Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát hiệu suất ghi của detectơ nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát hiệu suất ghi của detectơ nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo khái quát về phương pháp Monte Carlo, xây dựng mô phỏng tính toán hiệu suất ghi của detectơ nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát hiệu suất ghi của detectơ nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ------------------------ LÝ THANH NGUYÊN KHẢO SÁT HIỆU SUẤT GHI CỦA DETECTƠ NHẤP NHÁY THEO NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ GAMMA BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 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: PGS.TS. NGUYỄN MINH CẢO Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này bản thân tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ tận tình và chu đáo của rất nhiều người. Tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và trân trọng cảm ơn đến: Thầy PGS.TS. Nguyễn Minh Cảo, người Thầy kính mến, người đã không những truyền cho tôi ý tưởng, cung cấp những định hướng và phương pháp nghiên cứu khoa học mà còn dạy bảo tôi về đạo đức trong nghiên cứu khoa học. Trong quá trình thực hiện luận văn, Thầy là người tận tình chỉ dẫn giúp tôi gỡ bỏ những khó khăn. Những kinh nghiệm và kiến thức quý báu của Thầy là điều kiện tiên quyết giúp tôi hoàn thành luận văn này. Thầy TS. Nguyễn Văn Hùng, người Thầy kính mến. Sự giúp đỡ của Thầy trong giai đoạn đầu thực hiện luận văn, thiếu thốn về điều kiện thực hiện, là nguồn động viên rất lớn giúp tôi tự tin tiến hành những nghiên cứu để có thể hoàn thành luận văn. Thầy ThS Hoàng Đức Tâm, người đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi làm thực nghiệm tại phòng Thí nghiệm. Thầy cũng là người đã có những chỉ dẫn tận tình khi tôi gặp những khó khăn khi làm việc tại đây. Cô TS. Trương Thị Hồng Loan và ThS. Trần Thiện Thanh đã có những chỉ bảo tận tình giúp tôi thấu hiểu về việc mô phỏng bằng MCNP và các vấn đề khác. Bạn Phạm Nguyễn Thành Vinh và bạn Trịnh Hoài Vinh đã cung cấp tài liệu và hết sức nhiệt tình giúp đỡ để tôi có thể vào làm thực nghiệm tại phòng Thí nghiệm cũng như tạo điều kiện tốt nhất khi tôi làm thực nghiệm tại đây. Ban chủ nhiệm Khoa vật lý trường ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và phòng Thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành luận văn. Cảm ơn cha mẹ đã tần tảo nắng mưa, hi sinh bản thân nuôi nấng và cho con được học hành. Cảm ơn những người bạn tôi những người luôn động viên giúp đỡ cho tôi. Tp.Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 08 năm 2010 Lý Thanh Nguyên
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi hoặc của Thầy hướng dẫn khoa học. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lý Thanh Nguyên
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện kích hoạt từ Livemore EGS4 Chương trình mô phỏng Monte Carlo EGS4 của nhóm Nelson et al. 1985, Stanford Linear Accelerator Center. ENDF Thư viện các số liệu hạt nhân ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện các số liệu hạt nhân ENDL Evaluated Nuclear Data Library FOM Thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp Figure Of Merit Monte Carlo FWHM Full Width at Half Maximum Ge(Li) Đầu dò germanium “khuếch tán lithium” GEANT Chương trình mô phỏng Monte Carlo GEANT của nhóm R. Brun et al. 1986, CERN Data Handling Division, Geneva. GEB Gaussian Energy Broadenning HPGe High Purity Germanium MCG Chương trình Monte-Carlo gamma xử lý các Monte Carlo Gamma photon năng lượng cao MCNG Chương trình Monte-Carlo ghép cặp neutron- Monte Carlo Neutron Gamma gamma. MCN Có thể giải bài toán các neutron tương tác. Monte Carlo Neutron MCNP Chương trình Monte-Carlo mô phỏng vận Monte Carlo N-particle chuyển hạt N của nhóm J.F. Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA- 12625-M NJOY Mã định dạng các thư viện số liệu hạt nhân trong MCNP P/C Tỉ số đỉnh/Compton Peak/Compton
P/T Tỉ số đỉnh / toàn phần Peak/Total REGe Đầu dò germanium điện cực ngược Reverse Electrode Coaxial Germanium Detector
MỞ ĐẦU Kể từ khi con người khám phá ra hiện tượng phóng xạ, một chân trời mới về nghiên cứu các kĩ thuật ghi nhận bức xạ đã được mở ra. Từ đó, việc nghiên cứu các phương pháp ghi nhận trong lãnh vực nghiên cứu hạt nhân, vật lý các hạt cơ bản được tiến hành đã hơn 70 năm nay và ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhìn lại các giai đoạn phát triển của các phương pháp ghi nhận trong vật lý hạt nhân và các hạt cơ bản, chúng ta thấy sự ra đời và phát triển của các loại detector: các buồng bọt, buồng Strimơ, các buồng ion, buồng tỷ lệ, ống đếm Geiger Muller, ống đếm tia lửa, detector nhấp nháy, detector tinh thể Tren-ren-cốp, detector bán dẫn…Có thể nói các detector bán dẫn siêu tinh khiết là đỉnh cao của việc ghi nhận bức xạ với ưu điểm nổi bật về khả năng phân giải. Tuy nhiên các detector khác cũng có ưu điểm riêng và những ứng dụng phù hợp với tính chất của nó. Detector nhấp nháy do Hofstadter phát minh từ năm 1948 tuy không có độ phân giải năng lượng cao nhưng lại có ưu thế về hiệu suất ghi, khả năng chế tạo ra các hình học đa dạng và kích thước khác nhau đáp ứng các yêu cầu thí nghiệm. Mặc dù được phát kiến đã khá lâu nhưng với những ưu điểm của nó, cho đến ngày nay trên thế giới và ở nước ta, việc ứng dụng detector nhấp nháy vẫn diễn ra hết sức mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực an ninh, detector nhấp nháy được sử dụng trong các thiết bị phát hiện phóng xạ ở các lối ra vào, các máy phát hiện phóng xạ cầm tay…Trong lĩnh vực an toàn bức xạ và môi trường, detector nhấp nháy hiện diện trong các máy đo liều, các thiết bị kiểm soát an toàn, trong các máy dò tìm rác thải độc hại…Bên cạnh đó, detector nhấp nháy còn được sử dụng tích cực trong lĩnh vực giảng dạy và nghiên cứu hạt nhân. Điều này cho thấy việc nghiên cứu để sử dụng hiệu quả các detector loại này vẫn hết sức cần thiết. Năm 2008, Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân thuộc khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM chính thức đi vào hoạt động để phục vụ việc giảng dạy thực hành vật lý hạt nhân. Các thiết bị được trang bị tại phòng thí nghiệm gồm có một hệ phổ gamma đầu dò Germanium siêu tinh khiết, hai hệ phổ kế đơn kênh dùng đầu dò nhấp nháy và hệ phổ kế 8k kênh Gamma Rad 76BR76 sử dụng đầu dò NaI(Tl) kích thước 3 inch x 3 inch. Các thiết bị này đang trong giai đoạn triển khai sử dụng và do đó việc nghiên cứu các thiết bị này đang được diễn ra tích cực tại phòng thí nghiệm. Phạm vi của luận văn này hướng tới việc thực hiện nghiên cứu một khía cạnh của hệ phổ kế 8k kênh đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) đó là nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi của detector này theo năng lượng bức xạ gamma với sự hỗ trợ của phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng phương pháp mô phỏng bằng máy tính để nghiên cứu các đối tượng vật lý đã trở nên phổ biến và thu được những kết quả nhất định. Trong nước ta đã có
những nghiên cứu áp dụng các phương pháp mô phỏng trong các ngành khoa học và kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân và cũng mang lại các kết quả nhất định. Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng cho thấy sự phù hợp với tình hình khoa học kĩ thuật hiện tại của đất nước: cơ sở vật chất hạn chế không cho phép thực hiện các nghiên cứu trực tiếp, nhất là trong lĩnh vực vật lý vi mô. Điều này cũng cho thấy nếu các phương pháp mô phỏng được khai thác tốt sẽ tạo ra hướng nghiên cứu triển vọng cho lĩnh vực vật lý hạt nhân nói riêng và khoa học kĩ thuật trong nước nói chung. Luận văn này hướng tới hai mục tiêu chính là khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất ghi của detector nhấp nháy theo năng lượng gamma để sử dụng hiệu quả thiết bị này và thông qua quá trình khảo sát đó nắm bắt được một phương pháp nghiên cứu mới – phương pháp mô phỏng (Monte Carlo). Trong đó, detector nhấp nháy được khảo sát ở đây có kí hiệu 76BR76 do hãng Amptek (Mỹ) sản xuất và dãy năng lượng khảo sát được cung cấp bởi bộ nguồn chuẩn RSS8EU do hãng Spectrum Techniques chế tạo (cả 2 thiết bị này đều thuộc phòng Thí nghiệm vật lí hạt nhân Trường Đại học Sư Phạm Tp.HCM). Để thực hiện các mục tiêu trên, phương pháp Monte Carlo được áp dụng thông qua việc mô phỏng bằng chương trình MCNP4C2. Trong luận văn này, detector nhấp nháy và bố trí hình học đo được mô hình hóa bằng chương trình MCNP4C2. Song song với mô phỏng các đo đạc thực nghiệm cũng được tiến hành. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ được đem ra so sánh với nhau để rút ra những nhận xét và những định hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu quả làm việc của detector. Bên cạnh phương pháp mô phỏng, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp xử lý số liệu như phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến cũng được thực hiện. Nội dung của luận văn gồm bốn chương: Chương 1 là phần tổng quan, trình bày về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước trong việc ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong nghiên vận chuyển bức xạ và nghiên cứu detector nhấp nháy; trình bày khái quát về các đặc trưng của bức xạ gamma và khái quát về các thiết bị ghi nhận bức xạ trong đó đặc biệt quan tâm đến detector nhấp nháy; trình bày về hiệu suất ghi của detector. Chương 2 là phần khái quát về phương pháp Monte Carlo, trình bày giới thiệu chương trình MCNP và các đặc trưng của chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ này. Chương 3 là phần xây dựng mô phỏng tính toán hiệu suất. Trong chương này, cấu trúc và đặc điểm của nguồn chuẩn RSS8EU, hệ phổ kế Gamma Rad 76BR76 và detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 3 inch x 3 icnh được thể hiện; việc mô hình hóa detector và xây dựng tệp đầu vào của mô phỏng tính toán hiệu suất được trình bày chi tiết. Trong chương này, việc khảo sát sự phù hợp của chương trình mô phỏng tính toán hiệu suất detector cũng được thực hiện.
Chương 4 trình bày về kết quả luận văn và những nhận xét. Trong chương này, kết quả hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm nêu ra và so sánh với nhau từ đó nảy sinh các định hướng nghiên cứu tiếp theo.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TRONG LĨNH VỰC GHI NHẬN BỨC XẠ HẠT NHÂN 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1972, Peterman, Hontzeas và Rystephanick [39] đã xây dựng chương trình tính toán các thông số đặc trưng của detector Ge(Li): hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, hiệu suất tương đối của đỉnh thoát kép. Năm 1975, Grosswendt và Waibel [24] đã xây dựng chương trình tính toán hiệu suất đỉnh thoát kép đối với detector bán dẫn Ge(Li) dạng planar và dạng hình trụ với thể tích hoạt động 26 cm3 và năng lượng photon từ 100 keV đến 15 MeV. Đồng thời công trình cũng tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector có thể tích 42 cm3. Năm 1982, Gardner và cộng sự [25] đã áp dụng Monte Carlo để mô phỏng phân bố độ cao xung của tia X và gamma tức thời từ phản ứng bắt neutron đối với hai loại đầu dò Si(Li) và Ge . Năm 1990, He, Gardner và Verghese [28] đã mở rộng nghiên cứu hàm đáp ứng của đầu dò Si(Li) tới miền năng lượng 5 keV đến 60 keV. Năm 1991, Sánchez và cộng sự [42] đề nghị một phương pháp tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có hiệu chỉnh sự tự hấp thụ sử dụng kỹ thuật Monte Carlo với phần mềm GEANT 3. Trong công trình này sự tự hấp thụ được các tác giả nghiên cứu đối với mẫu Petri và Marinelli. Kết quả công trình cho thấy sự phù hợp tốt với thực nghiệm ( độ lệch lớn nhất là 12,8%). Năm 1993, Haase, Tail và Wiechen [27] đã triển khai mô phỏng Monte Carlo đối với hệ phổ kế gamma cho phép tính toán quãng đường đi của photon trong nguồn và đầu dò cũng như hiệu suất toàn phần. Từ đó hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ và trùng phùng tổng được đánh giá. Hệ số hiệu chỉnh 22 trùng phùng tổng đối với các nguồn Na, 57Co, 60Co và 88Y phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm và các mô hình tính toán khác. Năm 1997, nhóm Sima và Dovlete [43] bổ sung hiệu ứng matrix trong phép đo hoạt độ mẫu môi trường. Năm 2000, nhóm tác giả Talavera, Neder, Daza và Quintana [21] đã sử phần mềm GEANT3 để mô phỏng hàm đáp ứng hệ đầu dò HPGe loại n của hãng Canberra . Từ các tính toán hiệu suất đỉnh toàn phần các tác giả đã so sánh với thực nghiệm với nhiều hình học đo để phát hiện sự không chính xác trong mô tả các đặc trưng của detector mà nhà sản xuất cung cấp nhằm xác định lại các thông số này.  Năm 2001, nhóm tác giả Vidmar, Korun, Likar và Martincic [47] đã dùng MCNP và GEANT để tạo bộ số liệu về đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho hệ đầu dò HPGe loại n và
loại p để kiểm tra mô hình bán thực nghiệm cho việc xây dựng đường cong hiệu suất cho các đầu dò này trong khoảng năng lượng từ 4 keV đến 3000 keV ; trong đó có quan tâm đến hiệu ứng tự hấp thụ đối với mẫu đo thể tích. Năm 2002, Tsutsumi, Oishi, Kinouchi, Sakamoto và Yoshida [45] đã ứng dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo EGS-4 để tính toán mô phỏng và nghiên cứu thiết kế hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe triệt Compton được sử dụng trong việc xác định hoạt độ của mẫu đo mà bản thân nó là nguồn phông đáng kể Năm 2004, Hurtado, GarcíaLeón và García Tenorio [32] bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo GEANT4 đã xây dựng đường cong hiệu suất đặc trưng của detector REGe (Reverse Electrode Germanium) và khi tiến hành hiệu chỉnh một số thông số vật lý của detector được nhà sản xuất cung cấp trong tính toán đã làm cho hiệu suất tính toán phù hợp với hiệu suất thực nghiệm. Năm 2006, Salgado, Conti và Becker [17] đã tính toán các đặc trưng của detector HPGe kiểu planar bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP5 đối với các tia X trong miền năng lượng 20 keV - 150 keV và đã phát hiện có sự khác biệt về hiệu suất detector giữa tính toán và thực nghiệm khoảng 10%. Sự khác biết trên được lý giải bởi bề dày lớp chết mà nhà sản xuất cung cấp là không chính xác và các tác giả đã thực hiện hiệu chỉnh tăng bề dày lớp chết. Năm 2007, Hoover [31] đã sử dụng GEANT4 xác định đặc trưng của hiệu ứng đầu dò điểm ảo đối với các đầu dò HPGe đồng trục. Khái niệm đầu dò điểm ảo để mô tả mối quan hệ phức tạp giữa hiệu suất đầu dò, dạng đầu dò, và khoảng cách nguồn. Trong công trình này mô phỏng Monte Carlo thể hiện rõ ưu thế của nó là tiết kiệm được thời gian và công sức. Mô phỏng Monte Carlo cho phép đặc trưng hóa hiệu ứng điểm ảo khắp trong khoảng năng lượng khảo sát của đầu dò. Nó có cho phép mở rộng ở những miền năng lượng cao mà việc sử dụng thực nghiệm với các nguồn chuẩn thích hợp là khó đạt được. Martin [36] đã dùng MCNP4C2 để mô phỏng hai hệ đầu dò Germanium đồng trục: REGe và XtRa. Sự sai biệt lớn 10-20% giá trị hiệu suất mô phỏng so với thực nghiệm ở các năng lượng photon khác nhau và hình học đo khác nhau cho thấy cần phải điều chỉnh thông số đầu dò từ nhà sản xuất. Để có được thông tin chính xác tác giả đã dùng phương pháp quét (scanning) với chùm bức xạ photon không chuẩn trực. Mô hình Monte Carlo hệ đầu dò sau đó được điều chỉnh các thông số theo phương pháp thử và sai cho đến khi cho kết quả hiệu suất phù hợp nhất với thực nghiệm . Huy N.Q, Binh D.Q, An V.X [34] nghiên cứu sự tăng của bề dày lớp bất hoạt trong đầu dò Germanium siêu tinh khiết sau một khoảng thời gian dài hoạt động bằng chương trình mô phỏng MCNP. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.
Ở nước ta, phương pháp Monte Carlo trong vận chuyển bức xạ cũng được triển khai và ứng dụng khá rộng trong các cơ sở nghiên cứu vật lý hạt nhân. Ở Viện Khoa học và Kĩ thuật hạt nhân Hà Nội, có nhóm Lê Văn Ngọc, Nguyễn Thị Thanh Huyền, Nguyễn Hào Quang nghiên cứu về tính toán hiệu suất đỉnh cho hệ phổ kế gamma môi trường ký hiệu GMX có tại Viện bằng chương trình mô phỏng MCNP phiên bản 4C2; Hoàng Hoa Mai, Lê Văn Ngọc, Nguyễn Đình Dương nghiên cứu phân bố liều của thiết bị chiếu xạ tại trung tâm chiếu xạ Hà nội bằng phần mềm MCNP và phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Ở Viện Vật lý và Điện tử (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), có nhóm Lê Hồng Khiêm, Nguyễn Văn Đỗ, Phạm Đức Khuê xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo để nghiên cứu về chuẩn hiệu suất cho hình học mẫu lớn trong phép đo bức xạ; Lê Hồng Khiêm, Nguyễn Tuấn Khải xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo để tái tạo ảnh cho vật sử dụng hiệu ứng tán xạ ngược Compton; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm, Chu Đình Thúy, Nguyễn Quang Hùng biến đổi ngược mô phỏng Monte Carlo để xác định tính chất hấp thụ và tán xạ; Bùi Thanh Lan, Lê Hồng Khiêm, Chu Đình Thúy mô phỏng Monte Carlo về sự dập tắt phổ. Ở Viện NCHN Đà Lạt có nhóm Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Xuân Hải, Trần Tuấn Anh, Nguyễn Kiên Cường áp dụng chương trình MCNP4C2 xác định cấu hình che chắn tối ưu trong thiết kế dẫn dòng và giảm phông cho hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng phùng tại kênh ngang số 3 lò phản ứng hạt nhân Đà lạt . Trung tâm Nghiên cứu &Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố Hồ Chí Minh có nhóm Trần Khắc Ân, Trần Văn Hùng, Cao Văn Chung sử dụng phần mềm MCNP4C xác định vị trí liều cực tiểu trong thùng hàng ở các tỷ trọng hàng chiếu khác nhau phục vụ công tác vận hành máy chiếu xạ STSV-Co60/B tại trung tâm. Ở Phân viện Y Sinh Tp.HCM và Chợ Rẫy có nhóm Nguyễn Đông Sơn, Nguyễn thị Bích Loan, Trần Cương áp dụng Monte Carlo để tính toán phân bố liều trong phantom nước đối với chùm photon 6MV từ máy gia tốc tại bệnh viện Chợ Rẫy. Ở Đại học Công nghiệp Tp.HCM và Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM có nhóm Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân nghiên cứu về phổ và tối ưu hiệu suất của hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe đặt tại Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM bằng MCNP4C2 Ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM có nhóm Mai Văn Nhơn, Trương Thị Hồng Loan, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Trần Thiện Thanh sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình MCNP4C2 và MCNP5 để nghiên cứu chuẩn hiệu suất và đặc trưng đáp ứng của đầu dò HPGe có tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. 1.1.3. Phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu các đặc trưng của detector nhấp nháy
Năm 1966, Snyder và Knoll [44] đã tính toán tỷ số photon hấp tụ toàn phần trong detector nhấp nháy hình giếng đối với các chất nhấp nháy khác nhau gồm: NaI, CsI, CaI2 với thể tích khác nhau. Năm 1972, Beattie và Byrne [15] đã xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá các đặc trưng của detector nhấp nháy NaI(Tl) với nguồn gamma đơn năng và phân tích phổ bức xạ hãm bremsstrahlung. Năm 1973, Grosswendt [23] đã xây dựng chương trình tính toán hiệu suất phát hãm bremsstrahlung do tán xạ của electron thứ cấp với hạt nhân nguyên tử đối với các detector NaI, CeI, Si và Ge. Năm 1974, Belluscio, De Leo, Pantaleo và Vox [16] đã xây dựng chương trình tính toán đối với detector nhấp nháy NaI(Tl) và nguồn gamma dày năng lượng lên đến 10 MeV và tất cả đều có dạng hình trụ để tính toán một số đặc trưng gồm phân bố năng lượng theo độ cao xung, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất toàn phần của detector và đối với các hình học đo giữa nguồn và detector khác nhau. Năm 1976, Rieppo [40] đã áp dụng phương pháp Monte Carlo trong việc tính toán sự hấp thụ tia gamma trong nguồn thể tích đối với đầu dò mặt và giếng dùng tinh thể NaI. Sự hấp thụ của gamma trong môi trường gồm nước, nhôm và chì cũng được khảo sát. Năm 2000, Ghanem [22] đã xây dựng chương trình tính toán các thông số đặc trưng của detector nhấp nháy NaI gồm đỉnh năng lượng toàn phần, đỉnh thoát đơn, đỉnh thoát kép,…. Tawara, Sasaki, Saito và Shibamura đã ứng dụng chương trình EGS-4 trong nghiên cứu các tính chất đặc trưng của detector nhấp nháy NaI(Tl) dựa trên cơ sở phổ gamma của nguồn 137Ce. Năm 2000, Orion và Wielopolski [38] đã nghiên cứu hàm đáp ứng của phổ gamma dùng detector nhấp nháy BGO và NaI(Tl) tại các giá trị năng lượng 0.662, 4.4 và 10MeV. Trong công trình này có sử dụng ba chương trình mô phỏng Monte Carlo là EGS-4, MCNP4B và PHOTON. Năm 2001 Yoo, Chunand và Ha [46] đã sử dụng EGS4 mô phỏng hàm đáp ứng của hai đầu dò NaI và HPGe đối với tia tới năng lượng lên đến 662 keV. Sau đó sử dụng phổ tính toán để giải cuộn phổ đo. Năm 2002, Henndriks, Maucec và Meiger bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP4C đã mô phỏng phổ gamma của các chuỗi 40K, 232 Th, 238 U được đo trên hệ phổ kế gamma dùng detector nhấp nháy BGO. Năm 2002, Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun [33] thuộc trường đại học Tsinghua ở Bắc Kinh Trung Quốc đã khảo sát hàm đáp ứng phổ gamma của detector nhấp nháy NaI(Tl) trong miền năng lượng 0.4118 đến 7.11 theo phương pháp Berger–Seltzer’s và Monte Carlo.Trong đó, các
tính toán bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng các chương trình EGS4, MCNP4B và Petrans 1.0 được sử dụng. Năm 2003, Robin P. Gardner, Avneet Sood [41] đã dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo xây dựng hàm đáp ứng của detector NaI giải thích nguyên nhân gây nên sự không tuyến tính và nhấp nhô ở vùng Compton liên tục. Trong công trình này chương trình CEARPGA đã được các tác giả sử dụng. Năm 2004, Fayez H.H. Al-Ghorabie [20] đã dùng chương trình EGS4 trong nghiên cứu hàm đáp ứng của detector NaI(Tl) đối bức xạ gamma có năng lượng nhỏ hơn 300 keV. Nghiên cứu cho kết quả mô phỏng phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả cao trong việc sử dụng các chương trình mô phỏng trong việc nghiên cứu các tham số vật lý vốn rất khó xác định bằng thực nghiệm. Năm 2007, Hashem Miri Hakimabad, Hamed Panjeh, Alireza Vejdani-Noghreiyan [26] đã dùng MCNP4C tính toán hàm đáp ứng của detector NaI 3 inch x3 inch. Các kết quả mô phỏng được so sánh với các số liệu thực nghiệm được đo với các nguồn chuẩn trong dãy năng lượng 0.081 MeV đến 4.438 MeV. Năm 2010, N. Ghal-Eh, G.R. Etaati and M. Mottaghian [37] công bố nghiên cứu mô phỏng Monte Carlo đối với hàm đáp ứng của các detector nhấp nháy vô cơ. Nghiên cứu có sử dụng chương trình GEANT4 và EGS4 và có chỉ rõ độ tin cậy của các kết quả mô phỏng. 1.2. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hay trở về trạng thái cơ bản nó sẽ phát kèm theo một bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn đó là bức xạ gamma. Bức xạ gamma có khả năng xuyên sâu rất lớn. Các nhân phóng xạ xác định phát ra bức xạ gamma có năng lượng xác định. Năng lượng bức xạ gamma cao nhất có thể tới 8 MeV -10 MeV. Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma bị mất năng lượng do 3 quá trình chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. 1.2.1. Sự truyền của bức xạ gamma trong vật chất Cũng giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma bị hấp thụ khi đi qua vật chất. Tuy nhiên cơ chế của quá trình hấp thụ bức xạ gamma khác với các hạt tích điện do hai nguyên nhân. Nguyên nhân thứ nhất, lượng tử gamma không có điện tích nên không chịu ảnh hưởng của trường lực Coulomb. Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong miền với bán kính cỡ 10-13 m tức là ba bậc nhỏ hơn kích thước nguyên tử. Vì vậy khi đi qua vật chất lượng tử gamma ít va chạm với các electron và hạt nhân do đó ít lệch khỏi phương bay ban đầu của mình. Nguyên nhân thứ hai, bức xạ gamma là một lượng tử ánh sáng nên không có khối lượng nghỉ và luôn chuyển động với vận tốc
ánh sáng. Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không bị làm chậm trong môi trường. Nó hoặc bị hấp thụ hoặc bị tán xạ và thay đổi phương bay. Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn. Bức xạ gamma khi truyền qua môi trường, sự va chạm làm suy giảm từ từ cường độ chùm tia. Xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I0. Sự thay đổi cường độ khi đi qua lớp dx bằng: dI = -Idx (1.1) Trong đó  là hệ số hấp thụ. Đối với một môi trường đồng chất  là một hằng số và ta dễ dàng lấy tích phân phương trình trên: I = I0e-x (1.2) Trong đó I0 là cường độ ban đầu. Một khái niệm thông dụng là hệ hấp thụ khối τ =  /ρ , với ρ là mật độ vật chất. Trong trường hợp này, để thuận tiện bề dày được đo bằng đơn vị cm2/g. Hệ số hấp thụ mô tả sự dịch chuyển của bức xạ gamma qua môi trường; nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma Nếu quá trình hấp thụ là kết quả của một số quá trình khác nhau, hệ số hấp thụ tổng cộng sẽ là tổng của tất cả các hệ số hấp thụ μi của các quá trình:   i (1.3) i Chia hệ số hấp thụ μi ứng vói một quá trình cho số tâm hấp thụ n i trong 1cm 3 ta thu được từng tiết diện tán xạ σi của quá trình: μi = niσi (1.4) Do đó để xác định μ chúng ta cần biết quá trình nào đóng góp chủ yếu vào sự hấp thụ tổng cộng và tìm sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ của những quá trình này vào năng lượng lượng tử gamma và vào loại môi trường. 1.2.2. Các cơ chế tương tác của tia gamma với vật chất Trong luận văn này đề cập đến việc ghi nhận các bức xạ gamma có năng lượng thấp do đó chúng ta sẽ giới hạn khoảng năng lượng khảo sát từ 60 keV đến 2 MeV. Ở trong khoảng năng lượng này có ba loại tương tác chính: + Tán xạ Compton. + Hiệu ứng quang điện. + Hiệu ứng tạo cặp.
Trong hai quá trình đầu lượng tử gamma va chạm với electron, còn ở quá trình thứ ba là với nhân. Sự va chạm với electron vượt trội ở vùng năng lượng thấp, ở vùng năng lượng cao tương tác với trường hạt nhân là chiếm ưu thế. Bên cạnh đó còn có các quá trình khác như tán xạ Rayleigh và tán xạ Thomson ở miền năng lượng thấp. Các tương tác khác chẳng hạn như hiện tượng hấp thụ quang hạt nhân (photonuclear absorption) hay sự quang phân hạch (photofission) chỉ xảy ra ở năng lượng cao (trên 6 MeV) . . . sẽ được bỏ qua. 1.2.2.1. Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron liên kết của nguyên tử, lượng tử gamma truyền toàn bộ năng lượng E của nó cho electron liên kết. Năng lượng này một phần giúp electron thắng lực liên kết lk, một phần trở thành động năng Ee của electron. Theo định luật bảo toàn năng lượng: Ee = E - lk (1.5) Trong đó lk = K đối với electron lớp K, lk = L đối với electron lớp L, lk = M đối với electron lớp M và K > L > M. Biểu thức (1.5) cho thấy năng lượng của lượng tử gamma tới ít nhất phải lớn lượng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện xảy ra mạnh nhất với lượng tử gamma có năng lượng có thể so được với năng lượng liên kết của nguyên tử và tăng mạnh theo bậc số Z của môi trường.Tiết diện tán xạ quang điện có thể được mô tả bởi công thức gần đúng sau: σphoto = constZ-5 E-3.5 khi E ≥ K σphoto = constZ-5 E-3.5 khi E >> K Theo đó hiệu ứng quang điện là cơ cấu hấp thụ trội hơn ở vùng năng lượng thấp, vai trò của nó trở nên không đáng kể ở vùng năng lượng cao.
Bên cạnh việc tạo ra các electron quang điện, tương tác còn tạo ra các lỗ trống. Lỗ trống này nhanh chóng được lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hay chuyển dời từ một electron ở tầng khác trong nguyên tử làm phát sinh ra các tia X đặc trưng. Trong một vài trường hợp sự phát electron Auger sẽ thay thế cho các tia X đặc trưng. 1.2.2.2. Hiệu ứng Compton Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của gamma tới với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng truyền electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay θ của gamma sau tán xạ 1 E = E (1.6) 1 + α (1- cos θ ) α (1- cosθ ) Ee = E (1.7) 1 + α (1- cos θ ) E Trong đó   2 ; me = 9,1.10-31 kg và c = 3.108 m/sec; mec2 = 0,511 MeV. m ec φ Hình 1.2. Hiệu ứng tán xạ Compton Góc bay φ của electron sau tán xạ liên hệ với các góc θ như sau: 1 tanφ = (1.8) θ 1+ α tan 2
Sau khi tán xạ Compton, năng lượng tia gamma giảm và phần năng lượng giảm đó truyền cho electron giật lùi. Năng lượng electron giật lùi càng lớn khi gamma tán xạ với góc θ càng lớn. Đối với photon có góc tán xạ nhỏ thì năng lượng của electron tiến đến không, và do đó năng lượng của photon tán xạ gần bằng năng lượng của photon tới. Trong quá trình tán xạ Compton có một photon được phát ra nên năng lượng của photon tới không được hấp thụ hoàn toàn tại vị trí đầu tiên. Ngay cả với góc tán xạ 180º , photon tán xạ cũng E có năng lượng đáng kể và được tính bởi: E '  . Để theo dõi sự phân tán năng lượng của photon 1  2 tới ta cần phải xem xét các photon tán xạ thứ cấp và các quá trình tương tác của chúng. Tiết diện tán xạ Compton vi phân biểu diễn theo công thức Klein-Nishima: 2 d re2  2   1  cos 2    (1  cos )  (1.9) d 2(1  (1  cos )) 2   1  (1  cos )  Tiết diện tán xạ Compton toàn phần thu được bằng cách lấy tích phân biểu thức (1.9) theo tất cả góc tán xạ θ:  1  α  2(1  α) 1  1 1  3α  σ Compton  2πre2  2   ln(1  2α)   ln(1  2α)   (1.10)  α  1  2α α  2α 1  2α 2  - Khi α rất bé, tức là khi Emec2, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với năng lượng E và do trong nguyên tử có Z electron nên sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton được mô tả như sau:  Compton  const Z E (1.12) 1.2.2.3. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron Nếu gamma tới có năng lượng E lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (2mec2=1,022 MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron – positron. Đó là hiệu ứng tạo cặp electron-positron. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron và positron. Hiệu số năng lượng E – 2mec2 bằng tổng động năng của electron Ee- và positron Ee+ bay ra. Do hai hạt này có khối lượng giống nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có năng lượng bằng nhau Ee- = Ee+. Electron mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử của môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi
gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau gọi là hiện tượng hủy cặp. Khi hủy electron - positron hai lượng tử gamma được sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV. Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp Trong miền năng lượng 5mec2 >2m ec trở nên rất nhỏ và sự hấp thụ tia  trong vùng năng lượng này xảy ra chủ yếu do quá trình tạo cặp. Hệ số hấp thụ toàn phần tia  trong vật chất là tổng hệ số hấp thụ photo, compton, pair, tức là:  = photo+ompton+pair
Hình 1.4. Đồ thị hàm số của các hệ số hấp thụ theo năng lượng tia  và hệ số hấp thụ toàn phần đối với chì [3] 1.3. CÁC DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA 1.3.1. Khái quát về các detector Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, các detector ghi đo bức xạ đóng vai trò rất quan trọng. Các detector được sử dụng từ việc đo đạc bức xạ đến xử lý kết quả đo. Chúng là các thiết bị hoạt động dựa trên sự tương tác của các bức xạ với vật chất. Detector ghi bức xạ tia X và tia gamma ban đầu chỉ dùng để xác định sự có mặt của bức xạ tia X và tia gamma và sau đó là xác định cường độ của chùm bức xạ này. Các detector ghi bức xạ tia X và tia gamma ngày nay cho phép xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo năng lượng tia X và tia gamma. Năm 1895, Roentgen đã thực hiện phép đo tia X phát ra từ ống phóng điện chứa khí. Phổ kế quang học ứng dụng hiện tượng tán sắc ánh sáng có thể được dùng để đo bước sóng tia X nhưng chỉ đo được bước sóng tia X lớn hơn 0,1 nm. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể, Bragg đã đo được tia X có bước sóng bé hơn và nhận thấy rằng phổ tia X có cấu trúc vạch phân biệt rõ trên nền phông liên tục. Năm 1896, Becquerel đã khám phá ra hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Đến năm 1900, Villard đã nhận thấy rằng các chất phóng xạ tự nhiên không những phát ra các tia α và β mà còn phát ra một loại bức xạ có khả năng đâm xuyên rất mạnh được gọi là tia gamma. Cùng với những nghiên cứu về tia X và tia gamma, các thiết bị ghi bức xạ tia X và tia gamma cũng không ngừng được phát kiến và ứng dụng. Sự phát triển của các detector nhìn chung chia làm 3 nhóm chính: các detector chứa khí được phát triển sớm nhất, sau đó đến các detector nhấp nháy, và hiện đại nhất là các detector bán dẫn.
1.3.1.1. Các detector chứa khí Nguyên tắc chung của detector bức xạ là khi bức xạ đi qua môi trường vật chất của detector chúng tương tác với các nguyên tử, phân tử khí gây nên ion hóa và kích thích các nguyên tử, phân tử khí này. Trong detector chứa khí, môi trường vật chất của nó là môi trường khí. Một số loại detector chứa khí phổ biến: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger – Muller. Trong trường hợp buồng ion đơn giản hay trong ống đếm tinh thể, các ion và electron được tạo nên bởi các hạt trong khối vật chất của detector chuyển động dưới tác động của điện trường và do đó gây nên dòng điện chạy trong mạch bên ngoài của detector . Trị số của dòng điện này là thước đo hiệu ứng ion hóa tạo nên trong buồng ion. Buồng ion hóa có tín hiệu lối ra rất bé nên không thích hợp để đo các gamma riêng biệt nó thường được sử dụng để đo dòng tổng cộng cho chùm gamma có thông lượng lớn như tại các trạm quan trắc bức xạ. Trong các buồng ion có khuếch đại khí (ống đếm tỷ lệ) điện trường được sử dụng không những chỉ để thu nhận ion và electron, mà còn dùng để khuếch đại hiệu ứng ion hóa, nhờ hiện tượng ion hóa thứ cấp. Cường độ dòng điện trong mạch ngoài của detector trong trường hợp này phụ thuộc vào mật độ ion hóa ban đầu của các hạt, và đồng thời phụ thuộc vào hệ số khuếch đại khí của detector. Ống đếm tỉ lệ được dùng để đo các tia X và tia gamma thường có độ phân giải năng lượng vừa phải. Khi hệ số khuếch đại khí rất lớn thì hiệu ứng ion hóa sẽ không còn phụ thuộc vào mật độ ion hóa ban đầu do hạt gây nên nữa, mà nó chỉ phụ thuộc vào tính chất của bản thân detector đó thôi. Detector loại này (ống đếm Geiger – Muller) gọi là ống đếm với sự phóng khí tự lập, giá trị ban đầu của hiệu ứng ion hóa (hoặc mật độ ion hóa ban đầu) không thể nào xác định được mà người ta chỉ có thể kết luận là có hạt bay qua detector hay không mà thôi. 1.3.1.2. Các detector nhấp nháy Trong các chất nhấp nháy, khi có hạt mang điện đi qua thường xuất hiện hiện tượng phát quang khá rõ rệt, do sự chuyển mức năng lượng của các nguyên tử hay phân tử bị kích thích bởi các hạt. Năng lượng của photon (sự phát quang) được dùng để làm bật ra các electron từ các lớp nhạy quang đặc biệt (các electron này được gọi là các photon electron). Số lượng các photon electrton này sau đó có thể được khuếch đại lên rất nhiều lần, nhờ những ống nhân điện tử. Các detector hoạt động dựa trên hiện tượng này (được gọi là ống đếm nhấp nháy) cho phép ta thực hiện đo đạc thông qua cường độ của các xung ánh sáng được tạo nên bởi các hạt trong các chất phát quang. Detector loại này sẽ được trình bày kĩ hơn ở phần sau. 1.3.1.3. Các detector bán dẫn Nguyên lý chung của các loại detector bán dẫn như sau: Khi lượng tử gamma đi vào chất bán dẫn, nó sẽ tạo nên electron tự do thông qua ba hiệu ứng chủ yếu là quang điện, tán xạ Compton và