Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn đối với một số mẫu có dạng hình học khác nhau bằng phương pháp Monte Carlo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn xây dựng code mô phỏng hiệu dụng về đầu dò GMX – 4076PL tại phòng phân tích kích hoạt neutron của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cho nguồn điểm, nguồn hình học dạng trụ, dạng Marinelli. Trong quá trình mô phỏng, chúng tôi sẽ khảo sát và thay đổi các thông số kỹ thuật sao cho có sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. K

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn đối với một số mẫu có dạng hình học khác nhau bằng phương pháp Monte Carlo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH `Lê Kim Dung NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CÓ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu mô phỏng, tính toán hiệu suất từ phổ thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Đức Tâm và chưa được công bố trong công trình nào mà không có sự tham gia của tôi. Dữ liệu về phổ thực nghiệm, các số liệu về mẫu đo sử dụng để thực hiện luận văn do ThS. Hồ Văn Doanh làm việc tại trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp. Tác giả luận văn Lê Kim Dung
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành chương trình cao học chuyên ngành Vật lí nguyên tử tại trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS. Hoàng Đức Tâm đã tận tâm, tận tình truyền đạt cho tôi các kiến thức quý báu, phương pháp làm việc khoa học, niềm đam mê và cảm hứng làm việc liên tục trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Hồ Văn Doanh, ThS. Huỳnh Đình Chương đã giúp đỡ tôi những công đoạn vô cùng cần thiết trong quá trình tiến hành tìm hiểu thực nghiệm đề tài, xử lý và kiểm tra số liệu. Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy kiến thức chuyên môn, truyền cho tôi cảm hứng và sự đam mê trong công tác nghiên cứu khoa học. Tôi gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo trường Trung Học Phổ Thông Chuyên Bình Long – Bình Phước đã tạo điều kiện tối đa về thời gian để tôi có thể yên tâm học tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ và giúp đỡ để tôi yên tâm trong quá trình học tập. Cảm ơn bạn Phạm Vũ Trân đã giúp đỡ và cùng tôi thảo luận những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài.
MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt trong đề tài Danh mục các bảng Danh mục các hình ảnh và đồ thị MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN ........................................................................................... 8 1.1. Tương tác của photon với vật chất ..................................................... 8 1.1.1. Hiện tượng quang điện ........................................................... 9 1.1.2. Hiện tượng tán xạ Compton ................................................. 12 1.1.3. Hiện tượng tán xạ Rayleigh ................................................. 13 1.1.4. Hiện tượng tạo cặp ............................................................... 14 1.2. Một số đặc trưng của đầu dò bán dẫn ............................................... 15 1.2.1. Đầu dò bán dẫn..................................................................... 16 1.2.2. Hiệu suất ghi của đầu dò bán dẫn ........................................ 18 1.2.3. Độ phân giải của đầu dò bán dẫn ......................................... 20 1.3. Hiệu ứng tự hấp thụ .......................................................................... 22 1.4. Hiệu ứng trùng phùng tổng. .............................................................. 23 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO, CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP5 VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT ....................................................................................... 25 2. 1. Phương pháp Monte Carlo .............................................................. 25
2. 2. Chương trình mô phỏng MCNP5 .................................................... 25 2.2.1. Cell Cards ............................................................................. 26 2.2.2. Surface Cards ....................................................................... 27 2.2.3. Data Cards ............................................................................ 29 2.2.4. Cấu trúc chương trình MCNP .............................................. 31 2.2.5. Đánh giá phân bố độ cao xung Tally – F8 ........................... 32 2.2.6. Mô phỏng nguồn và sự tương tác của photon qua chương trình MCNP5 ................................................................................ 33 2.3. Phương pháp xác định hiệu suất ..................................................... 37 2.3.1. Phương pháp thực nghiệm .................................................... 37 2.3.2. Phương pháp mô phỏng dùng chương trình MCNP5 ........... 40 2.3.3. Phương pháp bán thực nghiệm. ............................................ 42 Chương 3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN GMX – 4076PL ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CÓ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO ................................................................... 49 3.1. Kết quả xác định FWHM và đường chuẩn năng lượng của đầu dò GMX – 4076PL ............................................................................... 49 3.2. Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng. .................................................. 51 3.3. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần ở khoảng cách 5 cm, 10 cm, 18 cm với nguồn chuẩn điểm. .................................................. 54 3.4. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng trụ ............................................................................. 62 3.4.1. Cấu hình của buồng đo, hộp mang lọ chứa mẫu và lọ đựng mẫu .............................................................................................. 62
3.4.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng trụ ..................................................... 66 3.5. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng Marinelli .................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 76 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 79 PHỤ LỤC ............................................................................................. PL 1 Phụ lục A: input của MCNP5 của nguồn chuẩn điểm ......................... PL 1 Phụ lục B: input của nguồn hình học dạng trụ..................................... PL 5 Phụ lục C: input của nguồn hình học dạng Marinelli .......................... PL 7 Phụ lục D: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ANGLE V3.0 ............ PL 9 Phụ lục E: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ETNA ...................... PL 15 Phụ lục F: Hiệu suất của đầu dò GMX – 4076PL đối với nguồn hình học dạng trụ cho mẫu địa chất. ........................................................ PL 18
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ETNA Efficiency Transfer for Nuclide Chương trình chuyển đổi Activity measurements – ETNA hiệu suất ETNA FEPE Full Energy Peak Efficiency Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần FWHM Full Width of Half Maximum Bề rộng một nửa GEB Gaussian Energy Broadenning Nở rộng đỉnh theo phân bố Gauss HPGe High – Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết MCNP Monte Carlo N – Particle Mô phỏng Monte Carlo cho hệ nhiều hạt NAA Neutron activation analysis Phương pháp phân tích kích hoạt neutron
