Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên hệ phổ kế Gamma bằng chương trình MCNP5

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên hệ phổ kế Gamma bằng chương trình MCNP5 trình bày về hệ phổ kế Gamma và chương trình MCNP5; nghiên cứu hiện tượng tán xạ bằng chương trình MCNP5. Mời các bạn tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên hệ phổ kế Gamma bằng chương trình MCNP5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Huỳnh Thị Thúy Vy NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh – 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Huỳnh Thị Thúy Vy NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 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 – 2012
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ rất nhiều từ quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Võ Xuân Ân, người Thầy đã tận tình hướng dẫn phương pháp nghiên cứu khoa học, mang đến cho tôi nhiều kiến thức bổ ích và luôn giúp đỡ tôi tháo gỡ những vướng mắc trong quá trình thực hiện luận văn. Thầy đã giúp tôi nhận thức rõ trách nhiệm của bản thân trong công việc. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến PGS. TS. Châu Văn Tạo, TS. Nguyễn Văn Hoa, TS. Trần Quốc Dũng đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho tôi khi thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô trong Hội đồng chấm luận văn đã đọc và đóng góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, quý Thầy Cô Trường Trung học Phổ thông Cần Giuộc, huyện Cần Giuộc, tỉnh Long An đã giúp đỡ tôi để tôi có thể tham dự khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn học viên cao học ngành Vật lý nguyên tử Hạt nhân và Năng lượng cao khóa 21 Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã luôn động viên và giúp đỡ tôi. Tôi xin gởi lời biết ơn đến Ba Mẹ tôi, Ba Mẹ luôn bên cạnh tôi, khuyến khích và tạo mọi điều kiện để tôi có thể học tập. Ba Mẹ luôn là chỗ dựa tinh thần cho tôi trong mọi hoàn cảnh.
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................. 3 MỤC LỤC ........................................................................................ 4 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................... 11 MỞ ĐẦU ......................................................................................... 14 Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................. 16 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới ................................... 16 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................16 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................................21 1.2. Tương tác bức xạ gamma với môi trường vật chất .................................. 22 1.2.1. Tán xạ Rayleigh ..........................................................................................22 1.2.2. Hiệu ứng quang điện ...................................................................................22 1.2.3. Tán xạ Compton..........................................................................................25 1.2.4. Hiệu ứng sinh cặp electron − positron ........................................................28 Chương 2: HỆ PHỔ KẾ GAMMA VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 ........................................................................................... 32 2.1. Hệ phổ kế gamma dùng detector siêu tinh khiết HPGe ........................... 32 2.1.1. Cấu trúc hệ phổ kế ......................................................................................32 2.1.2. Đặc trưng của detector HPGe .....................................................................33 2.2. Phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5 .............................. 37 2.2.1. Phương pháp Monte Carlo ..........................................................................37 2.2.2. Chương trình MCNP5.................................................................................39 Chương 3: NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5.......................................................... 44 3.1. Xây dựng mô hình áp dụng chương trình MCNP5 .................................. 44 3.1.1. Cấu tạo hệ phổ kế gamma tại Trung tâm Hạt nhân TP HCM ....................44
3.1.2. Xây dựng tệp đầu vào cho chương trình MCNP5 .....................................46 3.2. Khảo sát sự tán xạ của các vật liệu ......................................................... 47 3.2.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của từng vật liệu lên phổ năng lượng tán xạ ở vùng năng lượng thấp ....................................................................................................48 3.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của từng vật liệu lên phổ năng lượng tán xạ ở vùng năng lượng trung bình. ..........................................................................................52 3.2.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của từng vật liệu lên phổ năng lượng tán xạ ở vùng năng lượng cao ......................................................................................................62 3.2.4. Tỉ số P/T......................................................................................................68 3.2.5. Tỉ số P/C .....................................................................................................73 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................... 76 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 79 PHỤ LỤC 1 .................................................................................... 83 PHỤ LỤC 2 .................................................................................... 87
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTI Những sáng kiến tiến bộ của kĩ Advanced Computational thuật tính toán Technology Initiative ACTL Thư viện các hạt nhân kích hoạt The Activation Library ANSI Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa kỳ The American National Standards Isntitute ENDF Thư viện số liệu ENDF The Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu ENDL The Evaluated Nuclear Data Library FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn Full Width at Half Maximum phần tại một nửa chiều cao cực đại F8 Phân bố độ cao xung trong Energy Distribution of Pulses detector created in a detector GEB Mở rộng đỉnh năng lượng theo Gaussian Energy Broadenning phân bố Gauss HPGe Detector germanium siêu tinh High Purity Germanium khiết MCA Máy phân tích đa kênh Multichannel Analyzer MCG Monte Carlo Gamma MCN Monte Carlo Neutron MCNG Monte Carlo Gamma Neutron MCNP Monte Carlo N − Partical MCP Monte Carlo Photon Codes MSF Tỉ số tán xạ nhiều lần Multiple Scatter Fraction
NJOY Mã định dạng thư viện số liệu hạt nhân trong MCNP PENELOPE Chương trình mô phỏng Monte Penetration and Energy Loss Carlo của nhóm Salvat, 2003 of Photon and Electrons PTN Phòng thí nghiệm P/C Tỉ số đỉnh trên Compton Peak to Compton ratio P/T Tỉ số đỉnh trên tổng Peak to Total ratio TH1 Trường hợp buồng chì với đầy đủ các các lớp vật liệu che chắn TH2 Trường hợp buồng chì khi không có lớp đồng TH3 Trường hợp buồng chì khi không có lớp đồng và paraffin TH4 Trường hợp buồng chì khi không có lớp đồng, paraffin và thiếc TH5 Trường hợp không có buồng chì TH6 Trường hợp không có buồng chì lẫn lớp epoxy bao bọc nguồn TH7 Trường hợp không có buồng chì, lớp epoxy quanh nguồn và không khí trong phần không gian hệ đo
DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Diễn giải Trang Số photon tán xạ trong miền tán xạ ngược và phép so 1 Bảng 3.1 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 59,54 37 keV. Số photon tán xạ trong miền năng lượng xung quanh 2 Bảng 3.2 cạnh Compton và phép so sánh tương đối khi năng 39 lượng photon tới là 59,54 keV. Số photon tán xạ trong miền tán xạ ngược và phép so 3 Bảng 3.3 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 661,66 41 keV. Tỉ lệ % đóng góp số photon tán xạ của các vật liệu 4 Bảng 3.4 41 khi năng lượng photon tới là 661,66 keV. Số photon tán xạ trong miền tán xạ ngược và phép so 5 Bảng 3.5 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 834,85 42 keV. Tỉ lệ % đóng góp số photon tán xạ của các vật liệu 6 Bảng 3.6 43 khi năng lượng photon tới là 834,85 keV. Số photon tán xạ trong miền Compton và phép so 7 Bảng 3.7 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 661,66 45 keV. Số photon tán xạ trong miền Compton và phép so 8 Bảng 3.8 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 834,85 46 keV. Số photon tán xạ trong miền tán xạ nhiều lần và phép 9 Bảng 3.9 so sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 48 661,66 keV. 10 Bảng 3.10 Số photon tán xạ trong miền tán xạ nhiều lần và phép 49
so sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 834,85 keV. Số photon tán xạ trong miền tán xạ ngược và phép so 11 Bảng 3.11 sánh tương đối khi năng lượng photon tới là 1332,5 52 keV. Tỉ lệ % đóng góp số photon tán xạ của các vật liệu 12 Bảng 3.12 53 khi photon tới có năng lượng 1332,5 keV. Số photon tán xạ trong miền Compton và phép so 13 Bảng 3.13 sánh tương đối khi photon tới có năng lượng 1332,5 55 keV. Số photon tán xạ trong miền tán xạ nhiều lần và phép 14 Bảng 3.14 so sánh tương đối khi photon tới có năng lượng 56 1332,5 keV. Tỉ số P/T đối với vật liệu tham gia che chắn và 15 Bảng 3.15 khoảng cách nguồn – detector dùng nguồn Am chỉ 241 57 phát tia gamma năng lượng 59,54 keV. Tỉ số P/T đối với vật liệu tham gia che chắn và 16 Bảng 3.16 khoảng cách nguồn – detector khi photon tới có năng 58 lượng 661,66 keV. Tỉ số P/T đối với vật liệu tham gia che chắn và 17 Bảng 3.17 khoảng cách nguồn – detector khi photon tới có năng 59 lượng 834,85 keV. Tỉ số P/T đối với vật liệu tham gia che chắn và 18 Bảng 3.18 khoảng cách nguồn – detector dùng nguồn 60Co phát 59 tia gamma năng lượng 1173,24 keV và 1332,5 keV. Tỉ số P/T đối với vật liệu tham gia che chắn và 19 Bảng 3.19 khoảng cách nguồn – detector dùng nguồn 22Na phát 60 tia gamma năng lượng 511 keV và 1274,53 keV. 20 Bảng 3.20 Tỉ số P/T theo các mức năng lượng của photon tới khi 62
khoảng cách nguồn − detector 15 cm. Tỉ số P/C đối với vật liệu tham gia che chắn và 21 Bảng 3.21 khoảng cách nguồn – detector khi photon tới có năng 63 lượng 661,66 keV. Tỉ số P/C đối với vật liệu tham gia che chắn và 22 Bảng 3.22 khoảng cách nguồn – detector dùng nguồn 60Co phát 64 năng lượng 1173,24 keV và 1332,5 keV.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Hình Diễn giải Trang 1 Hình 1.1 Mô hình tán xạ Rayleigh. 10 2 Hình 1.2 Mô hình hiệu ứng hấp thụ quang điện trên 131I. 12 3 Hình 1.3 Mô hình tán xạ Compton. 13 Phân bố cường độ chùm tia gamma tán xạ Compton theo 4 Hình 1.4 15 góc tán xạ θ. 5 Hình 1.5 Sự phụ thuộc năng lượng photon tán xạ vào góc tán xạ. 16 6 Hình 1. 6 Mô hình quá trình tạo cặp. 17 7 Hình 1.7 Mô hình phổ năng lượng gamma. 18 Mối liên hệ mức độ quan trọng của ba loại tương tác cơ 8 Hình 1.8 19 bản theo nguyên tử số Z và năng lượng photon tới E. 9 Hình 2.1 Cấu trúc hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe. 20 10 Hình 2.2 Mô tả độ phân giải năng lượng. 23 11 Hình 2.3 Mô hình phổ năng lượng nguồn 137Cs. 24 12 Hình 3.1 Mặt cắt dọc của buồng chì, kích thước tính bằng cm. 32 Mặt cắt dọc của detector HPGe GC1518, kích thước được 13 Hình 3.2 33 tính bằng mm. Mặt cắt dọc của nguồn được mô hình hóa bằng chương 14 Hình 3.3 33 trình MCNP5, kích thước được tính bằng mm. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC1518 được mô hình 15 Hình 3.4 34 hóa bằng chương trình MCNP5. Mặt cắt dọc của buồng chì được mô hình hóa bằng 16 Hình 3.5 34 chương trình MCNP5. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ ngược theo vật liệu 17 Hình 3.6 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 37 khi năng lượng photon tới là 59,54 keV.
Tỉ lệ photon tán xạ ở miền năng lượng xung quanh cạnh Compton theo vật liệu tham gia che chắn và theo khoảng 18 Hình 3.7 39 cách nguồn – detector khi năng lượng photon tới là 59,54 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ ngược theo vật liệu 19 Hình 3.8 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 41 khi năng lượng photon tới là 661,66 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ ngược theo vật liệu 20 Hình 3.9 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 42 khi năng lượng photon tới là 834,85 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ Compton theo vật liệu 21 Hình 3.10 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 45 khi năng lượng photon tới là 661,66 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ Compton theo vật liệu 22 Hình 3.11 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 46 khi năng lượng photon tới là 834,85 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ nhiều lần theo vật liệu 23 Hình 3.12 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 48 khi năng lượng photon tới là 661,66 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ nhiều lần theo vật liệu 24 Hình 3.13 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 49 khi năng lượng photon tới là 834,85 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ ngược theo vật liệu 25 Hình 3.14 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 52 khi năng lượng photon tới là 1332,5 keV. Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ Compton theo vật liệu 26 Hình 3.15 tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector 55 khi photon tới có năng lượng 1332,5 keV. 27 Hình 3.16 Tỉ lệ photon tán xạ ở miền tán xạ nhiều lần theo vật liệu 56
tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi photon tới có năng lượng 1332,5 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T theo vật liệu tham gia che 28 Hình 3.17 chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi năng 57 lượng photon tới là 59,54 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T theo vật liệu tham gia che 29 Hình 3.18 chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi photon tới 58 có năng lượng 661,66 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T theo vật liệu tham gia che 30 Hình 3.19 chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi photon tới 59 có năng lượng 834,85 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T theo vật liệu tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector đối với nguồn 31 Hình 3.20 60 Co: a) đối với đỉnh 1173,24 keV, b) đối với đỉnh 1332,5 60 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T theo vật liệu tham gia che chắn và theo khoảng cách nguồn – detector đối với nguồn 32 Hình 3.21 61 Na: a) đối với đỉnh 511 keV, b) đối với đỉnh 1274,53 22 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/T vào các mức năng lượng 33 Hình 3.22 62 photon tới khi khoảng cách nguồn − detector 15 cm. Sự phụ thuộc của tỉ số P/C theo vật liệu tham gia che 34 Hình 3.23 chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi photon tới 63 có năng lượng 661,66 keV. Sự phụ thuộc của tỉ số P/C theo vật liệu tham gia che 35 Hình 3.24 chắn và theo khoảng cách nguồn – detector khi dùng 64 nguồn 60Co phát năng lượng 1173,24 keV và 1332,5 keV.
MỞ ĐẦU Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, các detector ghi bức xạ gamma được sử dụng để đo hoạt độ phóng xạ, chẳng hạn như xác định hàm lượng của các hạt nhân phóng xạ phát gamma trong các mẫu môi trường. Những detector ghi đo bức xạ gamma đã đóng vai trò quan trọng trong các Phòng thí nghiệm (PTN) phân tích phóng xạ. 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 với các năng lượng khác nhau. Ở Việt Nam từ lâu đã có nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Hạt nhân TP HCM đã trang bị các hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp. Do ảnh hưởng của phông phóng xạ trong môi trường nên cần lắp đặt thêm các vật liệu che chắn tạo ra buồng chì xung quanh detector. Do đó, phần ghi nhận tia gamma của các hệ phổ kế gamma nói trên chính là detector. Số tia gamma phát ra từ nguồn đi vào detector có thể chia thành hai trường hợp, hoặc là đi trực tiếp vào detector, hoặc là tán xạ với thành buồng chì che chắn rồi sau đó mới đi vào detector. Số tia gamma tán xạ này có thể ảnh hưởng đến vùng năng lượng thấp hơn trong phổ gamma, do đó có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép phân tích các đỉnh phổ ở vùng năng lượng thấp hơn này. Phân tích ảnh hưởng của các tia gamma tán xạ với vật liệu làm buồng chì che chắn nhằm giải thích nguyên nhân và mức độ đóng góp của chúng ở vùng năng lượng thấp hơn của phổ gamma, đây chính là cơ sở để đề xuất những hiệu chỉnh thích hợp trong phân tích phổ gamma. Việc khảo sát hiện tượng tán xạ của tia gamma lên các vật liệu che chắn có thể được tiến hành bằng cách đo đạc phổ gamma trong trường hợp khi có vật liệu che chắn và khi không có vật liệu che chắn. Tuy nhiên, trong thực tế đo đạc phổ gamma đối với một số lớn trường hợp để đánh giá ảnh hưởng của sự tán xạ tia gamma lên các vật liệu che chắn là công việc phức tạp, tốn kém nhiều thời gian và chi phí.
Để khắc phục những hạn chế nêu trên, chúng tôi sử dụng chương trình dựng sẵn MCNP5 của PTN Los Alamos, Hoa Kỳ. Đây là chương trình máy tính sử dụng phương pháp Monte Carlo rất đáng tin cậy và được nhiều người sử dụng [12]. Vì lẽ đó chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên hệ phổ kế gamma bằng chương trình MCNP5” để thực hiện luận văn thạc sĩ của mình. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu hiện tượng tán xạ bên trong buồng chì của hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe. Từ đó đánh giá kết quả thực hiện và đưa ra các kiến nghị liên quan. Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận văn này là hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe GC1518 đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP HCM với các thông số danh định: hiệu suất tương đối 15 % so với detector nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 7,62 cm × 7,62 cm, độ phân giải năng lượng tại đỉnh 1,332 MeV là 1,80 keV của đồng vị 60Co và tỷ số đỉnh trên Compton (P/C) là 45:1. Buồng chì che chắn phông gamma môi trường là loại tự chế tạo gồm các lớp chì, thiếc, paraffin và đồng tính từ ngoài vào. Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn này là sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo dựa trên cơ sở chương trình MCNP5 dựng sẵn của PTN Los Alamos, Hoa Kỳ để nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên hệ phổ kế gamma. Chương trình MCNP5 được sử dụng dưới sự cho phép của Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân. Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương: Chương 1: Tổng quan − trình bày tình hình nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên thế giới và ở Việt Nam; đồng thời, giới thiệu các tương tác của bức xạ gamma khi qua môi trường vật chất. Chương 2: Hệ phổ kế gamma và chương trình MCNP5 − giới thiệu cấu trúc hệ phổ kế gamma cũng như các đặc trưng của detector HPGe và chương trình MCNP5. Chương 3: Nghiên cứu hiện tượng tán xạ bằng chương trình MCNP5 − trình bày việc xây dựng mô hình trong bài toán mô phỏng và những khảo sát về sự ảnh hưởng của các vật liệu lên phổ năng lượng trên các miền năng lượng khác nhau.
Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1922, hiện tượng tán xạ Compton đã được phát hiện do Arthur Holly Compton (1892 − 1962) khi ông chiếu chùm tia X có bước sóng λ vào một bia graphite. Ông tiến hành đo cường độ của tia X tán xạ từ bia trong một số hướng chọn lọc như một hàm của bước sóng. Kết quả thí nghiệm cho thấy mặc dù chùm tia tới chỉ có một bước sóng duy nhất nhưng các tia X tán xạ lại có thêm những bước sóng λ’ dài hơn λ. Điều này được giải thích do electron thu mất động năng của photon tới nên photon bị tán xạ có năng lượng thấp hơn photon tới. Năm 1927, ông đã nhận được giải Nobel cho công trình này. Sau khi được phát hiện, hiện tượng tán xạ Compton đã được các nhà khoa học tìm hiểu và nghiên cứu [2]. Năm 1931, DuMond [17] đã phân tích dựa vào kết quả từ đồ thị trên phổ kế đa tinh thể để thể hiện mối liên hệ giữa phổ năng lượng tán xạ với sự phân bố của mômen electron. Điều này đã vạch ra nhiều hứa hẹn cho một hướng nghiên cứu mới. Tuy nhiên, nó đã dừng lại khi có một kết quả sai lệch do Kappeler xuất bản năm 1936. Hình dạng đường Compton thực nghiệm đã rộng hơn 2,5 lần so với lý thuyết và dù đã cố gắng cải thiện lý thuyết nhưng không có một kết quả nào phù hợp. Năm 1965, hai thí nghiệm độc lập đã được tiến hành để kiểm tra kết quả trên bằng cách sử dụng ống phát tia X và phổ kế tinh thể. Cả hai thí nghiệm đều kết luận rằng thí nghiệm trước đó đã cho kết quả sai và mở ra một thời khì mới cho việc nghiên cứu hiện tượng tán xạ [23]. Năm 1981, Gayer và Bukshpan [18] đã dùng phương pháp tính toán Monte Carlo để khảo sát hiện tượng tán xạ ngược của tia gamma. Nhóm nghiên cứu đã dùng chùm tia hẹp tán xạ trên vật liệu có độ dày D. Kết quả của thí nghiệm cho thấy xét trong cùng một vật liệu, ở mỗi góc tán xạ nhất định, khi tăng bề dày của vật liệu tán xạ, vị trí cực đại của các photon tán xạ lệch về phía năng lượng cao. Điều này
được giải thích là do sự tăng ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện so với tán xạ Compton, tổng quãng đường mà photon đi được (path length) tăng lên khi tăng bề dày vật liệu tán xạ. Năm 1975, việc đo đạc tán xạ nhiều lần trong thực nghiệm cũng đã được tiến hành bởi Williams và Halonen để xác định cường độ và sự phân bố phổ năng lượng của hiện tượng tán xạ hai lần trên nhôm ở góc tán xạ là 1500 khi thay đổi bề dày vật liệu tán xạ. Photon tới trong thực nghiệm có năng lượng 59,5 keV [31]. Năm 1983, Paramesh đã tiến hành đo bề dày bão hòa của vật liệu khi tán xạ nhiều lần photon tới bằng cách trừ bớt các thành phần tán xạ một lần của photon tới có năng lượng 661,66 keV ở góc tán xạ 1200 đối với nhôm, sắt, đồng và chì [31]. Năm 1986, Pitkanen đã đo phổ của photon có năng lượng 661,66 keV ở góc tán xạ 1040 trên nickel và được mô phỏng bởi phương pháp Monte Carlo để hiệu chỉnh tán xạ một lần. Sau đó, tác giả đã dùng phương pháp Monte Carlo để tiến hành mô phỏng phổ tán xạ nhiều lần trong việc nghiên cứu tán xạ Compton, phục vụ cho việc xác định sự phân bố của momen electron trong nguyên tử khi photon tới có năng lượng 60 − 662 keV trên các vật liệu có nguyên tử số Z từ 6 − 38 [31]. Năm 1994, Barnea và cộng sự [14] đã tiến hành nghiên cứu nền tán xạ nhiều lần trong phổ tán xạ Compton, dùng chương trình mô phỏng ACCEPT kết hợp với thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nền tán xạ của photon tới có năng lượng 662 keV là một hàm của góc tán xạ, vật liệu tán xạ và bề dày của các vật liệu đó. Khi góc tán xạ lớn (900 hoặc 1200), ở những vật liệu có nguyên tử số Z lớn (đồng thau hoặc thiếc), xuất hiện cấu trúc đỉnh đôi: bên cạnh đỉnh Compton còn xuất hiện một đỉnh thứ hai có năng lượng cao hơn. Mô phỏng Monte Carlo đã cho biết nguồn gốc của đỉnh năng lượng thứ hai bên cạnh đỉnh Compton là do photon đã bị tán xạ hai lần trước khi đi đến detector. Năng lượng của đỉnh thứ hai này phù hợp với năng lượng của photon tán xạ hai lần ở góc tán xạ bằng một nửa so với góc tán xạ được chọn để khảo sát (ví dụ góc tán xạ được khảo sát là 1200 thì đỉnh thứ hai xuất hiện do tán xạ hai lần ở góc 600).
Năm 2007, Gurvinderjit Singh và cộng sự [31] đã tiến hành nghiên cứu sự tán xạ trên kẽm ở góc tán xạ 900 dùng tia gamma có năng lượng 662 keV. Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự xuất hiện của đỉnh tán xạ thứ hai giữa đỉnh tia X đặc trưng của chì và đỉnh tán xạ Compton. Đỉnh thứ hai quan sát được này là kết quả của việc photon bị tán xạ Compton hai lần trước khi đến detector. Theo nhóm nghiên cứu, đỉnh thứ hai xuất hiện ở tất cả các bề dày của kẽm và vị trí năng lượng E của đỉnh này được xác định bởi biểu thức: E0 E ' E= (1.1) 2 E0 + E ' Trong đó: E 0 và E’ lần lượt là năng lượng của photon tới và photon bị tán xạ một lần ở góc tán xạ được khảo sát. Năm 2008, Plagnard và cộng sự [30] đã khảo sát sự ảnh hưởng của từng loại vật liệu xung quanh nguồn và detector lên phổ năng lượng tán xạ ở vùng năng lượng 15 − 80 keV dùng detector HPGe cấu hình planar bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo PENELOP kết hợp với so sánh thực nghiệm. Theo nhóm nghiên cứu, phổ năng lượng gamma trong vùng năng lượng thấp có vai trò quan trọng nhưng rất khó để xác định độ chính xác của hiệu suất đo vì thiếu những chuẩn mực đo đạc bức xạ. Phổ năng lượng thấp chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hiện tượng tán xạ Compton. Điều này có thể xảy ra bên trong nguồn, giá đỡ nguồn, trong chính detector hay trong các vật liệu che chắn. Photon tán xạ ở những góc khác nhau cho cái bướu rộng gần đỉnh năng lượng toàn phần. Năng lượng càng thấp, vị trí bướu càng gần với vị trí quang đỉnh. Hiện tượng này làm cho việc xác định diện tích đỉnh năng lượng toàn phần thiếu chính xác. Hiện tượng này đã được ghi nhận bằng detector silicon − lithium và kết quả của nó đã được mô tả bởi Van Gysel (2003) [33]. Đối với detector siêu tinh khiết HPGe, một vài yếu tố khác cũng đã được nghiên cứu bằng các thực nghiệm ở vùng năng lượng dưới 60 keV do Martins và Burns tiến hành vào năm 1992 [24].
Photon phát ra từ nguồn không chỉ tương tác với vùng hoạt của detector mà còn tương tác với các vật liệu xung quanh. Năng lượng của photon tán xạ E’ phụ thuộc vào góc tán xạ θ giữa photon tới và photon tán xạ: E E'= (1.2) 1 + α (1 − cosθ ) E Trong đó: E = hν , α = . mc 2 Góc tán xạ có thể được suy ra từ vị trí của bướu:  E − EC  =θ arccos 1 −  (1.3)  α EC  Theo nhóm nghiên cứu, có sự ưu tiên góc tán xạ, điều này phụ thuộc vào cấu trúc hình học của nguồn và detector. Vị trí của các bướu cũng phụ thuộc vào năng lượng của photon tới . Nhóm nghiên cứu đã dùng muối 109 Cd lắng đọng trên lớp mylar và được bịt kín lại bởi một lớp mylar khác. Sau đó nó được đặt lên vòng nhựa để đảm bảo tính rắn chắc của nguồn. Nguồn được đặt trên một giá đỡ cách detector 85,25 mm. Để ghi nhận phổ năng lượng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng detector planar siêu tinh khiết HPGe có diện tích bề mặt tinh thể là 300 mm2, bề dày là 10 mm được trang bị của sổ beryllium dày 100 µm. Một ống chuẩn trực bằng tungsten (W) được đặt cách cửa sổ detector 14,5 mm nhằm giảm phần đuôi năng lượng thấp do sự thu góp điện tích không hoàn toàn của tinh thể germanium. Detector được che chắn bởi lớp chì dày 3 mm ở xung quanh. Để xác định tỉ lệ đóng góp vào miền tán xạ của từng thành phần vật liệu xung quanh nguồn và detector, nhóm nghiên cứu của Plagnard đã sử dụng phương pháp Monte Carlo với chương trình PENELOPE để mô phỏng. Kết quả của quá trình mô phỏng cho thấy tỉ lệ đóng góp của từng vật liệu trong vùng tán xạ sẽ khác nhau đối với mỗi mức năng lượng tới (xét trong khoảng 15 − 60 keV). Vòng nhựa bao bọc lấy nguồn và giá đỡ nguồn chiếm 45 % phổ tán xạ trong khi các lớp mylar chỉ chiếm 6 %. Kết quả này cho thấy, muốn làm giảm hiện tượng tán xạ và hạn chế các
bướu ở vùng năng lượng thấp, cần phải giảm các vật liệu tiếp xúc trực tiếp với chất phóng xạ. Ngoài ra, nếu bổ sung thêm các collimator giữa nguồn và detector làm giảm việc ghi nhận các bướu vùng năng lượng thấp [30]. Cũng vào năm 2008, Mohammadi đã dùng phổ tán xạ ngược để nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu khác nhau [26]. Trong công trình này, photon có năng lượng trên 384 keV và vật liệu có nguyên tử số Z nhỏ hơn 60 được lựa chọn vì đây là những vật liệu thông thường được sử dụng và quá trình tán xạ Compton sẽ chiếm ưu thế trong vùng năng lượng này. Phổ năng lượng do bức xạ gamma tương tác với môi trường sẽ là cơ sở của các đặc trưng vật liệu. Trong thí nghiệm, nguồn 133 Ba với hoạt độ 1 MBq cùng với detector NaI(Tl) có đường kính 60 mm, dày 51 mm và có độ phân giải năng lượng 7,5 % ở đỉnh năng lượng 662 keV được sử dụng. Các vật liệu được chọn làm vật liệu tán xạ gồm phân bón hữu cơ, gỗ, bê tông và thép. Khoảng cách từ nguồn đến detector là 4,5 cm và tăng dần đến 32 cm. Sau mỗi lần đo, khoảng cách tăng thêm 1 cm, đến 7,5 cm phổ bị nhiễu. Kết quả nghiên cứu cho thấy mỗi vật liệu gây ra tán xạ khác nhau. Sự khác nhau về số đếm tổng cộng trong mỗi phổ có thể do nguyên tử số của từng vật liệu tán xạ. Cụ thể là khi tăng nguyên tử số Z, độ suy giảm của cường độ chùm photon cũng như khả năng hấp thụ quang điện của vật liệu tăng lên, làm giảm số photon đến tương tác với detector. Ngoài ra, độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại một nửa chiều cao cực đại (FWHM) cũng khác nhau, nguyên nhân có thể liên quan đến mật độ của vật liệu. Ở vùng năng lượng cao, khoảng cách khác nhau không gây ra nhiều sai lệch trong các phổ, điều này phù hợp với lý thuyết. Khi năng lượng của photon lớn, nó có khả năng đâm xuyên qua vật liệu. Tuy nhiên, không có sự thay đổi vị trí đỉnh phổ và hình dạng của phổ khi thay đổi khoảng cách của nguồn và số đếm tổng cộng giảm theo đường thẳng. Mohammadi cho rằng có thể chúng ta bị nhầm lẫn giữa phổ của một vật liệu ở một góc nhất định nào đó với phổ của một vật liệu khác với góc tán xạ khác. Tuy nhiên, nếu xem xét phổ của hai vật liệu thì tác giả nhận thấy rằng hai phổ này khác nhau về số đếm tổng, FWHM và vị trí của kênh trung tâm. Như vậy, quá trình phân