BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
TRẦN THỊ BẢO NGỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA
HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN
VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ
CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG
Chuyên ngành: Vật Lý Học
Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020
Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA
HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN
VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ
CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG
Người thực hiện: Trần Thị Bảo Ngọc
Người hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Quang Vương
Chuyên ngành: Vật Lý Học
Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020
i
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các
Thầy Cô, bạn bè và gia đình. Đặc biệt em xin gửi đến ThS. Lê Quang Vương, giảng
viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, thành phố Hồ
Chí Minh lời cảm ơn chân thành. Thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều
trong suốt quá trình làm khóa luận. Quá trình được thầy hướng dẫn, em đã học hỏi
được nhiều kiến thức mới, phương pháp làm việc khoa học và có những định hướng
cho tương lai.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm
Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu để em có đủ nền tảng
kiến thức để thực hiện đề tài này. Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận đã dành
thời gian để đọc, phát hiện sai sót và có những góp ý quý giá giúp khóa luận hoàn
thành tốt hơn.
Em cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Cử nhân Vật lý A K42; các anh chị,
bạn bè tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt Nhân, trường Đại học Sư Phạm Thành phố
Hồ Chí Minh đã luôn đồng hành, giúp đỡ và động viên để em có thể hoàn thành tốt
khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và các thành viên trong gia
đình đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung làm việc và hoàn thành khóa luận.
ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Đầu dò bán dẫn Germanium siêu HPGe High Purity Germanium tinh khiết
International Atomic Energy Cơ quan năng lượng nguyên tử IAEA Agency quốc tế
Chương trình mô phỏng Monte MCNP Monte Carlo N Particles Carlo
Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng FEPE Full Energy Peak Efficiency toàn phần (hiệu suất đỉnh)
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................................... 4
Hình 1.2. Hiệu ứng Compton ...................................................................................... 4
Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp ......................................................................................... 6
Hình 1.4. Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U ................................................................... 7
Hình 1.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị 232Th ................................................................. 8
Hình 2.1. Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào ............. 13
Hình 2.2. Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào ................... 15
Hình 2.3. Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào .......... 16
Hình 2.4. Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào ...... 17
Hình 2.5. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe ................................................. 18
Hình 3.1. Mô hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6 ........... 21
Hình 3.2. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
RGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV) ...................................................................................... 22
Hình 3.3. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
RGU-1 (0,5 MeV – 3 MeV) ...................................................................................... 23
iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 .............................. 12
Bảng 2.2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 ........................................... 14
Bảng 2.3. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 ..................................................... 16
Bảng 2.4. Thông số hình học của đầu dò GEMP4-83 do nhà sản suất cung cấp...... 18
Bảng 2.5. Thông số của mẫu chuẩn .......................................................................... 19
Bảng 2.6. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn ................. 19
Bảng 2.7. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn ................ 20
Bảng 3.1. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn........................................... 22
Bảng 3.2. Hoạt độ các mẫu chuẩn ............................................................................. 24
Bảng 3.3. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGU-1 ................. 25
Bảng 3.4. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-1 ............... 26
Bảng 3.5. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-434 ....................... 26
Bảng 3.6. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447 ....................... 27
Bảng 3.7. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng
của mẫu IAEA-RGU-1 .............................................................................................. 28
Bảng 3.8. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng
của mẫu IAEA-RGTh-1 ............................................................................................ 29
Bảng 3.9. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng
của mẫu IAEA-434 ................................................................................................... 29
Bảng 3.10. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng
của mẫu IAEA-447 ................................................................................................... 30
v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. iv
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 3
1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất .......................................................... 3
1.1.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................... 3
1.1.2. Hiệu ứng Compton .................................................................................. 4
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp ..................................................................................... 5
1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ ....................................................................................... 7
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U .............................................................. 7
1.2.2. Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th ............................................................. 7
1.3. Hiệu suất ghi đầu dò ............................................................................................. 8
1.3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần ............................................... 8
1.3.2. Đường cong hiệu suất ............................................................................. 9
1.4. Tóm tắt Chương 1 .............................................................................................. 10
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 11
2.1. Chương trình MCNP6 ........................................................................................ 11
2.1.1. Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 .............................. 11
2.1.1.1. Khai báo ô mạng (Cell Cards) ........................................................ 13
2.1.1.2. Khai báo mặt (Surface Cards) ........................................................ 14
2.1.1.3. Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards) .................................................. 15
2.2. Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe ....................................................................... 17
vi
2.3. Mẫu chuẩn .......................................................................................................... 18
2.4. Tóm tắt Chương 2 .............................................................................................. 20
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 21
3.1. Bố trí thí nghiệm ................................................................................................ 21
3.2. Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần cho các mẫu chuẩn ............ 23
3.3. Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô
phỏng ......................................................................................................................... 28
3.4. Tóm tắt Chương 3 .............................................................................................. 31
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 32
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 34
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 36
1
LỜI MỞ ĐẦU
Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe)
được sử dụng phổ biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát
gamma trong mẫu môi trường nhờ vào những ưu điểm của nó như: khả năng phân tích
nhiều đồng vị, độ chính xác cao. Điều cần thiết ở kỹ thuật đo phổ gamma là phải xác
định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn
phần phụ thuộc vào hình dạng, thành phần, mật độ của mẫu đo và năng lượng bức xạ
gamma phát ra. Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường thường sử dụng các mẫu
chuẩn đã biết trước hoạt độ được cung cấp từ IAEA để đánh giá đường cong hiệu suất
cho mẫu đo có dạng hình học nhất định [9,10,11]. Một trong những mẫu môi trường
phổ biến cho phép đo phổ gamma là mẫu đất, nó rất quan trọng đối với nghiên cứu địa
chất và phân tích mối nguy hiểm phóng xạ môi trường.
Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến đề tài khóa luận như:
năm 2012, S. Baccouche cùng cộng sự [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn
hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) và CsI(Tl) cho phép đo gamma từ các mẫu đất. Năng
lượng được chọn là các đỉnh 1460 keV ( ), 1764 keV ( ) và 2614 keV (
). Độ lệch của hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm cho hai đầu dò CsI(Tl) và
NaI(Tl) đều không vượt quá 4%, ngoại trừ hiệu suất đối với năng lượng 2614 keV là
9%. Năm 2018, S. Mohammad và S. Farhad Masoudi [10] nghiên cứu về sự thay đổi
hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tố trong các mẫu môi trường bằng cách
so sánh sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 mẫu chuẩn IAEA-
RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất. Trong nghiên cứu này, nhóm tác
giả dùng chương trình MCNP để mô phỏng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe
GEM80P4-95 do hãng ORTEC cung cấp. Các đỉnh năng lượng được chọn để khảo sát
là 63,3 keV ( ), 92,78 keV ( ), 143,76 keV ( ) trong mẫu IAEA-RGU-
1; 238,6 ( ), 583,2 keV ( ), 911,2 keV ( ) đối với mẫu IAEA-RGTH-1
và 1460,8 keV ( ) trong mẫu IAEA-RGK-1. Mẫu chuẩn có dạng hình học Marinelli
và được đặt tại vị trí sát mặt đầu dò. Thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu được
xác định bằng phương pháp huỳnh quang tia X. Nhóm tác giả sử dụng các thành phần
nguyên tố này để tính toán hiệu suất đỉnh cho các mẫu trong mô phỏng. Kết quả độ sai
2
biệt của hiệu suất đỉnh giữa ba mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-
1 và 5 mẫu đất không vượt quá 8%, ngoại trừ tại đỉnh năng lượng 63,3 keV có độ sai
biệt là 8,32%.
Từ các công trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đề tài là "Nghiên cứu sự
phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của
mẫu môi trường". Mục đích của khóa luận này là xác định hiệu suất đỉnh năng lượng
toàn phần của các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp. Bên cạnh đó, khóa luận còn thực
hiện đánh giá hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp dụng phương pháp
Monte Carlo. Đánh giá sự ảnh hưởng của thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu
chuẩn lên hiệu suất đỉnh. Dựa theo các nội dung trên, khóa luận được chia thành ba
chương:
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ gamma với vật chất; chuỗi
phân rã phóng xạ của các đồng vị , ; các khái niệm về hiệu suất ghi đỉnh
năng lượng toàn phần.
Chương 2 giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu bao gồm: cấu trúc
tệp đầu vào của chương trình MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và các
mẫu chuẩn.
Chương 3 kết quả và thảo luận. Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố
trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và đánh giá kết quả hiệu
suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng.
3
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông
qua các quá trình hấp thụ và tán xạ. Đối với quá trình hấp thụ, bức xạ gamma truyền
toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mất. Đối với quá trình tán xạ, bức xạ
gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và bị tán xạ (sau quá trình
tán xạ, bức xạ gamma bị lệch đi một góc so với phương chuyển động ban đầu). Tùy
theo năng lượng của photon tới, bức xạ gamma có thể tương tác với vật chất theo nhiều
cơ chế. Tuy nhiên, trong ghi đo bức xạ chỉ có hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton
và hiệu ứng tạo cặp là ba cơ chế tương tác chính tham gia vào việc tạo thành tín hiệu
xung trong đầu dò.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của
nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng cho các electron đó để nó thoát ra khỏi nguyên
tử. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của quang electron bằng
hiệu năng lượng bức xạ gamma tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân:
(1.1)
trong đó:
là động năng cực đại của electron.
là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử.
là năng lượng của photon tới.
Từ biểu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ gamma tới
lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Năng lượng liên kết của
electron giảm dần theo các lớp K, L, M,…Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới nhỏ
hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện xảy ra đối với
các electron ở lớp xa hạt nhân hơn.
4
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Khi năng lượng gamma tới tăng lên đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng
liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện
không còn đáng kể và bắt đầu chuyển sang hiệu ứng Compton. Khi đó, có thể bỏ qua
năng lượng liên kết của electron và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được
xem như tán xạ với electron tự do.
Sự va chạm giữa bức xạ gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử
(xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton. Sau quá trình tán xạ, bức xạ
gamma thay đổi hướng bay so với ban đầu và bị mất một phần năng lượng, electron
được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton được mô tả qua Hình
1.2.
Hình 1.2. Hiệu ứng Compton
Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ
gamma và electron sau tán xạ được thể hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]:
5
(1.2)
(1.3)
trong đó:
là năng lượng của bức xạ gamma tới.
là năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ.
là động năng cực đại của electron.
là góc bay của gamma sau tán xạ.
Khi tán xạ Compton, năng lượng bức xạ gamma giảm và phần năng lượng đó truyền
cho electron. Như vậy, động năng electron càng lớn khi gamma tán xạ với góc càng
lớn. Dựa theo biểu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đối với động năng
electron sau tán xạ phụ thuộc vào góc θ:
thì
Khi , bức xạ gamma sau tán xạ mang năng lượng gần bằng
năng lượng gamma tới .
Khi thì , gamma truyền năng lượng lớn nhất cho
electron tức là khi tán xạ giật lùi với .
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng thì khi đi qua điện
trường của hạt nhân nó tạo ra một cặp electron – positron. Đây gọi là hiệu ứng tạo cặp
6
electron – positron. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng của electron
và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng [1]:
(1.4)
trong đó:
là năng lượng của bức xạ gamma tới.
, lần lượt là động năng của positron và electron.
Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Electron và positron thường di chuyển vài milimet trong vật liệu trước khi bị môi
trường hấp thụ năng lượng. Do hai hạt có khối lượng như nhau nên có xác suất lớn để
hai hạt có năng lượng bằng nhau. Electron sẽ mất dần năng lượng của mình để ion hóa
các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của
nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa và hủy lẫn nhau, đây là hiệu ứng hủy cặp.
Quá trình hủy cặp electron – positron tạo ra hai bức xạ gamma bay ngược chiều nhau,
mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV. Hai bức xạ này có thể bị hấp thụ hoặc thoát
ra khỏi đầu dò và tạo thành các đỉnh thoát trong phổ gamma. Nếu một bức xạ thoát ra
khỏi đầu dò thì đỉnh quan sát được có năng lượng gọi là đỉnh thoát đơn.
Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát có năng lượng
gọi là đỉnh thoát đôi.
7
1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ
Uranium và thorium là các đồng vị phóng xạ không bền. Chúng tự phân rã bằng
cách phát ra các hạt alpha, beta và bức xạ gamma thành các đồng vị con, quá trình phân
rã tạo thành chuỗi cho đến khi chuỗi kết thúc bằng một đồng vị bền. Trong tự nhiên
uranium có ba đồng vị 238U, 235U, 234U; đồng vị 238U chiếm tỷ lệ nhiều nhất (99,25%).
Thorium trong tự nhiên chỉ có một đồng vị duy nhất là 232Th. Để đo phổ gamma của
các đồng vị này, cần hiểu rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tính chất
của các đồng vị con có mặt trong chuỗi. Trong khóa luận này quan tâm nghiên cứu đến
các đồng vị phóng xạ phát bức xạ gamma trong chuỗi 238U và 232Th
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị
Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 238U. Trong tự nhiên, 238U chiếm
99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm. Đồng vị 238U
phân rã alpha thành đồng vị 234Th. Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị
cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bền 206Pb.
Hình 1.4. Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U [7]
1.2.2. Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th
Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th được đưa ra trong Hình 1.5. Chuỗi phân rã này
có 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma. Có thể dùng phổ kế gamma để đo đỉnh năng lượng
của các đồng vị 228Ac (911,2 keV, 968,9 keV), 212Pb (238,6 keV), và 208Tl (583,2 keV,
2614,5 keV) một cách dễ dàng.
8
Hình 1.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị [7]
Trong Hình 1.5, đồng vị 212Bi bị phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po.
Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi trở thành đồng vị 208Tl bằng cách phát ra hạt alpha với
xác suất phân nhánh là 35,96%. Nhánh thứ hai, 212Bi phân rã beta về đồng vị 212Po với
xác suất 64,06% nhưng lại không đo được bằng phép đo phổ gamma. Vì vậy, nếu sử
dụng 208Tl để xác định hoạt độ của 232Th thì cần phải lấy hoạt độ của 208Tl chia cho xác
suất phân nhánh là 35,96%.
1.3. Hiệu suất ghi đầu dò
1.3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE - full energy peak efficiency) là xác
suất của một photon phát ra từ nguồn mất toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích
vùng hoạt của đầu dò. Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được
xác định bằng biểu thức (1.5) [8]:
(1.5)
trong đó:
là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần.
là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg).
9
là thời gian đo (s).
là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%).
là khối lượng mẫu đo (kg).
Sai số hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo công thức truyền
sai số [2]. Do sai số của cân điện tử là 0,001g và đo trong khoảng thời gian lớn nên sai
số thời gian và sai số khối lượng có thể được bỏ qua . Vậy hiệu
suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo biểu thức (1.6):
(1.6)
trong đó:
là sai số hoạt độ của nguồn.
là sai số diện tích đỉnh năng lượng toàn phần.
là sai số xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng.
1.3.2. Đường cong hiệu suất
Đường cong hiệu suất được ứng dụng để tiến hành phân tích xác định hoạt độ
phóng xạ riêng của mẫu đo [4] hoặc dùng để khảo sát sự phụ thuộc của đường cong
hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò [3]. Đối với mỗi loại đầu dò lại có
những dạng đường cong hiệu suất khác nhau. Đối với đầu dò dạng đồng trục, có nhiều
hàm khớp trong khoảng năng lượng từ 46,5 KeV đến 2641,5 KeV. Để thể hiện mối
liên hệ giữa hiệu suất và năng lượng E theo thang logarit, ta thường sử dụng biểu
thức (1.7) [5]:
(1.7)
10
trong đó, , E và lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng đỉnh và các
hệ số có được từ việc làm khớp hàm.
Hiệu suất ghi nhận của đầu dò bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: khoảng cách từ
mẫu đo tới đầu dò, yếu tố hình học của mẫu đo, kích thước vật liệu của mẫu đo, hiệu
ứng trùng phùng tổng, sự tự hấp thụ của mẫu [7].
1.4. Tóm tắt Chương 1
Trong Chương 1, khóa luận đã trình bày về tương tác giữa bức xạ gamma với vật
chất; chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ , và các khái niệm liên quan
đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. Các vấn đề trên là nền tảng
cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh
năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của các mẫu chuẩn được đề cập tới
trong Chương 3.
11
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Chương trình MCNP6
Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là một trong số các phiên bản
của MCNP với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm quang
hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler. MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt
ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mô tả hình học ba chiều do
đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học. Thông qua phần mềm Visual Editor, sử
dụng chương trình MCNP6 cần phải mô tả chi tiết về cấu hình, vật liệu và nguồn. Cấu
hình đầu dò và nguồn được định nghĩa trong không gian ba chiều. Vật liệu cần xác
định được khối lượng riêng, thành phần các đồng vị có mặt trong đó. MCNP6 có thể
mô tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguồn trụ...) cũng như các thông số
nguồn như năng lượng, vị trí, loại bức xạ. Bên cạnh đó, người dùng có thể điều chỉnh
dạng hạt, thông lượng hạt, năng lượng mất mát theo các mục đích khác nhau. Một ưu
điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ, giúp
người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý trong quá trình chạy mô phỏng. Chính
vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt
nhân.
2.1.1. Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6
Để chạy mô phỏng từ nguồn đến đầu dò, một bài toán sử dụng chương trình
MCNP cần có đủ ba Cards tương ứng với ba phần dữ liệu:
• Khai báo ô mạng (Cell Cards).
• Khai báo mặt (Surface Cards).
• Khai báo dữ liệu (Data Cards).
Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau:
12
Bảng 2.1. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6
Cấu trúc Mô tả
C HPGe GEM50P4-83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM Thẻ tiêu đề C 24-April-2019
C ****************** BLOCK 1: CELL CARDS ********
C ----------------------Cell HPGe---------------- Cell Cards
1 2 -5.3230 (-26 5 -27):(27 -24 5):(-5 6 29 -16):(-6 7 15 -16)
IMP:P,E=1 $Ge
C *************BLOCK 2: SURFACE CARDS*******
C -----------------------HPGe----------------- Surface Cards C ----------------------PLANE-----------------
1 PZ 0.0
C *************BLOCK 3: DATA CARDS*********
MODE P
Data Cards C -----------------MATERIAL CARDS----------
M1 13000 -1.000000 $Al
density 2.6989
Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào:
• Không sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào,
chỉ sử dụng phím [Spacebar].
• Kí tự ‘C’ đặt ở đầu dòng và kí tự ‘$’ ở cuối dòng cho phép người dùng ghi chú
những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa. MCNP sẽ không thực hiện
các dòng ghi chú này trong khi chạy chương trình.
13
• Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối
lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm3), tiết diện (barn).
2.1.1.1. Khai báo ô mạng (Cell Cards)
Cell là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa
trong phần Surface Cards). Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao,
hội và bù các vùng không gian tạo bởi các mặt. Mỗi mặt chia không gian thành hai
vùng với các giá trị dương và âm tương ứng. Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell
number), số vật chất (material number), mật độ vật chất (material density) và một dãy
các mặt (surfaces) có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thông qua các toán tử giao
(khoảng trắng), hội (:), bù (#) để tạo thành cell.
Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]:
j m d geom params
Trong đó:
• j là chỉ số Cell.
• m là chỉ số vật chất trong Cell.
• d là mật độ của vật liệu trong Cell, mang dấu “+” nếu tính theo đơn vị nguyên
tử/cm3 và dấu “-“ nếu tính theo đơn vị g/cm3.
• geom mô tả các mặt giới hạn Cell.
• params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp đầy, hệ số chuyển trục
tọa độ…
Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.1:
Hình 2.1. Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào
14
2.1.1.2. Khai báo mặt (Surface Cards)
Để tạo ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phỏng, MCNP cung
cấp một số các dạng mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ...(có tất cả gần 30
loại mặt cơ bản). Các khối hình học mô phỏng được tạo thành bằng cách kết hợp các
vùng không gian giữa các mặt với nhau thông qua các toán tử giao, hội và bù. Cú pháp
khai báo một mặt trong Suface Cards như sau:
j n a list
Trong đó:
• j là chỉ số mặt.
• n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyển toạ độ.
• a là kí hiệu loại mặt. Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vuông góc với trục Ox.
• list là các tham số định nghĩa mặt.
Trong mô phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng,
mặt cầu và mặt elip. Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thể hiện ở
Bảng 2.1:
Bảng 2.2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6]
Mô tả Phương trình Tham số Ký hiệu
PZ D Mặt phẳng trục OZ
CZ R Mặt trụ trên trục OZ
SZ Mặt cầu tâm trên trục Oz
TZ
Mặt xuyến ellipse hoặc tròn trục song song với trục OZ
15
Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.2:
Hình 2.2. Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào
2.1.1.3. Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards)
Thẻ dữ liệu (Data Cards) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho
phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo
trong những ô mạng.
Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với
bài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt
(SSR/SSW). Để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính
chất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.
Trong mô phỏng của khóa luận này sử dụng nguồn tổng quát (SDEF). Cú pháp khai
báo nguồn tổng quát trong Data Cards như sau:
SDEF Thông số 1 Thông số 2 Thông số 3 …
Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2.3. Trong mô phỏng của khóa
luận, ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát
còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8. Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trò như
một đầu dò vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp thông tin về năng lượng bị mất
trong một cell. Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần
mất trong đầu dò. Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được mô tả
qua Hình 2.3.
16
Bảng 2.3. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 [6]
Thông số Ý nghĩa
CELL Số hiệu cell của nguồn
AXS Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT
POS Toạ độ vị trí nguồn, mặc định: (0,0,0)
RAD Bán kính quét từ POS hoặc từ AXS, mặc định: 0
EXT Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS
ERG Năng lượng (MeV), mặc định 14 MeV
PAR Loại hạt phát ra từ nguồn, 1: neutron, 2: photon, 3: electron
Hình 2.3. Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào
Khai báo vật liệu (Material Cards)
Material Cards mô tả loại vật liệu được lấp đầy trong cell trong quá trình mô phỏng.
Các thành phần trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố
thành phần và tỉ lệ phần trăm của nguyên tố đó trong vật chất. Cú pháp khai báo:
Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 …
Trong đó:
m là chỉ số của vật liệu.
ZAID là số hiệu xác định đồng vị có dạng ZZZAAA (với ZZZ là số hiệu
nguyên tử, AAA là số khối). Trong khi khai báo đồng vị, số hiệu nguyên tử
17
ZZZ không nhất thiết phải viết đủ 3 chữ số, đối với các đồng vị tự nhiên
AAA=000. Ví dụ để khai báo đồng vị có thể viết 8016 hoặc 8000.
fraction là tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu. Tỉ lệ đóng góp của đồng
vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số nguyên tử có trong hợp chất nếu
mang giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu mang giá trị âm.
Ví dụ về Material Cards trong file input của khóa luận được mô tả qua Hình 2.4:
Hình 2.4. Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào
Trong đó, các thông số từ dòng M1 đến M8 là vật liệu tham khảo từ quy định về vật
liệu mô tả trong MCNP [8], M9 là vật liệu của mẫu chuẩn [9,11].
2.2. Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe
Hệ phổ kế được dùng trong khóa luận này là hệ phổ kế gamma phông thấp đặt tại
Viện y tế công cộng được đưa ra trong Hình 2.5. Hệ bao gồm: đầu dò HPGe GEMP4-
83; bộ tiền khuếch đại; thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch
đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, đầu dò được làm lạnh
bằng Ni-tơ lỏng; buồng chì che chắn. Các thông số của đầu dò do nhà sản suất cung
cấp được đưa ra trong Bảng 2.4. Hệ phổ kế được kết nối với máy tính thông qua cổng
cáp, việc ghi nhận và xử lí phổ được thực hiện bằng chương trình chuyên dụng Meastro.
