Luận văn tốt nghiệp đại học: Hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) bằng phương pháp monte carlo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ



NGUYỄN THỊ TIÊN

HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐẦU DÒ

NaI(Tl) BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ



HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐẦU DÒ

NaI(Tl) BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

Chuyên ngành: Vật lý học

Mã số: 52440102

Giảng viên hướng dẫn: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ TIÊN

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này bản thân tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và

động viên từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hoàng Đức Tâm đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực

hiện đề tài luận văn. Trong quá trình thực hiện luận văn, thầy không những truyền cho

tôi ý tưởng, cung cấp những định hướng mà còn đưa ra những nhận xét quý giá giúp tôi

gỡ bỏ những khó khăn, giúp tôi chỉnh sửa và hoàn thành luận văn một cách tốt nhất.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm

thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp cho tôi những kiến thức trong quá trình học để tôi

có khả năng hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cảm ơn ba mẹ của tôi đã hi sinh cả cuộc đời nuôi nấng và cho các con

được học hành, ba mẹ là chỗ dựa tinh thần vững chắc, là nguồn động viên mạnh mẽ nhất

đối với tôi.

Tôi xin cảm ơn những người bạn của tôi, những người luôn cổ vũ, giúp đỡ tôi

những lúc khó khăn.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân thành đến tất

cả mọi người.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 1 năm 2016

Nguyễn Thị Tiên

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ .............................................................. i

Danh mục các bảng ........................................................................................................ iii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .......................................................................................... iv

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... vi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1

1.1. Tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất ............................................................... 1

1.1.1. Một số tính chất của bức xạ gamma ................................................................ 1

1.1.2. Các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất .................................... 1

1.1.3. Các đặc trưng của phổ gamma ...................................................................... 10

1.2. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy ........................................................ 11

1.2.1. Giới thiệu chung về hệ phổ kế gamma .......................................................... 11

1.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các bộ phận của đầu dò nhấp nháy .......... 13

1.2.3. Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy ......................... 16

CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP .......................................... 19

2.1. Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP ............... 19

2.2. Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP ................................................. 21

CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT VÀ HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA

ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY ............................................................................................... 29

3.1. Xây dựng bộ số liệu đầu vào ................................................................................... 29

3.1.1. Mô tả hệ đo .................................................................................................... 29

3.1.2. Kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào .............................................. 32

3.2. Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò ....................... 35

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 46

Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 47

Phụ lục ............................................................................................................................ 49

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ

Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Chú giải

c Tốc độ ánh sáng (c=3108 m/s)

E, Năng lượng gamma tới, gamma sau tán xạ

Năng lượng liên kết các electron trên các lớp trong nguyên tử (với i = K,

L, M,…)

Động năng electron

 Góc tán xạ của electron

 Góc tán xạ của gamma

p Xung lượng

 Bước sóng gamma

h Hằng số Planck (h=6,62510-34J.s)

Bán kính electron cổ điển ( )

 Tiết diện toàn phần

Tiết diện Compton

Tiết diện tạo cặp

Tiết diện quang điện

Tiết diện tán xạ Thomson ( cm2)

Khối lượng nghỉ của electron ( =9,110-31 hay =0,511MeV )

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần.

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần mô phỏng

i

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thực nghiệm

Z Số hiệu nguyên tử

 Độ lệch chuẩn của phân bố đỉnh

Danh mục các chữ viết tắt và thuật ngữ

Chữ Tiếng Anh Tiếng Việt viết tắt

HPGe High pure Germanium Germanium siêu tinh khiết

Bề rộng toàn phần ở nửa chiều cao đỉnh FWHM Full width at half maximum năng lượng toàn phần

FWTM Full width at tenth maximum Độ phân giải ở 1/10 chiều cao cực đại

FEPE Full- energy peak efficiency Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình mô phỏng Monte Carlo

NPS Number of particle histories Số lịch sử hạt

PMT Photomultiplier tube Ống nhân quang điện

R Relative error Sai số tương đối

RD Relative deviation Độ lệch tương đối

Là bản điện cực dương đóng vai trò thu góp Anode điện tích

Là bản điện cực thực hiện quá trình

Dynode nhân electron quang điện thông qua phát

xạ thứ cấp.

Là màn cảm quang âm cực đóng vai trò

một điện cực tích điện âm có phủ một lớp

hợp chất cảm quang, khi có một một lượng Photocathode tử ánh sáng có năng lượng đủ lớn đập vào

thì năng lượng hấp thụ gây ra phát xạ điện

ii

tử theo hiệu ứng quang điện.

Danh mục các bảng

Bảng 2.1. Một số loại mặt cơ bản được định nghĩa trong MCNP ................................. 23

Bảng 2.2. Một số hàm dựng sẵn cho phân bố xác suất nguồn. ...................................... 25

Bảng 2.3. Chú giải sai số tương đối R ........................................................................... 28

Bảng 3.1. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng và thực nghiệm

với các thông số của nhà sản xuất và lớp Al2O3 dày 1mm ............................................ 34

Bảng 3.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề

dày PMT khác nhau của đầu dò ..................................................................................... 35

Bảng 3.3. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT ................................................. 36

Bảng 3.4. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò chỉ với

khối tinh thể NaI(Tl) ...................................................................................................... 38

Bảng 3.5. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dòvới khối

tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 dày 1mm ......................................................................... 39

Bảng 3.6. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với khối

tinh thể NaI(Tl), lớp Al2O3 và lớp silicon dày 2mm ...................................................... 40

Bảng 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề

dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò ......................................................................... 41

Bảng 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò . 42

Bảng 3.9. Hiệu suất mô phỏng đầu dò với các giá trị bề dày lớp silicon ....................... 43

Bảng 3.10. Độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi bề dày lớp

iii

silicon ............................................................................................................................. 44

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1. Minh họa hiệu ứng quang điện......................................................................... 2

Hình 1.2. Minh họa sự phát tia X và electron Auger ....................................................... 3

Hình 1.3. Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [2] ................... 4

Hình 1.4. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do ............................................................ 5

Hình 1.5. Phân bố tiết diện tán xạ Compton theo góc tán xạ tính theo công thức Klein-

Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ 1keV đến 10MeV [7] ......................... 6

Hình 1.6. Minh họa hiệu ứng tạo cặp electron-positron .................................................. 8

Hình 1.7. Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [14].... 9

Hình 1.8. Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng theo năng lượng gamma và số nguyên

tử Z [7] ............................................................................................................................. 9

Hình 1.9. Minh họa các đỉnh đặc trưng của phổ gamma ............................................... 10

Hình 1.10. Minh họa quá trình hoạt động của hệ đo dùng đầu dò nhấp nháy ............... 13

Hình 1.11. Nguyên tắc nhấp nháy [5] ............................................................................ 15

Hình 1.12. Các đại lượng độ phân giải đỉnh FWHM và FWTM [7] ............................. 16

Hình 1.13. Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần trong phổ gamma phân bố độ

cao xung [7] .................................................................................................................... 17

Hình 2.1. Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo ................... 19

Hình 3.1. Cấu tạo về mặt kĩ thuật của Gamma-Rad5 [14] .......................... 29

Hình 3.2. Cấu tạo chi tiết của đầu dò [8] ....................................................................... 30

Hình 3.3. Bộ nguồn chuẩn .............................................................................................. 30

Hình 3.4. Minh họa các mặt cắt của đầu dò và nguồn được vẽ bằng MCNP5 .............. 31

152Eu ............................................................................................................................... 33

Hình 3.5. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 22Na, 137Cs, 60Co,

Hình 3.6. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực

nghiệm ............................................................................................................................ 34

Hình 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề

dày PMT khác nhau của đầu dò ..................................................................................... 36

iv

Hình 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT của đầu dò ............................... 37

Hình 3.9. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tình theo mô phỏng

đẩu dò chỉ với khối tinh thể và thực nghiệm [8] ............................................................ 37

Hình 3.10. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng

đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 và thực nghiệm [8]................................................. 38

Hình 3.11. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng

đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 , lớp silicon và thực nghiệm [8] ............................. 39

Hình 3.12. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi bề

dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò ........................................................................ 40

Hình 3.13. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò 41

Hình 3.14. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi lớp

silicon trước tinh thể....................................................................................................... 42

Hình 3.15. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp silicon trước tinh thể đầu dò

v

........................................................................................................................................ 45

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, ghi nhận bức xạ đóng một vai trò quan trọng trong

việc nghiên cứu các đặc trưng của tia bức xạ. Ban đầu các loại đầu dò chỉ có thể xác định

sự có mặt của bức xạ, sau đó là cường độ của chùm tia và ngày nay có thể giúp xác định

đặc trưng phân bố độ cao xung theo năng lượng. Hiện nay, có nhiều loại đầu dò được sử

dụng trong ghi đo và sau khoảng thời gian dài hoạt động chúng có xu hướng suy giảm

khả năng ghi nhận bởi sự thay đổi các thông số kỹ thuật của đầu dò. Theo nghiên cứu

[3] chỉ ra rằng sự thay đổi bề dày lớp germanium bất hoạt có ảnh hưởng đến hiệu suất

của đầu dò bán dẫn HPGe và đây là thông số được đề nghị hiệu chỉnh để làm phù hợp

giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm. Ngoài ra, theo nghiên cứu [8] thì lớp phản xạ

Al2O3 của đầu dò NaI(Tl) đã được khảo sát và kết quả chỉ ra rằng bề dày lớp Al2O3 có

ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò và bề dày được đề nghị là 1,0 mm. Vì vậy việc

hiệu chỉnh lại các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp là công việc hết sức quan

trọng.

Trong đề tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu tập trung vào đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

bởi nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Đại lượng được dùng cho

công việc tính toán này là hiệu suất ghi của đầu dò bởi đây là đại lượng rất nhạy với sự

thay đổi của các thông số kỹ thuật của đầu dò, mà cụ thể là xác định hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phần. Kết quả tính toán sẽ được so sánh với thực nghiệm [8] về hiệu suất

109Cd, 137Cs, 152Eu sẽ được sử dụng trong mô phỏng MCNP5. Đối với nguồn 152Eu là

đỉnh năng lượng toàn phần và khả năng đáp ứng phổ. Bộ nguồn 22Na, 54Mn, 60Co, 65Zn,

nguồn đa năng sẽ được sử dụng để so sánh khả năng đáp ứng phổ và không sử dụng cho

việc tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần. Khảo sát, đánh giá và hiệu

chỉnh các thông số kĩ thuật của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) để kết quả mô phỏng phù hợp

tốt với thực nghiệm từ đó có thể sử dụng kết quả hiệu chỉnh này phục vụ cho công việc

mô phỏng và tính toán sau này.

Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi dựa vào phương pháp Monte Carlo và sử

vi

dụng chương trình mô phỏng MCNP5 để tính toán và khảo sát hiệu suất ghi nhận bức xạ

của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl). Dựa trên kết quả thu được sẽ hiệu chỉnh các thông số kĩ

thuật của đầu dò. Có thể nói hiện nay, các loại đầu dò nhấp nháy được sử dụng rộng rãi

nhờ những ưu điểm riêng của nó, sau khoảng thời gian hoạt động có sự thay đổi các

thông số kỹ thuật của đầu dò. Vì vậy, yêu cầu phải tiến hành khảo sát, đánh giá và hiệu

chỉnh các thông số kĩ thuật do nhà sản xuất cung cấp là vấn đề rất cần thiết. Trong công

trình [8] nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp phản xạ Al2O3 đã được khảo sát và bề dày lớp

Al2O3 được đề nghị là 1,0 mm. Trên cơ sở đó, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát thêm các

thông số kĩ thuật khác của đầu dò bao gồm khối nhôm hình trụ đặc đóng vai trò là ống

nhân quang điện (PMT), lớp silicon, lớp vỏ nhôm, khảo sát đầu dò nhưng chỉ giữ lại tinh

thể NaI(Tl) và sau đó thêm từng lớp vật liệu bao quanh tinh thể lần lượt là Al2O3, silicon,

lớp vỏ nhôm.

Nội dung đề tài được trình bày thành ba chương:

- Chương 1: Tổng quan trình bày những cơ sở lý thuyết về hiệu ứng quang điện, tán

xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Tìm hiểu một số đặc trưng của phổ gamma, khả

năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl).

- Chương 2: Trình bày về phương pháp Monte Carlo và một số kiến thức cơ bản về

chương trình mô phỏng MCNP.

- Chương 3: Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kĩ thuật của đầu dò NaI(Tl).

Mô phỏng đầu dò nhấp nháy với các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất so sánh với

dữ liệu thực nghiệm [8] để kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào. Mô phỏng

đầu dò với sự thay đổi các thông số kỹ thuật, tìm ra các thông số cho kết quả mô

vii

phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất

1.1.1. Một số tính chất của bức xạ gamma

Bức xạ gamma là các photon có năng lượng cao, với bản chất là sóng điện từ với

bước sóng nhỏ hơn nhiều so với kích thước nguyên tử. Năng lượng của nó được tính

theo công thức:

(1.1)

Bức xạ gamma có khả năng xuyên sâu rất lớn và khi đi qua vật chất chúng bị hấp

thụ do tương tác điện từ. Tuy nhiên, cơ chế của quá trình này khác với các hạt tích điện.

Các hạt tích điện va chạm nhiều với các electron và hạt nhân nên phương bay bị lệch

nhiều so với ban đầu, trong khi bức xạ gamma khi qua môi trường vật chất xác suất xảy

ra va chạm với các electron và hạt nhân là thấp hơn so với các hạt tích điện. Nguyên

nhân có sự khác nhau này là do lượng tử gamma không mang điện nên không chịu tác

dụng của lực Coulomb tương tác xa, tương tác với electron trong miền với bán kính cỡ

10-13 m. Các hạt tích điện va chạm nhiều với các electron nguyên tử nên dễ dàng bị làm

chậm trong môi trường, có quãng chạy hữu hạn trong vật chất nên có thể bị hấp thụ hoàn

toàn. Khi tăng bề dày vật chất thì chùm tia gamma chỉ suy giảm về cường độ mà không

bị hấp thụ hoàn toàn nên không có khái niệm quãng chạy.

1.1.2. Các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma tương tác với nguyên tử vật chất thông qua nhiều cơ chế khác

nhau, các tương tác này không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện

nhưng có khả năng làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử. Các electron tự do này

bị làm chậm trong vật chất và gây ion hóa tạo ra các cặp electron-ion, electron-lỗ trống

và các tia gamma thứ cấp. Đối với hệ đo gamma, các cặp mang điện tạo ra do quá trình

ion hóa được dùng để đo lượng điện tích do tương tác tạo ra nhằm xác định năng lượng

1

của gamma tới.

Trong luận văn này đề cập đến việc ghi nhận các bức xạ gamma có năng lượng

nằm trong dãy từ vài chục keV đến dưới 2 MeV chủ yếu xảy ra ba loại tương tác cơ bản

là hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Khi đi qua vật chất, bức xạ

gamma bị mất năng lượng do hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton bởi sự va chạm với

electron trở nên vượt trội ở vùng năng lượng thấp và trung bình, vùng năng lượng cao là

chiếm ưu thế khi đó bức xạ có thể tương tác với trường hạt nhân gây ra hiệu ứng tạo cặp.

Ngoài ra, các quá trình khác ít xảy ra hoặc không quan trọng trong vùng năng lượng

được đề cập như tán xạ Thomson xảy ra với electron tự do, tán xạ Rayleigh xảy ra với

electron các lớp ngoài cùng, cả hai quá trình đều làm thay đổi hướng bay của photon

nhưng không làm mất năng lượng, một số trường hợp photon tương tác với hạt nhân

 Hiệu ứng quang điện

cũng sẽ không được quan tâm.

Hiệu ứng quang điện là quá trình gamma tương tác với electron các lớp trong của

nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng E = h cho các electron này. Một phần năng

lượng giúp electron thắng lực liên kết trên lớp thứ i (i = K, L, M,...) với năng lượng liên

kết là và một phần năng lượng trở thành động năng của

electron bay ra khỏi lớp vỏ nguyên tử, các electron này gọi là các quang electron.



Electron quang điện

2

Hình 1.1. Minh họa hiệu ứng quang điện

Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, một phần nhỏ năng lượng

cũng được truyền cho nguyên tử giật lùi và xem như không đáng kể nên electron thoát

ra khỏi nguyên tử với năng lượng xấp xỉ theo công thức:

(1.2)

Từ công thức (1.2) thì động năng của electron là xác định và được hệ phổ kế ghi

nhận hình thành đỉnh năng lượng toàn phần trong phổ gamma.

Các electron trong nguyên tử hấp thụ hoàn toàn năng lượng gamma tới để thoát

ra ngoài đồng thời để lại các lỗ trống. Các electron từ các lớp khác trong nguyên tử sẽ

chuyển về lấp đầy các lỗ trống và phát ra tia X đặc trưng. Ngoài ra, hiệu ứng Auger có

thể xảy ra khi năng lượng tia X chuyển cho một electron khác trong cùng nguyên tử, làm

Electron Auger

bứt electron này ra khỏi lớp vỏ nguyên tử và được gọi là electron Auger.

Hình 1.2. Minh họa sự phát electron Auger

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang

điện không những phụ thuộc vào năng lượng gamma tới mà còn phụ thuộc vào số Z

của vật liệu theo công thức [1]:

(1.7)

3

(1.8)

Theo hai công thức (1.7) và (1.8), đối với những vật liệu có Z lớn thì xác xuất xảy

ra hiệu ứng quang điện là lớn ngay cả đối với những tia gamma có năng lượng cao. Điều

này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán khả năng che chắn và hấp thụ các tia

gamma năng lượng cao. Đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ

xảy ra với những gamma có năng lượng thấp đồng thời sự suy giảm mạnh tiết diện quang

điện theo năng lượng gamma là lí do vì sao hiệu ứng quang điện là kênh trội của tương

tác giữa gamma với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp.

Hình 1.3. Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [1]

Từ hình 1.3 cho ta thấy ở miền năng lượng gamma lớn tiết diện quang điện rất bé

bởi khi đó gamma tới coi electron có liên kết rất yếu trong nguyên tử. Khi năng lượng

gamma bắt đầu giảm thì tiết diện tăng theo quy luật E-1 và khi E giảm dần đến thì tiết

diện tăng theo hàm E-3,5 và đạt cực đại tại . Nếu năng lượng gamma giảm xuống

dưới giá trị thì hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron lớp K nên tiết

diện giảm đột ngột. Tiết diện tăng trở lại khi năng lượng gamma tiếp tục giảm bởi lúc

này xảy ra hiệu ứng quang điện đối với electron lớp L và đạt cực đại tại , tiết diện

lại giảm đột ngột khi E giảm xuống thấp hơn . Và nếu năng lượng gamma tiếp tục

4

giảm thì hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra với các electron lớp M,…

 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là quá trình tán xạ giữa gamma với các electron liên kết yếu

trong nguyên tử trong đó gamma truyền một phần năng lượng cho electron và sau tán xạ

phương bay của gamma bị lệch so với ban đầu, tán xạ này gọi là tán xạ Compton.





x

y

Hình 1.4. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do

Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta tính được năng lượng

gamma sau tán xạ, động năng giật lùi của electron và tìm được mối liên hệ giữa các góc

tán xạ sau va chạm được trình bày theo các công thức (1.9) đến (1.12).

Năng lượng gamma sau tán xạ [12]:

(1.9)

Động năng electron giật lùi [12]:

(1.10)

(1.11)

(1.12)

5

với ;

Từ công thức (1.9) cho thấy Ee phụ thuộc vào góc tán xạ  nên trong phổ gamma

thu được nền liên tục với các xung mang năng lượng trải dài từ 0 đến năng lượng cực

đại Ee. Ngoài ra và phần năng lượng chênh lệch Ee được truyền cho electron giật

lùi. Nói cách khác thì năng lượng gamma tới có thể không được hấp thụ hoàn toàn trong

lần tương tác đầu tiên vì vậy để theo dõi toàn bộ quá trình mất năng lượng của gamma

cần xem xét các gamma thứ cấp và tương tác của chúng.

Hiệu ứng Compton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng trung bình từ vài chục keV

đến vài MeV và phụ thuộc vào năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Quá

trình bắt đầu xảy ra khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng

lượng liên kết của các electron lớp trong nguyên tử khi đó có thể xem các electron này

là các electron tự do và hiệu ứng quang điện không còn đáng kể.

Công thức tiết diện tán xạ Compton toàn phần theo Klein-Nishina [12]:

(1.13)

với = 2,8210-15 m là bán kính electron cổ điển.

Hình 1.5. Phân bố tiết diện tán xạ Compton theo góc tán xạ tính theo công thức Klein-

6

Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ 1keV đến 10MeV [7]

Xét 2 trường hợp giới hạn của tiết diện tán xạ Compton:

Đối với các gamma có năng lượng thấp ( ) tiết diện tán xạ Compton

tăng tuyến tính khi năng lượng gamma giảm và đạt xấp xỉ tiết diện tán xạ Thomson được

xác định theo công thức [1]:

(1.14)

trong đó là tiết diện tán xạ Thomson.

Đối với gamma có năng lượng cao ( hay ) thì được xác định

theo công thức [1]:

(1.15)

Từ công thức (1.15) cho thấy biến thiên tỉ lệ nghịch với E ngoài ra trong

nguyên tử có Z electron nên được xác định [1]:

(1.16)

 Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp là quá trình gamma tương tác với trường điện từ quanh hạt nhân

sinh ra cặp electron-positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron-positron và

nhân giật lùi. Do đó, năng lượng gamma tới phải lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của

electron ( ), trong thực tế xác suất để hiệu ứng xảy đáng kể là vào khoảng vài

MeV. Vậy sự tạo cặp chỉ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng cao.

Do năng lượng giật lùi là không đáng kể nên theo định luật bảo toàn năng lượng

ta có tổng động năng của electron và positron được xác định theo công thức:

(1.17)

Hai hạt electron và positron chuyển động chậm dần trong vật liệu trong đó

7

electron mất dần năng lượng để ion hóa các nguyên tử môi trường, positron kết hợp với

electron khác gần đó xảy ra hiện tượng hủy cặp electron-positron và hai lượng tử gamma

được phát ra gần như ngược chiều nhau và mỗi lượng tử mang phần năng lượng là 0,511

MeV.

 Electron

e-

0,511keV Positron e+

e+e-

0,511keV

Hình 1.6. Minh họa hiệu ứng tạo cặp electron-positron

Hiệu ứng tạo cặp là kênh trội ở vùng năng lượng cao nên khi xét trong miền năng

lượng thì tiết diện tạo cặp tỉ lệ với Z2. Với những vật liệu có số

nguyên tử Z lớn thì tiết diện tạo cặp nằm trong miền năng lượng này là khá lớn. Ngoài

ra nó còn phụ thuộc vào lnE biểu diễn qua công thức [1]:

(1.18)

Bảng 1.1. Các quá trình tương tác giữa tia gamma với vật chất

Hiệu ứng Compton Hiệu ứng tạo cặp

Hạt nhân Hiệu ứng quang điện Electron lớp trong của nguyên tử Electron lớp ngoài của nguyên tử

Thấp (<1MeV) Trung bình (0,2-5MeV) Cao (>1,022MeV) Tương tác Năng lượng

cặp

Quá trình

8

Tia gamma truyền toàn bộ năng lượng cho electron ở lớp trong của nguyên tử Tia gamma truyền một phần năng lượng cho ngoài lớp electron nguyên từ và bị lệch hướng khỏi bay ban đầu. Tạo electron- positron. Positron mất năng lượng gặp electron và bị hủy cặp, tạo 2 photon có năng lượng 0,511MeV.

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì quá trình gamma tương tác với vật chất

xảy ra ba hiệu ứng chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.

Vậy tiết diện tương tác tổng cộng của ba quá trình:

c á t

g n ơ ư t t ấ u s c á X

(1.19)

Năng lượng (keV)

Hình 1.7. Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [14]

Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng quang điện

Tán xạ Compton

Hình 1.8. Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng theo năng lượng gamma và số

nguyên tử Z [7]

Từ hình 1.7 và 1.8 cho thấy sự phụ thuộc tiết diện tương tác vào năng lượng của

gamma tới và điện tích của vật chất. Tại miền năng lượng thấp tiết diện quang điện lớn,

9

hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế và khi năng lượng càng lớn thì tiết diện quang điện

càng giảm. Với khoảng năng lượng trung bình thì hiệu ứng Compton trở thành kênh trội.

Tiết diện tương tác của hiệu ứng quang điện và Compton rất nhỏ khi năng lượng gamma

tới và sự hấp thụ gamma trong vùng năng lượng này xảy ra chủ yếu do quá

trình tạo cặp.

1.1.3. Các đặc trưng của phổ gamma

Phổ gamma là tập hợp những vạch rời rạc được ghi nhận thông qua các hiệu ứng

quang điện, tán xạ Compton hoặc hiệu ứng tạo cặp.

dN/dE

Đỉnh quang điện

Đỉnh thoát đơn Đỉnh hủy Đỉnh tán xạ ngược Đỉnh thoát đôi

E

Nền Compton

Cạnh Compton

Hình 1.9. Minh họa các đỉnh đặc trưng của phổ gamma

Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma bao gồm:

- Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần hay đỉnh quang điện được hình thành bởi

năng lượng gamma tới bị mất toàn bộ năng lượng trong đầu dò thông qua hấp thụ

quang điện hoặc một chuỗi tán xạ Compton và kết thúc bằng hiệu ứng quang điện.

- Vùng Compton là chuỗi các sự kiện nằm trước đỉnh năng lượng toàn phần được

hình thành bởi các tán xạ Compton. Cạnh Compton là vị trí ứng với góc tán xạ

180o. Khu vực nằm giữ cạnh Compton và đỉnh quang điện là vùng tán xạ nhiều

lần được hình thành do các sự kiện tán xạ nhiều lần trong đầu dò và mất toàn bộ

năng lượng trong đầu dò.

10

- Đỉnh tán xạ ngược xuất hiện trong phổ do sau khi gamma tán xạ với những góc

lớn trong đầu dò và sau đó bị hấp thụ. Sự đóng góp cho đỉnh tán xạ ngược là khi

tia gamma mất năng lượng trong đầu dò. Tổng năng lượng của đỉnh tán xạ ngược

và cạnh Compton sẽ bằng với năng lượng của đỉnh quang điện.

- Đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi được hình thành bởi sau quá trình tạo cặp phát

ra hai tia gamma với cùng năng lượng, các gamma này có thể tiếp tục tương tác

với vật chất trong đầu dò hoặc thoát ra ngoài. Trường hợp một trong hai tia gamma

hủy thoát ra sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn nằm cách đỉnh quang điện một khoảng đúng

bằng 0,511MeV. Trường hợp cả hai tia gamma hủy thoát ra ngoài tạo nên đỉnh

thoát đôi, đỉnh này nằm cách đỉnh quang điện khoảng 1,022MeV.

- Đỉnh hủy là trường hợp positron được tạo ra và hủy cặp ở môi trường ngoài đầu

dò, một trong hai tia gamma hủy lọt vào đầu dò nằm ở vị trí tương ứng với năng

lượng 0,511MeV.

Ngoài ra trong thực nghiệm còn thu được đỉnh tia X đặc trưng khi tia gamma từ

nguồn có thể thoát ra khỏi đầu dò đến tương tác với vật liệu che chắn xung quanh và kết

quả là ở vùng năng lượng thấp xuất hiện một đỉnh tia X đặc trưng cho vật liệu mà nó

tương tác. Trong phổ gamma, đỉnh năng lượng toàn phần mang lại nhiều thông tin hữu

ích và do tính chất của đề tài sẽ sử dụng thông tin từ đỉnh quang điện, phần còn lại của

phổ có thể coi như phông. Trong những tính toán đơn giản thì đỉnh phổ gamma xấp xỉ

theo dạng phân bố Gauss:

(1.20)

trong đó A là độ cao đỉnh, là vị trí của đỉnh và  là độ lệch chuẩn của phân bố đỉnh.

1.2. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy

1.2.1. Giới thiệu chung về hệ phổ kế gamma

 Quá trình phát triển của đầu dò ghi bức xạ tia gamma và tia X

Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, các đầu dò ghi bức xạ đóng vai trò rất quan

trọng trong việc xác định năng lượng và cường độ gamma. Ngày nay, nhiều loại đầu dò

11

đã ra đời chẳng hạn ống đếm khí, đầu dò nhấp nháy, đầu dò bán dẫn,… có thể dùng để

đo gamma, electron, các hạt nặng mang điện.

Nhìn lại các giai đoạn phát triển của thiết bị ghi nhận trong vật lý hạt nhân và hạt

cơ bản thì vào giai đoạn đầu chỉ có thể xác định sự hiện diện của bức xạ, sau đó là đo

được cường độ nhưng vẫn chưa biết thông tin về năng lượng. Các nhà khoa học không

ngừng nghiên cứu và phát triển các hệ đo cho đến ngày nay phép đo phổ đã có những

bước tiến mới với sự ra đời của các đầu dò có độ phân giải tốt, hiệu suất ghi cao cho

phép xác định chính xác cường độ cũng như năng lượng của bức xạ. Một số mốc thời

gian đánh dấu từng bước phát triển của đầu dò ghi nhận bức xạ gamma và tia X:

- Năm 1895, Roentgen bắt đầu đo các tia X với những phép đo đầu tiên sử dụng

các phương pháp huỳnh quang, chụp ảnh và buồng ion hóa.

- Năm 1908, Rutherford và Geiger phát triển đa dạng các loại ống đếm chứa khí

cho phép đo và xác định nhanh chóng sự hiện điện của bức xạ nhưng vẫn chưa

định được năng lượng của chùm bức xạ.

- Năm 1948, Hofstadter chế tạo đầu dò NaI(Tl) có khả năng đo phổ năng lượng

trên một dải rộng có độ phân giải tốt hơn so với ống đếm chứa khí, hiệu suất ghi

cao, hoạt độ ổn định, tinh thể bền vững về mặt vật lý và hóa học. Để hấp thụ được

tia gamma năng lượng cao yêu cầu tinh thể nhấp nháy với kích thước lớn đã được

sản xuất.

- Năm 1962, Pell và các nhà nghiên cứu khác cho ra đời detector được chế tạo từ

vật liệu đơn tinh thể có tỉ trọng lớn, đầu dò bán dẫn Ge(Li). Việc nuôi cấy đơn

tinh thể với thể tích lớn là rất khó nên chỉ có đơn tinh thể Si và Ge được sử dụng.

Trong đó, đầu dò Ge đo được miền rộng năng lượng còn Si chủ yếu đo photon

năng lượng thấp. Đầu dò bán dẫn có độ phân giải cao hơn so với đầu dò NaI.

- Vào những năm 1980, đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe (High purity

germanium) có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng đã được chế tạo nhằm khắc

phục hạn chế của đầu dò Ge(Li) yêu cầu bảo quản thường xuyên ở nhiệt độ nitơ

lỏng (-196oC).

Ngày nay, HPGe và NaI(Tl) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghiên cứu

bởi những ưu điểm riêng của nó. Sau chặng đường dài nghiên cứu và phát triển các hệ

12

đo bức xạ, các nhà khoa học đã đạt được những thành công vượt bậc mang lại những

bước tiến mới trong phép ghi đo phổ bức xạ.

 Nguyên tắc làm việc chung của đầu dò nhấp nháy.

Như đã trình bày ngày nay có nhiều loại đầu dò được ra đời. Trong nghiên cứu

này, chúng tôi sẽ sử dụng loại đầu dò NaI(Tl). Đây là loại đầu dò nhấp nháy có độ nhạy

cao và đáp ứng nhanh, sử dụng tốt trong việc ghi nhận các gamma năng lượng lên đến

vài MeV.

Khi bức xạ gamma vào tương tác với tinh thể nhấp nháy, chúng bị hấp thụ và

được chuyển hóa thành ánh sáng nhấp nháy. Ánh sáng này có cường độ rất thấp được

dẫn qua photocathode nhằm chuyển đổi ánh sáng thành các quang electron và được

khuếch đại trong ống nhân quang điện thông qua các dynode. Đến cuối quá trình khuếch

đại thành phần anode đóng vai trò chuyển hóa các quang electron thành các xung điện.

Các xung điện được khuếch đại qua mạch khuếch đại, sau đó sẽ được phân tích và hiển

thị qua bộ phân tích độ cao xung. Nếu xung nằm trong phạm vi cửa sổ đã chọn chúng sẽ

được ghi lại trong bộ nhớ máy tính.

Hình 1.10. Minh họa quá trình hoạt động của hệ đo dùng đầu dò nhấp nháy

1.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các bộ phận của đầu dò nhấp nháy

Đầu dò nhấp nháy là tổ hợp hai thành phần chính gồm tinh thể nhấp nháy và ống

nhân quang điện. Nếu trong điều kiện hai thành phần này phải đặt cách xa nhau chẳng

hạn tinh thể đặt trong từ trường mà ống nhân quang điện không thể làm việc trong môi

13

trường này thì cần dùng đến phần dẫn quang. Phần dẫn quang được chế tạo từ thạch anh

hoặc thủy tinh hữu cơ. Một lưu ý quan trọng là mặt kết nối với ống nhân quang phải

được đánh bóng cẩn thận nhằm đảm bảo phản xạ ánh sáng toàn phần.

Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng đầu dò NaI(Tl) hình trụ kích thước

có phần dẫn quang rất mỏng chủ yếu đóng vai trò liên kết tinh thể và ống nhân quang.

 Tinh thể nhấp nháy

Chất nhấp nháy sử dụng trong ghi bức xạ hạt nhân phải thỏa mãn các yêu cầu cơ

bản. Thứ nhất, chất nhấp nháy có hiệu suất phải cao, tức tỷ số năng lượng của các nháy

sáng trên năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy phải lớn. Thứ hai, một chất

nhấp nháy tốt phải không hấp thụ ánh sáng phát ra bên trong nó. Ngoài ra để đảm bảo

khả năng phân giải thời gian cao thì thời gian phát sáng của bản nhấp nháy cần phải nhỏ.

Có hai loại chất nhấp nháy được sử dụng phổ biến là chất nhấp nháy vô cơ và hữu

cơ. Chất nhấp nháy vô cơ có thành phần cơ bản là muối halogen của kim loại kiềm được

chế tạo ở dạng đơn tinh thể, pha thêm một lượng nhỏ chất hoạt tính (~0,1%) làm xuất

hiện các mức tạp chất gọi là tâm bắt nhằm kích hoạt quá trình phát huỳnh quang.

Trong giới hạn của đề tài chỉ trình bày tinh thể NaI(Tl) thuộc chất nhấp nháy vô

cơ. Tinh thể nhấp nháy sử dụng phổ biến nhất là NaI được kích hoạt bởi Thallium (0,1%)

có cường độ sáng rất cao, sử dụng tốt trong hệ phổ kế gamma. Vì tinh thể này dễ hút ẩm

nên nó được đặt trong vỏ nhôm kín về ba phía, mặt còn lại nối với ống nhân quang điện.

Cơ chế hình thành nháy sáng sẽ được giải thích trên cơ sở lý thuyết vùng năng

lượng của chất rắn. Các electron trong nguyên tử phân bố trên các mức năng lượng, khi

không bị kích thích các electron chiếm đầy vùng hóa trị. Các trạng thái kích thích cao

hơn thì các electron sẽ nằm trong vùng dẫn.

Khi bức xạ đi vào tinh thể nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chất

nhấp nháy trong vùng hóa trị tạo ra lượng lớn các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống

mang điện tích dương bắt các electron trong nguyên tử trở thành nguyên tử trung hòa.

Các electron được tạo ra nhận được năng lượng tối thiểu bằng với độ rộng năng lượng

của vùng trống sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Sau đó nhảy xuống vùng cấm và

14

bị các tâm bắt giữ lại. Electron tồn tại ở trạng thái kích thích với thời gian cỡ nano giây

tùy thuộc vào bản chất tinh thể sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra ánh sáng trong

vùng nhìn thấy, đó là ánh sáng nhấp nháy.

Hình 1.11. Nguyên tắc nhấp nháy [5]

 Ống nhân quang điện

Khi bức xạ bị hấp thụ thì sẽ phát ra ánh sáng nhấp nháy. Ánh sáng này được dẫn

qua cửa sổ quang có thể là thủy tinh hoặc thạch anh và đập vào bề mặt photocathode.

Những ánh sáng nhấp nháy sẽ làm bật các electron từ lớp màn cảm quang của

photocathode giúp chuyển đổi ánh sáng thành các quang electron. Cường độ ánh sáng

càng lớn thì electron bật ra càng nhiều nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu trong ghi nhận. Vì

vậy, các electron này sẽ được gia tốc và hội tụ thông qua điện trường, gọi là lưới hội tụ

hướng các electron này tới dynode. Dynode này có nhiệm vụ làm tăng lượng electron

lên bởi nó được chế tạo bằng vật liệu có công thoát điện tử nhỏ và khi bị các electron

bắn phá sẽ bức xạ những electron thứ cấp. Những electron thứ cấp này lại được gia tốc

và hội tụ tại dynode tiếp theo, quá trình này được lặp đi, lặp lại và điều này làm tăng

lượng electron lên rất nhiều. Cuối quá trình là bản anode đóng vai trò thu góp điện tích

và tạo xung lối ra. Sau đó, xung này sẽ được khuếch đại qua mạch khuếch đại.

Như vậy, ống nhân quang điện không những đóng vai trò biến tín hiệu quang học

thành tín hiệu điện mà còn khuếch đại chúng lên rất nhiều lần so với ban đầu. Trong thực

nghiệm do hiện tượng bức xạ electron nhiệt từ những dynode có thể gây ra những tạp

âm nhiệt hoặc có thể hệ thống điện áp không ổn định làm thăng giáng thống kê lớn thậm

15

chí là bị dịch phổ. Với những lí do này có thể làm xuất hiện biên độ tạp âm gây khó khăn

trong quá trình xử lý phổ. Chẳng hạn, nếu biên độ xung lớn hơn biên độ tạp âm phải

dùng bộ hạn chế biên độ. Nếu tạp âm quá cao phải tìm cách giảm đến mức tối thiểu,

thông thường cần hạ thấp nhiệt độ của photocathode để làm giảm tạp âm nhiệt vì xác

xuất bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ.

1.2.3. Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy

 Khả năng phân giải năng lượng của đầu dò

Là một đại lượng quan trọng được đánh giá qua độ rộng các đỉnh phổ. Độ phân

giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, giúp ghi nhận được các nguồn yếu khi nó nằm

chồng lên miền liên tục. Đại lượng FWHM được sử dụng đánh giá độ phân giải năng

lượng là bề rộng toàn phần tại một nửa chiều cao đỉnh, ta có mối quan hệ giữa FWHM

và độ lệch chuẩn  của phân bố đỉnh [7]:

(1.21)

Tùy thuộc vào loại đầu dò và năng lượng gamma tới mà FWHM có thể thay đổi và

thường được làm khớp theo năng lượng có dạng [8]:

(1.22)

Trong phổ gamma dạng của đỉnh phổ không hoàn toàn tuân theo phân bố Gauss

và đại lượng dùng để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi của đỉnh là FWTM, bề rộng toàn

phần ở một phần mười chiều cao của đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần.

16

Hình 1.12. Các đại lượng độ phân giải đỉnh FWHM và FWTM [7]

 Hiệu suất ghi của đầu dò

Một gamma tới tương tác với với vật liệu đầu dò chủ yếu theo 3 cơ chế là hấp thụ

quang điện sẽ truyền toàn bộ năng lượng của gamma tới trong đầu dò, còn tán xạ

Compton và tạo cặp chỉ truyền một phần năng lượng hoặc kết thúc của hai quá trình này

bằng hấp thụ quang điện cũng sẽ đóng góp vào đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần. Dựa

trên đặc tính này về cơ bản có thể chia hiệu suất ghi (xác suất ghi nhận bức xạ) của đầu

dò thành hai loại là hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh.

Hiệu suất toàn phần là xác suất các photon phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng

lượng khác không trong thể tích vùng hoạt động của đầu dò.

Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là xác suất một photon để lại toàn

bộ năng lượng của nó trong vùng thể tích hoạt động của đầu dò, được tính bằng tỉ số

giữa tổng số các sự kiện để lại toàn bộ năng lượng trong đầu dò và tổng số các photon

phát ra từ nguồn.

Trong phổ phân bố độ cao xung vi phân, các sự kiện mất năng lượng toàn phần

được thể hiện bởi đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tổng số các sự kiện này có thể thu

được diện tích đỉnh năng lượng toàn phần bởi một tích phân đơn giản. Phần còn lại trong

phổ là những bức xạ chỉ mang một phần năng lượng của bức xạ tới.

Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

Hình 1.13. Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần trong phổ gamma phân bố độ

cao xung [7]

17

Từ định nghĩa về hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ta có:

Suy ra:

(1.23)

với là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần; N là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần

(số đếm); t là thời gian đo (giây); là hiệu suất phát gamma với năng lượng tương ứng;

A là hoạt độ nguồn phóng xạ tại thời điểm đo (Bq).

Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là một trong những đại lượng được

nghiên cứu trong đề tài bởi nó khá nhạy với các thông số kỹ thuật của đầu dò nên thường

18

được dùng để hiệu chỉnh các thông số này.

CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP

2.1. Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP

 Phương pháp Monte Carlo

Là phương pháp thử thống kê sử dụng một loạt các thuật toán lấy mẫu ngẫu nhiên

để thu được kết quả số, được đặt theo tên của một thành phố ở Monaco, nơi nổi tiếng với

các sòng bạc. Việc sử dụng phương pháp này để mô hình hóa các quá trình vật lý và cho

phép đánh giá các hệ thống phức tạp đồng thời khắc phục nhiều hạn chế trong thực

nghiệm, cho kết quả đáng tin cậy. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

đã có rất nhiều chương trình mô phỏng vận chuyển hạt bằng phương pháp Monte Carlo

đã ra đời và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu.

Phương pháp Monte Carlo là một công cụ hữu hiệu trong tính toán và giải quyết

các vấn đề trong nhiều ngành khoa học trong đó có vật lý hạt nhân. Đây là phương pháp

được xây dựng dựa trên các nền tảng cơ bản. Thứ nhất, tạo ra dãy số ngẫu nhiên phân

bố đều trên khoảng (0, 1). Thứ hai, là luật số lớn nhằm đảm bảo cho sự ổn định của các

giá trị trung bình càng gần với giá trị kì vọng của các biến ngẫu nhiên khi phép thử đủ

lớn. Cuối cùng là định lý giới hạn trung tâm mô tả cách ước lượng Monte Carlo tiến đến

giá trị thực hay hội tụ về một biến ngẫu nhiên nào đó khi kích cỡ mẫu được tăng lên và

điều kiện của định lý là cả giá trị trung bình và phương sai của phân bố phải hữu hạn.Một

số thành phần chính trong phương pháp Monte Carlo

Monte Carlo

Lấy mẫu

Kết quả Ghi nhận Số ngẫu nhiên

Ước lượng sai số

Giảm phương sai

Phân bố xác suất

19

Hình 2.1. Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo

Các bước cần thực hiện trong một bài toán mô phỏng là mô hình hóa, tìm phương

thức để thể hiện các tính toán trên máy tính và cuối cùng là mô phỏng.

 Giới thiệu chung về chương trình mô phỏng MCNP

MCNP là sản phẩm của việc ứng dụng phương pháp Monte Carlo tại trung tâm

thí nghiệm Quốc gia Los-Alamos, Mỹ. Chương trình mô phỏng đầu tiên mang tên MCS

được viết năm 1963, sau đó là MCN có thể giải các bài toán neutron tương tác với vật

chất trong hình học ba chiều thông qua việc sử dụng các thư viện số liệu vật lý để tính

toán. Năm 1973, MCN kết hợp với chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon

năng lượng cao mang tên MCG cho ra MCNG (chương trình mô phỏng neutron-

gamma). Sau đó nó hợp nhất với MCP (chương trình Monte Carlo photon tính toán chi

tiết đến năng lượng của photon là 1 keV) để mô phỏng các tương tác neutron-photon và

trở thành MCNP. Ngày nay MCNP có nghĩa là Monte Carlo N hạt có thể là neutron,

photon hoặc electron, chương trình được các nhà nghiên cứu hoàn thiện và phát triển

mạnh mẽ qua nhiều phiên bản như MCNP3, MCNP4, MCNP4A, MCNP4B, MCNP4C,

MCNP4C2 và gần đây nhất là MCNP5 có bổ sung thêm hiệu ứng giãn nở Doppler cùng

với thư viện tiết diện được cập nhật. Đây là công cụ tính toán rất mạnh để mô phỏng các

quá trình vật lý hạt nhân như các quá trình phân rã, tương tác bức xạ với vật chất, giải

quyết các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian,... Chương trình

MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh viết bằng FORTRAN và 1000 dòng lệnh C với

khoảng 400 chương trình con. Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt

nhân chủ yếu được cung cấp từ các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới.

Trong khoảng nhiều năm trở lại đây các tính toán bằng phần mềm mô phỏng

MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện nghiên cứu hạt nhân Đà

Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ Tp. HCM, Viện năng lượng

Nguyên tử Việt Nam và các trường đại học,… Những nghiên cứu chủ yếu tập trung vào

phổ ghi nhận bức xạ, phân tích an toàn che chắn, nghiên cứu các loại đầu dò, phân bố

trường liều bức xạ,…

Trong đề tài này, chương trình MCNP5 được sử dụng để mô phỏng đầu dò nhấp

20

nháy NaI(Tl) để tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần.

2.2. Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP

Trong chương trình MCNP quá trình vận chuyển hạt được mô phỏng từng bước,

đối với mỗi lịch sử hạt sẽ được tạo ra bởi dãy các số ngẫu nhiên với loại hạt phát ra từ

nguồn khảo sát. Sau đó, các thủ tục nguồn phát như loại nguồn sẽ được chương trình gọi

ra. Các thông số của hạt như vị trí, năng lượng, hướng phát,… sẽ được tạo bằng cách lấy

mẫu ngẫu nhiên theo như phân bố được khai báo trong tệp đầu vào.

Trong đề tài này sẽ khảo sát các nguồn phát gamma với điểm giao các vết của hạt

với mặt biên của cell sẽ được tính toán, các tiết diện tương tác dựa vào thư viện dữ liệu

để tìm khoảng cách dương nhỏ nhất từ vị trí hạt đến mặt biên của cell từ đó cho biết mặt

kế tiếp mà hạt hướng tới. Nếu khoảng cách đến lần va chạm kế tiếp lớn hơn khoảng cách

dương nhỏ nhất hạt sẽ ra khỏi cell đang ở. Các tally ghi nhận vết sẽ được tính toán và

cập nhật những thông tin mới của hạt. Sau khi hạt qua mặt biên hoặc quá trình va chạm

đã kết thúc, hạt tiếp tục được tính toán xác định khoảng cách đến mặt biên kế tiếp, cứ

như vậy cho đến khi hạt mất trong quá trình va chạm, chương trình sẽ kiểm tra xem có

hạt thứ cấp nào được tạo ra, nếu không thì lịch sử hạt sẽ kết thúc. Đồng thời chương trình

sẽ kiểm tra các điều kiện như số lịch sử hạt, thời gian chạy chương trình,… nếu thỏa thì

thông tin sẽ được đưa vào tally kết quả, chương trình sẽ kết thúc và kết quả được in ra.

Qui trình mô phỏng trong MCNP được thực hiện qua các bước sau:

MCNP

Tệp đầu ra • Nội dung tệp đầu vào Tệp đầu vào • Định nghĩa ô • Định nghĩa mặt • Định nghĩa vật • Khởi tạo • Tính toán hình học • Xử lý tiết diện tương liệu tác • Các bảng thông tin • Các đánh giá thống kê • Mô phỏng các quá trình • Kết quả tally • Xuất kết quả

Phần quan trọng trong MCNP là xây dựng tệp số liệu đầu vào cung cấp các thông

tin về cấu trúc hình học, vật liệu đo, thông số nguồn, loại hạt quan tâm, số hạt cần gieo,…

21

Một tệp đầu vào chuẩn gồm có:

Tiêu đề và thông tin về tệp đầu vào (nếu cần)

Định nghĩa ô mạng (Cell card)

......................... .......................................................... Dòng trống

Định nghĩa mặt (Surface card)

......................... .......................................................... Dòng trống

Định nghĩa dữ liệu (Data card)

......................... .......................................................... Dòng trống

Ngoài ra có thể sử dụng $ để ghi chú sau câu lệch hoặc C ở đầu dòng để ghi chú

cả dòng.

 Cell Card

Cell là một vùng không gian được bao kín bởi các mặt. Mỗi cell card được mô tả

thông qua các chỉ số cell, chỉ số vật chất, mật độ vật chất và các mặt biên sẽ được định

nghĩa trong phần surface card, mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị

âm hoặc dương được kết hợp với nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:)

và bù (#).

Cú pháp: j m d geom params

Trong đó:

chỉ số cell j

m chỉ số vật chất trong cell, m = 0 để chỉ cell trống

d khối lượng riêng của cell; mang dấu “+” nếu xét theo đơn vị

[nguyên tử/cm3] và dấu “-” nếu là [g/cm3]

geom mô tả hình học của cell được giới hạn bởi các mặt

params các tham số tùy chọn như độ quan trọng (imp),…

Ví dụ:

22

C CELL OF DETECTOR

1 1 -3.670 (2 -3 -7) IMP: P=1 $ Crystal NaI(Tl) of detector

2 2 -3.970 (2 -3 7 -8): (3 -4 -8) IMP: P=1 $ Aluminium oxide reflector

Chỉ số cell Chỉ số vật liệu Mật độ Độ quan trọng của cell Không gian cell

 Surface Card

Là khối định nghĩa các mặt tạo nên cell bằng cách cung cấp các hệ số của các

phương trình giải tích mặt hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt. Để xác định

về phương, chiều của loại mặt đơn giản chương trình đã qui ước với mặt phẳng vuông

góc với trục tọa độ thì vùng phía chiều dương trục tọa độ mang dấu “+”, ngược lại mang

dấu “-”. Đối với mặt trụ, cầu,… thì vùng bên ngoài mặt mang dấu “+”, bên trong mang

dấu “-”. Cách viết định nghĩa mặt được thể hiện qua cú pháp: j a list

Trong đó:

j chỉ số mặt

a kí hiệu loại mặt

list các tham số định nghĩa mặt

Bảng 2.1. Một số loại mặt cơ bản được định nghĩa trong MCNP

Kí hiệu Loại Mô tả Hàm Tham số

Mặt phẳng thường Ax+By+Cz-D=0 ABCD P

PX trục X x-D=0 D Mặt phẳng PY trục Y y-D=0 D

PZ trục Z z-D=0 D

SO Mặt cầu Tâm tại gốc tọa độ x2+y2+z2-R2=0 R

CX Trên trục X y2+z2-R2=0 R

CY Mặt trụ Trên trục Y x2+z2-R2=0 R

23

CZ Trên trục Z x2+y2-R2=0 R

Ví dụ:

16 PZ 21.285

17 CZ 0.25 $ Radius of source

18 CZ 1.17

 Data Card

Là khối định nghĩa dữ liệu gồm có Mode card (Mode), Source card (SDEF), Tally

card (Fn, En), Material card (Mm), Card ngừng chương trình (NPS hoặc CTME),…

+ Mode card là phần khai báo loại hạt X mà ta muốn xét

Cú pháp: Mode X

với X = N, P, E lần lượt tương ứng cho trường hợp neutron, photon và electron

+ Source card là phần mô tả nguồn với các dạng khác nhau như nguồn tổng quát

(SDEF), nguồn mặt (SSR),… thông qua các thông số nguồn bao gồm năng lượng, loại

hạt, vị trí, hướng bay,… Đối với nguồn tổng quát thì Card SDEF được sử dụng.

Cú pháp: SDEF các biến nguồn = thông số

Một số biến nguồn thông dụng:

ERG mô tả năng lượng hạt phát ra từ nguồn;

Nếu là nguồn đơn năng chỉ phát ra một mức năng lượng ta có thể khai báo ERG

= giá trị năng lượng. Nếu là nguồn phát ra nhiều hơn một mức năng lượng ta có thể mô

tả thông qua cú pháp ERG = Dn với n là chỉ số của phân bố dạng liên tục, dạng điểm (A)

hoặc vạch đơn năng (L). Sau đó, sử dụng các card mô tả phân bố nguồn như SIn card để

khai báo các giá trị của phân bố, sử dụng SPn card khai báo xác suất của phân bố. Trong

mô phỏng phổ gamma thường dùng mô hình phân bố dạng vạch đơn năng.

PAR loại hạt phát ra từ nguồn với qui ước; 1: neutron, 2: photon, 3: electron

POS tọa độ vị trí nguồn (x y z)

AXS vector tham chiếu cho RAD và EXT

24

RAD bán kính quét từ POS hoặc từ AXS

EXT khoảng cách từ POS dọc theo AXS

Đối với RAD và EXT khai báo tương tự như ERG thông qua SIn và SPn

Cú pháp: SIn option1 Ii

SPn option2 Pi

Trong đó:

n chỉ số của phân bố

option1 mô hình phân bố

option2 phân bố xác suất hoặc chỉ số của hàm phân bố dựng sẵn

các giá trị của biến. Ii

chỉ số của hàm dựng sẵn. Pi

Bảng 2.2. Một số hàm dựng sẵn cho phân bố xác suất nguồn.

Biến nguồn Chỉ số hàm Mô tả phổ phân bố

Hàm mũ: DIR, RAD, EXT -21 a Mặc định: a=1 (DIR), a=2 (RAD), a=0 (EXT).

Hàm exponential: DIR, EXT -31 a Mặc định: a=0

Phân bố Gaussian theo thời gian:

TME, X, Y, Z -41 a b

+ Tally card dùng để truy xuất các kết quả mô phỏng như dòng hạt, thông lượng

hạt, năng lượng hạt để lại,... chương trình sẽ chuẩn kết quả về trên một hạt nguồn. Có

nhiều loại tally tính toán khác nhau liên quan đến nhiều thông số ta sẽ chọn loại tally phù

hợp với thông tin cần quan tâm. Do tính chất của đề tài nên sẽ tập trung vào loại tally

phân bố độ cao xung hay tally F8, có chức năng cho kết quả về sự phân bố năng lượng

25

của xung được tạo ra trong cell.

Cú pháp: F8:pl Si

Trong đó:

pl loại hạt cần ghi nhận (N, P, E)

chỉ số của cell cần khảo sát (đối với đầu dò thường là cell tinh thể) Si

Khi tally độ cao xung được dùng với các khoảng chia (bin) năng lượng, nó tương

ứng với năng lượng mỗi hạt để lại trong đầu dò ở các kênh xác định, các số đếm 0 được

tạo ra bởi các hạt đi qua đầu dò mà không để lại năng lượng hoặc các xung mang năng

lượng nhỏ hơn so với bin 0 sẽ không được theo dõi và được tính vào bin năng lượng này.

Khai báo các bin năng lượng qua cú pháp: ... En E1 Ek

Trong đó:

n chỉ số của tally; n=0 khai báo năng lượng chung cho tất cà tally

chặn trên của bin năng lượng thứ i (i=1,...,k) cho tally Fn Ei

Trong thực nghiệm phổ gamma ghi nhận bởi đầu dò NaI(Tl) cho đỉnh năng lượng

toàn phần thường có dạng đỉnh Gauss. Vì vậy trong mô phỏng cần dùng đến FTn card

nhằm khai báo các hiệu chỉnh nở rộng dạng Gauss GEB cho tally để thu được phổ gamma

mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm thông qua làm khớp từ

kết quả thực nghiệm tính toán được các hệ số a, b, c.

Cú pháp: FT8 GEB a b c

Ví dụ:

E0 0 1E-5 0.00013621 8124I 1.658205 5

FT8 GEB -0.0137257 0.0739501 -0.152982

F8:P 1

+ Material card là card định nghĩa tính chất vật liệu trong cell

Cú pháp: Mm ZZZAAA1 fraction1 ZZZAAA2 fraction2 ...

26

Trong đó:

m chỉ số của vật chất trong cell

ZZZ số hiệu nguyên tử

AAA số khối

fraction tỉ lệ đóng góp của các đồng vị trong vật liệu. Trường hợp thể

hiện tỉ lệ này theo số nguyên tử thì fraction mang dấu “+”,

mang dấu “-” nếu việc mô tả theo tỉ lệ khối lượng

Ví dụ:

M1 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(T1)

M2 13027 -0.529251 8016 -0.470749 $ Aluminium oxide

Ngoài ra các card ngừng chương trình được dùng để kết thúc quá trình làm việc

nếu các card NPS hoặc CTME đạt đến ngưỡng qui định.

Cú pháp: NPS N

Hoặc CTME x

Trong đó:

N tổng số lịch sử hạt cần chạy.

x thời gian tối đa (phút) chạy chương trình.

Phần mô tả Cell card, Surface Card và Data Card được thể hiện chi tiết trong phần

phụ lục 4.

Với các thông tin nhận được từ tệp đầu vào chương trình sẽ sử dụng các thư viện

dữ liệu hạt nhân để tính toán. Khi kết thúc quá trình mô phỏng, chương trình sẽ in một

dữ liệu đầu ra với thông tin được xuất lần lượt là nội dung tệp đầu vào, các bảng thông

tin, các đánh giá thống kê và kết quả của tally phục vụ cho người sử dụng.

 Sai số tương đối

Trong chương trình MCNP sai số tương đối được đánh giá thông qua giá trị R.

Sai số tương đối (R) là tỉ số của độ lệch chuẩn và trị trung bình. Sau mỗi quá trình mô

27

phỏng R sẽ được tính toán và xác định:

(2.1)

Độ lệch chuẩn của được xác định:

(2.2)

là giá trị trung bình của quá trình mô phỏng; N là tổng số lịch sử hạt;

là đặc trưng đánh giá của lịch sử thứ i,

với

.

Phương sai của được cho bởi:

(2.3)

Vậy ta được:

(2.4)

Với thông tin về R được xuất ra sau mỗi quá trình mô phỏng cho phép người dùng

đánh giá những đóng góp khác nhau vào kết quả truy xuất của một quá trình mô phỏng.

Bảng 2.3. Chú giải sai số tương đối R

R Ý nghĩa của kết quả

>0,5 Không có ý nghĩa

0,2 - 0,5 Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp

0,1-0,2 Chưa tin cậy hoàn toàn

< 0,1 Tin cậy (ngoại trừ đối với đầu dò điểm/vòng)

< 0,05 Tin cậy đối với đầu dò điểm/vòng

Kết quả quả truy xuất tốt khi , vì vậy để giảm R một nửa cần tăng số lịch sử hạt

lên 4 lần nhưng đối với kết quả xuất có chiều hướng xấu thì R có thể tăng khi số lịch sử

28

hạt tăng.

CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT VÀ HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

CỦA ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY

3.1. Xây dựng bộ số liệu đầu vào

3.1.1. Mô tả hệ đo

 Cấu tạo của đầu dò nhấp nháy Gamma-Rad

Đầu dò nhấp nháy Gamma-Rad được sản xuất bởi hãng Amptek là thiết bị dùng

cho việc đo phổ gamma. Về cơ bản Gamma-Rad bao gồm tinh thể NaI(Tl) kích thước

(3  3in) được nối với ống nhân quang điện. Ngoài ra trong thực nghiệm

còn có máy tính cài đặt các chương trình ghi nhận và xử lý phổ kèm theo.

Hình 3.1. Cấu tạo về mặt kỹ thuật của Gamma-Rad 5 [14]

Các thông số của đầu dò dùng trong mô phỏng dựa vào thông tin từ nhà sản xuất

(Amptek, USA). Phần quan trọng của đầu dò là tinh thể NaI được chế tạo dạng trụ tròn

có kích thước là 7676 mm có pha một hàm lượng rất nhỏ hoạt chất Thalium (Tl). Mặt

trước tinh thể được thiết kế từ trong ra ngoài gồm 3 lớp: lớp bột oxít nhôm, lớp silicon

và lớp nhôm bao bên ngoài. Trong đó, lớp bột oxít nhôm dày 1mm đóng vai trò lớp phản

xạ và liên kết, lớp silicon dày 2mm và lớp vỏ nhôm dày 1,5mm đóng vai trò bảo vệ đầu

dò. Xung quanh tinh thể từ trong ra ngoài gồm 2 lớp: lớp bột oxít nhôm dày 2mm và lớp

29

nhôm bao bọc bên ngoài dày 1,6 mm. Mặt sau tinh thể được nối với ống nhân quang

điện, do tính phức tạp của ống nhân quang nên nó được mô phỏng là khối nhôm dày

30mm.

Hình 3.2. Cấu tạo chi tiết của đầu dò [8]

 Bộ nguồn chuẩn

109Cd, 60Co, 54Mn, 22Na, 65Zn, 137Cs. Mặt trên cùng của nguồn có dán một lớp decal ghi

Bộ nguồn phóng xạ chuẩn dùng trong thực nghiệm [8] gồm có 7 nguồn: 152Eu,

các thông tin về nguyên tố phóng xạ, hoạt độ, chu kì bán rã, ngày sản xuất, công ty sản

xuất. Thông tin chi tiết về các nguồn sử dụng trong đề tài được trình bày trong phần phụ

lục 1.

30

Hình 3.3. Bộ nguồn chuẩn

 Xây dựng tệp đầu vào

Để xây dựng một tệp đầu vào cho bài toán mô phỏng hiệu suất của đầu dò theo

năng lượng gamma cần các số liệu về thông số kỹ thuật, bố trí hình học, vật liệu của hệ

đầu dò–nguồn. Ngoài ra loại bức xạ quan tâm, năng lượng bức xạ và số các bin năng

lượng tương ứng với số kênh trong phổ đo thực nghiệm đều sẽ được mô tả chi tiết trong

tệp đầu vào.

Bố trí hình học hệ nguồn và đầu dò đặt cách 20 cm và trong mô phỏng hệ được

chia lần lượt thành 14 ô cơ bản 1: tinh thể NaI(Tl); 2: lớp nhôm ôxít; 3: lớp silicon; 4:

lớp vỏ nhôm; 5: ống nhân quang điện (khối nhôm đồng trục); 6: lớp hoạt chất phóng xạ;

7: lớp mylar; 8: lớp decal; 9: hộp chứa nguồn; 10: giá đỡ; 11,12 và 13: phần không khí

xung quanh đầu dò và nguồn; 14: phần không gian bên ngoài vùng quan tâm.

Mỗi ô được giới hạn bởi các mặt phẳng cầu hoặc trụ và được lắp đầy bởi vật liệu

tương ứng với một thành phần của hệ với thông tin chi tiết các loại vật liệu này được

giới thiệu trong phụ lục 2 và 3.

(a) (b)

Hình 3.4. Minh họa các mặt cắt của đầu dò và nguồn được vẽ bằng MCNP5

a). Minh họa mặt cắt dọc và ngang của đầu dò.

31

b). Minh họa mặt cắt dọc của nguồn.

Tương ứng với 14 ô cần nhiều mặt phẳng, trụ để liên kết tạo ra các ô với độ quan

trọng của 13 ô đầu là 1 và trong quá trình mô phỏng các hạt bay ra phần không gian bên

ngoài vùng quan tâm thì quá trình theo dõi hạt sẽ kết thúc nên độ quan trọng của ô 14

được gán bằng 0.

Trong bài toán này sự đánh giá phân bố độ cao xung F8 được sử dụng, các hạt

bay vào đầu dò, tương tác với vật chất và truyền năng lượng cho đầu dò và được chương

trình ghi nhận vào các kênh năng lượng tương ứng.

Để mô phỏng giống với thực nghiệm thì các bin năng lượng được chia thành 8192

bin tương ứng với 8192 kênh của hệ phổ kế.

Các tham số của GEB cho việc hiệu chỉnh lại tally F8 được xác định bằng việc

làm khớp các số liệu thực nghiệm theo dạng với các hệ số [8]:

a = - 0,0137257 MeV; b = 0,0739501 MeV; c = - 0,152982 MeV. Quá trình mô phỏng

sẽ kết thúc khi số lịch sử hạt đạt 109 hạt.

3.1.2. Kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào

Trước khi tiến hành các khảo sát hay hiệu chỉnh lại các thông số kỹ thuật của đầu

dò ta cần kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào, đầu tiên ta sẽ dùng chương trình

MCNP5 để mô phỏng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với các thông số hình học của đầu dò

được giữ như nhà sản xuất đã cung cấp, sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm [8], từ

 So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm

đó rút ra kết luận.

Hình 3.5a, b, c và 3.5d biểu diễn phổ gamma thu được từ mô phỏng bằng chương

trình MCNP5 và dữ liệu thực nghiệm lần lượt theo từng nguồn 22Na, 137Cs, 60Co, 152Eu

với các thông số đầu dò cung cấp bởi nhà sản xuất và bề dày lớp phản xạ Al2O3 theo

nghiên cứu [8] là 1,0 mm. Từ hình vẽ 3.5 cho thấy khả năng đáp ứng phổ từ mô phỏng

so với thực nghiệm là có sự phù hợp tốt. Đối với một số nguồn 54Mn, 109Cd, 65Zn việc

32

so sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 5.

b) a)

d) c)

Hình 3.5. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 22Na, 137Cs, 60Co, 152Eu

 So sánh hiệu suất ghi giữa mô phỏng và thực nghiệm

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng được xác định bởi công thức:

(3.1)

với là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng; là số đếm của

diện tích đỉnh năng lượng toàn phần, N là số photon phát ra ứng với đỉnh năng lượng

33

quan tâm.

Bảng 3.1. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng và thực nghiệm

với các thông số của nhà sản xuất và lớp Al2O3 dày 1mm

FEPE FEPE Độ lệch tương đối (%) Tỉ số Năng (mô phỏng) (thực nghiệm [8])

RD (%) =

lượng

(keV)

88,03 5,90 5,96 1,09 0,99

511 3,65 3,63 0,42 1,00

661,66 2,99 2,98 0,31 1,00

834,85 2,49 2,49 0,06 1,00

1115,54 1,98 1,97 0,53 1,01

1173,23 1,87 1,85 0,93 1,01

1274,54 1,78 1,75 1,86 1,02

RD (%) =

1332,49 1,71 1,69 1,33 1,01

là độ lệch tương đối giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng

toàn phần tính theo mô phỏng và thực nghiệm [8]

Hình 3.6. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực

34

nghiệm

 Nhận xét

Từ hình 3.5, 3.6 và bảng 3.1 cho ta thấy về khả năng đáp ứng phổ gamma của các

nguồn được dùng trong mô phỏng và thực nghiệm có sự phù hợp tốt và độ lệch tương

đối của hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng là

dưới 2% cho tất cả năng lượng khảo. Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với dữ liệu đã

được công bố trong công trình [8].

Vậy tệp đầu vào cho kết quả về khả năng đáp ứng phổ và hiệu suất mô phỏng là

tốt và trên cơ sở này chúng tôi sẽ khảo sát các thông số kĩ thuật khác gồm ống nhân

quang điện (PMT) được thay thế bởi khối nhôm hình trụ đồng trục, silicon, lớp vỏ nhôm,

khảo sát đầu dò nhưng chỉ giữ lại tinh thể NaI(Tl) và sau đó thêm từng lớp vật liệu bao

quanh tinh thể lần lượt là Al2O3, lớp silicon, lớp vỏ nhôm.

 Khảo sát PMT

3.2. Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò

Bảng 3.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị

bề dày PMT khác nhau của đầu dò

E(keV)

88,03 511 661,66 834,85 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 Bề dày PMT(cm)

0 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

1 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

2 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

3 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

4 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

5 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

6 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

7 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

8 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

35

9 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71

Hình 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị

bề dày PMT khác nhau của đầu dò

Từ bảng 3.2 và kết quả thể hiện thông qua hình 3.7 cho thấy, khi thay đổi bề dày

PMT từ 0 đến 9 cm thì hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần được tính cho sáu

nguồn điểm 109Cd, 60Co, 54Mn, 22Na, 65Zn, 137Cs ứng với tám mức năng lượng thì kết quả

hầu như không thay đổi.

Bảng 3.3. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT

E (keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49

Bề dày (cm) RD (%) =

0 1,09 0,43 0,29 0,54 0,05 1,03 1,85 1,38

1 1,09 0,42 0,32 0,53 0,05 0,97 1,86 1,35

2 1,09 0,42 0,32 0,53 0,06 0,94 1,85 1,34

3 1,09 0,42 0,31 0,53 0,06 0,93 1,86 1,33

4 1,09 0,43 0,31 0,53 0,06 0,94 1,86 1,33

5 1,09 0,42 0,31 0,53 0,06 0,92 1,84 1,34

6 1,09 0,42 0,31 0,53 0,06 0,92 1,84 1,34

7 1,09 0,43 0,31 0,53 0,06 0,93 1,86 1,33

8 1,09 0,42 0,36 0,53 0,06 0,94 1,86 1,33

36

9 1,09 0,42 0,31 0,53 0,06 0,93 1,86 1,33

Hình 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT của đầu dò

Từ bảng 3.3 cho thấy độ lệch tương đối giữa mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm

[8] đều dưới 2% và hiệu suất ghi của đầu dò chỉ thay đổi 0,01% đến 0,11% giữa các kết

quả tính toán khi tăng 1cm bề dày PMT cho mỗi lần mô phỏng. Kết quả này được thể

hiện thông qua hình 3.8. Vậy bề dày lớp PMT có ảnh hưởng không đáng kể đến kết quả

mô phỏng đầu dò. Kết quả này khác với công bố trong công trình [9]. Theo nghiên cứu

của Shi và cộng sự thì bề dày của lớp nhôm này là 3 cm tuy nhiên khảo sát của chúng

tôi cho thấy rằng độ dày của lớp nhôm ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phần.

 Khảo sát các lớp vật liệu bao quanh tinh thể

Hình 3.9. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tình theo mô phỏng

đẩu dò chỉ với khối tinh thể và thực nghiệm [8] 37

Bảng 3.4. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò chỉ

với khối tinh thể NaI(Tl)

FEPE FEPE Năng Độ lệch tương đối (%) Tỉ số (mô phỏng) (thực nghiệm [8]) lượng

RD (%) =

(keV)

88,03 5,62 5,96 5,72 0,94

511 3,56 3,63 1,93 0,98

661,66 3,51 2,98 17,76 1,18

834,84 2,29 2,49 8,17 0,92

1115,5 2,17 1,97 10,08 1,10

1173,2 1,90 1,85 2,70 1,03

1274,3 1,68 1,75 4,27 0,96

1332,5 1,72 1,69 1,81 1,02

Từ bảng 3.4 cho thấy khi mô phỏng đầu dò chỉ với khối tinh thể NaI(Tl) thì kết

quả mô phỏng bị lệch rất lớn so với thực nghiệm mà đặc biệt là đỉnh 662,66 keV có độ

lệch là 17,76% và đỉnh 1115,5 keV là 10,08% so với dữ liệu thực nghiệm [8]. Đối với

các đỉnh năng lượng còn lại là dưới 10%. Vậy các lớp vật liệu bao quanh tinh thể có ảnh

hưởng đến hiệu suất của đầu dò.

Hình 3.10. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng

38

đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 và thực nghiệm [8]

Bảng 3.5. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với

khối tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 dày 1mm

FEPE FEPE Năng Độ lệch tương đối (%) Tỉ số (mô phỏng) (thực nghiệm [8]) lượng

RD (%) =

(keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,34 1332,49 5,31 3,44 3,41 2,23 2,12 1,85 1,64 1,68 5,96 3,63 2,98 2,49 1,97 1,85 1,75 1,69 10,91 5,30 14,30 10,63 7,51 0,05 6,34 0,34 0,89 0,95 1,14 0,89 1,08 1,00 0,94 1,00

Từ hình 3.10 cho thấy độ lệch giữa hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm là rất

lớn đối với một số đỉnh năng lượng. Kết quả được chỉ rõ trog bảng 3.5, đối với các đỉnh

88,03 keV là 10,91%, đỉnh 661,66 keV là 14,30% và đỉnh 834,84 keV có độ lệch tương

đối là 10,63%. Vậy khi đầu dò chỉ được khai báo tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 thì sẽ

ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò.

Hình 3.11. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng

39

đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3, lớp silicon và thực nghiệm [8]

Bảng 3.6. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với

khối tinh thể NaI(Tl), lớp Al2O3 và lớp silicon dày 2mm

FEPE FEPE Năng Độ lệch tương đối (%) Tỉ số (mô phỏng) (thực nghiệm [8]) lượng

RD (%) =

(keV)

88,03 4,86 5,96 18,38 0,82

511 3,31 3,63 8,94 0,91

661,66 3,29 2,98 10,33 1,10

834,84 2,18 2,49 12,52 0,87

1115,54 2,06 1,97 4,61 1,05

1173,23 1,80 1,85 2,95 0,97

1274,34 1,60 1,75 8,72 0,91

1332,49 1,64 1,69 2,88 0,97

Từ bảng 3.6 cho thấy độ lệch khá lớn giữa hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm

đối với các đỉnh 88,03 keV là 18,38%, đỉnh 661,66 keV là 10,33% và đỉnh 834,84 keV

có độ lệch tương đối là 12,52%. Và độ lệch này được thể hiện thông qua hình 3.11. Vậy

các lớp vật chất bao quanh tinh thể này có ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò.

 Khảo sát lớp vỏ nhôm

Hình 3.12. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi

bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò 40

Bảng 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị

bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò

E (keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49

Bề dày lớp vỏ nhôm (cm)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 5,90 6,06 5,97 5,90 5,81 5,74 5,66 5,60 5,54 5,48 5,41 5,32 5,24 3,70 3,68 3,67 3,65 3,62 3,60 3,58 3,56 3,53 3,50 3,47 3,43 3,39 3,03 3,02 3,01 2,99 2,97 2,96 2,94 2,93 2,91 2,89 2,86 2,84 2,81 2,52 2,50 2,50 2,49 2,48 2,46 2,45 1,79 2,42 2,41 2,39 2,37 2,35 2,00 2,00 1,99 1,98 1,97 1,96 1,95 1,94 1,94 1,93 1,91 1,90 1,89 1,89 1,89 1,88 1,87 1,86 1,85 1,84 1,83 1,82 1,82 1,81 1,80 1,78 1,80 1,79 1,78 1,78 1,77 1,77 1,76 1,76 1,75 1,74 1,73 1,71 1,70 1,73 1,72 1,72 1,71 1,71 1,70 1,69 1,68 1,68 1,67 1,66 1,64 1,63

Từ bảng 3.7 và kết quả thể hiện thông qua hình 3.12 cho thấy, khi thay đổi bề dày

lớp nhôm trước tinh thể từ 0 đến 0,6 cm ( mỗi lần mô phỏng tăng 0,05 cm) thì hiệu suất

đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần càng giảm.

Hình 3.13. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò 41

Bảng 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò

E (keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49

RD (%) = Bề dày lớp vỏ nhôm (cm)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 1,03 1,62 0,23 1,09 2,47 3,69 5,00 6,09 6,98 8,05 9,20 10,71 12,12 1,92 1,50 1,02 0,42 0,19 0,81 1,43 2,03 2,62 3,47 4,47 5,57 6,61 1,60 1,19 0,91 0,31 0,25 0,84 1,35 1,80 2,45 3,12 3,95 4,62 5,70 1,13 0,60 0,34 0,06 0,57 1,07 1,63 1,87 2,63 3,18 4,15 4,78 5,61 1,58 1,43 1,12 0,53 0,09 0,33 0,77 1,37 1,67 2,15 2,97 3,40 4,14 2,19 2,25 1,85 0,93 0,44 0,01 0,46 0,95 1,41 1,37 2,16 2,92 3,69 2,89 2,20 1,84 1,86 1,41 1,15 0,63 0,42 0,14 0,31 1,39 2,42 2,89 2,40 2,05 1,69 1,33 0,91 0,49 0,06 0,35 0,75 1,15 1,87 2,68 3,39

Bảng 3.8 cho thấy lớp vỏ nhôm có bề dày nhỏ hơn 0,1cm hoặc lớn hơn 0,15 cm

thì độ lệch tương đối là trên 2%. Với bề dày lớp vỏ nhôm 0,1 cm và 0,15 cm có độ lệch

tương đối là dưới 2%. Và kết quả này được thể hiện qua hình 3.13. Và bề dày lớp nhôm

trước tinh thể chúng tôi đề nghị là 0,15 cm.

 Khảo sát lớp Silicon

Hình 3.14. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi

lớp silicon trước tinh thể 42

Bảng 3.9. Hiệu suất mô phỏng đầu dò với các giá trị bề dày lớp silicon

E (keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49

Bề dày lớp silicon (cm)

0 6,25 3,70 3,03 2,00 2,52 1,89 1,80 1,73

6,19 3,70 3,03 0,02 2,00 2,52 1,86 1,79 1,71

6,17 3,69 3,03 0,04 2,00 2,51 1,90 1,79 1,73

6,13 3,69 3,02 0,06 2,00 2,51 1,89 1,79 1,73

6,09 3,68 3,02 0,08 2,00 2,51 1,89 1,79 1,72

5,91 3,58 3,01 0,1 2,00 2,50 1,89 1,78 1,72

6,04 3,67 3,01 0,12 1,99 2,50 1,89 1,79 1,72

6,00 3,67 3,01 0,14 1,99 2,50 1,88 1,78 1,72

5,94 3,66 3,00 0,16 1,99 2,49 1,88 1,78 1,72

5,92 3,65 3,00 0,18 1,98 2,49 1,88 1,77 1,71

5,90 3,65 2,99 0,2 1,98 2,49 1,87 1,78 1,71

5,86 3,64 2,99 0,22 1,98 2,49 1,86 1,78 1,71

5,84 3,63 2,98 0,24 1,98 2,48 1,86 1,78 1,71

5,80 3,62 2,98 0,26 1,97 2,48 1,86 1,78 1,71

5,78 3,62 2,97 0,28 1,97 2,48 1,86 1,77 1,70

5,75 3,61 2,97 0,3 1,96 2,47 1,85 1,77 1,70

5,72 3,60 2,96 0,32 1,97 2,47 1,85 1,78 1,70

5,70 3,59 2,96 0,34 1,96 2,46 1,85 1,77 1,70

5,67 3,59 2,95 0,36 1,96 2,46 1,84 1,76 1,69

5,64 3,58 2,94 0,38 1,96 2,45 1,84 1,77 1,69

1,95 2,45 1,84 1,76 1,69 0,4 5,70 3,57 2,93

Từ hình 3.14 cho thấy hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giảm rất ít khi

thay đổi từng 0,02 cm cho mỗi lần mô phỏng, kết quả cụ thể được thể hiện thông qua

bảng 3.9 cho thấy khi thay đổi bề dày lớp silicon trước tinh thể từ 0 đến 0,4 cm thì hiệu

43

suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần có giảm.

Bảng 3.10. Độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi bề dày lớp silicon

E (keV)

88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49

RD (%) = Bề dày lớp silicon (cm)

0 4,84 1,96 1,75 1,26 1,68 2,26 2,93 2,41

0,02 3,84 1,90 1,67 1,01 1,55 0,74 2,50 1,19

0,04 3,51 1,70 1,55 0,93 1,66 2,45 2,39 2,21

0,06 2,83 1,55 1,44 0,82 1,58 2,32 2,09 2,10

0,08 2,25 1,39 1,30 0,72 1,48 2,20 2,01 2,00

0,1 0,90 1,50 1,16 0,51 1,33 2,06 1,83 1,90

0,12 1,35 1,11 1,01 0,48 1,20 1,94 2,10 1,78

0,14 0,74 0,96 0,90 0,36 0,90 1,81 1,65 1,68

0,16 0,32 0,81 0,77 0,15 0,90 1,68 1,49 1,56

0,18 0,70 0,66 0,58 0,05 0,65 1,56 1,36 1,45

0,2 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33

0,22 1,62 0,22 0,21 0,10 0,45 0,75 1,65 1,19

0,24 2,06 0,00 0,07 0,26 0,37 0,60 1,59 1,05

0,26 2,62 0,20 0,13 0,35 0,23 0,44 1,54 0,91

0,28 3,09 0,40 0,30 0,49 0,23 0,29 1,23 0,78

0,3 3,47 0,60 0,46 0,71 0,29 0,15 1,40 0,65

0,32 3,97 0,80 0,59 0,92 0,19 0,01 1,51 0,50

0,34 4,41 0,99 0,78 1,08 0,57 0,14 1,15 0,37

0,36 4,91 1,19 0,99 1,23 0,47 0,32 0,79 0,22

0,38 5,29 1,40 1,22 1,41 0,61 0,49 1,06 0,08

0,4 4,31 1,60 1,55 1,57 0,77 0,64 0,62 0,05

Kết quả từ bảng 3.10 cho thấy rằng với bề dày lớp silicon trong khoảng 0,14 cm

đến 0,22 cm, độ lệch tương đối hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là dưới 2%

cho tất cả năng lượng được khảo sát, với các bề dày khác có độ lệch tương đối là trên

2%. Kết quả biểu diễn thông qua hình 3.15. Chúng tôi đề nghị bề dày lớp silicon cần

44

khai báo cho tệp đầu vào khi mô phỏng đầu dò là 0,2 cm.

45

Hình 3.15. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp silicon trước tinh thể đầu dò

KẾT LUẬN

Trong đề tài này, chúng tôi đã được tiếp cận chương trình MCNP5 để mô phỏng

đầu dò NaI(Tl) với sự thay đổi các thông số kỹ thuật của đầu dò, bởi theo thời gian các

thông số này có thể bị thay đổi và làm cho hiệu suất ghi của đầu dò giảm so với ban đầu.

Đại lượng được dùng đánh giá sự thay đổi các thông số này là hiệu suất đỉnh năng lượng

toàn phần.

Từ kết quả thu được của đề tài, chúng tôi đưa ra được một số kết luận sau:

- Trong quá trình mô phỏng, ống nhân quang điện có thể thay thế bằng khối nhôm

hình trục đặc. Khác với đề xuất của Shi rằng bề dày ống nhôm này là 3cm, kết

quả nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra, việc chọn độ dày này bằng bao nhiêu không

ảnh hưởng lớn đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cũng như dạng hàm đáp

ứng. Do vậy, về cơ bản có thể chọn độ dày này sao cho phù hợp với yêu cầu của

mô phỏng.

- Khi chúng tôi mô phỏng chỉ với khối tinh tinh thể NaI(Tl) thì kết quả tính toán

hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có độ lệch tương đối lớn nhất giữa mô phỏng

với thực nghiệm lên đến 17,76%. Ngoài ra, khi chỉ thêm các lớp Al2O3 dày 1mm,

lớp silicon dày 2mm thì độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm là khá

lớn đối với một số nguốn. Điều này khẳng định rằng việc thực hiện mô phỏng

phải khai báo đầy đủ các thông số kỹ thuật.

- Khi mô phỏng đầu dò với sự thay đổi bề dày lớp vỏ nhôm trước tinh thể và lớp

silicon thì kết quả tính toán chỉ ra rằng bề dày lớp nhôm 0,15 cm và lớp silicon

dày 0,2 cm có độ lệch tương đối giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo

mô phỏng và thực nghiệm là dưới 2%. Vì vậy chúng tôi để nghị với hai thông số

46

này không cần phải hiệu chỉnh khi khai báo các thông số kỹ thuật của đầu dò.

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

[1] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, Nxb Khoa học và kỹ thuật.

[2] Nguyễn Xuân Hải (2010), Đầu dò bán dẫn và ứng dụng.

[3] Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2007), “Khảo sát ảnh hưởng của

các thông số vật lý đến hiệu suất ghi của Detector bán dẫn siêu tinh khiết bằng

chương trình MCNP4C2”, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ, Tập 10-

Số 05/2007, 21-25.

[4] Trần Phong Vũ – Châu Văn Tạo – Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi

bức xạ ion hóa, Nxb Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh.

Tiếng Anh

[5] M. Noguchi (2006), Introduction to Nuclear Radiation.

[6] E. Nardi (1970), “A note on Monte Carlo calculations in NaI crystals”, Nuclear

Instruments and Methods 83 (1970), 331-332.

[7] Glenn F. Knoll (1999), Radiation Detection and Measurement, 3rd Edition, John

Wiley & Sons, Inc., New York, NY USA.

[8] Hoang Duc Tam, Huynh Dinh Chuong, Tran Thien Thanh, Chau Van Tao (2016),

“A Study of the effect of Al2O3 reflector on response function of NaI(Tl)

detector”, Radiation Physics and Chemistry 125 (2016), 88-93.

[9] Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Pi Yun (2002), “Precise Monte Carlo

simulation of gamma-ray response functions for an NaI(Tl) detector”, Appied

Radiation and isotopes 57 (2002), 517-524.

[10] Hoang Duc Tam, Tran Thien Thanh, Chau Van Tao (2013), “ Evaluation of the

total and intrinsic efficiencies of a 3in3in NaI(Tl) crystal by using the hybrid

Monte Carlo method”, Science & Technology development journal, Volume 16-

47

15/2013, 26-34.

[11] P.De Biever and P. D. P. Taylor, Int. J. Mass Spectrom.Ion Phys.123, 149 (1993).

[12] William K. Leo (1987), Techniques for Nuclear and Particle Physics

Experiments, Springer-Verlag, Germany.

[13] X-5 Monte Carlo team (2003), MCNP – A General Monte Carlo N-Particle

Transport Code, Version 5, Volume I: Overview and Theory, LA-UR-03-1987.

Los Alamos National Laboratory.

[14] http://Amptek.com

[15] http://www.gammaspectrometry.co.uk

[16] http://laraweb.free.fr

[17] http://physics.nist.gov/cgi-bin/Star/compos.pl?matno=153

48

[18] http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Đặc trưng của một số nguồn phóng xạ

Chu kì bán Nguồn Tia Năng lượng Hệ số phát gamma rã

(keV) (%) (T1/2)

22Na

54Mn

511 (-) 180,7 (2) 2,6 năm γ 1274,537 (7) 99,94 (13)

313 ngày γ, β 834,848 (3) 99,9752 (5)

60Co

1173,228 (3) 99,85 (3) 5,27 năm γ, β 1332,492 (4) 99,9826 (6)

65Zn

109Cd

1115,539 (2) 50,22 (11) 244 ngày γ 511 (-) 2,842 (13)

137Cs

463 ngày 88,0336 (10) 3,66 (5) γ

30,05 năm γ, β 661,657 (3) 84,99 (20)

152Eu

121,7817 (3) 28,41 (13) 13,522 γ, β 244,6974 (8) 7,55 (4) năm 344,2785 (12) 26,59 (12)

Phụ lục 2. Tính chất của một số nguyên tố

Mật độ Thành phần Z Nguyên tố Z/A (g/cm3) (tỉ lệ khối lượng)

13 Al: Aluminum 0,48181 2,699E+00 1

49

14 Si: Silicon 0,49848 2,33E+00 28: 0,922297 29: 0,046832 30: 0,030871

Phụ lục 3. Tính chất của một số hợp chất

Nguyên tố và vật liệu Z/A Mật độ (g/cm3) Thành phần (tỉ lệ khối lượng)

Air, Dry (near sea level) 0,49919 1,21E-03

6: 0,000124 7: 0,755268 8: 0,231781 18: 0,012827

Plastic Scintillator, Vinyltoluene 0,54141 1,03E+00 1: 0,085000 6: 0,915000

0,52037 1,38E+00 Polyethylene Terephthalate, (Mylar) 1: 0,041960 6: 0,625016 8: 0,333024

Polymethyl Methacrylate 0.53937 1,19E+00 1: 0,080541 6: 0,599846 8: 0,319613

Aluminum oxide --- 3,97E+00 13: 0,529251 8: 0,470749

Silicon dioxide --- 2,32E+00 8: 0,532565 14: 0,467435

Các thông tin về tinh thể NaI(Tl) được cung cấp bởi nhà sản xuất có mật độ vật

chất là 3.67 g/cm3 và thành phần vật chất tính theo tỉ lệ số nguyên tử lần lượt là 11:

50

0,499; 53: 0,500; 81: 0,001.

Phụ lục 4. Tệp đầu vào điển hình của chương trình MCNP mô phỏng xác định

hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy

C INPUT FILE SIMULATE GAMMA SPECTROMETRY BY NAI(T1)

DETECTOR

C THIS SYSTEM INCLUDING: SOURCE + DETECTOR

C SOURCE: 22Na DISTANCE OF SOURCE-DETECTOR: 20 CM

C *********** BLOCK 1: CELL CARDS ************

C CELL OF DETECTOR

1 1 -3.670 (2 -3 -7) IMP:P=1 $ CRYSTAL NaI(T1) OF DETECTOR

2 2 -3.970 (2 -3 7 -8):(3 -4 -8) IMP:P=1 $ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR

3 3 -2.330 (4 -5 -8) IMP:P=1 $ SILICON PAD

4 4 -2.699 (2 -5 8 -9):(5 -6 -9) IMP:P=1 $ ALUMINIUM BODY WALL

5 4 -2.699 (1 -2 -9) IMP:P=1 $ PMT (ALUMINIUM)

C CELL OF SOURCE

6 0 (12 -13 -17) IMP:P=1 $ ACTIVE SOURCE

7 5 -1.380 (13 -15 -17) IMP:P=1 $ MYLAR REPLACE EPOXY PLUG

8 6 -1.190 (15 -16 -19) IMP:P=1 $ REPLACE DECAL LAYER

9 7 -1.032 (11 -12 -20):(12 -15 17 -20):(15 -16 19 -20) IMP:P=1 $ SOURCE

CAPSULE

10 6 -1.190 (10 -11 18 -21):(11 -14 20 -21) IMP:P=1 $ SOURCE

SUPPORT

11 8 -0.001205 (10 -11 -18) IMP:P=1 $ AIR

12 8 -0.001205 (14 -16 20 -21) IMP:P=1 $ AIR

C OTHERS

13 8 -0.001205 (-99) (-1:9:6) (-10:21:16) IMP:P=1 $ AIR

14 0 (99) IMP:P=0

C ********** BLOCK2 2: SURFACE CARDS **********

51

C SURFACE OF DETECTOR

1 PZ -10.4 $ PMT_3CM

2 PZ -7.4

3 PZ 0.2 $ GOC TOA DO

4 PZ 0.3 $ Al2O3_01CM

5 PZ 0.5 $ SI_02CM

6 PZ 0.65 $ Al_015CM

7 CZ 3.8 $ RADIUS OF NaI(T1)

8 CZ 4.0

9 CZ 4.16

C SURFACE OF SOURCE

10 PZ 20.55

11 PZ 20.65

12 PZ 20.927

13 PZ 20.928

14 PZ 21.05

15 PZ 21.245

16 PZ 21.285

17 CZ 0.25 $ RADIUS OF SOURCE

18 CZ 1.17

19 CZ 1.20

20 CZ 1.27

21 CZ 3.50

C OTHERS

99 SO 30.0

C ************** BLOCK 3: DATA CARD ***********

MODE P

SDEF ERG=D1 PAR=2 POS=0 0 20.927 AXS=0 0 1 RAD=D2 EXT=D3

SI1 L 0.511 1.274537

52

SP1 0.643885405 0.356114595

SI2 0 0.25

SP2 -21 1

SI3 0.0 0.001

SP3 -21 0

E0 0 1E-5 0.00013621 8124I 1.658205 5

FT8 GEB -0.0137257 0.0739501 -0.152982

F8:P 1

RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1

NPS 10E8

M1 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(Tl)

M2 13027 -0.529251 8016 -0.470749 $ ALUMINIUM OXIDE

M3 14028 -0.922297 14029 -0.046832 14030 -0.030871 $ SILICON

M4 13027 -1.000 $ ALUMINIUM

M5 1001 -0.041960 6012 -0.625016 8016 -0.333024 $ MYLAR

M6 1001 -0.080541 6012 -0.599846 8016 -0.319613 $ POLYMETHYL

METHACRYLATE

M7 1001 -0.085 6012 -0.915 $ PLASTIC VINYLTOLUENE

M8 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY

53

AIR

Phụ lục 5. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 65Zn, 109Cd,

137Cs

54