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hệ số suy giảm của mẫu địa chất và mẫu sinh học .................................. 22 Bảng 2.1. Một số loại mặt được định nghĩa trong chương trình mô phỏng MCNP có sử dụng trong luận văn ................................................................. 28 Bảng 2.2. Dữ liệu hạt nhân của nguồn điểm được sử dụng trong nghiên cứu ......... 39 Bảng 2.3. Kích thước của đầu dò GMX – 4076 PL ................................................ 41 Bảng 3.1. Số liệu về năng lượng và FWHM để xác định hệ số a, b, c trong lệnh GEB................................................................................................. 50 Bảng 3.2. Kết quả xác định hệ số a, b, c................................................................... 50 Bảng 3.3. Giá trị năng lượng theo kênh để xác định đường chuẩn năng lượng ....... 51 Bảng 3.4. Hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng đưa vào chương trình ETNA, tính hệ số trùng phùng ..................................................................................... 52 Bảng 3.5. Hệ số trùng phùng của các đồng vị sử dụng trong nghiên cứu tính bằng ETNA .............................................................................................. 52 Bảng 3.6. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 5 cm............... 54 Bảng 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 10 cm............. 56 Bảng 3.8. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 18 cm............. 57 Bảng 3.9. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn điểm được chuyển đổi bằng ETNA và ANGLE ở khoảng cách 5 cm .................... 58 Bảng 3.10. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm được chuyển đổi bằng ETNA, ANGLE ở khoảng cách 18 cm ... 60 Bảng 3.11. Kích thước của buồng đo ....................................................................... 62 Bảng 3.12. Kích thước của hộp mang lọ chứa mẫu ................................................. 63 Bảng 3.13. Kích thước của lọ đựng mẫu sinh học ................................................... 64
Bảng 3.14. Kích thước của lọ đựng mẫu địa chất .................................................... 65 Bảng 3.15. Thành phần vật liệu mẫu địa chất Montana II Soil (NIST-2711a) ........ 65 Bảng 3.16. Thành phần vật liệu mẫu sinh học Oyster Tissue (NIST-1566b) .......... 65 Bảng 3.17. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 5 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 67 Bảng 3.18. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 10 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 68 Bảng 3.19. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 18 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 69 Bảng 3.20. Kích thước của nguồn hình học dạng Marinelli .................................... 72 Bảng 3.21. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn hình học dạng Marinelli bằng MCNP5, ANGLE với mẫu đo địa chất ............... 73 Bảng 3.22. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn hình học dạng Marinelli bằng MCNP5, ANGLE với mẫu sinh học ................... 74 Bảng PLF.1. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 5 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 18 Bảng PLF.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 10 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 19
Bảng PLF.3. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 18 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 20
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các tương tác chính tạo nên phổ năng lượng của 137 Cs được ghi nhận bởi đầu dò hạt nhân ............................................................................. 8 Hình 1.2. Mô tả hiện tượng quang điện .............................................................. 10 Hình 1.3. Biểu diễn sự phụ thuộc PK , K vào nguyên tử số Z ............................. 11 Hình 1.4. Tán xạ Compton của photon lên electron tự do ................................. 13 Hình 1.5. Quá trình tạo cặp electron – Positron ................................................. 14 Hình 1. 6. Sự phụ thuộc vào năng lượng tia gamma của tiết diện hiệu ứng quang điện, Compton, tạo cặp trong germanium siêu tinh khiết. ................ 15 Hình 1.7. Minh họa sự di chuyển của electron và lỗ trống về hai cực trong đầu dò bán dẫn ......................................................................................... 16 Hình 1.8. Đầu dò dạng phẳng và dạng đồng trục ............................................... 17 Hình 1.9. Góc khối từ nguồn điểm đến đầu dò .................................................. 