18
Hình 2.5. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe
Bảng 2.4. Thông số hình học của đầu dò GEMP4-83 do nhà sản suất cung cấp
Ký hiệu Thông số đầu dò Kích thước (mm) Vật liệu
Đường kính tinh thể A Ge 65,9
Chiều dài tinh thể B Ge 77
Đường kính hốc tinh thể C Chân không 11,5
Chiều sâu hốc tinh thể D Chân không 64,9
E Bề dày lớp chết mặt ngoài tinh thể Ge 0,7
F Bề dày lớp chết mặt trong tinh thể 0,0003 Ge
G Bề dày vỏ Al 1
2.3. Mẫu chuẩn
Việc đo các mẫu chuẩn được thực hiện trên hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng
đầu dò HPGe đồng trục loại p. Để khảo sát hiệu suất, khóa luận sử dụng các mẫu chuẩn
IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-434, IAEA-447. Đối với mẫu chuẩn IAEA-
19
RGU-1 cần có thời gian nhốt mẫu là 30 ngày để đạt được trạng thái cân bằng phóng xạ
của đồng vị và các đồng vị con [13]. Các thông số của mẫu chuẩn về khối lượng
và mật độ được đưa ra trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5. Thông số của mẫu chuẩn
STT Mẫu chuẩn Khối lượng (g) Mật độ (g/cm3)
1 IAEA-RGU-1 130,14 1,55
2 IAEA-RTh-1 118,6 1,42
3 IAEA-434 76,24 0,91
4 IAEA-447 107,70 1,28
Xác suất phát bức xạ gamma ( ) và sai số của xác suất phát bức xạ gamma ( )
tương ứng với năng lượng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn được đưa ra
trong phần Phụ lục C. Tỷ lệ các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn được
trình bày ở Bảng 2.6 và Bảng 2.7.
Bảng 2.6. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn [9,11]
Nguyên tố Mẫu
IAEA 434
IAEA 447
IAEA RGU-1
IAEA RGTh-1
C 0,01 9,57 47,4
O 53,16 52,761 40,99 18,37
Na 0,02 0,31
Mg 0,2 0,86
Al 0,1 0,012 4,49
Si 46,6 45,6 1,04 10,88
P 1,43
20
Bảng 2.7. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn (tiếp theo)
[9,11]
Mẫu Nguyên tố
IAEA RGU-1
IAEA RGTh-1
IAEA 434
IAEA 447
20,17 S
0,06 1,71 K 0,002 0,02
26,74 12,61 Ca 0,03 0,5
0,33 Ti
Fe 0,03 0,11
Zn 0,011
Sr 0,016
Y + Re 0,76
Pb 0,008
Th 0,08
U 0,04
2.4. Tóm tắt Chương 2
Trong Chương 2 khóa luận đã trình bày đối tượng nghiên cứu là chương trình
MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và các mẫu chuẩn. Khóa luận dùng
phương pháp đo trực tiếp và tính toán, phân tích đánh giá số liệu dựa trên kết quả thực
nghiệm và mô phỏng sử dụng chương trình MCNP6.
21
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Bố trí thí nghiệm
Hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò HPGe GEM50P4-83 do hãng
ORTEC sản suất được khảo sát trong khóa luận này. Trong đó, đầu dò HPGe
GEM50P4-83 là loại đầu dò đồng trục loại p với hiệu suất tương đối là 50%, có đường
kính tinh thể 65,9 mm và chiều cao tinh thể là 11,5 mm. Các thông số hình học của
đầu dò do nhà sản xuất cung cấp được đưa ra trong Bảng 2.4. Thành phần vật liệu của
mẫu chuẩn đã trình bày trong các Bảng 2.6 và Bảng 2.7. Những giá trị này được sử
dụng để mô hình hóa đầu dò trong quá trình mô phỏng. Mô phỏng được thực hiện với
tổng số hạt là 109 hạt. Để thực hiện các phép đo thực nghiệm, mẫu chuẩn được đặt tại
vị trí sát mặt đầu dò (Hình 3.1). Mẫu chuẩn đựng trong hộp trụ có đường kính 7,3 cm,
bề dày mẫu 2 cm.
Hình 3.1. Mô hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6
Khóa luận sử dụng hai phần mềm xử lý phổ là GENIE 2K và COLEGRAM. Sau
khi thu nhận phổ gamma của các mẫu chuẩn, tiến hành trừ phông trực tiếp trong phần
mềm GENIE 2K. Việc trừ phông sẽ được tính theo tỷ lệ thời gian đo phông và đo mẫu.
Đối với GENIE 2K thu được các thông tin của phổ như ngày đo, thời gian đo và có thể
đọc phổ để lấy ra số kênh tương ứng với đỉnh năng lượng cần quan tâm trong khóa
luận theo từng mẫu chuẩn. Sau đó, sử dụng phần mềm COLEGRAM để xác định diện
tích đỉnh năng lượng toàn phần theo số kênh. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu
22
chuẩn được đưa ra trong Bảng 3.1. Đối với 2 mẫu IAEA 434 và IAEA-447 có thời gian
đo dài hơn so với các mẫu khác vì cần lấy đủ thống kê số đếm.
Bảng 3.1. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn
Tên phổ gamma Thời gian đo (s)
Phông 86400
IAEA-RGU-1 86400
IAEA-RGTH-1 86400
IAEA-434 172800
IAEA-447 172800
Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-
1 được trình bày trong Hình 3.2 và Hình 3.3. Đối với Hình 3.2, năng lượng được lấy
theo thang đo từ 0 MeV đến 0,5 MeV, Hình 3.3 từ 0,5 đến 3 MeV. Phổ thực nghiệm là
phổ đo bằng hệ phổ gamma sử dụng đầu dò HPGe. Các đỉnh màu được chú thích trên
hình là đỉnh năng lượng trong phổ mô phỏng chạy với số hạt là 1 tỷ hạt.
Hình 3.2. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
RGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV)
23
Hình 3.3. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
RGU-1 (0,5 MeV – 3 MeV)
3.2. Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần cho các mẫu chuẩn
Đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xây dựng tương ứng với
mỗi mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng 46,5 keV đến 2641,7 keV. Hiệu suất đỉnh
năng lượng toàn phần đươc xác định bằng biểu thức (1.5).
235U. Do đó, số đếm tại đỉnh năng lượng 186,2 keV bao gồm 57,2% của 226Ra (186,2
Tại năng lượng 186,2 keV có sự chồng chập giữa đỉnh năng lượng của 226Ra và
keV) và 42,8% của 235U (185,7 keV). Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đồng
vị 226Ra ứng với năng lượng 186,2 keV được tính theo biểu thức (3.1) [12,13]:
(3.1)
Trong đó
là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần.
là hoạt độ mẫu chuẩn do IAEA cung cấp (Bq/kg).
là thời gian đo (s).
24
là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%).
m là khối lượng mẫu đo (kg).
Trong quá trình phân rã, 212Bi phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po
(Hình 1.5). Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi phát hạt alpha trở thành đồng vị 208Tl xác
208Tl cần chia cho xác suất phân nhánh là 35,96%.
suất phân nhánh là 35,96%. Vì vậy, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đồng vị
(3.2)
Sai số của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng phương pháp truyền
sai số, Trong đó, sai số của số đếm được tính theo phân bố Poisson
(3.3)
Hoạt độ của các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp được đưa ra trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Hoạt độ các mẫu chuẩn [16]
STT Mẫu chuẩn Đồng vị Hoạt độ (Bq/kg)
238U
1 IAEA-RGU-1 4940±30
232Th
226Ra
2 IAEA-RTh-1 3250±90
238U
137Cs
780±62 3 IAEA-434 120±11
212Pb
425±10
37,0±1,5
228Ac
226Ra
4 IAEA-447 37±2
238U
25,1±2,0
22,2±0,8
25
Đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của các mẫu được làm
khớp theo hàm đa thức:
(3.4)
với , lần lượt là loganepe của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và loganepe
của năng lượng; B, B1, B2, B3, B4, B5 là các tham số có được từ việc làm khớp hàm.
Sử dụng phần mềm ORIGIN để làm khớp hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần
từ kết quả thực nghiệm. Độ sai biệt hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa giá trị
thực nghiệm và làm khớp của các mẫu chuẩn được tính theo biểu thức (3.5):
(3.5)
trong đó, HSTN là giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần từ thực nghiệm, HSLK
là giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có được từ việc làm khớp.
Bảng 3.3. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGU-1
210Pb
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm làm khớp
46,5 0,0174 2,72 0,0170±0,0002
234Th
63,3 0,0538 8,50 0,0584±0,0013
226Ra
92,4 0,0997 7,15 0,0926±0,0081
186,2 0,0863 1,31 0,0851±0,0007
214Pb
242,0 0,0671 4,86 0,0703±0,0005
238U
295,2 0,0543 0,63 0,0540±0,0004
351,9 0,0451 2,11 0,0460±0,0003
609,3 0,0271 4,39 0,0259±0,0002
214Bi
1120,3 0,0183 0,56 0,0182±0,0001
1238,1 0,0174 2,65 0,0179±0,0001
1764,5 0,0142 0,17 0,0142±0,0001
2204,2 0,0121 0,61 0,0120±0,0001
26
Bảng 3.4. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-1
212Pb
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị (keV) thực nghiệm làm khớp
228Ac
0,0602±0,0018 238,6 0,0602
208Tl
0,0535±0,0024 338,3 0,0535
232Th
228Ac
0,0285±0,0008 583,2 0,0285
228Ac
0,0228±0,0009 911,2 0,0223
208Tl
0,0222±0,0009 969,0 0,0222
0,0087±0,0002 2614,5 0,0087
Bảng 3.5. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-434
226Ra
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm làm khớp
0,1039±0,0083 186,2 0,1043 0,40
0,0745±0,0059 242,0 0,0729 2,20
214Pb
0,0538±0,0043 295,2 0,0557 3,24
0,0449±0,0037 351,9 0,0443 1,40
238U
0,0250±0,0020 609,3 0,0249 0,51
214Bi
0,0174±0,0014 1120,3 0,0178 2,50
0,0175±0,0014 1238,1 0,0171 2,38
0,0136±0,0011 1764,5 0,0136 0,20
27
Bảng 3.6. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447
232Th
212Pb
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm làm khớp
0,0799±0,0034 238,6 0,0800 0,13
238U
214Pb
0,0815±0,0066 295,2 0,0809 0,65
232Th
208Tl
0,0694±0,0057 351,9 0,0702 1,07
214Bi
238U
0,0411±0,0033 583,2 0,0382 7,73
137Cs
609,3 0,0363 3,36 0,0376±0,0030
0,0288±0,0007 661,7 0,0333 13,37
232Th
228Ac
0,0254±0,0016 911,2 0,0249 2,07
40K
0,0253±0,0017 969,0 0,0237 6,45
238U
214Bi
0,0163±0,0006 1460,8 0,0177 7,50
232Th
208Tl
1764,5 0,0155 4,80 0,0162±0,0014
0,0123±0,0010 2614,5 0,0124 0,39
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thực nghiệm của các mẫu chuẩn trong
khoảng năng lượng 46,5 keV đến 2641,7 keV được trình bày trong các Bảng 3.3 đến
Bảng 3.6. Trong đó, sai số hiệu suất lớn nhất (sai số hiệu suất tương đối) là 8,80% ứng
với năng lượng 92,38 keV của đồng vị trong chuỗi (mẫu IAEA-RGU-1).
Xây dựng đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần với độ sai biệt giữa
giá trị thực nghiệm và giá trị làm khớp không vượt quá 8,50% đối với đa số các mẫu
chuẩn, riêng đỉnh năng lượng 661,7 keV của đồng vị trong mẫu IAEA-443 có
độ sai biệt là 13,37%. Đối với mẫu IAEA-RGTH-1 độ sai biệt này dưới 0,1%.
28
3.3. Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và
mô phỏng
Các mẫu chuẩn khóa luận sử dụng có thành phần nguyên tố xác định, đồng thời
chúng tương tự với các mẫu chuẩn trong nghiên cứu của S. Baccouche cùng cộng sự
và A. R. Iurian cùng cộng sự [9,11]. Tỷ lệ đóng góp của các nguyên tố hóa học chứa
trong vật liệu mẫu chuẩn được đưa ra trong Bảng 2.6 và Bảng 2.7. Các thành phần
nguyên tố trên được xác định bằng cách sử dụng phương pháp huỳnh quang tia X [10].
Khóa luận sử dụng những trọng số này cùng với các giá trị khối lượng, mật độ (Bảng
2.5) khai báo vật liệu ứng với từng mẫu chuẩn trong tập tin đầu vào MCNP6 để xác
định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng.
Bảng 3.7. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của
mẫu IAEA-RGU-1
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm mô phỏng
210Pb
0,0174 0,0136 27,99 46,5
234Th
63,3 0,0538 0,0504 6,87
226Ra
92,4 0,0997 0,0946 5,38
186,2 0,0863 0,0996 13,36
214Pb
242,0 0,0671 0,0856 21,67
238U
295,2 0,0543 0,0745 27,10
351,9 0,0451 0,0655 31,16
609,3 0,0271 0,0441 38,59
214Bi
1120,3 0,0183 0,0294 37,55
1238,1 0,0174 0,0275 36,72
1764,5 0,0142 0,0214 33,61
2204,2 0,0121 0,0180 33,08
29
Bảng 3.8. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của
mẫu IAEA-RGTh-1
212Pb
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm mô phỏng
228Ac
238,6 0,0602 0,0873 31,07
208Tl
338,3 0,0535 0,0682 21,55
232Th
228Ac
583,2 0,0285 0,0459 37,89
228Ac
911,2 0,0223 0,0340 32,92
208Tl
969,0 0,0222 0,0326 32,00
2614,5 0,0087 0,0157 44,41
Bảng 3.9. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của
mẫu IAEA-434
226Ra
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm mô phỏng
186,2 0,1043 0,1072 2,66
214Pb
242,0 0,0729 0,0916 20,42
295,2 0,0557 0,0794 29,89
0,0443 0,0695 36,28 351,9
238U
609,3 0,0249 0,0463 46,19
214Bi
1120,3 0,0178 0,0304 41,45
1238,1 0,0171 0,0284 39,85
1764,5 0,0136 0,0220 38,02
30
Bảng 3.10. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng
của mẫu IAEA-447
232Th
212Pb
Năng lượng Hiệu suất Hiệu suất Chuỗi Đồng vị RD (%) (keV) thực nghiệm mô phỏng
238,6 0,0800 0,0889 9,97
238U
214Pb
295,2 0,0809 0,0765 5,77
232Th
208Tl
351,9 0,0702 0,0671 4,48
238U
214Bi
583,2 0,0382 0,0464 17,77
137Cs
609,3 0,0363 0,0450 19,27
661,7 0,0333 0,0425 21,73
232Th
228Ac
911,2 0,0249 0,0342 27,26
40K
969,0 0,0237 0,0329 27,75
238U
214Bi
1460,8 0,0177 0,0248 28,88
232Th
208Tl
1764,5 0,0155 0,0216 28,63
2614,5 0,0124 0,0158 21,82
Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trog thực nghiệm và tính
toán bằng mô phỏng được xác định theo biểu thức (3.6):
(3.6)
trong đó, HSTN là giá trị hiệu suất đỉnh đã được làm khớp từ thực nghiệm lấy trong
các Bảng 3.3 đến Bảng 3.6, HSMP là giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có
được từ mô phỏng.
31
Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô
phỏng cho các mẫu chuẩn được trình bày trong các Bảng 3.7 đến 3.10. Đối với mẫu
IAEA-RGU-1, tại hai đỉnh năng lượng của đồng vị 234Th đạt được sự phù hợp giữa kết
quả thực nghiệm và mô phỏng với độ sai biệt nhỏ hơn 7%. Trong các mẫu IAEA-RGU-
1 và IAEA-RGTh-1, đối với năng lượng nhỏ hơn 300 keV thường chịu ảnh hưởng bởi
sự tự hấp thụ của mẫu, còn ở năng lượng trên 300 keV thường bị ảnh hưởng bởi hiệu
214Pb (trong mẫu IAEA-RGU-1), 228Ac, 208Tl (trong mẫu IAEA-RGTh-1). Vì vậy gây
ứng trùng phùng, đặc biệt là đối với các đồng vị phát nhiều đỉnh năng lượng như 214Bi,
ra sự chênh lệch lớn giữa hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng, các mẫu còn lại tương
tự. Một số nguyên nhân dẫn đến giá trị thực nghiệm có độ sai biệt lớn so với mô phỏng:
o Thăng giáng thống kê của phép đo hiệu suất trong thực nghiệm.
o Phép đo hiệu suất trong thực nghiệm chưa được hiệu chỉnh các thông số về
hiệu ứng trùng phùng đối với các đổng vị phóng xạ phát nhiều bức xạ
gamma.
o Chưa hiệu chỉnh hệ số tự hấp thụ của mẫu.
o Kết quả hiệu suất trong mô phỏng cao hơn so với các giá trị thực nghiệm vì
sau một thời gian sử dụng các thông số của đầu dò có thể bị thay đổi như bề
dày lớp chết. Bề dày thực tế của lớp chết tăng lên so với giá trị do nhà sản
xuất cung cấp được sử dụng trong mô phỏng. Khi đó, lớp chết ở mặt ngoài
tinh thể gây ra hiệu ứng che chắn làm suy giảm thể tích vùng nhạy của đầu
dò khiến việc ghi nhận tín hiệu bức xạ suy giảm, dẫn đến hiệu suất giảm đặc
biệt ở vùng năng lượng thấp (dưới 100 keV). Sự gia tăng bề dày lớp chết ở
mặt trong của tinh thể cũng làm giảm hiệu suất ở vùng năng lượng cao [3].
3.4. Tóm tắt Chương 3
Trong chương 3, khóa luận đã trình bày về cách bố trí thực nghiệm, xác định hiệu
suất đỉnh thực nghiệm cho bốn mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng từ 46,5 keV đến
2614,5 keV. Bên cạnh đó, khóa luận thực hiện đánh giá kết quả giữa hiệu suất đỉnh
thực nghiệm và mô phỏng với độ sai biệt cao đối với các đồng vị phát nhiều bức xạ
gamma 214Bi, 214Pb, giải thích nguyên nhân gây ra độ sai biệt này.
32
KẾT LUẬN
Với mục tiêu nghiên cứu sự ảnh hưởng của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn
phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường, khóa luận đã đạt được những kết
quả sau:
o Xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho bốn mẫu chuẩn trong khoảng
năng lượng từ 46,5 keV đến 2614,5 keV với độ sai biệt giữa kết quả thực nghiệm
và hiệu suất đỉnh có được từ việc làm khớp không vượt quá 8,50%, ngoại trừ
đỉnh năng lượng 661,7 keV của đồng vị 137Cs trong mẫu IAEA-443 có độ sai
biệt là 13,37%.
o Đánh giá kết quả giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng đạt được sự phù
234Th với độ sai biệt nhỏ hơn 7%. Đối với các đồng vị phát nhiều bức xạ gamma
214Bi, 214Pb, 208Tl, 228Ac có độ sai biệt cao. Giải thích được các nguyên nhân dẫn
hợp giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng tại hai đỉnh năng lượng của đồng vị
đến độ sai biệt này.
o Đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh vào thành phần nguyên tố của các mẫu
chuẩn. Do khóa luận sử dụng thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu chuẩn
tham khảo từ hai công trình nghiên cứu của S. Baccouche [9] cùng cộng sự và
A. R. Iurian cùng cộng sự [11] để thực hiện mô phỏng, nên dẫn đến độ sai biệt
cao giữa thực nghiệm và mô phỏng.
33
KIẾN NGHỊ
Như vậy, khóa luận đã hoàn thành các mục tiêu đề ra. Để đạt được kết quả tốt hơn
trong việc nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của hiệu suất vào thành phần nguyên tố
của mẫu môi trường khóa luận kiến nghị đề tài nghiên cứu có các hướng phát triển như
sau:
o Đánh giá hệ số tự hấp thụ các mẫu chuẩn IAEA bằng thực nghiệm.
o Đánh giá hiệu ứng trùng phùng đối với các đồng vị phóng xạ phát nhiều đỉnh
năng lượng như 214Bi, 214Pb.
o Xác định hoạt độ các mẫu môi trường để đánh giá độ chính xác của phương
pháp.
34
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
[1] Ngô Quang Huy, (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Hoàng Đức Tâm, (2019), Phân tích sai số dữ liệu thực nghiệm, NXB Đại học Sư
Phạm, Thành phố Hồ Chí Minh.
[3] L. T. N. Trang, H. D. Chuong, and T. T. Thanh, (2019), “Efficiency calibration
for HPGe detector by Monte Carlo efficiency transfer method,” Sci. Technol.
Dev. J. - Nat. Sci., vol. 3, no. 1 SE-Original Research.
[4] Nguyễn Ngọc Lệ, (2013), “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố
phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma”, Luận văn Thạc sĩ
Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội.
[5] Trần Ái Khanh, (2008), Khảo sát hiệu suất của detector HPGe với hình học mẫu
lớn bằng phương pháp Monte Carlo, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, 2008.
[6] Đặng Nguyên Phương, (2015), “Hướng dẫn cơ bản sử dụng MCNP cho hệ điều
hành Windows”, nhóm NMTP.
Tài liệu nước ngoài
[7] G. K. Skinner, (1996), Practical gamma-ray spectrometry, vol. 52, no. 3.
[8] U. S. Customs, B. Protection, D. Nuclear, and D. Office, (2011), “Compendium
of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling”.
[9] S. Baccouche,D. Al-Azmi, N. Karunakara, and A. Trabelsi, (2012), “Application
of the Monte Carlo method for the efficiency calibration of CsI and NaI detectors
for gamma-ray measurements from terrestrial samples,” Appl. Radiat. Isot., vol.
70, no. 1, pp. 227–232.
[10] S. Mohammad Modarresi and S. Farhad Masoudi, (2018), “On the gamma
spectrometry efficiency of reference materials and soil samples,” J. Environ.
Radioact., vol. 183, no. July 2017, pp. 54–5.
35
[11] A. R. Iurian, A. Pitois, G. Kis-Benedek, A. Migliori, R. Padilla-Alvarez, and A.
Ceccatelli, (2016), “Assessment of measurement result uncertainty in
determination of 210Pb with the focus on matrix composition effect in gamma-
ray spectrometry,” Appl. Radiat. Isot., vol. 109, pp. 61–69.
[12] Vuong L.Q, Tao C.V, Thanh T.T, (2017), Revision of nuclear data of U-235 and
Ra-226 for the 186 keV gamma-ray peak for the determination of activity in
environmental samples, J Radioanal Nucl Chem 314:1273-1277.
[13] Thanh T.T, Vuong L.Q, (2018), Validation of an advanced analytical procedure
applied to the measurement of environmental radioactivity, Journal of
Environmental Radioactivity 184-185, 10.
Trang web tham khảo
[14] IAEA/RL/148, 1987
[15] http://www.nucleide.org/Laraweb/index.php
[16] https://nucleus.iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Index-for
Radionuclides.aspx
36
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC A
Hình P.A. Mẫu chuẩn
37
PHỤ LỤC B
Bảng P.B.1. Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-RGU-1
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
46,54 40055
63,30 121643
92,38 222665
186,21 319027
242,00 283934
295,22 552219
351,93 910583
609,31 654502
1120,30 151097
1238,11 57818
1764,50 120974
2204,21 32695
Bảng P.B.2. Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-RGTH-1
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
238,63 874121
338,32 203129
583,18 289910
911,20 198734
968,96 117377
2614,51 104289
38
Bảng P.B.3. Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-434
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
37960 186,21
55652 242,00
101891 295,22
164245 351,93
116947 609,31
26627 1120,30
10489 1238,11
21413 1764,50
Bảng P.B.4. Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-447
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
24002 238,63
7007 295,22
11542 351,93
6771 583,20
7980 609,31
161948 661,70
4586 911,20
2767 968,6
17647 1460,82
1158 1764,50
2042 2614,51
39
PHỤ LỤC C
Bảng P.C. Xác suất phát gamma của các đồng vị phóng xạ ứng với năng lượng [15]
Xác suất phát Sai số xác suất Đồng vị Năng lượng gamma phát gamma Chuỗi (KeV) phóng xạ (%) (%)
3,75 63,30 0,08
4,33 92,38 0,38
3,555 186,21 0,019
7,268 242,00 0,022
18,414 295,22 0,036
35,60 351,93 0,07
45,49 609,31 0,19
14,91 1120,30 0,03
5,831 1238,11 0,014
15,31 1764,49 0,05
4,913 2204,21 0,023
4,252 46,54 0,04
11,4 338,32 0,4
26,2 911,20 0,8
15,9 968,96 0,5
43,6 238,63 0,5
2614,51 99,755 0,004
85,0 583,187 0,3
10,55 1460,82 0,11
84,99 661,66 0,20
