CƠ SỞ LÝ THUY Ế T
Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma tương tác với vật chất qua hai quá trình chính: hấp thụ và tán xạ Trong quá trình hấp thụ, bức xạ gamma truyền toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mất, trong khi trong quá trình tán xạ, nó chỉ truyền một phần năng lượng và bị lệch hướng Tùy thuộc vào năng lượng của photon, bức xạ gamma có thể tương tác với vật chất qua nhiều cơ chế khác nhau Tuy nhiên, trong việc ghi đo bức xạ, ba cơ chế chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành tín hiệu xung trong đầu dò.
Hiệu ứng quang điện xảy ra khi bức xạ gamma va chạm với electron trong nguyên tử, truyền toàn bộ năng lượng cho electron để chúng thoát ra khỏi nguyên tử Theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng tối đa của quang electron bằng hiệu năng lượng của bức xạ gamma và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân.
E e là động năng cực đại của electron
E là năng lượng của photon tới
Elk là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử
Hiệu ứng quang điện chỉ diễn ra khi năng lượng bức xạ gamma lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Năng lượng liên kết của electron giảm dần theo các lớp K, L, M, Nếu năng lượng bức xạ gamma nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra với các electron ở các lớp xa hạt nhân hơn.
Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện
Khi năng lượng gamma vượt quá giá trị lớn hơn năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử, hiệu ứng quang điện trở nên không đáng kể và chuyển sang hiệu ứng Compton Trong trường hợp này, năng lượng liên kết của electron có thể bị bỏ qua, và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được coi như tán xạ với electron tự do.
Tán xạ Compton là hiện tượng xảy ra khi bức xạ gamma va chạm với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, được xem như electron tự do Trong quá trình này, bức xạ gamma không chỉ thay đổi hướng bay mà còn mất một phần năng lượng, đồng thời giải phóng electron ra khỏi nguyên tử Hình 1.2 mô tả chi tiết quá trình tán xạ Compton.
Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ gamma và electron sau tán xạđược thể hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]:
E là năng lượng của bức xạ gamma tới
E ' là năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ
E e là động năng cực đại của electron
là góc bay của gamma sau tán xạ
Khi xảy ra hiện tượng tán xạ Compton, năng lượng của bức xạ gamma sẽ giảm và phần năng lượng này được truyền cho electron Động năng của electron sẽ tăng lên khi góc tán xạ gamma, ký hiệu là θ, càng lớn Theo biểu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị cho động năng electron E sau tán xạ, phụ thuộc vào góc θ.
Khi =0 o thì ( ) E e min = 0 , b ứ c x ạ gamma sau tán xạmang năng lượng gần bằng năng lượng gamma tới E = E '
= + , gamma truyền năng lượng lớn nhất cho electron tức là khi tán xạ giật lùi với 2 e
Khi bức xạ gamma có năng lượng E γ > 1,02 MeV đi qua điện trường của hạt nhân, nó sẽ tạo ra một cặp electron và positron, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tạo cặp electron-positron Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng của electron và positron phát sinh bằng hiệu số năng lượng E γ - 2m c².
E là năng lượng của bức xạ gamma tới
Ee + , E e − lần lượt là động năng của positron và electron
Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp
Electron và positron di chuyển vài milimet trong vật liệu trước khi bị hấp thụ năng lượng Do có khối lượng bằng nhau, xác suất để chúng có năng lượng giống nhau là cao Electron mất dần năng lượng để ion hóa các nguyên tử, trong khi positron mang điện tích dương và khi gặp electron, chúng sẽ trung hòa và hủy lẫn nhau, tạo ra hiệu ứng hủy cặp Quá trình này sinh ra hai bức xạ gamma ngược chiều nhau, mỗi bức xạ có năng lượng 0,511 MeV Các bức xạ này có thể bị hấp thụ hoặc thoát ra khỏi đầu dò, tạo thành các đỉnh thoát trong phổ gamma Nếu một bức xạ thoát ra, đỉnh quan sát được sẽ có năng lượng (Eγ - mc²) gọi là đỉnh thoát đơn Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra, sẽ xuất hiện đỉnh thoát có năng lượng.
( E − 2m c e 2 ) gọi là đỉnh thoát đôi.
Chu ỗ i phân rã phóng x ạ
Uranium và thorium là các đồng vị phóng xạ không bền, tự phân rã bằng cách phát ra hạt alpha, beta và bức xạ gamma, tạo thành chuỗi đồng vị cho đến khi kết thúc bằng một đồng vị bền Trong tự nhiên, uranium có ba đồng vị chính là 238U, 235U và 234U, trong đó 238U chiếm tỷ lệ lớn nhất với 99,25%.
Thorium trong tự nhiên chỉ tồn tại với đồng vị 232 Th Để đo phổ gamma của đồng vị này, cần nắm vững sơ đồ phân rã và tính chất của các đồng vị con trong chuỗi Khóa luận này tập trung nghiên cứu các đồng vị phóng xạ phát bức xạ gamma trong chuỗi 238 U và 232 Th.
1.2.1.Chuỗi phân rã của đồng vị 238 U
Đồng vị 238U chiếm 99,25% uran tự nhiên và có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm Trong quá trình phân rã alpha, 238U chuyển đổi thành đồng vị 234Th, và chuỗi phân rã này tiếp tục cho đến khi đạt đến đồng vị bền cuối cùng là 206Pb.
Hình 1.4 Sơ đồ phân rã của đồng vị 238 U [7]
1.2.2 Chuỗi phân rã của đồng vị 232 Th
Chuỗi phân rã của đồng vị 232 Th, như được minh họa trong Hình 1.5, bao gồm 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma Việc đo đỉnh năng lượng của các đồng vị như 228 Ac (911,2 keV, 968,9 keV), 212 Pb (238,6 keV) và 208 Tl (583,2 keV, 2614,5 keV) có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng phổ kế gamma.
Hình 1.5 Sơ đồ phân rã của đồng vị 232 Th [7]
Trong Hình 1.5, đồng vị 212 Bi phân nhánh thành hai đồng vị 208 Tl và 212 Po, trong đó 212 Bi chuyển thành 208 Tl qua phát xạ hạt alpha với xác suất 35,96% Nhánh thứ hai là sự phân rã beta của 212 Bi thành 212 Po với xác suất 64,06%, nhưng không thể đo được bằng phép đo phổ gamma Do đó, để xác định hoạt độ của 232 Th bằng 208 Tl, cần chia hoạt độ của 208 Tl cho xác suất phân nhánh 35,96%.
Hi ệ u su ất ghi đầ u dò
1.3.1.Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE) là xác suất mà một photon phát ra từ nguồn mất toàn bộ năng lượng trong thể tích vùng hoạt của đầu dò Trong thực nghiệm, FEPE được xác định thông qua một biểu thức cụ thể.
N Ep( ) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần
Alà hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg) t là thời gian đo (s)
I E ( ) là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%) m là khối lượng mẫu đo (kg).
Sai số hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng công thức truyền sai số Với sai số của cân điện tử là 0,001g và thời gian đo lớn, sai số thời gian và khối lượng có thể được bỏ qua.
V ậ y hi ệ u suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo biểu thức (1.6): p
A là sai số hoạt độ của nguồn
N là sai số diện tích đỉnh năng lượng toàn phần
là sai số xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng
1.3.2 Đường cong hiệu suất Đường cong hiệu suất được ứng dụng để tiến hành phân tích xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu đo [4] hoặc dùng để khảo sát sự phụ thuộc của đường cong hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò [3] Đối với mỗi loại đầu dò lại có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau Đối với đầu dò dạng đồng trục, có nhiều hàm khớp trong khoảng năng lượng từ 46,5 KeV đến 2641,5 KeV Để thể hiện mối liên hệ giữa hiệu suất và năng lượng E theo thang logarit, ta thường sử dụng biểu thức (1.7) [5]:
( ) i log = a log E i (1.7) trong đó, , E và a i lần lượt là hiệu suất đỉnh ởnăng lượng E, năng lượng đỉnh và các hệ số có được từ việc làm khớp hàm
Hiệu suất ghi nhận của đầu dò chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm khoảng cách từ mẫu đo đến đầu dò, hình học của mẫu, kích thước vật liệu, hiệu ứng trùng phùng tổng và sự tự hấp thụ của mẫu.
Tóm t ắt Chương 1
Trong Chương 1, khóa luận đã trình bày về sự tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất, cùng với chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ 238 U và 232 Th Bên cạnh đó, các khái niệm liên quan đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò cũng được đề cập Những vấn đề này tạo nền tảng lý thuyết cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần đối với thành phần nguyên tố của các mẫu chuẩn được thảo luận trong Chương 3.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương trình MCNP6
Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là phiên bản nâng cấp của MCNP với các quá trình tương tác mới như va chạm quang hạt nhân và hiệu ứng giãn nở Doppler MCNP6 sử dụng quy tắc gieo hạt ngẫu nhiên và các quy luật thống kê, cho phép mô tả hình học ba chiều, mang lại lợi thế về chi phí khoa học Qua phần mềm Visual Editor, người dùng cần mô tả chi tiết cấu hình, vật liệu và nguồn trong không gian ba chiều, bao gồm khối lượng riêng và thành phần đồng vị MCNP6 hỗ trợ nhiều dạng nguồn (nguồn điểm, nguồn trụ) và các thông số như năng lượng, vị trí, loại bức xạ Người dùng cũng có thể điều chỉnh dạng hạt, thông lượng hạt và năng lượng mất mát theo nhu cầu Một ưu điểm nổi bật khác là các tập tin đầu ra nhẹ, giúp tối ưu hóa thời gian xử lý trong quá trình mô phỏng Nhờ những ưu điểm này, MCNP6 được ứng dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt nhân.
2.1.1.Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 Để chạy mô phỏng từ nguồn đến đầu dò, một bài toán sử dụng chương trình MCNP cần có đủ ba Cards tương ứng với ba phần dữ liệu:
• Khai báo ô mạng (Cell Cards)
• Khai báo mặt (Surface Cards)
• Khai báo dữ liệu (Data Cards)
Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau:
Bảng 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6
Thẻtiêu đề C HPGe GEM50P4-83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM
Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards
Phân cách giữa Surface Cards và Surface Cards
Một sốlưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào:
• Không sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào, chỉ sử dụng phím [Spacebar]
Kí tự 'C' ở đầu dòng và kí tự '$' ở cuối dòng cho phép người dùng ghi chú thông tin cần thiết để thuận tiện cho việc sửa chữa MCNP sẽ không thực hiện các dòng ghi chú này trong quá trình chạy chương trình.
• Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm 3 ), tiết diện (barn)
2.1.1.1 Khai báo ô mạng (Cell Cards)
Cell là một không gian được tạo bởi các mặt biên, được xác định trong phần Surface Cards Nó được hình thành thông qua các phép toán giao, hội và bù giữa các vùng không gian do các mặt tạo ra Mỗi mặt phân chia không gian thành hai vùng với giá trị dương và âm Mỗi cell được mô tả bởi số cell, số vật chất, mật độ vật chất và một chuỗi các mặt có dấu âm hoặc dương, kết hợp bằng các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:) và bù (#).
Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]: j m d geom params
• m là chỉ số vật chất trong Cell
• d là mật độ của vật liệu trong Cell, mang dấu “+” nếu tính theo đơn vị nguyên tử/cm 3 và dấu “-“ nếu tính theo đơn vị g/cm 3
• geom mô tả các mặt giới hạn Cell
• params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp đầy, hệ số chuyển trục tọa độ…
Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.1:
Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào
2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards) Để tạo ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phỏng, MCNP cung cấp một số các dạng mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ (có tất cả gần 30 loại mặt cơ bản) Các khối hình học mô phỏng được tạo thành bằng cách kết hợp các vùng không gian giữa các mặt với nhau thông qua các toán tử giao, hội và bù Cú pháp khai báo một mặt trong Suface Cards như sau: j n a list
• n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyển toạđộ
• a là kí hiệu loại mặt Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vuông góc với trục Ox
• list là các tham sốđịnh nghĩa mặt
Trong khóa luận, mô phỏng sử dụng các loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng, mặt cầu và mặt elip, với các phương trình giải tích và tham số tương ứng được trình bày rõ ràng.
Bảng 2.2 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6]
Ký hiệu Mô tả Phương trình Tham số
CZ Mặt trụ trên trục OZ
SZ Mặt cầu tâm trên trục Oz x 2 + y 2 + ( z − z ) 2 − R 2 = 0 z R
Mặt xuyến ellipse hoặc tròn trục song song với trục OZ
Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.2:
Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào
2.1.1.3 Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards)
Thẻ dữ liệu (Data Cards) đóng vai trò quan trọng trong chương trình MCNP6, cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ, nguồn gốc và vật liệu cấu tạo trong các ô mạng.
Chương trình MCNP6 cho phép người dùng khai báo nhiều loại nguồn để phù hợp với từng bài toán mô phỏng, bao gồm nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC) và nguồn mặt (SSR/SSW) Để đảm bảo tính chính xác, người sử dụng cần chỉ định rõ các đặc tính của nguồn như không gian, loại bức xạ, năng lượng và hướng phát Trong khóa luận này, nguồn tổng quát (SDEF) được sử dụng, với cú pháp khai báo trong Data Cards được thực hiện theo quy định.
SDEF Thông số 1 Thông số 2 Thông số 3 …
Các định nghĩa về tham số được trình bày trong Bảng 2.3 Trong mô phỏng khóa luận, ngoài các giá trị mặc định của các tham số trong khai báo nguồn tổng quát, còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn và F8 Trong đó, Tally F8 (F8) đóng vai trò như một đầu dò vật lý, ghi nhận xung và cung cấp thông tin về năng lượng bị mất trong một cell Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần mất trong đầu dò Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được minh họa qua Hình 2.3.
Bảng 2.3 Các định nghĩa tham số trong MCNP6 [6]
CELL Số hiệu cell của nguồn
AXS Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT
POS Toạđộ vị trí nguồn, mặc định: (0,0,0)
RAD Bán kính quét từ POS hoặc từ AXS, mặc định: 0
EXT Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS
ERG Năng lượng (MeV), mặc định 14 MeV
PAR Loại hạt phát ra từ nguồn, 1: neutron, 2: photon, 3: electron
Hình 2.3 Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào
Khai báo vật liệu (Material Cards)
Material Cards mô tả loại vật liệu được sử dụng để lấp đầy các cell trong quá trình mô phỏng Thành phần của vật liệu được xác định thông qua số hiệu nguyên tử của các nguyên tố và tỷ lệ phần trăm của từng nguyên tố trong vật chất Cú pháp khai báo các thông tin này cần được tuân thủ đúng quy định.
Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 …
Trong đó: m là chỉ số của vật liệu
ZAID là mã số xác định đồng vị, được biểu diễn dưới dạng ZZZAAA, trong đó ZZZ là số hiệu nguyên tử và AAA là số khối Khi khai báo đồng vị, số hiệu nguyên tử đóng vai trò quan trọng.
ZZZ không cần phải viết đủ 3 chữ số đối với các đồng vị tự nhiên, ví dụ như đồng vị 16 8 O có thể được ghi là 8016 hoặc 8000 Tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu, hay còn gọi là fraction, được tính dựa trên tỉ lệ số nguyên tử có trong hợp chất nếu giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu giá trị âm.
Ví dụ về Material Cards trong file input của khóa luận được mô tả qua Hình 2.4:
Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào bao gồm các thông số từ M1 đến M8, tương ứng với vật liệu tham khảo theo quy định mô tả trong MCNP Trong khi đó, M9 đại diện cho vật liệu của mẫu chuẩn.
H ệ ph ổ k ế s ử d ụng đầ u dò HPGe
Hệ phổ kế được dùng trong khóa luận này là hệ phổ kế gamma phông thấp đặt tại
Viện y tế công cộng được đưa ra trong Hình 2.5 Hệ bao gồm: đầu dò HPGe GEMP4-
Bộ tiền khuếch đại Lynx DSA bao gồm thiết bị tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, cùng với đầu dò được làm lạnh bằng nitơ lỏng và buồng chì che chắn Các thông số kỹ thuật của đầu dò được cung cấp bởi nhà sản xuất và được trình bày trong Bảng 2.4 Hệ phổ kế được kết nối với máy tính qua cổng cáp, cho phép ghi nhận và xử lý phổ thông qua phần mềm chuyên dụng Meastro.
Hình 2.5 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe
Bảng 2.4 Thông số hình học của đầu dò GEMP4-83 do nhà sản suất cung cấp
Ký hiệu Thông sốđầu dò Kích thước (mm) Vật liệu
A Đường kính tinh thể 65,9 Ge
B Chiều dài tinh thể 77 Ge
C Đường kính hốc tinh thể 11,5 Chân không
D Chiều sâu hốc tinh thể 64,9 Chân không
E Bề dày lớp chết mặt ngoài tinh thể 0,7 Ge
F Bề dày lớp chết mặt trong tinh thể 0,0003 Ge
M ẫ u chu ẩ n
Việc đo các mẫu chuẩn được thực hiện trên hệ phổ kế gamma phông thấp với đầu dò HPGe đồng trục loại p Để khảo sát hiệu suất, khóa luận sử dụng các mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-434 và IAEA-447.
RGU-1 yêu cầu thời gian nhốt mẫu là 30 ngày để đạt trạng thái cân bằng phóng xạ với đồng vị 238U và các đồng vị con Thông số về khối lượng và mật độ của mẫu chuẩn được trình bày trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5 Thông số của mẫu chuẩn
STT Mẫu chuẩn Khối lượng (g) Mật độ (g/cm 3 )
Xác suất phát bức xạ gamma (I ) và sai số của nó (I ) liên quan đến năng lượng của các đồng vị phóng xạ trong mẫu chuẩn được nêu trong Phụ lục C Tỷ lệ các thành phần nguyên tố trong mẫu chuẩn được thể hiện rõ trong Bảng 2.6 và Bảng 2.7.
Bảng 2.6 Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn [9,11]
IAEA RGU-1 IAEA RGTh-1 IAEA 434 IAEA 447
Bảng 2.7 Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn (tiếp theo) [9,11]
IAEA RGU-1 IAEA RGTh-1 IAEA 434 IAEA 447
Tóm t ắt Chương 2
Trong Chương 2 khóa luận đã trình bày đối tượng nghiên cứu là chương trình
MCNP6 là phần mềm mô phỏng được sử dụng để phân tích phổ gamma với đầu dò HPGe và các mẫu chuẩn Khóa luận này áp dụng phương pháp đo trực tiếp và tính toán, đồng thời đánh giá số liệu dựa trên kết quả thực nghiệm kết hợp với mô phỏng bằng chương trình MCNP6.
KẾ T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N
Bố trí thí nghiệm
Khóa luận này khảo sát hệ phổ kế gamma phông thấp với đầu dò HPGe GEM50P4-83 do ORTEC sản xuất Đầu dò này là loại đồng trục p, có hiệu suất tương đối 50%, đường kính tinh thể 65,9 mm và chiều cao 11,5 mm Thông số hình học của đầu dò được cung cấp bởi nhà sản xuất và được trình bày trong Bảng 2.4 Thành phần vật liệu của mẫu chuẩn được thể hiện trong Bảng 2.6 và Bảng 2.7, những giá trị này được sử dụng để mô hình hóa đầu dò trong quá trình mô phỏng với tổng số hạt là 10^9 Để thực hiện các phép đo thực nghiệm, mẫu chuẩn được đặt sát mặt đầu dò, trong hộp trụ có đường kính 7,3 cm và bề dày 2 cm.
Khóa luận này sử dụng phần mềm MCNP6 để xây dựng mô hình hệ phổ kế gamma, kết hợp với hai phần mềm xử lý phổ là GENIE 2K và COLEGRAM Sau khi thu nhận phổ gamma từ các mẫu chuẩn, quá trình trừ phông được thực hiện trực tiếp trong GENIE 2K, dựa trên tỷ lệ thời gian đo phông và đo mẫu GENIE 2K cung cấp thông tin chi tiết về phổ, bao gồm ngày đo, thời gian đo, và cho phép truy xuất số kênh tương ứng với đỉnh năng lượng quan tâm Tiếp theo, phần mềm COLEGRAM được sử dụng để xác định diện tích đỉnh năng lượng toàn phần theo số kênh Thời gian đo phổ gamma cho các mẫu chuẩn được trình bày trong Bảng 3.1, trong đó hai mẫu IAEA 434 và IAEA-447 có thời gian đo dài hơn để đảm bảo đủ thống kê số đếm.
Bảng 3.1 Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn
Tên phổ gamma Thời gian đo (s)
Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-
Hình 3.2 và Hình 3.3 trình bày phổ thực nghiệm đo bằng hệ phổ gamma với đầu dò HPGe, trong đó Hình 3.2 thể hiện năng lượng từ 0 MeV đến 0,5 MeV và Hình 3.3 từ 0,5 đến 3 MeV Các đỉnh màu được chú thích trên hình là các đỉnh năng lượng trong phổ mô phỏng với số hạt là 1 tỷ hạt.
Hình 3.2 Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
Hình 3.3 Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-
Xác đị nh hi ệ u su ất ghi đỉnh năng lượ ng toàn ph ầ n cho các m ẫ u chu ẩ n
Đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xây dựng cho từng mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng từ 46,5 keV đến 2641,7 keV Hiệu suất đỉnh này được xác định theo biểu thức (1.5).
Tại năng lượng 186,2 keV có sự chồng chập giữa đỉnh năng lượng của 226 Ra và
Đỉnh năng lượng 186,2 keV chứa 57,2% tín hiệu từ đồng vị 226 Ra và 42,8% từ 235 U Hiệu suất đỉnh toàn phần của 226 Ra tại năng lượng này được xác định theo công thức (3.1) [12,13].
N (E)p là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần
Alà hoạt độ mẫu chuẩn do IAEA cung cấp (Bq/kg) t là thời gian đo (s).
I (E) là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%) m là khối lượng mẫu đo (kg).
Trong quá trình phân rã, đồng vị 212 Bi phân nhánh thành 208 Tl và 212 Po Cụ thể, 212 Bi phát hạt alpha với xác suất phân nhánh 35,96% để trở thành đồng vị 208 Tl, ảnh hưởng đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đồng vị này.
208Tl cần chia cho xác suất phân nhánh là 35,96%
Sai số của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định thông qua phương pháp truyền sai số Trong đó, sai số của số đếm được tính dựa trên phân bố Poisson với công thức: = N N p.
Hoạt độ của các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp được đưa ra trong Bảng 3.2
Bảng 3.2 Hoạt độ các mẫu chuẩn [16]
STT Mẫu chuẩn Đồng vị Hoạt độ (Bq/kg)
238U 22,2±0,8 Đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của các mẫu được làm khớp theo hàm đa thức:
Công thức (3.4) mô tả mối quan hệ giữa loganepe của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (ln ε) và loganepe của năng lượng (ln E), với các tham số B, B1, B2, B3, B4, B5 được xác định thông qua quá trình khớp hàm.
Sử dụng phần mềm ORIGIN để điều chỉnh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần dựa trên kết quả thực nghiệm Độ sai lệch giữa giá trị thực nghiệm và giá trị được điều chỉnh của các mẫu chuẩn được tính toán theo công thức (3.5).
HSTN là giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định từ thực nghiệm, trong khi HSLK là giá trị này được tính toán từ quá trình làm khớp Công thức tính toán là HSTN = − (3.5).
Bảng 3.3 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGU-1
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Hiệu suất làm khớp RD (%)
Bảng 3.4 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-1
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Bảng 3.5 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-434
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Bảng 3.6 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thực nghiệm của các mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng 46,5 keV đến 2641,7 keV được trình bày trong các Bảng 3.3 đến
Bảng 3.6 cho thấy sai số hiệu suất lớn nhất là 8,80% tương ứng với năng lượng 92,38 keV của đồng vị 234 Th trong chuỗi 238 U (mẫu IAEA-RGU-1) Đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xây dựng với độ sai biệt giữa giá trị thực nghiệm và giá trị làm khớp không vượt quá 8,50% cho hầu hết các mẫu chuẩn Tuy nhiên, đỉnh năng lượng 661,7 keV của đồng vị 137 Cs trong mẫu IAEA-443 có độ sai biệt lên đến 13,37%, trong khi mẫu IAEA-RGTH-1 có độ sai biệt dưới 0,1%.
Đánh giá kế t qu ả hi ệ u su ất đỉnh năng lượ ng toàn ph ầ n gi ữ a th ự c nghi ệ m và mô phỏng
Các mẫu chuẩn khóa luận được xác định bởi các thành phần nguyên tố cụ thể, tương tự như các mẫu trong nghiên cứu của S Baccouche và A R Iurian Tỷ lệ đóng góp của các nguyên tố hóa học trong vật liệu mẫu chuẩn được trình bày trong Bảng 2.6 và Bảng 2.7 Các thành phần nguyên tố này được xác định thông qua phương pháp huỳnh quang tia X Khóa luận áp dụng những trọng số này cùng với các giá trị khối lượng và mật độ.
2.5) khai báo vật liệu ứng với từng mẫu chuẩn trong tập tin đầu vào MCNP6 để xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng
Bảng 3.7 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-1
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Bảng 3.8 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-RGTh-1
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Bảng 3.9 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-434
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
Bảng 3.10 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-447
Chuỗi Đồng vị Năng lượng
232Th 208 Tl 2614,5 0,0124 0,0158 21,82 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trog thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng được xác định theo biểu thức (3.6):
HSTN là giá trị hiệu suất đỉnh được xác định từ thực nghiệm, được trình bày trong các Bảng 3.3 đến Bảng 3.6, trong khi HSMP là giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thu được từ mô phỏng.
Kết quả so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng cho các mẫu chuẩn được trình bày trong Bảng 3.7 đến 3.10 Các số liệu cho thấy sự tương đồng đáng kể giữa hai phương pháp, cho phép xác nhận tính chính xác của mô hình mô phỏng trong việc dự đoán hiệu suất năng lượng.
IAEA-RGU-1 đã đạt được sự phù hợp cao giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng tại hai đỉnh năng lượng của đồng vị 234 Th, với độ sai biệt nhỏ hơn 7%.
Năng lượng nhỏ hơn 300 keV thường bị ảnh hưởng bởi sự tự hấp thụ của mẫu, trong khi năng lượng trên 300 keV lại chịu tác động của hiệu ứng trùng phùng Điều này đặc biệt rõ ràng đối với các đồng vị phát nhiều đỉnh năng lượng như 214 Bi.
Sự chênh lệch lớn giữa hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng trong các mẫu IAEA-RGU-1 và IAEA-RGTh-1 có thể được giải thích bởi một số nguyên nhân Đầu tiên, thăng giáng thống kê trong phép đo hiệu suất thực nghiệm có thể gây ra sai số Thứ hai, phép đo chưa điều chỉnh các thông số hiệu ứng trùng phùng đối với các đồng vị phóng xạ phát nhiều bức xạ gamma Ngoài ra, hệ số tự hấp thụ của mẫu cũng chưa được hiệu chỉnh Kết quả mô phỏng thường cao hơn thực nghiệm do các thông số đầu dò có thể thay đổi theo thời gian, đặc biệt là bề dày lớp chết Sự gia tăng bề dày lớp chết ở mặt ngoài tinh thể gây hiệu ứng che chắn, làm giảm thể tích vùng nhạy của đầu dò và dẫn đến giảm hiệu suất, đặc biệt ở vùng năng lượng thấp dưới 100 keV Hơn nữa, bề dày lớp chết ở mặt trong của tinh thể cũng ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất ở vùng năng lượng cao.
Tóm t ắt Chương 3
Trong chương 3, khóa luận trình bày cách bố trí thực nghiệm và xác định hiệu suất đỉnh thực nghiệm cho bốn mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng từ 46,5 keV đến 2614,5 keV Khóa luận cũng đánh giá sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng, đặc biệt đối với các đồng vị phát nhiều bức xạ gamma như 214 Bi và 214 Pb, đồng thời giải thích nguyên nhân gây ra độ sai biệt này.
Khóa luận nghiên cứu sự ảnh hưởng của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường đã đạt được những kết quả quan trọng Cụ thể, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định cho bốn mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng từ 46,5 keV đến 2614,5 keV, với độ sai biệt giữa kết quả thực nghiệm và hiệu suất đỉnh không vượt quá 8,50%, ngoại trừ đỉnh năng lượng 661,7 keV của đồng vị 137 Cs trong mẫu IAEA-443 có độ sai biệt là 13,37% Đánh giá kết quả cho thấy sự phù hợp giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và mô phỏng tại hai đỉnh năng lượng của đồng vị.
234Th với độ sai biệt nhỏhơn 7% Đối với các đồng vị phát nhiều bức xạ gamma
214Bi, 214Pb, 208Tl và 228Ac có độ sai biệt cao, điều này có thể được giải thích bởi nhiều nguyên nhân khác nhau Một trong những yếu tố quan trọng là hiệu suất đỉnh, ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần nguyên tố trong các mẫu chuẩn Khóa luận này dựa vào thành phần nguyên tố từ các mẫu chuẩn tham khảo trong hai nghiên cứu của S Baccouche và cộng sự.
A R Iurian cùng cộng sự [11] để thực hiện mô phỏng, nên dẫn đến độ sai biệt cao giữa thực nghiệm và mô phỏng
Khóa luận đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, tuy nhiên để nâng cao kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của hiệu suất vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường, đề tài kiến nghị các hướng phát triển sau: thực hiện đánh giá hệ số tự hấp thụ các mẫu chuẩn IAEA qua thực nghiệm, khảo sát hiệu ứng trùng phùng đối với các đồng vị phóng xạ như 214 Bi và 214 Pb, và xác định hoạt độ của các mẫu môi trường nhằm đánh giá độ chính xác của phương pháp.
[1] Ngô Quang Huy, (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học và Kỹ thuật
[2] Hoàng Đức Tâm, (2019), Phân tích sai số dữ liệu thực nghiệm, NXB Đại học Sư
Phạm, Thành phố Hồ Chí Minh
[3] L T N Trang, H D Chuong, and T T Thanh, (2019), “Efficiency calibration for HPGe detector by Monte Carlo efficiency transfer method,” Sci Technol Dev J - Nat Sci., vol 3, no 1 SE-Original Research
Nguyễn Ngọc Lệ (2013) đã thực hiện nghiên cứu về việc xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu thực vật thông qua phương pháp phổ gamma Luận văn này được bảo vệ tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội, góp phần quan trọng vào lĩnh vực vật lý và môi trường.
Trần Ái Khanh (2008) đã thực hiện một nghiên cứu về hiệu suất của detector HPGe với hình học mẫu lớn bằng phương pháp Monte Carlo trong luận văn Thạc sĩ Vật lý tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về ứng dụng của phương pháp Monte Carlo trong việc khảo sát hiệu suất của các thiết bị đo lường hiện đại.
[6] Đặng Nguyên Phương, (2015), “Hướng dẫn cơ bản sử dụng MCNP cho hệđiều hành Windows”, nhóm NMTP
[7] G K Skinner, (1996), Practical gamma-ray spectrometry, vol 52, no 3
[8] U S Customs, B Protection, D Nuclear, and D Office, (2011), “Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling”.
In their 2012 study, Baccouche et al applied the Monte Carlo method to calibrate the efficiency of CsI and NaI detectors for gamma-ray measurements from terrestrial samples This research, published in *Applied Radiation and Isotopes*, highlights the effectiveness of Monte Carlo simulations in enhancing the accuracy of gamma-ray detection in environmental samples.
[10] S Mohammad Modarresi and S Farhad Masoudi, (2018), “On the gamma spectrometry efficiency of reference materials and soil samples,” J Environ Radioact., vol 183, no July 2017, pp 54–5
In their 2016 study published in *Applied Radiation and Isotopes*, Iurian et al examined the uncertainty in measurement results for the determination of 210Pb, emphasizing the impact of matrix composition on gamma-ray spectrometry The research highlights the importance of considering matrix effects to enhance the accuracy and reliability of radiometric measurements.
[12] Vuong L.Q, Tao C.V, Thanh T.T, (2017), Revision of nuclear data of U-235 and Ra-226 for the 186 keV gamma-ray peak for the determination of activity in environmental samples, J Radioanal Nucl Chem 314:1273-1277
[13] Thanh T.T, Vuong L.Q, (2018), Validation of an advanced analytical procedure applied to the measurement of environmental radioactivity, Journal of Environmental Radioactivity 184-185, 10
[15] http://www.nucleide.org/Laraweb/index.php
[16] https://nucleus.iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Index-for
Bảng P.B.1 Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-RGU-1
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
Bảng P.B.2 Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-RGTH-1
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
Bảng P.B.3 Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-434
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm
Bảng P.B.4 Diện tích đỉnh năng lượng toàn phần đối với mẫu chuẩn IAEA-447
Chuỗi Đồng vị E (keV) Số đếm