Mô hình mô phỏng Monte Carlo theo phương pháp gamma truyền qua được dựa trên hệ đo thực nghiệm. Vì vậy các thông số về nguồn phát gamma, điều kiện về các môi trường photon được truyền qua, thành phần vật liệu, cách bố trí hệ đo… được khai báo chi tiết trong tệp đầu vào (input) giống như quá trình đo đạc ngoài thực tế.
Nguồn phóng xạ
Nguồn phát bức xạ gamma dùng trong mô phỏng là nguồn điểm, có cấu tạo theo dạng nguồn chuẩn do công ty Eckert & Ziegler – một công ty của Mỹ chuyên sản xuất các nguồn phóng xạ phục vụ trong y học hạt nhân, điều khiển công nghiệp và hiệu chuẩn về đo đạc hạt nhân [38], thuộc loại Gamma Standards – Type D với kích thước cụ thể như hình 2.1.
Hình 2.1. Các thông số kích thước nguồn phát gamma chuẩn [38]
Lớp vỏ ngoài hình trụ bằng nhựa có đường kính 25,4 mm, cao 6,35 mm; Ở bên trong khối nhựa là nguồn điểm hình trụ có đường kính 5 mm, cao 3,18 mm; Phía trên được đậy bằng lớp decal dày 0,4 mm. Hộp nguồn chuẩn này được đặt trong khối chì có
bề dày 5,6 cm bao gồm ống chuẩn trực có đường kính 0,7 cm để bảo đảm chùm photon hẹp được truyền qua (hình 2.2). Các thông số kích thước của khối chì chứa nguồn được mô phỏng theo đúng loại khối chì chứa nguồn tại Phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân của trường Đại học Sư phạm TP.HCM. Nguồn chuẩn được đặt bên trong khối chì này và cách
Nguồn phóng xạ có dạng hình trụ cao 0,125’’ (3,18 mm), đường kính 0,197’’(5 mm) Đường kính 1’’ (25,4 mm)
Chiều cao cửa sổ 0,109’’ (2,77 mm) Decal
tâm của tấm vật liệu cần xác định hệ số suy giảm gamma là 5 cm, cách bề mặt của đầu dò là 10 cm.
Hình 2.2. Mô tả khối chì chứa nguồn và ống chuẩn trực tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm TP.HCM
Các nguồn phát bức xạ gamma dùng trong mô phỏng phát ra photon ở các mức năng lượng nằm trong vùng năng lượng từ 100 đến 2000 keV. Cụ thể gồm nguồn: 57Co (122keV), 141Ce (145keV), 203Hg (279keV), 51Cr (320keV), 120Sn (291keV), 22Na (511keV và 1274keV), 137Cs (662keV), 54Mn (835keV),65Zn (1115keV),60Co (1173keV và 1332keV), 152Eu (1408keV), 88Y (1836keV).
Đầu dò
Loại đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) đã được dùng trong mô phỏng để đảm bảo tính đơn giản và đa dạng là loại đầu dò do hãng Amptek của Mỹ sản xuất, có kích thước là 76 mm × 76 mm. Loại đầu dò này có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng với hiệu suất cao nên được ứng dụng khá nhiều trong xác định bề dày vật liệu, đo mật độ chất lỏng, xác định các tham số tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất…Đặc biệt, loại đầu dò này có giá thành thấp hơn loại đầu dò bán dẫn nên phù hợp với điều kiện nghiên cứu hạt nhân còn hạn chế ở nước ta. Cấu tạo chi tiết của loại đầu dò này được mô tả trong hình 2.3 và hình
Nguồn điểm
ảnh về loại đầu dò này tại Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân của trường Đại học Sư phạm TP.HCM như hình 2.4.
Hình 2.3. Các thông số của đầu dò NaI(Tl) dùng trong mô phỏng [25]
Hình 2.4. Đầu dò NaI (Tl) tại Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm TP.HCM [25]
Vật liệu bia
Chúng tôi đã chọn khảo sát các vật liệu có khả năng che chắn bức xạ gamma thường dùng trong lĩnh vực xây dựng là các mẫu đá Granite, hệ thủy tinh pha chì và hệ thủy tinh
Vật liệu
Bề dày lớp Al2O3
pha Gadolinium. Đây là các loại vật liệu đã được xác định hệ số suy giảm khối ở các mức năng lượng 662, 1173 và 1332 keV trong các nghiên cứu [24, 27, 34].
Đá Granite từ lâu đã được sử dụng để làm vật liệu xây dựng ở các nước Đông Âu, đặc biệt là ở Thổ Nhĩ Kỳ nhờ tính thẩm mỹ cao cả về màu sắc và chất liệu được đánh bóng.
Bảng 2.3. Thành phần và hàm lượng (%) các nguyên tố trong vật liệu đá Granite [24] Hợp chất Đá Granite Mẫu 1 (P1) Mẫu 2 (P2) Mẫu 3 (P3) Mẫu 4 (P4) Mẫu 5 (P5) Mẫu 6 (P6) Mẫu 7 (P7) Mẫu 8 (P8) SiO2 79,92 73,87 77,21 76,41 77,52 79,29 78,47 77,33 Al2O3 15,99 14,79 15,45 15,30 15,52 15,87 15,71 15,48 K2O 3,24 6,24 3,34 3,83 2,79 3,01 2,06 2,69 CaO 0,28 2,07 2,13 2,41 2,15 1,56 1,99 2,07 FeO 0,24 1,36 0,86 0,91 0,94 0,01 0,81 1,09 Fe2O3 0,17 0,98 0,63 0,66 0,69 <0,01 0,59 0,80 d (g.cm-3) 2,62 2,67 2,66 2,66 2,65 2,62 2,64 2,71
Thủy tinh ngày nay đã được nhiều nhà nghiên cứu về che chắn bức xạ sử dụng nhờ khả năng truyền quang tốt và làm suy giảm cường độ gamma cũng rất hiệu quả. Hướng nghiên cứu thủy tinh pha chì để làm tăng khả năng che chắn bức xạ từ lâu đã được sử dụng. Tuy nhiên, do chì gây hại cho sức khỏe người dùng nên các hợp chất pha khác cũng được nghiên cứu thay thế.
Thủy tinh pha Gadolinium cũng là loại vật liệu mang đến sự hiệu quả khi dùng để che chắn bức xạ. Hệ thủy tinh pha Gadolinium trong nghiên cứu của chúng tôi sẽ xét đến ảnh hưởng của oxit flo đến khả năng che chắn của chúng.
Bảng 2.4. Thành phần và hàm lượng (%) các nguyên tố trong vật liệu thủy tinh pha Gadolinium [27] và thủy tinh pha chì [34]
Hợp chất
Thủy tinh pha Gadolinium
Thủy tinh pha chì
xPbO-B2O3-(50-x)B2O3 Mẫu 1 (P1) Mẫu 2 (P2) Mẫu 1 (P1) Mẫu 2 (P2) Mẫu 3 (P3) Mẫu 4 (P4) Mẫu 5 (P5) Mẫu 6 (P6) Mẫu 7 (P7) Mẫu 8 (P8) Mẫu 9 (P9) LiO2 30 30 - - - - - - - - - SrO 10 10 - - - - - - - - - Gd2O3 15 - - - - - - - - - - GdF3 - 15 - - - - - - - - - B2O3 45 45 50 50 50 50 50 50 50 50 50 BaO - - 45 40 35 30 25 20 15 10 5 PbO - - 5 10 15 20 25 30 35 40 45 d (g.cm-3) 3,27 3,03 4,318 4,460 4,602 4,744 4,886 5,028 5,170 5,312 5,454
Các tấm vật liệu được chúng tôi mô phỏng có kích thước 5cm×5cm và dày 0,5 cm. Thành phần và hàm lượng của các nguyên tố cấu thành loại vật liệu như trong các bảng 2.3 và 2.4.
Mô hình mô phỏng
Chúng tôi mô phỏng theo cấu hình thực nghiệm của phương pháp gamma truyền qua theo thứ tự gồm: Nguồn (source); Ống chuần trực nguồn (source collimator); Vật liệu bia (target material); Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl); Ống chuẩn trực đầu dò (detector collimator).
Tấm vật liệu được đặt đồng trục, cách đều nguồn điểm và bề mặt đầu dò với các khoảng cách cụ thể như hình 2.5.
Trong cấu hình mô phỏng này, chúng tôi sử dụng nguồn phát số hạt là 2 tỷ để đảm bảo độ cao xung và đủ tính thống kê. Khi sử dụng chương trình MCNP5, người dùng còn có thể quan sát cấu hình hệ đo trong không gian 3 chiều nhờ chức năng vẽ 3D tích hợp trong MCNP5 như hình 2.6.
Hình 2.5. Cấu hình thực nghiệm xác định các đặc trưng suy giảm của chùm tia gamma xuyên qua vật liệu theo phương pháp gamma truyền qua
Hình 2.6. Hình ảnh cấu hình đo trong không gian 2 chiều (bên trái)
5cm 5cm 9,6c 5,6cm 3,1cm 3,1cm 22,55cm 0,7cm 9,5cm 10cm Nguồ
Khối chì nguồn Bia
Tinh thể NaI(Tl) Khối chì detector
Nhân quang điện
và trong không gian 3 chiều (bên phải) sử dụng chương trình MCNP5
Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến
Như đã trình bày trong phần mở đầu, việc dùng đầu dò NaI(Tl) mang đến tính linh hoạt nhưng độ phân giải kém của nó ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi sử dụng kỹ thuật xử lý phổ cải tiến [1].
Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến sử dụng chương trình Colegram để làm khớp phổ thu được theo hai hàm:
Một là hàm Gauss dùng để khớp đỉnh phổ có dạng: P x 1
σ√2πexp
x x 2
2σ2 (2.1)
Hàm thứ hai dùng để khớp thành phần còn lại là phông nền đóng góp bởi tia gamma thứ cấp là một hàm dạng đa thức:
y = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 + …+ anxn (2.2)
Hình 2.7. Phổ được xử lý bằng Colegram [7]
Do đứng trên phông nền Compton thứ cấp nên phổ chưa trừ phông có chân trái cao hơn chân phải, sau khi trừ phông thì phổ có hai chân cao bằng nhau như các hình 2.7, 2.8 và 2.9.
Đỉnh năng lượng toàn phần trên phông nền
Đỉnh năng lượng toàn phần đã trừ phông nền
Hình 2.8. Mô tả phổ của nguồn 60Co được xử lý bằng Colegram
Hình 2.9. Hình ảnh thực tế phổ của nguồn 60Co trong Colegram