19 Hình 1.10. Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần ............................................... 20 Hình 1.11. Hình minh họa FWHM ..................................................................... 21 Hình 1.12. So sánh độ phân giải năng lượng của đầu dò HPGe và NaI............. 21 Hình 1.13. Phổ năng lượng của nguồn 60Co ....................................................... 24 Hình 2.1. Dạng hình học của nguồn chuẩn điểm ............................................... 38 Hình 2.2. Dạng hình học của đầu dò GMX - 4076PL trong mô phỏng MCNP5 ............................................................................................. 40 Hình 2.3. Góc nhìn của nguồn phóng xạ đến bề mặt đầu dò.............................. 43 Hình 2.4. Điểm T và P trong hệ tọa độ cực đối với mặt phẳng (Oxy) ............... 44 Hình 2.5. Minh họa góc khối của nguồn hình học dạng trụ đến đầu dò ............ 45 Hình 2.6. Minh họa các vùng tính góc khối của nguồn hình học dạng trụ có bán kính lớn hơn bán kính đầu dò đến đầu dò ......................................... 46
Hình 2.7. Góc quét từ một điểm ngoài đầu dò đến đầu dò ................................. 47 Hình 2.8. Minh họa các vùng tính góc khối của nguồn hình học dạng Marinelli ............................................................................................ 47 Hình 3.1. Chương trình ETNA tính hệ số trùng phùng ............................................ 51 Hình 3.2. Đồ thị hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần với nguồn chuẩn điểm ở khoảng cách 5 cm, 10 cm, 18 cm xác định bằng MCNP5 và thực nghiệm ............................................................................................. 61 Hình 3.3. Đồ thị hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần với nguồn chuẩn điểm ở khoảng cách 5 cm, 18 cm xác định bằng thực nghiệm, MCNP5, ETNA, ANGLE ...................................................................................... 61 Hình 3.3. Buồng đo .................................................................................................. 62 Hình 3.4. Vị trí của buồng đo trong đầu dò GMX – 4076PL ................................... 63 Hình 3.5. Hình dạng của hộp mang lọ chứa mẫu ..................................................... 64 Hình 3.6. Hình dạng của lọ đựng mẫu sinh học và mẫu địa chất ............................. 64 Hình 3.7. Nguồn đặt nằm ngang và thẳng đứng trong mô phỏng MCNP5 .............. 66 Hình 3.8. Đồ thị hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần với nguồn hình học dạng trụ, mẫu sinh học ............................................................................ 70 Hình 3.9. Đồ thị hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần với nguồn hình học dạng trụ, mẫu địa chất ............................................................................. 71 Hình 3.10. Mô phỏng MCNP5 của nguồn hình học dạng Marinelli ........................ 72 Hình 3.11. Dạng hình học của hộp Marinelli ........................................................... 72 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần với nguồn dạng Marinelli, mẫu địa chất ....................................................... 75 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp thụ đỉnh năng lượng toàn phần với nguồn dạng Marinelli, mẫu sinh học ....................................................... 75 Hình PLD.1. Giao diện của chương trình ANGLE V3.0 ............................... PL 9
Hình PLD.2. Khai báo kích thước đầu dò GMX - 4076PL trong chương trình ANGLE V3.0 ............................................................................ PL 9 Hình PLD.3. Khai báo hình học của lọ thủy tinh chứa nguồn trụ trong chương trình ANGLE V3.0 ................................................................. PL 10 Hình PLD.5. Khai báo hình học của hộp chứa nguồn trụ trong chương trình ANGLE V3.0 .......................................................................... PL 11 Hình PLD.4. Khai báo hình học của lọ chứa nguồn trụ, mẫu sinh học trong chương trình ANGLE V3.0 .................................................... PL 11 Hình PLD.6. Khai báo hình học của lọ chứa nguồn trụ, mẫu địa chất trong chương trình ANGLE V3.0 ................................................................. PL 12 Hình PLD.7. Khai báo hình học mẫu Marinelli trong chương trình ANGLE V3.0 ...................................................................................................... 12 Hình PLD.8. Khai báo vật liệu mẫu địa chất trong ANGLE V3.0 ............... PL 13 Hình PLD.9. Khai báo vật liệu mẫu sinh học trong ANGLE V3.0 .............. PL 13 Hình PLD.10. Khai báo đường cong hiệu suất thực nghiệm ở khoảng cách 10 cm, trong chương trình ANGLE V3.0 ........................................... PL 14 Hình PLE.1. Chương trình ETNA khi dùng để chuyển đổi hiệu suất .......... PL 15 Hình PLE.2. Khai báo kích thước của đầu dò GMX – 4076PL trong chương trình ETNA ...................................................................................... PL 15 Hình PLE.3. Khai báo thông số nguồn chuẩn điểm trong chương trình ETNA PL 16 Hình PLE.4. Khai báo thông số mẫu trụ trong chương trình ETNA............ PL 16 Hình PLE.5. Khai báo chiều cao của nguồn hình học dạng trụ trong chương trình ETNA ...................................................................................... PL 17 Hình PLE.6. Hộp chứa mẫu trụ trong chương trình ETNA ......................... PL 17
1
1 MỞ ĐẦU Từ khi hiện tượng phóng xạ được phát hiện năm 1896, các nhà khoa học đã chứng tỏ các tia phóng xạ có gây ảnh hưởng lớn đến cơ thể con người, động vật, thực vật khi tiếp xúc vì thế các phép đo phóng xạ có vai trò không thể thiếu được đối với công việc bảo vệ bức xạ hàng ngày trong các cơ sở hạt nhân, phòng thí nghiệm hạt nhân nói riêng và bảo vệ môi trường nói chung. Những tia phóng xạ có hoạt độ càng cao thì mức độ ảnh hưởng đến môi trường xung quanh càng lớn. Để đo hoạt độ của mẫu môi trường, chúng ta cần xác định được hiệu suất ghi đối với đỉnh năng lượng của tia gamma phát ra từ mẫu ứng với dạng hình học của mẫu [1]. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích kích hoạt neutron (NAA), đặc biệt là phương pháp k – zero là một trong những phương pháp thường được sử dụng để phân tích hàm lượng nguyên tố trong mẫu có kích thước lớn, không có dạng hình học đối xứng, vì có những ưu điểm như: có độ nhạy cao, không hủy thể, có thể phân tích cả định lượng và định tính. Để sử dụng phương pháp k – zero của NAA thì một trong các thông số cần phải xác định là hiệu suất ghi nhận tia gamma phát ra từ mẫu đo của đầu dò [2]. Để xác định hiệu suất ghi đối với đỉnh năng lượng cần xác định được đỉnh phổ của tia gamma phát ra từ nguồn phóng xạ bằng các đầu dò [3]. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò là tỉ số tia gamma được đầu dò ghi nhận và số tia gamma do mẫu đo phát ra. Tỉ số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần vật liệu, dạng hình học, kích thước của mẫu đo, sự suy giảm bức xạ trước khi nó đến được đầu dò, khoảng cách từ mẫu đo tới đầu dò. Vì vậy, người ta thường sử dụng loại đầu dò có hiệu suất ghi và độ phân giải cao, có khả năng ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma tốt như đầu dò bán dẫn germanium siêu tinh khiết HPGe (High – Purity Germanium). Để xác định hiệu suất của đầu dò, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp thực nghiệm, phương pháp bán thực nghiệm, phương pháp mô phỏng [4]. Quá trình xác định hiệu suất ghi nhận của đầu dò bán dẫn HPGe bằng thực nghiệm gặp một số khó khăn khi nguồn đo là nguồn không đồng nhất và có kích thước lớn. Để xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh theo năng lượng thì trong thực nghiệm thường sử dụng các nguồn chuẩn điểm phát tia gamma đơn năng như 203Hg, 241 Am, 109Cd, 57Co, 51Cr, 137Cs, 65Zn. Tuy nhiên, một số nguồn chuẩn đơn năng trên
2 có chu kỳ bán rã ngắn 203Hg (T1/2 = 46,6 ngày), 51Cr (T1/2 = 27,7 ngày) nên cần phải thay thế định kì. Vấn đề này có thể giải quyết khi sử dụng những nguồn có chu kỳ bán rã dài như 152Eu, 133Ba, với năng lượng trải dài trong vùng cần quan tâm (50 keV đến 1500 keV). Nhưng những nguồn này phát tia gamma đa năng nên khi đặt nguồn đo gần đầu dò có thể xảy ra hiệu ứng trùng phùng tổng dẫn đến kết quả đo có sai số lớn [5]. Các phép đo hiệu suất với nguồn thể tích cần nhiều nguồn chuẩn có dạng hình học, mật độ, thành phần vật chất, các nguồn này cần thay thế định kì và đường cong hiệu suất cần phải xác định lại. Việc sản xuất các nguồn thể tích làm nguồn chuẩn đòi hỏi kỹ thuật rất phức tạp, thực hiện nhiều nguồn, lặp lại nhiều lần có thể dẫn đến sự gia tăng chất thải rác phóng xạ [3]. Phương pháp thực nghiệm gặp khó khăn là phải lặp lại nhiều phép đo, tốn kém về thời gian và chi phí khi phải sử dụng nhiều nguồn chuẩn, thực hiện nhiều lần thí nghiệm. Phương pháp bán thực nghiệm được đưa ra vào năm 1982 bởi L. Moens và các cộng sự [6], trong đó vai trò của thực nghiệm là xây dựng đường cong hiệu suất của đầu dò theo năng lượng của cấu hình tham khảo có sẵn trong điều kiện phòng thí nghiệm. Đường cong hiệu suất theo năng lượng đo bằng thực nghiệm được đưa vào các chương trình chuyển đổi hiệu suất như ANGLE, ETNA, để tính hiệu suất của các cấu hình cần đo [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Mối tương quan giữa góc khối nhìn từ nguồn phóng xạ đến bề mặt đầu dò được xác lập giữa cấu hình tham khảo và cấu hình cần xác định hiệu suất là nguyên lý chuyển đổi hiệu suất của chương trình ETNA, ANGLE. Phương pháp Monte Carlo được xây dựng trên cơ sở lựa chọn các số ngẫu nhiên để lấy mẫu thống kê, mô phỏng lịch sử của hạt trong quá trình tương tác. Lịch sử tương tác của từng hạt sơ cấp và thứ cấp với vật liệu môi trường đều được ghi nhận cho đến khi năng lượng ban đầu của hạt mất hết hoặc giảm xuống đến một ngưỡng nào đó. Chương trình MCNP (Monte Carlo N–Particle) được xây dựng dựa trên cơ sở áp dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận chuyển hạt sơ cấp như photon, electron, neutron, proton. Khi áp dụng cho photon, phương pháp Monte Carlo mô phỏng quá trình mất năng lượng trên đường đi của photon kể từ khi phát ra từ nguồn phóng xạ [13]. Mô phỏng quá trình phát tia gamma từ nguồn phóng xạ và
3 ghi nhận tia gamma của đầu dò bằng chương trình MCNP sẽ không phụ thuộc vào sơ đồ phân rã nên không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng trùng phùng [5]. Trong quá trình mô phỏng, người sử dụng có thể linh hoạt khai báo các thông số về đầu dò, vật liệu phóng xạ, môi trường truyền gamma…, do đó sẽ linh hoạt trong việc xác định hiệu suất của đầu dò với các nguồn có dạng thể tích khác nhau. Đầu dò bán dẫn sau khi hoạt động một thời gian, lớp bất hoạt sẽ gia tăng làm ảnh hưởng đến hiệu suất ghi nhận, việc xác định bề dày của lớp bất hoạt thay đổi theo thời gian cũng là một khó khăn của thực nghiệm. Sử dụng mô phỏng MCNP5 thì có thể ước lượng và thay đổi bề dày của lớp bất hoạt sao cho kết quả ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố này nhất [14]. Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nhóm tác giả sử dụng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất ghi tuyệt đối của đầu dò. C. Agarwal và cộng sự đã nghiên cứu cách tối ưu hóa hình học của đầu dò để có thể chuyển đổi từ hiệu suất của nguồn điểm sang các dạng hình học khác [5]. Việc tối ưu hóa về dạng hình học của đầu dò như chiều dài, bán kính tinh thể, bề dày lớp bất hoạt không linh hoạt vì những yếu tố trên có thay đổi không tuân theo qui luật nhất định nên khó áp dụng cho các đầu dò khác. Năm 2015, Y. Morera – Gomez và các cộng sự đã công bố công trình áp dụng phương pháp Monte Carlo để chuyển đổi hiệu suất ghi của đầu dò HPGe với mục đích đo lường mẫu môi trường bằng cách sử dụng hệ số chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào năng lượng của photon [15]. Trong công thức chuyển đổi tác giả đưa ra có sử dụng đến những giá trị hiệu suất xác định bằng thực nghiệm ở cấu hình tham chiếu, hiệu suất xác định bằng mô phỏng MCNP cho cấu hình tham chiếu và cấu hình cần đo. Đối với cấu hình tham chiếu, các tác giả đã sử dụng nguồn chuẩn 152Eu đặt cách nắp đầu dò 32 cm để giảm tối thiểu hiệu ứng trùng phùng tổng. Kết quả xác định hiệu suất được sử dụng để phân tích hàm lượng của mẫu môi trường, độ lệch so với giá trị định danh là dưới 5%. A. Azbouche và các cộng sự đã áp dụng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất của đầu dò HPGe khi đo lường độ phóng xạ của mẫu môi trường vào năm 2015 [16]. Trong công trình [16], các tác giả đã áp dụng mô phỏng Monte Carlo nghiên cứu chi tiết đầu dò HPGe với nguồn 152 Eu chứa trong bột cỏ được đổ vào hộp dạng Marinelli Beaker và so sánh với giá trị thực nghiệm tương ứng, sau đó tác giả áp dụng các thông số đầu vào của mô hình mô phỏng Monte Carlo đã
