nghiệm. Cụ thể các kết quả đạt được như sau:
1. Xây dựng chi tiết hình học hệ đo trên code GEANT4 gồm: đầu dò nhấp nháy plastic, đầu dò NaI(Tl), buồng chì, bố trí thí nghiệm mô phỏng đúng với thực nghiệm.
2. Khai báo được các quá trình tương tác vật lý của nguồn vũ trụ với vật chất trong hệ đo trong GEANT4.
3. Tạo nguồn bức xạ vũ trụ tới (bao gồm neutron, proton, electron, muon, gamma) với các thông tin năng lượng tới, vị trí, hướng bắn, điện tích từ phần mềm CRY. 4. Thực hiện mô phỏng ghi nhận đáp ứng phổ bức xạ vũ trụ trên hai đầu dò nhấp
nháy plastic và đầu dò NaI(Tl). Kết quả cho thấy, phổ năng lượng được hấp thụ khi bức xạ vũ trụ đi qua đầu dò nhấp nháy plastic có đỉnh nằm ở vùng 6 MeV. Đối với đầu dò NaI(Tl), chúng tôi ghi nhận được giải năng lượng từ 0.2 MeV đến 70 MeV. Ở vùng năng lượng thấp (0.2 – 3 MeV) phổ năng lượng xuất hiện đỉnh 0.511 MeV do bức xạ hãm thứ cấp gây ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với vật liệu che chắn xung quanh (buồng chì), ở vùng năng lượng cao (3 – 70 ) MeV có đỉnh phổ khoảng 40 MeV do cơ chế tương tác trực tiếp của bức xạ vũ trụ với tinh thể NaI(Tl) bề dày 7.62 cm. Còn nền phổ liên tục được biết do các bức xạ thứ cấp sinh ra từ bức xạ vũ trụ tới tương tác với buồng chì và NaI(Tl).
5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm thấy rằng dạng phổ phù hợp tốt.
Kiến nghị:
Trong luận văn đã xây dựng hệ đo trong mô phỏng so sánh kết quả với thực nghiệm cho kết quả tốt. Tuy nhiên, cần phải xét đến yếu tố thời gian tương quan giữa ghi nhận bởi nhấp nháy plastic và NaI(Tl) để tính toán đến thời gian phân rã của muon trong việc mô phỏng.
Việc mô phỏng cần xét đến các yếu tố gần hơn với thực tế hơn như vị trí tương đối của hệ đo trong phòng thí nghiệm so với tường, bao bê tông (nếu có).
Có thể tiếp tục nghiên cứu để loại bỏ bức xạ vũ trụ trên hệ đo NaI(Tl), hoặc các thành phần không cần thiết của bức xạ vũ trụ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO. Tiếng Việt:
[1] Phạm Quốc Hùng (2007), Vật lý hạt nhân và ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà
Nội
Tiếng Anh:
[2] T.E Coan, J.Ye (2003), Muon Physics, v051110.0
[3] C.Hagmann, D. Lange, J.Verbeke, D. Wright, “Cosmic-ray shower generator (CRY) for Monte Carlo transport codes”, 2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 2, pp.1143- 1146.
[4] P.K.F Greider (2001), Cosmic Rays at Earth, Elsevier, Amsterdam
[5] D.E. Groom, N.V. Mokhov, S. Striganov (2001), “Muon stopping power 39 and range tables 10 MeV – 100 TeV”, Atomic Data and Nuclear Data Tables 76 (2).
[6] W.R. Leo (1994), Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork, pp.24-30
[7] R.A. Mewaldt (1996), Cosmic Rays, Macmillan Encyclopedia of Physics
[8] “Monte Carlo Simulation of Proton-induced Cosmic-ray Cascades in the Atmosphere”, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-TR (2007).
[9] MIT Department of Physics (2010), The Speed and Decay of Cosmic-Ray Muons: Experiment in Relativistic Kinematics – The Universal Speed Limit and Time Dilation. [10] Geant4 User's Guide for Application Developers by Geant4 Collaboration Version: geant4 9.6.0 Publication date 30 November 2012
[11] Physics Reference Manual, Version: geant4 9.6.0 (30th November, 2012)
[12] R.A. Schumacher (2010), Cosmic Ray Muons, v3.1, 33.340 Modern Physics Laboratory, Carnegie Mellon University.
[13] E. Tanaka, S. Itoh, T. Hiramoto, T.A. Jinuma (1965), “Cosmic ray contribution to the background of NaI Scintillation spectrometers”, Japanese Journal of Applied Physics 4 (10).
[14] Vo Hong Hai, Nguyen Quoc Hung, Ho Lai Tuan, Masaharu Nomachi và Tran Kim Tuyet (2015) “Detection Response to Cosmic Rays of The Background Spectrum
For NaI(Tl) Detector of 3 inch x 3 inch in Energy Region of 0.2 MeV – 80 MeV”, Hội nghị khoa học và công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 11, 8/2015
Website:
[15] Particle Data Group - Update 12:31 PM - 10/06/2015 – http://pgd.lbl.gov [16] CRY, http://nuclear.llnl.gov/simulation
[17] GEANT4, http://geant4.cern.ch/ [18] ROOT, http://root.cern.ch
[19] Model 802 Scintillation detectors: www.canberra.com
Phụ lục 1:
Hình PL1.1 là phổ đo được trong vùng năng lượng đến 70 MeV và hình PL1.2 phổ ghi nhận trong vùng năng lượng (0.2 – 3) MeV. Dựa vào phổ thực nghiệm ta thấy, dạng phổ do bức xạ vũ trụ tác động liên đầu dò NaI(Tl) có nền phổ liên tục, có đỉnh 0.511 MeV và vùng đỉnh năng lượng khoảng (36 – 40) MeV.
Hình PL1.1. Phổ năng lượng để lại trên đầu dò trong vùng năng lượng thấp (0.2 – 70) MeV từ thực nghiệm.
Hình PL1.2. Phổ năng lượng để lại trên đầu dò trong vùng năng lượng cao (0.2 – 3) MeV từ thực nghiệm.
Phụ lục 2:
Đầu dò nhấp nháy plastic – đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm model 802 Canberra
Hình PL2.1. Cấu tạo của đầu dò nhấp nháy plastic.
Hình PL2.2. Đầu dò nhấp nháy plastic 80 cm x 40 cm x 3 cm.
Hình PL2.1 và hình PL2.2 là ảnh chụp đầu dò nhấp nháy plastic kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm và mô hình cấu tạo đầu dò nhấp nháy plastic.
Đầu dò nhấp nháy plastic được dùng trong việc đánh dấu bức xạ vũ trụ, được làm bằng polyvinyltoluen với mật độ 1.032 g/cm3, gồm ba phần: bản nhấp nháy, bản dẫn sáng và ống dẫn sáng. Ống dẫn sáng được dùng để phối hợp kích thước giữa bản dẫn sáng với ống nhân quang điện (PMT). Ống nhân quang điện biến đổi xung ánh sáng thành xung điện tương ứng. Hai PMT sử dụng là RS329-02 được sản xuất bởi công ty Hamamatsu.
80 cm PMT Bản nhấp nháy Bản dẫn sáng 40 cm 40 c m
Hình PL2.3. Đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm hiệu Canberra model 802
Hình PL2.4. Bảng vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3
Hình PL2.3 là đầu dò NaI(Tl) 3x3 (7.62 cm x 7.62 cm) model 802 của hãng Canberra. Đầu dò NaI(Tl) sử dụng trong thí nghiệm có model 802 3x3 có độ phân giải 7.5% tại đỉnh 662 keV của nguồn 137Cs. Đầu dò có dạng trụ, bên trong là tinh thể NaI(Tl) hình trụ kích thước 7.62 cm (đường kính) x 7.62 cm (chiều cao), được bao bọc xung quanh bởi lớp vỏ nhôm. Một mặt tinh thể kết nối với ống nhân quang điện với 14 đầu nối dynode. Hình PL2.4 thể hiện bản vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3 Canberra. Về thành phần và vật chất cấu tạo đầu dò NaI(Tl) được trình bày trong bảng PL2.1.
Bảng PL2.1. Thành phần vật liệu của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3
Vật liệu Mật độ (g/cm3 ) NaI(Tl) 3.67 Cửa sổ nhôm 2.94 Lớp phản xạ nhôm oxit 0.55 Silic 2.329 SiO2 2.648