3.1. Thực nghiệm
Trong luận văn, tác giả sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) loại 802 của hãng Canberra đo phổ phông phóng xạ tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh theo các cấu hình che chắn khác nhau. Từ đó đánh giá được sự suy giảm của phông phóng xạ khi sử dụng lớp vật liệu che chắn. Tiến hành khảo sát các mẫu chuẩn IAEA-375, RGK, RGTh trên cấu hình che chắn đã xây dựng.
3.1.1. Sự suy giảm của phông phóng xạ khi sử dụng lớp vật liệu che chắn
Sự suy giảm của phông phóng xạ môi trường xung quanh đầu dò được khảo sát bằng cách sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) thực hiện các phép đo theo các cấu hình sau: Không sử dụng lớp vật liệu che chắn; Sử dụng lớp vật liệu che chắn bằng vật liệu chì (Pb) dạng trụ dày 3cm; Sử dụng cộng thêm lớp lót bằng đồng (Cu) với các bề dày khác nhau (1mm và 2mm).
Hình 3.2: So sánh phổ phông thực nghiệm khi che chắn với các cấu hình khác
nhau.
khác nhau tại vùng năng lượng dưới 400keV.
Bảng 3.1. Tốc độ đếm khi che chắn với các cấu hình khác nhau
Cấu hình che
chắn Tia X & 609keV583,2keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ Không che chắn _ 3,377(19) 6,669(15) 0,535(8) 475 3cmPb 1,120(5) 0,094(6) 0,800(6) 0,089(4) 34 3cmPb + 1mmCu 0,518(9) 0,097(12) 0,722(10) 0,085(7) 32 3cmPb + 2mmCu 0,301(7) 0,092(8) 0,7002(9) 0,087(5) 32
Ghi chú: 1,120(5) = 1,120 ± 0,005
Bảng 3.1 trình bày tốc độ đếm tại các đỉnh năng lượng khác nhau và trên toàn phổ khi khảo sát với các cấu hình che chắn khác nhau.
Bảng 3.2. Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi che chắn với
các cấu hình khác nhau
Cấu hình che chắn Tia X & 609keV583,2keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ
Không che chắn _ _ _ _ _
3cmPb _ 97,2 88,0 83,4 93,0
3cmPb + 1mmCu 53,7 97,1 89,2 84,1 93,2
3cmPb + 2mmCu 73,1 97,3 89,5 84,7 93,3
Bảng 3.2 trình bày tỉ lệ suy giảm của phông phóng xạ khi che chắn với các cấu hình khác nhau, cho thấy khi sử dụng lớp vật liệu che chắn bằng Pb dày 3cm thì phông phóng xạ suy giảm đáng kể: Tỉ lệ suy giảm tại hai đỉnh 583,2keV của 208Tl và 609keV của 214Bi là 97,2%; tại đỉnh 1460,8keV của 40K là 88,0%, tại đỉnh 1764,5keV của 214Bi là 83,4%; và trên toàn phổ là 93,0%. Tỉ lệ suy giảm tại các vùng đỉnh là khác nhau, tại các đỉnh năng lượng thấp tỉ lệ suy giảm cao hơn, điều này là do: lượng tử gamma năng lượng thấp có khả năng đâm xuyên kém hơn các lượng tử gamma năng lượng cao và các đỉnh năng lượng thấp còn nằm trên nền Compton của các đỉnh năng lượng cao.
Tuy nhiên, khi sử dụng lớp Pb che chắn thì trên phổ phông ghi nhận xuất hiện tia X của Pb trong vùng năng lượng từ 75keV đến 85keV (Hình 3.3). Để loại bỏ các
chúng ta thấy tia X giảm rõ rệt khi sử dụng thêm lớp Cu lót: Với lớp lót bằng Cu dày 1mm vùng năng lượng tia X giảm 53,7%; với lớp lót bằng Cu dày 2mm vùng năng lượng tia X này giảm 73,1%. Điều không mong muốn là khi sử dụng thêm lớp Cu lót này thì nền phông phóng xạ từ 100keV đến 310keV tăng (Hình 3.3), sự tăng nền phông phóng xạ này là do khi tăng bề dày vật liệu che chắn sẽ gia tăng ảnh hưởng của tán xạ ngược của bức xạ lên thành vật liệu che chắn và các bức xạ thứ cấp do muon vũ trụ sinh ra. Do đó, trong quá trình xây dựng hệ giảm phông thụ động cho đầu dò, lớp lót bằng vật liệu có Z nhỏ hơn chỉ nên sử dụng khi sự xuất hiện của tia X của Pb ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
3.1.2. Khảo sát các mẫu chuẩn
Để đánh giá khả năng ghi nhận của hệ phổ kế gamma với cấu hình giảm phông thụ động trên, trong luận văn tiến hành đo khảo sát các mẫu chuẩn như: IAEA-375, RGK và RGTh. Thông tin chi tiết của các mẫu chuẩn được trình bày trong bảng 3.3 dưới đây.
Bảng 3.3. Thông tin chi tiết các mẫu chuẩn
Mẫu Hoạt độ ban đầu Chi tiết Ngày sản xuất IAEA-375 40137K: 424Bq/kgCs: 5280Bq/kg Khối lượng: 163g Chiều cao: 2,6cm Đường kính: 7,3cm 08/01/1994 RGK 40K: 14000Bq/kg Khối lượng: 270g Chiều cao: 4,7cm Đường kính: 7,6cm 01/01/1987 RGTh 232Th: 3250Bq/kg Khối lượng: 150g Chiều cao: 2,6cm Đường kính: 7,3cm 01/01/1987 Nhốt mẫu ngày: 18/03/2013
Hình 3.4: So sánh phổ của mẫu chuẩn IAEA-375 khi không và có che chắn.
Hình 3.6: So sánh phổ của mẫu chuẩn RGTh khi không và có che chắn.
Các hình 3.4, 3.5 và 3.6 cho thấy sự thăng giáng thống kê của số đếm ghi nhận giảm khi sử dụng cấu hình che chắn thụ động bởi vì cấu hình che chắn thụ động sẽ giảm được ảnh hưởng của phông phóng xạ lên phổ ghi nhận của các mẫu chuẩn. Đặc biệt, đối với mẫu chuẩn IAEA-375 có hàm lượng 40K thấp (420Bq/kg) khi chưa có lớp che chắn hầu như không thể quan sát được đỉnh 1460,8keV, đây cũng là một lý do cần phải thiết kế cấu hình che chắn thụ đông cho đầu dò NaI(Tl) khi khảo sát các mẫu môi trường. Tuy nhiên, do sự tán xạ ngược từ thành vật liệu che chắn của các bức xạ phát ra từ mẫu đo nên tại vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 500keV) phổ ghi nhận khi sử dụng lớp che chắn là cao hơn so với khi không sử dụng lớp che chắn. Và vấn đề này cần được khảo sát trong phần mô phỏng.
3.2. Mô phỏng
Trong phần mô phỏng, luận văn sử dụng chương trình mô phỏng Geant4 để mô hình hóa đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được sử dụng trong phần thực nghiệm trên; xây dựng các cấu hình che chắn với hình dáng và kích thước khác nhau; mô phỏng sự vận chuyển của các photon gamma từ các nguồn phóng xạ trong tự nhiên (40K và (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hai chuỗi phóng xạ 238U, 232Th). Từ đó tìm ra được cấu hình che chắn tối ưu cho đầu dò NaI(Tl) trên. Ngoài ra, tác giả còn khảo sát sự ảnh hưởng của vật liệu che chắn lên phổ của các mẫu đo.
3.2.1. Khảo sát mô hình thực nghiệm
Để đánh giá sự phù hợp của hàm đáp ứng của mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) trong chương trình mô phỏng Geant4, luận văn đã so sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của hai mẫu chuẩn IAEA-375 và RGK.
Hình 3.7 và hình 3.8 biểu diễn phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng của các mẫu chuẩn IAEA-375 và RGK, kết quả cho thấy hàm đáp ứng của mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) là tốt, ngoại trừ vùng năng lượng nhỏ hơn 200keV phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm có sự sai lệch, nguyên nhân của sự sai lệch này là do phổ thực nghiệm có sự thăng giáng thống kê lớn hơn so với phổ mô phỏng, ở miền năng lượng thấp sự thăng giáng này càng được thể hiện rõ ràng.
Hình 3.8: So sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của mẫu chuẩn RGK.
Trong luận văn, phông phóng xạ của môi trường xung quanh được giả định là nguồn mặt cầu bán kính 1m phát ra 62 năng lượng khác nhau gồm có:
40K: 1460,8keV.
32 đỉnh năng lượng của chuỗi 238U
• 234Pa: 258,260keV; 742,450keV; 766,360keV; 786,230keV; 1001,300keV; 1882,000keV; 1737,730keV.
• 226Ra: 186,200keV. • 222Rn: 510,000keV.
• 214Pb: 241,997keV; 295,224keV; 351,932keV.
• 214Bi: 609,312keV; 665,453keV; 768,356keV; 806,174keV; 934,061keV; 1120,287keV; 1155,190keV; 1238,111keV; 1280,960keV; 1377,669keV; 1401,500keV; 1407.980keV; 1509,228keV; 1661,280keV; 1729,595keV; 1764,494keV; 1847,420keV; 2118,550keV; 2204,210keV; 2447,860keV. 29 đỉnh năng lượng của chuỗi 232Th
• 228Ac: 129,065keV; 209,248keV; 270,245keV; 328,004keV; 338,320keV; 409,460keV; 463,002keV; 772,291keV; 794,942keV; 835,704keV; 911,196 keV; 964,786keV; 968,960keV; 1588,200keV; 1630,618keV.
• 220Rn: 549,760keV.
• 212Pb: 238,632keV; 300,089keV.
• 212Bi: 727,330keV; 785,37keV; 893,408keV; 1078,630keV; 1620,738keV. • 208Tl: 277,370keV; 510,740keV; 583,187keV; 763,450keV; 860,530keV;
2614,511keV.
Trọng số tham gia của các năng lượng chính là cường độ tương đối của chúng trong sơ đồ phân rã (Phụ lục 1).
Mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được đặt tại tâm của mặt cầu. Để giảm thiểu thời gian mô phỏng, nguồn phóng xạ mặt cầu này được cài đặt phát xạ vào trong thay vì phát đẳng hướng như trong nhiều mô hình thí nghiệm vật lý hạt nhân khác.
Hình 3.10: So sánh phổ phông thực nghiệm và mô phỏng khi che chắn lớp Pb 3cm.
Hình 3.11: So sánh phổ phông thực nghiệm và mô phỏng khi che chắn lớp Pb 3cm
Hình 3.12: So sánh phổ phông thực nghiệm và mô phỏng khi che chắn lớp Pb 3cm
và lớp lót bằng Cu 2mm.
Các hình 3.9, 3.10, 3.11 và 3.12 so sánh phổ phông phóng xạ thực nghiệm và mô phỏng với các cấu hình che chắn khác nhau (không che chắn, che chắn 3cm Pb, 3cm Pb + 1mm Cu, 3cm Pb + 2mm Cu). Kết quả có sự khác biệt và sự khác biệt này càng rõ rệt tại các mực năng lượng thấp hơn. Nguyên nhân của sự khác biệt này là do trong mô phỏng chưa tính đến thành phần phông do bức xạ vũ trụ gây ra. Theo các tác giả W.Preusse, S.Unterricker [19] phổ phông phóng xạ do thành phần mềm của bức xạ vũ trụ gây ra có dạng hyperbolic ở miền năng lượng thấp.
Bảng 3.4. Diện tích mô phỏng với các cấu hình che chắn khác nhau
Cấu hình che chắn Tia X & 609keV583,2keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ Không che chắn 1833063(2933) 1169809(1872) 147449(1209) 27042795 3cmPb 58209 (559) 40582 (933) 140089 (910) 17269 (508) 3394524 3cmPb + 1mmCu 27871(666) 40173(972) 139031(904) 16331(490) 3387578 3cmPb + 2mmCu 15308 (533) 41685 (925) 138210 (898) 16882 (474) 3401345
các cấu hình che chắn khác nhau Cấu hình che chắn Tia X 583,2keV
& 609keV 1460,8keV
1764,5ke V Toàn phổ Không che chắn _ _ _ _ _ 3cmPb _ 97,8 88,0 88,3 87,4 3cmPb + 1mmCu 52,1 97,8 88,1 88,9 87,5 3cmPb + 2mmCu 73,7 97,7 88,2 88,6 87,4
Bảng 3.6. Độ sai biệt (%) của tỉ lệ suy giảm giữa mô phỏng và thực nghiệm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấu hình che chắn Tia X & 609keV583,2keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ
3cmPb _ 0,58 0,02 5,84 5,91
3cmPb + 1mmCu 3,00 0,71 1,18 5,74 6,15
3cmPb + 2mmCu 0,80 0,48 1,44 5,75 6,29
Bảng 3.6 cho thấy độ sai biệt giữa mô phỏng và thực nghiêm tại các vùng đỉnh riêng biệt là không nhiều, ngoại trừ vùng đỉnh 1764,5keV của 214Bi có sự sai biệt lớn, nguyên nhân là do trong phổ mô phỏng sự thăng giáng thống kê của số đếm ghi nhận tại vùng đỉnh năng lượng này là lớn. Trên toàn phổ độ sai biệt giữa mô phỏng và thực nghiệm là lớn, sở dĩ có sự sai biệt lớn này là do trong thực nghiêm, lớp vật liệu che chắn ngoài hấp thụ bức xạ môi trường xung quanh (40K, các đồng vị trong hai chuỗi 238U, 232Th) còn hấp thụ thành phần mềm của bức xạ vũ trụ thứ cấp (electron, photon).
Hình 3.13 và hình 3.14 so sánh phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của hai mẫu chuẩn IAEA-375 và RGK khi sử dụng lớp che chắn (3cm Pb + 2mm Cu), kết quả cho thấy phổ mô phỏng khá phù hợp với phổ thực nghiệm, ngoại trừ vùng năng lượng nhỏ hơn 200keV, phổ mô phỏng thấp hơn phổ thực nghiêm, sự khác biệt này là do trong phổ thực nghiệm còn có sự đóng góp của bức xạ tán xạ lên vật liệu xung quanh.
Hình 3.13: So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm của mẫu chuẩn IAEA-375
khi có che chắn 3 cm Pb và 2mm Cu.
3.2.2. Xây dựng cấu hình che chắn tối ưu
Cấu hình che chắn tối ưu được khảo sát dựa trên ba tiêu chí: hình dạng, bề dày và kích thước của lớp vật liệu che chắn. Về hình dạng, luận văn sẽ khảo sát hai hình dạng phổ biến nhất của lớp vật liệu che chắn là: hình trụ và hình hộp chữ nhật; Về bề dày lớp vật liệu che chắn, lớp Pb sử dụng để che chắn phông phóng xạ của môi trường xung quanh không nên dày quá 15cm, nếu lớp Pb che chắn dày hơn 15cm khi ấy hiệu ứng thứ cấp của muon vũ trụ sẽ ảnh hưởng nhiều đến đầu dò đặt bên trong [15]; Về kích thước, khi sử dụng lớp vật liệu che chắn trong quá trình đo mẫu phóng xạ sẽ xuất hiện nền tán xạ ngược trên phổ của mẫu đo, luận văn sẽ khảo sát vấn đề này thông qua việc thay đổi kích thước của lớp vật liệu che chắn. Hình 3.15 mô tả hình dạng và kích thước thực tế của hai mô hình khảo sát (hình trụ và hình hộp chữ nhật) với bề dày của vật liệu chì là 3cm.
Hình trụ Hình hộp chữ nhật
Hình 3.16: So sánh phổ mô phỏng phông phóng xạ khi sử dụng lớp Pb che chắn
dày 3cm với hình dạng khác nhau.
Bảng 3.7. Diện tích phổ mô phỏng khi che chắn lớp vật liệu chì hình trụ
và hình hộp chữ nhật Hình học của lớp
che chắn
583,2keV
& 609keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ Không che chắn 1833063(2933) 1169809(1872) 147449(1209) 27042795 Hình trụ 40582(933) 140089(910) 17269(508) 3394524 Hình hộp chữ nhật 40009(848) 140755(859) 17251(571) 3148447
Bảng 3.8. Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi mô phỏng với
cấu hình che chắn hình trụ và hình hộp chữ nhật Hình học của lớp
che chắn & 609keV583,2keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ
Hình trụ 97,8 88,0 88,3 87,4
Hình 3.16 và bảng 3.8 cho thấy khả năng giảm phông phóng xạ môi trường xung quanh của lớp Pb che chắn hình trụ và hình hộp chữ nhật là như nhau. Tuy nhiên, để xây dựng cấu hình che chắn hình hộp chữ nhật cần 60kg Pb, trong khi cấu hình che chắn hình trụ chỉ cần 47kg Pb. Do vậy, trong luận văn sử dụng cấu hình lớp che chắn hình trụ để khảo sát các vấn đề tiếp theo sau: bề dày và kích thước tối ưu của lớp vật liệu che chắn.
Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trước đã chỉ ra rằng với lớp lót bằng Cu dày 2mm, cường độ tia X của Pb giảm rõ rệt. Do đó, trong phần khảo sát bề dày tối ưu của lớp vật liệu che chắn, lớp lót bằng Cu 2mm được sử dụng cùng với lớp Pb với bề dày biến thiên từ 3cm đến 15cm.
Hình 3.17: So sánh phổ phông mô phỏng khi sử dụng lớp Pb che chắn hình trụ
với các bề dày khác nhau.
với bề dày khác nhau Cấu hình che
chắn
583,2keV
& 609keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ Không che chắn 1833063(2933) 1169809(1872) 147449(1209) 27042795 3cmPb+2mmCu 41685(925) 138210(898) 16882(474) 3401345 5cmPb+2mmCu 14952(613) 50510(581) 9496(397) 1546578 10cmPb+2mmC u 8098(308) 13474(236) 450881 15cmPb+2mmC u 7779(126) 226955 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.10. Tỉ lệ suy giảm (%) của phông phóng xạ khi che chắn
lớp chì hình trụ với bề dày khác nhau Cấu hình che
chắn
583,2keV
& 609keV 1460,8keV 1764,5keV Toàn phổ
Không che chắn _ _ _ _ 3cmPb+2mmCu 97,7 88,2 88,6 87,4 5cmPb+2mmCu 99,2 95,7 93,6 94,3 10cmPb+2mmC u 99,6 98,8 98,3 15cmPb+2mmC u 99,3 99,2
Hình 3.17 và bảng 3.10 cho thấy để đáp ứng được tính tối ưu trong nghiên cứu khoa học nên sử dụng lớp Pb che chắn dày 10cm trong thiết kế hệ giảm phông thụ động cho đầu dò NaI(Tl). Nhưng trên khía cạnh kinh tế thì lớp Pb che chắn dày 5cm là tối ưu đối với hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl).
Với cấu hình che chắn gồm lớp Pb dày 5cm và lớp lót bằng Cu dày 2mm, luận văn tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tán xạ ngược từ thành vật liệu che chắn khi tiến hành đo các mẫu phóng xạ. Tán xạ ngược là những tán xạ Compton sinh ra do bức xạ phát ra từ mẫu đo tương tác lên lớp vật liệu che chắn xung quanh. Khi lớp vật liệu che chắn đặt quá sát đầu dò, đầu dò sẽ ghi nhận được nhiều tín hiệu tán xạ ngược này. Từ khía cạnh này, luận văn sẽ mô phỏng và đưa ra khoảng cách tối ưu giữa đầu dò và lớp vật liệu che chắn.
Hình 3.18: So sánh phổ mô phỏng của mẫu chuẩn RGK khi mở rộng không gian
bên trong lớp vật liệu che chắn.
Hình 3.19: So sánh phổ mô phỏng của mẫu chuẩn RGK khi mở rộng không gian