Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15P4

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15P4 gồm có 4 chương trình bày về mô hình hóa hệ phổ kế gamma detector HPGe; mô phỏng đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần. Với các bạn chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15P4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRỊNH HOÀI VINH ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 ĐỂ TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe GEM 15P4 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ XUÂN ÂN Thành phố Hồ Chí Minh – 2010
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: Thầy TS. Võ Xuân Ân, người hướng dẫn khoa học, đã mang đến cho tôi những kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, truyền đạt tinh thần học hỏi và giúp tôi vượt qua những vướng mắc trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy TS. Nguyễn Văn Hoa, Thầy PGS. TS. Lê Văn Hoàng, hai người Thầy đã gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng góp ý kiến và động viên tôi từ những ngày đầu thực hiện luận văn. Thầy TS. Thái Khắc Định, người đã dành nhiều công sức cho dự án Phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân mà một trong những kết quả là hệ phổ kế gamma phông thấp đã được sử dụng trong nghiên cứu này. Quý Thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân và Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP HCM đã đóng góp những ý kiến thảo luận quý báu và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi có thể thực hiện các nghiên cứu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình đã hỗ trợ tôi về mọi mặt.
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện số liệu ACTL ACTivation Library CYLTRAN Chuong trình mô phỏng CYLTRAN Monte Carlo CYLTRAN An electron/photon transport code DE Thoát đôi Double Escape DETEFF Chương trình mô phỏng DETector EFFiciency Monte Carlo DETEFF EGS Chương trình mô phỏng Electron Gamma Monte Carlo EGS A Monte Carlo simulation code of the coupled transport of electrons and photon ENDF Thư viện số liệu ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu ENDL Evaluated Nuclear Data Library FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng Full Width at Half Maximum toàn phần tại một nữa chiều cao cực đại Ge(Li) Detector germanium khuếch Germanium(Lithium) tán lithium GEANT Chương trình mô phỏng GEANT Monte Carlo GEANT A toolkit for the simulation of the passage of particles through matter GESPECOR Chương trình mô phỏng Germanium SPEctroscopy Monte Carlo GESPECOR CORrection Factors HPGe Detector germanium siêu tinh High Purity Gemanium khiết MCNG Chương trình Monte Carlo Monte Carlo Neutron Gamma ghép cặp neutron - gamma MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo N – Particle Monte Carlo MCNP P/C Tỉ số đỉnh/Compton Peak/Compton PENELOPE Chương trình mô phỏng PENetration and Energy LOss of Monte-Carlo PENELOPE Positron and Electrons SE Thoát đơn Single Escape TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh -
MỞ ĐẦU Với sự ra đời của detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) và silicon (Si) trong suốt thập kỉ 1960, lĩnh vực đo phổ gamma đã được cách mạng hóa và trở thành công nghệ phát triển. Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, detector ghi bức xạ gamma được sử dụng để xác định hàm lượng của các hạt nhân phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trường. Những detector ghi bức xạ gamma đã đóng vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ trên khắp thế giới nhờ vào kỹ thuật phân tích không phá mẫu và khả năng phân giải cao. Việc sử dụng các detector bán dẫn siêu tinh khiết đã mang lại các kết quả chính xác hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma ở các năng lượng khác nhau. Ở Việt Nam, nhiều cơ sở như Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Hạt nhân TP HCM, Bộ môn Vật lý hạt nhân – Trường Đại học KHTN TP HCM đã trang bị các hệ phổ kế gamma loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp. Muốn xác định cường độ chùm tia gamma, điều cần thiết là phải biết chính xác hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ở cấu hình đo tương ứng. Phương pháp truyền thống để chuẩn hiệu suất cho các detector gamma bán dẫn là xác định trực tiếp đáp ứng của detector đối với các bức xạ gamma ở những năng lượng khác nhau thông qua việc sử dụng các nguồn chuẩn đơn năng hoặc đa năng đã biết trước hoạt độ. Hiệu suất có được ở những năng lượng này sau đó được ngoại suy cho toàn vùng năng lượng quan tâm để thu được một đường cong hiệu suất. Đường cong hiệu suất này có thể được sử dụng để tính toán hoạt độ các nhân phóng xạ trong mẫu đo nếu nó phát ra tia gamma có năng lượng nằm trong khoảng mà đường cong hiệu suất bao quát. Mặc dù cách làm này thường gặp trong thực tế và có vẻ đơn giản, nhưng để thu được những kết quả chính xác cần phải xem xét rất nhiều vấn đề phức tạp trong quy trình thực hiện. Có thể kể đến ở đây là thời gian và chi phí khi tiến hành thực nghiệm; điều kiện của phòng thí nghiệm về nguồn chuẩn phóng xạ; những vấn đề về kích thước, matrix của mẫu và hình học đo; nhiễm bẩn phóng xạ; những sai số gặp phải khi xây dựng đường cong hiệu suất bằng việc làm khớp dữ liệu thực nghiệm với đường cong lý thuyết cũng như sự cần thiết phải tiến hành rất nhiều hiệu chỉnh cho những thông tin thu được từ phổ gamma của mẫu đo. Ngoài ra, phương pháp này cũng gặp một hạn chế rất lớn khi phải làm khớp từng phần các dữ liệu đo đạc gián đoạn. Do hình dạng của hàm hiệu suất phức tạp và nguồn chuẩn thường có sai số nên cần phải tiến hành rất nhiều đo đạc trải dài trên vùng năng lượng quan tâm để có thể đảm bảo rằng sai số trong việc nội suy là nhỏ. Do đó, nhiều phương pháp tính toán và sự hỗ trợ của những phương pháp cho việc chuẩn hiệu suất detector đã được
quan tâm nghiên cứu trong nhiều thập niên trở lại đây, đặc biệt là từ khi có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và những nhân tố liên quan. Trong đó, những cách tiếp cận cho thấy triển vọng đều dựa trên phương pháp Monte Carlo. Kể từ những tính toán đầu tiên của Zerby và Moran [44] vào năm 1958 cho đến nay đã có hàng ngàn công trình sử dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn hiệu suất cho detector gamma [14], [15], [16], [17], [23], [38]. Trong 10 – 15 năm trở lại đây, các tính toán Monte Carlo với chương trình MCNP đã cho thấy hiệu lực trong việc xác định hiệu suất của detector. Ưu điểm chính của mô phỏng này là nó có thể cho kết quả chính xác đáp ứng hiệu suất của detector mà không cần nhiều đo đạc thực nghiệm. Không chỉ khẳng định hiệu lực của phương pháp Monte Carlo trong việc tính toán hiệu suất, các nghiên cứu còn cho thấy nhiều ưu điểm khác của nó. Một khi đã mô hình hóa chính xác detector, Monte Carlo có thể mô phỏng phổ gamma của các nhân phóng xạ ở nhiều matrix và cấu hình khác nhau [5]; tính toán các hệ số hiệu chỉnh các hiệu ứng trùng phùng, matrix và mật độ cho một loại mẫu bất kỳ [1], [22], [28], [41]; khảo sát các yếu tố liên quan đến đáp ứng của detector đối với bức xạ gamma tới [3], [7]; thiết kế hệ phổ kế triệt nền compton [40]. Ngoài ra đây còn là một công cụ lý thuyết mạnh để đánh giá và theo dõi sự thay đổi của hệ phổ kế gamm theo thời gian [4], [6], [36]. Chính nhờ ưu điểm này mà phương pháp Monte Carlo đã được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt các chương trình mô phỏng dựng sẵn như MCNP5 đã góp phần thúc đẩy việc sử dụng phương pháp mô phỏng trong lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân. Từ những phân tích trên tôi đã chọn đề tài: “Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector GEM 15P4”. Mục tiêu của luận văn là: (1) xây dựng bộ số liệu đầu vào về kích thước hình học và cấu trúc vật liệu của buồng chì và detector cũng như cấu trúc nguồn phóng xạ hướng tới mô hình hóa chi tiết hệ phổ 60 kế; (2) mô phỏng phổ gamma của nguồn Co, đánh giá phổ gamma, so sánh với các giá trị thực nghiệm; (3) trên cơ sở xác định độ tin cậy của chương trình mô phỏng, thiết lập đường cong hiệu suất theo năng lượng đồng thời khảo sát sự thay đổi của hiệu suất theo khoảng cách giữa nguồn và detector; (4) tiến tới xây dựng một công thức giải tích cho hiệu suất là hàm của năng lượng và khoảng cách đối với cấu hình đo đồng trục của nguồn điểm. Đối tượng nghiên cứu của luận văn này là detector GEM 15P4 loại p được sản xuất bởi EG&G Ortec (Oak Ridge, Tennessee) đặt tại phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Sư phạm TP HCM. Nguồn phóng xạ dạng điểm model RSS-8EU do hãng Spectrum Techniques LLC sản suất.
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là kết hợp đo đạc thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP phiên bản 5 được xây dựng bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa kỳ. Chương trình được sử dụng dưới sự cho phép của Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân. Hiệu lực của mô hình tính toán được kiểm tra bởi thực nghiệm tương ứng. Với nội dung đó, luận văn sẽ được trình bày thành bốn phần như sau: + Chương 1: TỔNG QUAN, giới thiệu một cách khái quát các vấn đề về tương tác của photon với vật chất, về detector và phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP5, những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài. + Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DETECTOR HPGe, trình bày các bước thực hiện bài toán mô phỏng, xây dựng input, tính toán lại bề dày lớp germanium bất hoạt, kiểm tra độ tin cậy của chương trình mô phỏng, mô phỏng phổ gamma của nguồn 60Co. + Chương 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN, thiết lập đường cong hiệu suất theo năng lượng và khoảng cách, xây dựng công thức giải tích cho hiệu suất là hàm của năng lượng và khoảng cách nguồn – detector. + Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, tổng kết và đánh giá các kết quả đạt được, đưa ra kiến nghị về những hướng nghiên cứu khác liên quan đến nội dung luận văn.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. DETECTOR GHI BỨC XẠ GAMMA 1.1.1. Tương tác của photon với vật chất Mặc dù các tia gamma có thể tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau, nhưng trong ghi đo bức xạ ba quá trình đóng vai trò quan trọng nhất là: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp [25]. Thông qua ba quá trình này photon sẽ truyền một phần hoặc hoàn toàn năng lượng của mình cho các electron và nó bị tán xạ dưới một góc nào đó hoặc biến mất hoàn toàn một cách đột ngột. Điều này hoàn toàn khác biệt với tương tác của các hạt mang điện, trong đó các hạt mang điện bị làm chậm dần dần qua các tương tác đồng thời liên tục với nhiều nguyên tử. 1.1.1.1. Hấp thụ quang điện (Photoelectric absorption) Trong quá trình hấp thụ quang điện, photon chịu một tương tác với nguyên tử và hoàn toàn biến mất, khi đó một electron quang điện bị bứt ra khỏi lớp vỏ liên kết của nó. Tương tác loại này xảy ra với các electron nguyên tử và không thể xảy ra với electron tự do. Đối với các photon với năng lượng đủ cao thì những electron quang điện thường có nguồn gốc từ lớp vỏ liên kết chặt chẽ nhất, tức lớp K của nguyên tử. Electron quang điện sinh ra sẽ mang năng lượng được tính bởi công thức Ee   h   E B (1.1) Trong đó: EB là năng lượng liên kết của electron quang điện. Với tia gamma năng lượng lớn hơn vài trăm keV, các electron quang điện sẽ mang đi phần lớn năng lượng photon chịu tương tác. Cùng với các electron quang điện, tương tác này cũng tạo ra một nguyên tử bị ion hóa với một lỗ trống ở lớp vỏ liên kết mà electron bị bức ra. Lỗ trống này nhanh chóng được lấp đầy thông qua việc bắt một electron tự do trong môi trường vật chất và/hoặc sự sắp xếp lại các electron từ các lớp vỏ khác. Do đó, một hoặc nhiều photon tia X có thể được tạo ra. Mặc dù trong hầu hết các trường hợp, những tia X này lại bị hấp thụ ở các lớp vỏ liên kết yếu hơn gần đó thông qua hấp thụ quang điện, nhưng chúng cũng có khả năng thoát khỏi detector bức xạ và ảnh hưởng đến đáp ứng của detector. Trong một số trường hợp tia X đặc trưng sẽ tương tác với các electron của chính nguyên tử đó và một electron Auger được phát ra.
Để làm ví dụ cho những tương tác phức tạp này, ta xét các photon tới với năng lượng trên 30 keV chịu hấp thụ quang điện trong khí xenon. Khoảng 86% tương tác xảy ra thông qua sự hấp thụ ở lớp K trong nguyên tử xenon. Trong số này, 87,5% tạo ra các tia X đặc trưng lớp K và 12,5% khử kích thích bằng việc phát các electron Auger. 14% photon tới còn lại sẽ tham gia tương tác quang điện ở các lớp L hoặc M. Kết quả của những tương tác này là các tia X đặc trưng với năng lượng thấp hơn nhiều hoặc các electron Auger với quãng chạy rất ngắn, ở gần đúng bậc một, bị hấp thụ lại ở gần nơi xảy ra tương tác đầu tiên. Hấp thụ quang điện là quá trình ưu tiên trong tương tác của các tia gamma (hoặc tia X) ở năng lượng khá thấp và đối với vật liệu hấp thụ có bậc số nguyên tử Z cao. Không một biểu thức giải tích nào có thể tính toán được xác suất hấp thụ quang điện cho một nguyên tử theo năng lượng E và Z, nhưng có thể sử dụng công thức gần đúng sau Zn   const  (1.2) E3,5 Trong đó: n thay đổi từ 4 đến 5 trong vùng năng lượng gamma quan tâm. Sự phụ thuộc của xác suất hấp thụ vào Z là lý do đầu tiên của việc sử dụng vật liệu có Z cao (chẳng hạn chì) trong che chắn tia gamma. Cũng với lý do tương tự mà rất nhiều hệ phổ kế gamma sử dụng detector với các thành phần vật liệu có Z cao.
Hình 1.1: Sự phụ thuộc năng lượng của các quá trình tương tác gamma khác nhau trong NaI (Theo The Atomic Nuclear, R. D. Evans, 1955) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện hấp thụ quang điện cho NaI theo năng lượng (một vật liệu ghi tia gamma phổ biến) được cho trong hình 1.1. Ở vùng năng lượng thấp, có những mép hấp thụ xuất hiện ở năng lượng tương ứng với năng lượng liên kết của các electron ở các lớp khác nhau. Những mép với năng lượng cao nhất sẽ ứng với các electron lớp K. Ở phía trên ngay sát mép này, năng lượng
photon chỉ đủ để chịu một hấp thụ quang điện trong đó một electron lớp K bị bức ra khỏi nguyên tử. Ở phía dưới ngay sát mép này, không có đủ năng lượng để quá trình này xảy ra nên xác suất tương tác giảm nhanh đột ngột. Tương tự, các mép hấp thụ ở năng lượng thấp hơn ứng với electron các lớp L, M, … trong nguyên tử. Kết quả của hấp thụ quang điện là giải phóng các electron quang điện (mang hầu hết năng lượng của gamma) cùng với một hoặc một số electron năng lượng thấp hơn ứng với sự hấp thụ năng lượng liên kết của electron quang điện. Nếu không có sự thất thoát ra khỏi detector thì tổng động năng của các electron được tạo ra phải bằng với năng lượng ban đầu của photon. Vì thế hấp thụ quang điện là một quá trình lý tưởng cho việc đo đạc năng lượng của gamma. Với chùm gamma đơn năng và những điều kiện lý tưởng, tổng động năng của các electron bằng với năng lượng gamma tới và phân bố vi phân của động năng electron sau một chuỗi các sự kiện hấp thụ quang điện sẽ có dạng một hàm delta đơn giản như hình bên dưới. Một đỉnh đơn xuất hiện tại năng lượng ứng với năng lượng của gamma tới. Hình 1.2: Đỉnh năng lượng toàn phần trong phổ độ cao xung vi phân 1.1.1.2. Tán xạ Compton (Compton scattering) Quá trình tán xạ Compton xảy ra giữa photon tới và một electron trong môi trường hấp thụ. Đối với năng lượng gamma của các nguồn đồng vị phóng xạ thì đây là cơ chế tương tác chiếm ưu thế. Trong tán xạ Compton, photon tới bị đổi hướng dưới một góc  so với hướng ban đầu và truyền một phần năng lượng của nó cho electron (giả sử ban đầu đứng yên), electron sau đó gọi là electron giật lùi. Bởi vì photon có thể bị tán xạ dưới một góc bất kỳ nên năng lượng truyền cho electron có thể thay đổi từ 0 tới một giá trị cực đại nào đó. Có thể rút ra công thức liên hệ giữa năng lượng truyền cho electron và góc tán xạ bằng việc sử dụng đồng thời định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Sử dụng các ký hiệu trong sơ đồ bên dưới
Hình 1.3: Mô hình tán xạ Compton h ta có thể chứng minh rằng h '  (1.3) h 1 (1  cos ) m0 c 2 trong đó m0c 2 là năng lượng nghỉ của electron. Ở góc tán xạ nhỏ, photon chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng cho electron. Động năng của electron giật lùi được tính theo công thức  ( h / m0 c 2 )(1  cos  )  Ee  h  h '  h  2  (1.4)  1  (h / m0 c )(1  cos )  Ở đây có thể xét hai trường hợp giới hạn là + Góc tán xạ   0 , khi đó các phương trình trên cho thấy h  h ' và Ee  0 . Electron giật lùi có  động năng rất nhỏ và gamma tán xạ mang đi hầu hết năng lượng của gamma ban đầu. + Góc tán xạ    , gamma bị tán xạ ngược trở lại và electron giật lùi theo hướng gamma ban đầu. Đây là trường hợp mà electron nhận được một năng lượng lớn nhất. Thông thường gamma có thể bị tán xạ ở bất kỳ góc nào khi tương tác xảy ra trong detector. Do đó electron cũng có thể nhận một năng lượng bất kỳ từ không đến giá trị cực đại ứng với    và phân bố năng lượng electron có dạng tổng quát như hình bên dưới. Hình 1.4: Nền Compton trong phổ độ cao xung vi phân
Khoảng giữa mép Compton và năng lượng gamma tới được xác định bởi công thức h Ec  h  Ee (   )  (1.5) 1  2h / m0 c 2 Ở giới hạn h  m0 c 2 / 2 thì khoảng cách năng lượng này gần như là một hằng số Ec  m0 c 2 / 2  0,256MeV (1.6) Phân bố góc của các tia gamma tán xạ được dự đoán bởi công thức Klein – Nishina 2 d  1   1  cos 2    2 (1  cos ) 2   Zr02    1  2  (1.7) d  1   (1  cos )   2  (1  cos  )[1   (1  cos )]  Trong đó:   h / m0 c 2 và r0 là bán kính electron cổ điển. Phân bố mô tả trong hình 1.5 cho thấy xu hướng tán xạ ở góc nhỏ khi năng lượng gamma cao. Hình 1.5: Số photon tán xạ Compton vào một đơn vị góc khối ở góc tán xạ θ Các phân tích ở trên dựa trên giả thiết cho rằng, tán xạ Compton xảy ra với các electron tự do. Trong vật liệu detector thực, năng lượng liên kết của electron trước khi tham gia quá trình tán xạ sẽ ảnh hưởng đáng kể lên hình dạng của nền Compton liên tục. Những ảnh hưởng này sẽ đặc biệt đáng lưu ý đối với gamma năng lượng thấp. Ở một góc cố định, xung lượng xác định của các electron quỹ đạo cũng tạo ra một phân bố hẹp về năng lượng (mở rộng Doppler) của các gamma tán xạ, và năng lượng gamma tán xạ không đơn trị như dự đoán của phương trình. 1.1.1.3. Tạo cặp (Pair production) Nếu năng lượng gamma lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của một electron (1,022 MeV), có thể xảy ra quá trình tạo cặp. Xác suất của tương tác này rất thấp cho tới khi năng lượng gamma đạt tới giá
trị vài MeV và quá trình tạo cặp chủ yếu xuất hiện ở năng lượng cao và chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân. Trong tương tác này, photon sẽ biến mất và một cặp electron – positron xuất hiện. Năng lượng dư chuyển thành động năng của electron và positron Ee  Ee  h  2m0 c 2 (1.8) Động năng tổng cộng của các hạt tích điện (electron và positron) được tạo bởi gamma tới cũng có dạng hàm delta đơn giản. Hình 1.6: Đỉnh tạo cặp trong phổ độ cao xung vi phân Tạo cặp là một quá trình phức tạp bởi positron là hạt không bền và chỉ đi được vài milimet. Khi bị làm chậm trong môi trường hấp thụ đến năng lượng cỡ năng lượng nhiệt của electron, positron sẽ hủy với một electron và một cặp photon 0,511 MeV xuất hiện. Có ba khả năng xảy ra + Cả 2 photon đều bị hấp thụ. Năng lượng của tia gamma bị mất là: ( h – 1,022 + 1,022) = h MeV. Như vậy tia gamma mất hoàn toàn năng lượng nên ta có sự đóng góp vào số đếm toàn phần. + Chỉ có 1 photon hủy bị hấp thụ, 1 photon thoát ra ngoài nên năng lượng tia gamma mất trong vùng nhạy là: h – 1,022 + 0,511 = h – 0,511 MeV. Các xung này đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ nhất (đỉnh thoát đơn, SE). + Khi cả 2 photon hủy đều thoát khỏi tinh thể, năng lượng tia gamma mất trong vùng nhạy của detector là: h – 1,022 MeV. Các xung này đóng góp số đếm vào phổ biên độ xung tạo thành đỉnh thoát cặp thứ hai (đỉnh thoát đôi, DE). Tuy nhiên, các xác suất SE và DE này thường rất thấp. Do đó với nguồn cường độ mạnh hoặc đo thời gian dài mới khảo sát được các đỉnh này.
Thời gian của quá trình hủy electron và positron rất ngắn, vì thế bức xạ hủy xuất hiện gần như cùng lúc với tương tác tạo cặp ban đầu. Bức xạ hủy này gây ảnh hưởng đáng kể lên đáp ứng của các detector gamma. Không có công thức riêng lẻ nào tính được xác suất tạo cặp cho mỗi hạt nhân, nhưng một cách gần đúng độ lớn của nó thay đổi theo bình phương của Z. Khi năng lượng gamma càng cao thì quá trình tạo cặp càng trở nên quan trọng. Hình 1.7: Vùng ưu tiên cho ba loại tương tác chính của gamma với vật chất (Theo The Atomic Nuclear, R. D. Evans (1955)) 1.1.1.4. Tán xạ kết hợp (Coherent scattering) Cùng với tán xạ Compton, một loại tán xạ khác cũng có thể xuất hiện trong đó photon tương tác kết hợp với tất cả các electron của một nguyên tử. Tán xạ kết hợp hay tán xạ Rayleigh không kích thích và ion hóa nguyên tử, photon giữ nguyên năng lượng sau tán xạ. Bởi vì hầu như không có sự truyền năng lượng nên quá trình này thường được bỏ qua khi khảo sát các tương tác của tia gamma. Tuy nhiên hướng của photon bị thay đổi nên những mô hình hoàn chỉnh về vận chuyển bức xạ gamma phải tính đến quá trình này. Xác suất của tán xạ kết hợp chỉ đáng kể đối với photon năng lượng thấp (thường là dưới vài trăm keV cho các vật liệu thông thường) và môi trường hấp thụ có Z cao. 1.1.2. Những tiến bộ trong lĩnh vực chế tạo detector Đối với mỗi vùng năng lượng của bức xạ điện từ, khi các công cụ thực nghiệm được phát triển thì phép đo phổ cũng được cải tiến theo [13]. Ban đầu các detector chỉ xác định sự tồn tại của bức xạ điện từ; sau đó chúng có thể xác định cường độ bức xạ, nhưng thiếu thông tin về năng lượng bức xạ. Hiện nay các detector tia X và tia gamma có thể đo đạc được cường độ của bức xạ như là hàm của năng
lượng, tức là xác định được phổ phân bố độ cao xung theo năng lượng. Williams (1976) đã tổng kết lịch sử các phương pháp đo đạc cho những vùng năng lượng khác nhau của bức xạ điện từ, theo đó vùng năng lượng được khảo sát sau cùng là vùng năng lượng cao, ứng với tia X và tia gamma. Năm 1895, Roentgen bắt đầu khảo sát tia X phát ra từ ống phóng điện chứa khí. Đối với tia X, các thiết bị ghi nhận đầu tiên là kính ảnh, buồng ion hóa chứa khí. Sử dụng các phương pháp của quang phổ học có thể đo được bước sóng tia X, nhưng phương pháp này không đạt được nhiều thành công ngoại trừ việc xác định được bức sóng tia X có bậc 0,1 nm. Tuy nhiên Bragg phát hiện ra rằng, có thể sử dụng các mặt phẳng trong tinh thể tự nhiên có độ tinh khiết cao để nhiễu xạ bức sóng trong vùng này. Phương pháp nhiễu xạ Bragg đã cho thấy phổ tia X có chứa một phần liên tục và cả cấu trúc vạch gián đoạn. Việc nghiên cứu tia gamma cũng được bắt đầu trong thời gian này. Năm 1896 Becquerel khám phá ra phóng xạ tự nhiên khi tình cờ phát hiện những bức xạ phát ra ở gần một kính ảnh. Năm 1900 Villard đã nhận thấy rằng các bức xạ phát ra từ các chất phóng xạ tự nhiên còn chứa một thành phần khác có khả năng đâm xuyên mạnh và không bị lệch trong từ trường, gọi là tia gamma. Sau những quan sát đầu tiên với kính ảnh thì lĩnh vực ghi đo tia X và tia gamma đã được phát triển cùng với sự cải tiến của các ống đếm chứa khí có từ năm 1908 (Rutherford và Geiger 1908). Các ống đếm có khả năng đo cường độ của chùm bức xạ nhưng không xác định được năng lượng của nó. Năm 1948, Hofstadter chế tạo ra detector nhấp nháy NaI(Tl) có khả năng đo được phổ gamma trong một dải năng lượng rộng. Với kích thước lớn, các tinh thể nhấp nháy có thể hấp thụ các tia gamma năng lượng lên tới 1 MeV. Các detector loại này có đặc trưng là hiệu suất và độ phân giải tương đối cao (FWHM cỡ 45 keV tại vạch 662 keV của đồng vị 137Cs), tinh thể nhấp nháy có tính chất lý hóa tương đối ổn định trong quá trình sử dụng. Ngày nay, detector nhấp nháy vẫn được sử dụng phổ biến vì chúng đơn giản trong bảo quản và vận hành. Vào những năm 1960, một loại phổ kế gamma khác được bổ sung dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg, gọi là phổ kế nhiễu xạ hay phổ kế tinh thể. Loại phổ kế này có độ phân giải rất cao (FWHM cỡ 1 eV tại vạch 100 keV) ở vùng năng lượng thấp. Nó có nhược điểm là hiệu suất ghi thấp nên chỉ được dùng để đo những nguồn cường độ lớn và chuẩn hóa các hệ phổ kế gamma khác trong suốt một thời gian dài của kỷ nguyên detector nhấp nháy. Bất chấp những thành công của các detector nhấp nháy, vẫn luôn tồn tại câu hỏi liệu có thể tạo ra một buồng ion hóa từ vật liệu mật độ cao. Câu hỏi này đã dẫn tới sự ra đời của detector bán dẫn Ge(Li) vào khoảng năm 1962 (Pell 1960, Freck và Wakefield 1962, Webb và Williams 1963, Tavendale và
Ewan 1963). Với những thành công bước đầu, nhiều loại vật liệu bán dẫn khác đã được nghiên cứu để chế tạo detector bức xạ gamma cũng như các hạt tích điện khác. Để tập hợp điện tích thứ cấp hiệu quả, các detector loại này phải được chế tạo dạng đơn tinh thể từ vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao. Do những khó khăn trong việc chế tạo các đơn tinh thể nên chỉ có một số ít vật liệu được sử dụng như silicon và germanium. Các detector Ge có thể làm việc trong một dải năng lượng rộng hơn so với detector Si. Detector Ge(Li) có độ phân giải cao (FWHM cỡ 5 keV tại vạch 1332 keV của 60Co) và tốt hơn 10 lần so với detector nhấp nháy NaI(Tl). Việc nâng cao độ phân giải có một ý nghĩa quan trọng trong lịch sử chế tạo phổ kế gamma ở cả 2 mặt nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của các detector bán dẫn là việc giữ lạnh, nói chung là ở nhiệt độ nitrogen lỏng. Vào những năm 1980, người ta chế tạo thành công các detector bán dẫn với nhiều ưu điểm hơn so với thế hệ detector bán dẫn trước đây. Loại này cho phép bảo quản ở nhiệt độ phòng giữa các lần sử dụng, nâng cao đáng kể độ chính xác trong các phép phân tích với hiệu suất ghi và độ phân giải tốt hơn (FWHM dưới 2 keV tại đỉnh 1332 keV của đồng vị 60Co) so với detector Ge(Li) cùng kích thước. Với việc chế tạo thành công các detector bán dẫn silicon và germanium, các nhà chế tạo đã hướng tới việc phát triển những detector tương tự với vật liệu Z cao hơn. Mayer (1966) đã đề nghị xem xét một vài vật liệu gồm hai nguyên tố. Sau đó, Sakai (1982) nghiên cứu lại vấn đề này với vật liệu như GaAs, CdTe và HgI2, đặc biệt ông chú ý tới khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng của các detector bán dẫn loại này. Tuy nhiên các detector này không mang lại nhiều hiệu quả vì kích thước nhỏ, độ phân giải hạn chế và hiệu quả thương mại hạn chế. 1.1.3. Detector germanium siêu tinh khiết Detector germanium là loại detector ghi nhận tia gamma có độ phân giải cao nhất hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi cho cả nghiên cứu cơ bản lẫn vật lý ứng dụng. Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể được đo với độ phân giải lên tới 0,1%. Có hai loại detector bán dẫn germanium là: detector germanium “khuếch tán lithium” ký hiệu Ge(Li) và detector gemanium siêu tinh khiết ký hiệu (High Pure Germanium detector). Cả hai loại detector này đều có độ nhạy và độ phân giải tốt nhưng detector Ge(Li) có một khuyết điểm là nó không ổn định trong môi trường nhiệt độ phòng bởi vì lớp lithium được “khuếch tán” vào trong vùng nhạy sẽ rò rỉ ra khỏi detector. Sự phát triển của detector có vùng nhạy bằng chất bán dẫn “không khuếch tán Li” với độ tinh khiết cao sẽ giải quyết được vấn đề này. Các detector germanium về bản chất là các diode bán dẫn có cấu trúc P-I-N ở đó vùng I là vùng nhạy đối với bức xạ ion hoá, đặc biệt đối với tia X và gamma. Khi phân cực ngược, sẽ xuất hiện một điện trường ngang qua vùng I này (khi đó còn gọi là vùng nghèo). Khi photon tương tác với vùng
nghèo này của detector, các điện tích (bao gồm lỗ trống và electron) được tạo ra và được điện trường này quét về hai cực P và N tương ứng. Điện tích này tỷ lệ với năng lượng tia tới để lại trong detector và được biến đổi thành xung điện bởi tiền khuếch đại nhạy điện tích. Năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp electron – lỗ trống trong germanium có giá trị trung bình vào khoảng 3 eV. Ví dụ khi một photon mang năng lượng 1 MeV vào trong detector sẽ tạo ra khoảng 38105 cặp electron – lỗ trống. Chúng ta có thể tập hợp gần như tất cả những điện tích này trong detector germanium nếu như các tạp chất trong germanium được loại bỏ đến một mức độ nào đó. Tuy nhiên sự sai biệt thống kê của 38105 cặp là quá nhỏ cho nên nó có thể bị nhiễu loạn từ các cặp electron – lỗ trống kích thích nhiệt ngẫu nhiên. Để khắc phục và giảm thiểu được điều này người ta phải làm lạnh tinh thể germanium và chất làm lạnh được sử dụng chủ yếu là nitơ lỏng với nhiệt độ làm lạnh là 77 K. Bề mặt tinh thể Ge của detector phải được bảo vệ tránh bị ẩm ướt hay nhiễm bẩn. Tuy tín hiệu được tạo ra là do sự ion hoá của các electron có động năng, năng lượng của tia gamma có thể được đo bằng detector germanium bởi vì năng lượng của một photon có thể được chuyển sang cho các electron. Các tia gamma năng lượng thấp có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi hiệu ứng quang điện tạo ra một electron mang hầu hết năng lượng của photon tới. Đối với các photon có năng lượng từ khoảng 100 keV đến dưới 1 MeV, hiệu ứng Compton chiếm vai trò chủ đạo, vì vậy để chuyển toàn bộ năng lượng photon cho các electron đòi hỏi phải có một hay nhiều hơn các tán xạ Compton và được kết thúc bằng sự hấp thụ quang điện. Sự tạo thành các cặp electron – positron đóng một vai trò quan trọng ở các mức năng lượng trên 2 m e c 2 (1,022 MeV). 1.1.4. Dạng hàm đáp ứng của detector đối với bức xạ gamma đơn năng Khi đi qua môi trường của detector, tia gamma tới tương tác với detector sẽ được ghi nhận thông qua các hiệu ứng trực tiếp (hiệu ứng quang điện) hoặc gián tiếp như tán xạ Compton, tạo cặp hoặc thoát khỏi detector. Tùy theo hình học và cấu trúc cụ thể của detector cũng như bố trí vật liệu xung quanh detector mà ảnh hưởng tán xạ sơ cấp và thứ cấp lên phổ sẽ thay đổi khác nhau. Một cách tổng quát phổ gamma đo được là kết quả của sự ảnh hưởng của hệ detector lên phổ tới, làm phân bố lại dạng của phổ tới, bao gồm đỉnh toàn phần do hiệu ứng quang điện, các đỉnh thoát đơn, thoát đôi từ hiệu ứng tạo cặp, nền liên tục và các đỉnh tán xạ ngược từ hiệu ứng tán xạ Compton nhiều lần trong môi trường detector và các vật liệu xung quanh [25]. Phổ gamma điển hình - dạng hàm đáp ứng của detector đối với nguồn 60 Co được trình bày trong hình 1.8.
Hình 1.8: Dạng hàm đáp ứng của detector đối với nguồn 60Co 1.1.5. Hiệu suất 1.1.5.1. Định nghĩa về hiệu suất Thuật ngữ “hiệu suất” được sử dụng trong rất nhiều tài liệu với nhiều ý nghĩa khác nhau. Trong vật lý thực nghiệm, hiệu suất thường được định nghĩa như là tỉ lệ giữa đáp ứng của dụng cụ và giá trị của đại lượng vật lý được đo đạc. Trong lĩnh vực phổ kế gamma, đại lượng vật lý ở đây là tốc độ phát gamma ở một năng lượng xác định và đáp ứng của dụng cụ là tốc độ đếm toàn phần hoặc tốc độ đếm đỉnh. Một cách tương ứng, ta sẽ phân biệt hai khái niệm hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh. 1.1.5.2. Các loại hiệu suất Dựa vào các đặc điểm nói trên, có hai loại hiệu suất được định nghĩa [13], [21] - Hiệu suất toàn phần (total efficiency)  t: đó là xác suất của một photon phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng lượng nào khác không trong thể tích vùng hoạt của detector. - Hiệu suất đỉnh (peak efficiency) p: được xác định bằng xác suất của một photon phát ra từ nguồn để lại toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt của detector. Hiệu suất đỉnh và hiệu suất toàn phần được liên hệ với nhau qua tỉ số đỉnh / toàn phần, gọi là tỉ số P/T p P /T  (1.9) t Do xác suất của mỗi cơ chế tương tác phụ thuộc vào năng lượng của photon tới nên hiệu suất đỉnh và tỉ số P/T cũng phụ thuộc vào năng lượng.
Trong đo đạc thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma, khái niệm “hiệu suất” được hiểu là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (full energy peak efficiency) được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ đếm đỉnh ở năng lượng E (số đếm đỉnh chia cho thời gian đo) và tốc độ phát gamma từ nguồn cũng ở năng lượng E tương ứng. Đối với một hệ phổ kế gamma cụ thể, bố trí hình học đo xác định và tại vạch năng lượng quan tâm thì hiệu suất detector có giá trị xác định. Do đó, hiệu suất là một trong những thông số quan trọng dùng để nghiên cứu các đặc trưng của detector, nguồn phóng xạ và hình học đo. Trong thực nghiệm, hiệu suất detector được tính theo công thức sau [9] N pe e  t w ln 2 (1.10)  T1 / 2 tm yAke Trong đó:  e là hiệu suất thực nghiệm của detector, N pe là số đếm đóng góp trong quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm, tm là thời gian đo, y là cường độ phát của tia gamma, A là hoạt độ của nguồn tại thời điểm chứng nhận, k là hệ số chuyển đổi từ đơn vị đo hoạt độ phóng xạ khác sang đơn vị Bq, tw là thời gian phân rã từ thời điểm chứng nhận đến thời điểm đo và T1 / 2 là chu kỳ bán rã. Sai số tương đối của hiệu suất thực nghiệm Ue được tính theo công thức U e  U p2  U y2  U a2 (1.11) Trong đó: Up, Uy, Ua là sai số tương đối của số đếm đóng góp trong quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm (Npe), cường độ phát xạ của tia gamma (y) và hoạt độ nguồn đo (A) tương ứng. Trong tính toán MCNP, hiệu suất của detector được xác định bằng công thức [16] N pe c  (1.12) Ns Trong đó:  c , N s , N pc lần lượt là hiệu suất tính toán, số photon phát ra từ nguồn theo mọi hướng và số photon đóng góp vào quang đỉnh của phổ gamma mô phỏng. Sai số tương đối của hiệu suất tính toán được xác định theo công thức 1 Uc  (1.13) N pc 1.1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất detector bao gồm: + Phần bức xạ đi trực tiếp từ vật liệu phóng xạ vào detector + Phần bức xạ sẽ tán xạ ngược vào detector sau khi phát ra từ vật liệu phóng xạ nhưng không đi đến detector.
+ Phần bức xạ bị hấp thụ bởi lớp bao bọc detector. + Phần bức xạ đi khỏi detector + Góc nhìn của nguồn đối với detector + Vấn đề hạn chế của hàm đáp ứng thời gian của detector làm trùng phùng số đếm các gamma nối tầng trong nguồn phân rã đa năng dẫn đến sự thêm hoặc mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần. 1.1.6. Detector GEM 15P4 tại Trường Đại học Sư Phạm TP HCM Năm 2007 phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm TP HCM đã được trang bị một hệ phổ kế gamma dùng detector GEM 15P4 với các thông số danh định: + Hiệu suất tương đối 15% so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 3 inch x 3 inch. + Độ phân giải năng lượng tại đỉnh 1,332 MeV của đồng vị 60Co là 1,80 keV. + Tỷ số P/C 46:1 tại đỉnh 1,332 MeV của đồng vị 60Co. + Dải năng lượng cho phép 5 keV - 4 MeV + Phần mềm thu nhận và xử lý phổ Maestro 32. 1.2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 1.2.1. Giới thiệu chung Phương trình vận chuyển bức xạ qua vật chất chỉ có thể giải được cho một số cấu hình nhất định. Tuy nhiên ngày nay quá trình tương tác của photon và electron đã được khảo sát rất chi tiết cũng như dữ liệu tiết diện luôn có sẵn. Từ đây ý tưởng sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho việc giải quyết các bài toán vận chuyển bức xạ được hình thành. Phương pháp Monte Carlo là phương pháp giải số cho bài toán mô phỏng sự tương tác của những vật thể này với những vật thể khác hay là với môi trường dựa trên các mối quan hệ vật thể – vật thể và vật thể – môi trường đơn giản. Phương pháp Monte Carlo cố gắng mô hình hoá tự nhiên thông qua sự mô phỏng trực tiếp các lý thuyết động lực học cần thiết dựa theo yêu cầu của hệ. Lời giải được xác định bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên của các quan hệ hay là các tương tác vi mô cho đến khi hội tụ về kết quả. Do vậy cách thực hiện lời giải bao gồm các hành động hay phép tính được lặp đi lặp lại. Phương pháp này được sử dụng để mô tả lý thuyết các quá trình thống kê và đặc biệt hữu ích trong các bài toán phức tạp không thể mô tả bằng các phương pháp tất định. Việc mô phỏng thường được thực hiện trên máy tính bởi vì số phép thử phải rất lớn để có thể mô tả chính xác hiện tượng. Trong quá trình mô phỏng một photon hoặc electron được xem như “hạt”. Mỗi hạt sẽ được theo dõi từ vị trí ban đầu của nó trong nguồn phóng xạ, qua các lớp vật liệu trung gian và vào thể tích nhạy của detector. Photon sẽ tương tác thông qua các hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo