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

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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

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
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 ( 40 K ), 1764 keV ( 214 Bi ) và 2614 keV ( 208 Tl ). 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 ( 234 Th ), 92,78 keV ( 234 Th ), 143,76 keV ( 235 U ) trong mẫu IAEA-RGU- 1; 238,6 ( 212 Pb ), 583,2 keV ( 208 Tl ), 911,2 keV ( 228 Ac ) đối với mẫu IAEA-RGTH-1 và 1460,8 keV ( 40 K ) 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 238 U, 232 Th ; 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: E e = E  − E lk (1.1) trong đó: E e là động năng cực đại của electron. E  là năng lượng của photon tới. Elk là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử. 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 E E ' = (1.2) E 1+ (1 − cos) me c2  E  E    2 (1 − cos )  E e = E  − E ' =  e  mc (1.3) E 1+ (1 − cos ) mec2 trong đó: E  là năng lượng của bức xạ gamma tới. E  ' là năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ. E e 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 E e sau tán xạ phụ thuộc vào góc θ: Khi  = 0o thì ( E e )min = 0 , bức xạ gamma sau tán xạ mang năng lượng gần bằng năng lượng gamma tới E  = E  ' . 2E   Khi  = 1800 thì ( E e )max = , gamma truyền năng lượng lớn nhất cho 1 + 2 E electron tức là khi tán xạ giật lùi với  = . me c2 1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng E   1,02 MeV 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 E  − 2m ec 2 [1]: E e+ + E e− = E  − 2m ec 2 (1.4) trong đó: E  là năng lượng của bức xạ gamma tới. E e+ , E e− 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 E  − mec2 gọi là đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát có năng lượng (E  ) − 2m ec 2 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 238 U Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 238 U. Trong tự nhiên, 238 U 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 232 Th [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]: N p (E) p = (1.5) AtI  (E)m trong đó: N p ( E ) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. A là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg).
9 t là thời gian đo (s). I  (E ) là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%). m 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 2 2  m   t  số thời gian và sai số khối lượng có thể được bỏ qua   = 0,   = 0 . Vậy hiệu m  t  suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo biểu thức (1.6): 2  A    N   I  2 2  p =  p   +   +   (1.6)  A   N   I   trong đó: A là sai số hoạt độ của nguồn.  N là sai số diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. I 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]: log  =  a i ( log E ) i (1.7)
10 trong đó,  , E và a i 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 238 U , 232 Th 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 Mô tả Cấu trúc 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 Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards. C *************BLOCK 2: SURFACE CARDS******* C -----------------------HPGe----------------- Surface Cards C ----------------------PLANE----------------- 1 PZ 0.0 Phân cách giữa Surface Cards và Surface Cards. 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.