- Các đánh giá thống kê
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MƠ PHỎNG TÍNH HIỆU SUẤT DETECTOR NHẤP NHÁY
DETECTOR NHẤP NHÁY
3.1. Nguồn chuẩn
Bộ nguồn chuẩn được dùng để đo đạc thực nghiệm trong đề tài là bộ nguồn chuẩn giả điểm RSS8EU của hãng Spectrum Techniques tại phịng Thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. Bộ nguồn cĩ cấu trúc hình học đồng đều nhau gồm 8 nguồn chuẩn:
60
Co, 22Na, 54Mn, 137Cs, 57Co, 133Ba, 109Cad, 65Zn. Dãy năng lượng cho phép khảo sát của của bộ nguồn khá rộng từ năng lượng 22keV (109Cad) cho đến năng lượng 1,332 MeV (60Co) đáp ứng khá đầy đủ cho phần thực nghiệm của đề tài.
3.1.1. Cấu
tạo của
nguồn chuẩn:
Nguồn cĩ hình dạng đĩa trụ nhỏ gồm: vỏ bọc ngồi làm bằng plexiglas; trên vỏ cĩ một hốc, hoạt chất được chế tạo dạng đĩa mỏng đặt trong hốc và hốc được lấp đầy bởi expoxy. Các thơng số kĩ thuật được mơ tả bên dưới đây và được thể hiện bằng hình 3.3 và hình 3.4
Hình 3.1. Bộ nguồn Bộ nguồn chuẩn RSS8EU
tại trường Đại học Sư Phạm TP HCM Hình 3.2. Ảnh chụp nguồn chuẩn
0.6 35 2. 54 0.3 04 8 2.54 0.635 0.2 97 0.3048 0.0127 0.0381
Đĩa plexiglas Hốc expoxy Hoạt chất phĩng xạ Đơn vị đo: cm Đĩa plexiglas Hốc expoxy Hoạt chất phĩng xạ Đơn vị đo: cm
Hình 3.3. Mặt cắt ngang của nguồn chuẩn Hình 3.4. Mặt cắt dọc của nguồn chuẩn - Đường kính tồn phần: 2,54 cm 0,0254 cm
- Đường kính hoạt chất: 0,3048 cm
- Đường kính hốc expoxy: 0,635 cm 0,0254 cm - Chiều cao tồn phần: 0,297 cm 0,038 cm - Bề dày cửa sổ: 0,0381 cm
3.1.2. Đặc điểm của các nguồn chuẩn chuẩn sử dụng:
Nguồn
chuẩn Đặc điểm Sơ đồ phân rã
60
Co Chu kì bán rã: 5,2714 năm
Thời điểm sản xuất: tháng 1 năm 2008
Hoạt độ tại thời điểm sản xuất: 37000Bq (1μCi) Các gamma đặc trưng phát ra khi phân rã:
+ 1173,237keV với xác xuất 99,9736% + 1332,501keV với xác xuất 99,9856%
22
Na Chu kì bán rã: 2,602 năm
Thời điểm sản xuất:tháng 12 năm 2007
Hoạt độ tại thời điểm sản xuất: 37000Bq (1μCi) Các gamma đặc trưng phát ra khi phân rã:
+ 511,006 keV với xác xuất 179% + 1274,53 keV với xác xuất 99,944%
57
Co Chu kì bán rã: 271,8 ngày (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời điểm sản xuất: tháng 12 năm 2007
Hoạt độ tại thời điểm sản xuất: 37000Bq (1μCi) Các gamma đặc trưng phát ra khi phân rã:
+ 122,0614 keV với xác xuất 85,60% + 136,4743 với xác xuất 10,68%
137
Ba Chu kì bán rã:10,51năm
Thời điểm sản xuất: tháng 1 năm 2008
Hoạt độ tại thời điểm sản xuất:37000Bq(1μCi) Các gamma đặc trưng phát ra khi phân rã:
+ 80,997keV với xác xuất 34,06% + 276,4 keV với xác xuất 7,164% + 302,851 keV với xác xuất 18,33% + 356,013 keV với xác xuất 62,05% + 383,848 keV với xác xuất 8,94%
109
Cad Chu kì bán rã: 463 ngày
Thời điểm sản xuất: tháng 1 năm 2008
Hoạt độ tại thời điểm sản xuất: 37000Bq (1μCi) Các gamma đặc trưng phát ra khi phân rã: + 88,034 keV với xác xuất 3,61% Các tia X đặc trưng: 22keV và 25 keV
- Nguồn chuẩn 137Cs là nguồn ẩn trong bộ nguồn chuẩn và do đĩ cĩ hoạt độ khơng xác định cho nên khơng sử dụng nguồn chuẩn này để đo thực nghiệm. Đồng vị 137Cs phát ra gamma 661,657 keV
- Nguồn chuẩn 65Zn được sản xuất vào 12/2007 cĩ chu kì bán rã ngắn (244.3 ngày) nên tại thời điểm khảo sát hoạt độ rất thấp khơng phù hợp với điều kiện thực nghiệm do đĩ khơng sử dụng để tiến hành thực nghiệm. Đồng vị 65Zn khi phân rã phát ra gamma 1115 keV
- Nguồn chuẩn 54Mn sau khi tính tốn hiệu suất thực nghiệm cho kết quả sai biệt khá lớn đối với đường cong hiệu suất nên khơng lấy kết quả thực nghiệm từ nguồn chuẩn này. Đồng vị 54Mn khi phân rã phát ra gamma 834,838 keV.
Như vậy trong luận văn này việc đo thực nghiệm sẽ được tiến hành trên 5 nguồn chuẩn 60Co,
22Na, 57Co, 133Ba, 109Cad cịn thực hiện mơ phỏng sẽ tiến hành sẽ tiến hành trên cả dãy năng lượng của 8 nguồn thuộc bộ nguồn chuẩn RSS8EU.
3.2. Hệ phổ kế gamma
Hệ phổ kế Gamma Rad 76BR76 NaI(Tl) đặt tại Phịng thí nghiệm Vật lý hạt nhân thuộc trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh bao gồm các thành phần chính như sau:
(1)- Detector NaI(Tl) 3”x3” (2)- Ống nhân quang điện (3)- Nguồn cung cấp cao thế (4)- Khuếch đại nhạy điện tích (5)- Bộ lọc
(6)- Bộ chuyển đổi tương tự số (7)- Khối xử lý xung
(8)- Khối phân tích biên độ đa kênh (9)- Khối xử lý và lưu trữ số liệu
Ảnh chụp hệ phổ kế được trình bày trong phụ lục. Dưới đây là sơ đồ khối của hệ phổ kế Gamma Rad 76BR76 NaI(Tl)
Hình 3.5. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma dùng detector NaI(Tl)[49]
Hệ phổ kế cĩ các đặc trưng cơ bản: miền năng lượng khảo sát từ 10keV đến 3MeV (thơng thường chỉ sử dụng từ 30keV đến 3MeV), độ phân giải năng lượng <7% tại năng lượng 662keV và <5% tại 1,33MeV, tốc độ đếm 200000cps.
3.3. Đầu dị NaI(Tl):
Các thơng số chi tiết về đầu dị được cung cấp bởi nhà sản xuất (tham khảo phu lục). Đầu dị dùng cho hệ phổ kế kí hiệu 76BR76 là đầu dị nhấp nháy NaI(Tl). Phần chính của đầu dị là tinh thể NaI cĩ pha một hàm lượng rất nhỏ chất hoạt hĩa Tl. Tinh thể được chế tạo dạng trụ trịn cĩ kích thước 3 inch x 3 inch.
Hình 3.6. Mặt cắt dọc đầu dị NaI (Tl) (hình vẽ khơng theo đúng tỉ lệ)
Mặt trước tinh thể từ phía bên trong ra lần lượt là 3 lớp: lớp bột oxit nhơm, lớp silicon và lớp nhơm bao bọc bên ngồi. Lớp bột oxit nhơm đĩng vai trị lớp phản xạ và liên kết. Bề dày lớp bột oxit nhơm ở phía mặt trước tinh thể là 3 mm, lớp silicon cĩ bề dày 2 mm và lớp vỏ nhơm bên ngồi đĩng vai trị bảo vệ cho đầu dị cĩ bề dày 1,5 mm.
Mặt bên của tinh thể từ trong ra ngồi gồm 2 lớp: lớp bột oxit nhơm và lớp nhơm bao bọc bên ngồi. Lớp bột oxit nhơm ở mặt bên dày 2 mm; lớp nhơm vỏ ngồi cĩ bề dày 1,5 mm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mặt phía sau tinh thể gắn với bản thủy tinh giới hạn bởi 2 mặt phẳng và cĩ bề dày 6 mm. Đầu cịn lại của bản thủy tinh nối với ống nhân quang.
3.4. Xây dựng tệp đầu vào (input) cho mơ phỏng hiệu suất detector
Việc xây dựng cho bài tốn mơ phỏng hiệu suất của detector theo năng lượng gamma bắt đầu bằng việc xây dựng tệp số liệu đầu vào (input file). Các số liệu về kích thước vật lý, bố trí hình học, vật liệu của hệ detector – nguồn được mơ tả chi tiết trong tệp đầu vào. Bên cạnh đĩ, các thơng tin liên quan đến các thư viện tiết diện, loại bức xạ quan tâm và năng lượng của bức xạ, số khe năng lượng (tương ứng số số kênh trong phổ đo thực) cũng được thể hiện cụ thể.
Trình tự các bước xây dựng một tệp số liệu đầu vào cĩ thể tĩm tắt như sau:
(1) Mơ tả hình học của hệ cần mơ phỏng thơng qua việc chia hệ thành nhiều ơ; mỗi ơ cĩ vật liệu đồng chất, giới hạn bởi các mặt cơ bản như trụ, cầu và phẳng.
(2) Mơ tả vật liệu và tồn bộ tiết diện tương tác sử dụng. Dữ liệu về tương tác photon trong thư viện với Z từ 1 đến 94 cho phép thực hiện cả tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần, hấp thụ quang điện với xác suất phát huỳnh quang và tạo cặp.
1.5 mm 3.0 mm 1. 5mm 2.0 mm 2. 0 m m 6.0 mm 76 mm 76 m m Lớp Silicon Lớp bột oxit nhơm Tinh thể NaI(Tl) Lớp thủy tinh ở phía sau Lớp vỏ nhơm
(3) Mơ tả vị trí, hình học và đặc tính của nguồn đo (4) Mơ tả loại đánh giá (tally) cần sử dụng.
Trở lại với bài tốn mơ phỏng hiệu suất ghi của detector nhấp nháy của luận văn này, mơ tả hình học của hệ nguồn – đầu dị bao gồm các phần sau:
- Đầu dị
- Các vật liệu bao bọc phía trước, sau và xung quanh đầu dị - Nguồn
- Khơng khí giữa nguồn và đầu dị.
Ở đây, phần hệ phổ kế từ ống nhân quang trở về sau cĩ cấu tạo phức tạp và thiếu thơng tin cung cấp từ nhà sản xuất nên chỉ thực hiện mơ phỏng đến lớp thủy tinh kết nối đầu dị với ống nhân quang (chi tiết về cấu tạo của detector xem ở phụ lục), phần cịn lại của hệ phổ kế được mơ phỏng xem như là khơng khí.
Với các phần như thế, hệ cần mơ phỏng được chia thành các ơ đồng chất giới hạn bởi các mặt được định nghĩa trước. Mỗi ơ thể hiện một thành phần của hệ đầu dị. Hệ detector – nguồn được chia thành 10 ơ (cell) cơ bản được lấp đầy bằng các vật liệu tương ứng:
Ơ 1: tinh thể NaI( Tl) Ơ 2: lớp đệm nhơm oxit Ơ 3: lớp Silicon
Ơ 4: lớp thủy tinh ở phía sau tinh thể Ơ 5: lớp vỏ nhơm bọc ngồi
Ơ 6: khơng khí xung quanh detector và nguồn đo Ơ 7: đĩa plexiglas đựng hoạt chất phĩng xạ Ơ 8: hốc expoxy
Ơ 9: lớp hoạt chất phĩng xạ (dạng đĩa phẳng) Ơ 10: phần khơng gian bên ngồi vùng quan tâm
Tương ứng với 10 ơ ở trên cần 17 mặt khác nhau để liên kết tạo thành 10 ơ với độ quan trọng của 9 ơ đầu bằng 1 và ơ thứ 10 bằng 0 nghĩa là trong quá trình mơ phỏng nếu cĩ hạt nào ra ngồi vùng khơng khí quan tâm xung quanh hệ detector – nguồn thì MCNP sẽ khơng theo dõi hạt này nữa.
Sau đĩ mơ phỏng N hạt phát ra từ nguồn. Chúng được ngẫu nhiên hố bằng phương pháp Monte – Carlo theo đúng như bản chất thống kê xảy ra trong quá trình tương tác với hệ đầu dị. Tức là cĩ hạt bay vào và cĩ hạt thì khơng. Những hạt sau khi bay vào đầu dị tiếp tục lịch sử của chúng, chúng cĩ thể tham gia vào các tương tác khác nhau bên trong đầu dị hoặc thốt khỏi đầu dị mà khơng chịu tương tác nào. Tất cả các sự kiện này đều được ghi nhận theo xác suất tương ứng của chúng.
Hình 3.7. Mặt cắt dọc của hệ nguồn - đầu dị- buồng chì ở khoảng cách 5cm vẽ bằng MCNP4C2
Hình 3.8. Mặt cắt dọc của nguồn chuẩn vẽ bằng MCNP4C2
Vì đối tượng khảo sát là hiệu suất ghi của detector nên đánh giá phân bố độ cao xung F8 được sử dụng. Với đánh giá này, các hạt bay vào đầu dị, tương tác với vật chất đầu dị và được chương trình ghi nhận vào các kênh năng lượng tương ứng với năng lượng mà chúng truyền cho đầu dị. Thống kê số đếm tại các kênh tương ứng với năng lượng quan tâm ta thu được số tia gamma ứng với năng lượng đĩ đã được đầu dị ghi nhận. Để việc mơ phỏng hệ đo giống với thực nghiệm, các khe năng lượng được chia thành 8192 khe tương ứng với 8192 kênh của hệ phổ kế.
Trong quá trình mơ phỏng “mode p” được sử dụng. Đối với mode p quá trình tương tác của electron với vật chất được mơ phỏng theo mơ hình gần đúng TTB (thick target bremsstrahlung) của chương trình MCNP4C2. Với mode p được sử dụng thì MCNP sẽ áp dụng xử lý vật lý chi tiết cho đến 10MeV trong đĩ đã bao hàm khoảng năng lượng khảo sát trong luận văn này.
Các tham số của tùy chọn GEB đi kèm theo đánh giá F8 được xác định bằng việc làm khớp
các số liệu thực nghiệm theo dạng: 2
cE E b a
FWHM và thu được kết quả: a = - 0,00736 ± 0.00101
b = 0,04966 ± 0.00247 c = 0,27789 ± 0.08009
Trong việc làm khớp các giá trị a, b, c cho detector nhấp nháy NaI(Tl) 76BR76 cịn mắc phải sai số khá lớn vì các trị thực nghiệm khơng thay đổi đều đặn và các FWHM của các giá trị năng lượng thấp (đồng vị 133Ba và 57Co) cĩ được từ việc tách các đỉnh chập cịn chứa sai số. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi mơ phỏng dạng GEB cho đồng vị 133Ba và 57Co sẽ xảy ra hiện tượng chập đỉnh, để giải quyết vấn đề này buộc ta phải tiến hành tách đỉnh chập và do đĩ sẽ mắc sai số; sai số này là điều khơng mong muốn. Để tránh điều này, trong luận văn việc mơ phỏng hiệu suất detector sẽ tiến hành theo dạng vạch. Hơn nữa, hiệu suất tính theo dạng GEB và dạng vạch là tương đương nhau. Việc sử dụng tùy chọn GEB là thật sự cần thiết khi mà hàm đáp ứng của detector được quan tâm.
Để sai số tương đối của hiệu suất là dưới 1%, việc mơ phỏng với số lịch sử hạt cỡ 108 hạt. 3.5. Khảo sát khả năng mơ phỏng của tệp đầu vào
Trước khi sử dụng mơ hình mơ phỏng để khảo sát hiệu suất của detector, ta sẽ tiến hành xem xét sự phù hợp của chương trình mơ phỏng vừa được xây dựng. Ở phần này, ta sẽ đối chiếu dạng hàm đáp ứng thu được từ thực nghiệm với hàm đáp ứng mơ phỏng để cĩ thể kết luận về khả năng mơ phỏng của tệp đầu vào.
Dưới đây là hình vẽ các phổ mơ phỏng và phổ thực nghiệm (đã trừ phơng mơi trường) của các đồng vị 60Co, 57Co và 133Ba. ( Trong đĩ: đường màu xanh biểu diễn phổ thực nghiệm, đường màu đỏ biểu diễn phổ mơ phỏng và các phổ được biểu diễn theo giai đo thơng thường)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 Năng lượng (MeV)
S
ố
đ
ếm
Hình 3.9. Phổ thực nghiệm và phổ mơ phỏng của đồng vị 60Co ở khoảng cách 10cm
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Số đếm
Năng lượng (MeV)
0 50000 100000 150000 200000 250000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 S ố đ ế m
Năng lượng (MeV)
Hình 3.11. Phổ thực nghiệm và phổ mơ phỏng của đồng vị 133Ba ở khoảng cách đo 10cm
So sánh phổ mơ phỏng và phổ thực nghiệm của đồng vị 60Co ta thấy, phổ mơ phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm ở vùng năng lượng cao ( trên 400 keV). Ở vùng năng lượng thấp (dưới 400 keV) phổ mơ phỏng thấp hơn phổ thực nghiệm. Ở vùng năng lượng rất thấp sự khác biệt là rất lớn; nguyên nhân của sự khác biệt này cĩ thể là do sự ảnh hưởng đáng kể của phơng mơi trường (thực nghiệm được khảo sát mà khơng cĩ sự che chắn nào, trong khi đĩ phơng mơi trường là rất lớn ở vùng năng lượng thấp) và các hiệu ứng thứ cấp cũng như các nhiễu của detector ở vùng năng lượng này mà chương trình mơ phỏng chưa xác định được vì tính phức tạp của chúng.
Tuy nhiên từ cả 3 hình vẽ ta thấy rằng dạng phổ ở vùng đỉnh năng lượng tồn phần của phổ mơ phỏng là phù hợp với dạng phổ thực nghiệm. Điều này cho thấy chương trình cĩ hiệu lực tốt trong việc sử dụng để đánh giá hiệu suất đỉnh của đầu dị.