4 xây dựng để nghiên cứu sự phân bố 137Cs trong mẫu đất. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này các tác giả không chỉ điều chỉnh sự thay đổi của lớp bất hoạt (từ 0,004 mm lên 0,05 mm) mà còn thay đổi cả kích thước của tinh thể đầu dò như đường kính, chiều cao của tinh thể Germanium mới có được sự phù hợp tốt với thực nghiệm. Nhóm tác giả M. Noguchi và các cộng sự (1981) đã công bố công trình khảo sát sự thay đổi hiệu suất của đầu dò theo chiều cao và bán kính mẫu hình trụ [17]. Nhóm tác giả Y. S. Selim và M. I. Abbas (2000) đã công bố công trình khảo sát sự thay đổi hiệu suất của đầu dò theo bề dày, theo bán kính và mật độ hình trụ [18]. Cả hai công trình [17], [18] đều sử dụng các tính toán giải tích, để xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn với mẫu hình trụ, tiến hành thí nghiệm kiểm chứng khảo sát. Khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò theo chiều cao của mẫu Marinelli đã được tác giả L. Zikovsky công bố năm 1997 theo công trình [19]. Để khảo sát hiệu suất ghi của đầu dò bán dẫn theo mật độ của mẫu Marinelli, tác giả M. Mostajaboddavati và cộng sự đã công bố năm 2006 công trình [20]. Theo công trình [20], hiệu suất ghi nhận của đầu dò được khảo sát như một hàm của năng lượng tia gamma và mật độ của nguồn với thông số hiệu chỉnh được xác định từ thực nghiệm. Khó khăn của phương pháp này là phải tiến hành nhiều thí nghiệm để xác định thông số hiệu chỉnh. Năm 2013, C. C. Conti và các cộng sự đã mô tả chi tiết quy trình để mô phỏng và hiệu chỉnh các đầu dò HPGe loại đồng trục bằng phương pháp Monte Carlo [21]. Trong công trình [21], chương trình MCNP5 được sử dụng để khảo sát hiệu suất và bề dày lớp bất hoạt của đầu dò HPGe đồng trục với một bộ thông số đầu vào hoàn chỉnh của MCNP5. Theo như [21], C. C. Conti và các cộng sự đã dùng nguồn 241Am để xác định lớp bất hoạt ở mặt ngoài tinh thể và dùng nguồn 137Cs để xác định lớp bất hoạt ở trong hốc tinh thể. Trong công trình của P. Nogueira và các cộng sự công bố năm 2010 [22], hiệu suất của đầu dò HPGe được khảo sát chi tiết theo bề dày lớp bất hoạt, và có sự phù hợp giữa kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng Monte Carlo khi bề dày lớp bất hoạt tăng lên từ ba đến bốn lần (bề dày lớp bất hoạt của nhà sản xuất đưa ra là 0,6 mm còn mô phỏng khai báo là từ 2 mm đến 2,5 mm thì sẽ phù hợp tốt với thực nghiệm). Năm 2008, J. Boson và các cộng sự đã áp dụng phương pháp Monte Carlo để nghiên cứu chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò HPGe, trong công trình
5 này các tác giả đã nghiên cứu đến sự ảnh hưởng của lớp bất hoạt đến hiệu suất, lớp bất hoạt xác định được là 1,5 mm, gấp đôi giá trị định danh do nhà sản suất đưa ra và nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm hiệu suất thực nghiệm đo được [23]. Ở trong nước có nhiều công trình áp dụng phương pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn. Công trình [24] của tác giả Trần Ái Khanh (2007), đã nghiên cứu hiệu suất ghi nhận của đầu dò bán dẫn với hình học mẫu lớn bằng phương pháp Monte Carlo, trong công trình này tác giả đã sử dụng phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng Monte Carlo. Chương trình MCNP dùng để tính toán hiệu suất của đầu dò ở nhiều mức năng lượng khác nhau, từ bộ số liệu thu được qua mô phỏng xây dựng biểu thức giải tích để tính toán hiệu suất cho mẫu hình trụ và mẫu Marinelli. Tuy nhiên, các công thức giải tích ở nghiên cứu chưa linh hoạt cho các mẫu có thành phần khác nhau như gạch, trầm tích… và phạm vi khảo sát hiệu suất theo mật độ mẫu còn hạn chế (0,5 – 2,0 g/cm3). Công trình do tác giả Ngô Quang Huy và các cộng sự (2006) đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo để mô phỏng hệ phổ kế dùng detector HPGe, kết quả của công trình có lớp bất hoạt thật sự ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của đầu dò, hiệu suất đầu dò thay đổi khoảng 18,7% khi lớp bất hoạt tăng từ 0,35 mm đến 1,50 mm [14]. Tác giả Phạm Vũ Trân (2017) đã áp dụng phương pháp Monte Carlo để nghiên cứu hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL tại Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt trong hệ phổ kế gamma đối với mẫu chứa trong hộp Marinelli, kết quả của công trình này mới dừng ở một số mức năng lượng nhất định, còn gặp sai số lớn giữa mô phỏng MCNP5 và thực nghiệm ở nguồn chuẩn điểm (ở khoảng cách 5 cm sai số đều từ 10% - 15,5%), giữa mô phỏng MCNP5 và phần mềm chuyển đổi hiệu suất ETNA [25]. Đầu dò GMX - 4076PL đi kèm với hệ phân tích kích hoạt neutron tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt hoạt động theo chu trình tự động và khép kín trong qui trình chiếu và đo mẫu nên sẽ khó khăn cho việc xác định hiệu suất ghi nhận của đầu dò với các mẫu đo thể tích lớn, mẫu có cấu trúc hình học không đối xứng và khó khăn trong việc thay thế định kì các nguồn có chu kì bán rã ngắn. Tại phòng phân tích kích hoạt của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt có sử dụng một số nguồn chuẩn điểm xuất xưởng từ phòng thí nghiệm Isotope Products có hoạt độ phóng xạ tương đối thấp như: 60Co có hoạt độ 367,0 Bq, 152 Eu có hoạt độ 304,1
6 Bq, 137 Cs có hoạt độ 259,0 Bq, 133 Ba có hoạt độ 285,6 Bq, 241 Am có hoạt độ 417,0 Bq, để ghi nhận được khoảng 104 số đếm thì cần tiến hành thí nghiệm trong thời gian khoảng một ngày cho một nguồn chuẩn điểm. Các chương trình chuyển đổi hiệu suất ETNA và ANGLE là các chương trình đang được sử dụng tại phòng phân tích kích hoạt neutron, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Các chương trình này cho phép khai báo một số dạng hình học xác định, đối xứng như dạng chuẩn điểm, hình học dạng trụ, dạng Marinelli và chỉ có thể khai báo vị trí nguồn nằm ngang hay thẳng đứng so với trục đầu dò. Với các mẫu đo thể tích có dạng không đối xứng và hình dạng bất kì sẽ gặp khó khăn khi sử dụng các chương trình trên để tính hiệu suất. Với mục đích khắc phục khó khăn trên tại phòng phân tích kích hoạt neutron, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, trong luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình mô phỏng MCNP5 để xác định hiệu suất của đầu dò GMX - 4076PL. Trong đề tài nghiên cứu của luận văn này, chúng tôi sẽ xây dựng code mô phỏng hiệu dụng về đầu dò GMX – 4076PL tại phòng phân tích kích hoạt neutron của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cho nguồn điểm, nguồn hình học dạng trụ, dạng Marinelli. Trong quá trình mô phỏng, chúng tôi sẽ khảo sát và thay đổi các thông số kỹ thuật sao cho có sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc xác định hiệu suất nguồn chuẩn điểm bằng thực nghiệm, sử dụng phần mềm chuyển đổi hiệu suất để xác định hiệu suất của đầu dò với nguồn phóng xạ dạng hình học trụ và Marinelli, với dữ liệu đầu vào là đường cong hiệu suất xác định từ thực nghiệm. Khi thực nghiệm xác định được hiệu suất của đầu dò với bộ nguồn chuẩn điểm thích hợp, bằng cách sử dụng các chương trình chuyển đổi hiệu suất đáng tin cậy như ANGLE, ETNA, chúng tôi sẽ xác định được hiệu suất ghi nhận của đầu dò với các mẫu đo có dạng hình học khác nhau qua đó làm cơ sở so sánh với kết quả xác định hiệu suất bằng mô phỏng Monte Carlo. Với mục đích trên, luận văn có bố cục nội dung bao gồm ba chương không kể phần mở đầu và phần kết luận. Chương một là để khái quát về tương tác của photon với vật chất và hiệu suất của đầu dò bán dẫn. Chương hai trình bày các phương pháp tính hiệu suất của đầu dò bán dẫn được đề cập trong quá trình nghiên cứu và chương ba trình bày kết quả nghiên cứu về hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL.