Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15p4

20 228 0
Áp dụng chương trình MCNP5 để tính toán hiệu suất của detector HPGe GEM 15p4

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

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

Ngày đăng: 31/08/2016, 09:38

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan