TỔNG QUAN
Phân rã phóng xạ và nguồn gốc của bức xạ gamma
Nghiên cứu về hiện tượng phóng xạ cho thấy rằng các hạt nhân nguyên tử không bền sẽ tự phân rã, phát ra các hạt như hạt alpha (α), beta (β -), và positron (β +), cùng với bức xạ điện từ hoặc bức xạ gamma (ɣ).
Hình 1: Sơ đồ 60 Co phân rã về hạt nhân 60 Ni.
Trong hạt nhân, các nucleon thường ở mức năng lượng thấp nhất, tạo thành trạng thái cơ bản Khi một nucleon nhận năng lượng từ bên ngoài và nhảy lên mức năng lượng cao hơn, hạt nhân chuyển sang trạng thái kích thích, với một lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn Trạng thái kích thích không bền, và nucleon ở mức năng lượng cao sẽ giải phóng năng lượng dư thừa, tương đương với hiệu của hai mức năng lượng Sự giải phóng năng lượng này có thể diễn ra dưới dạng bức xạ điện từ, tạo ra bức xạ gamma, hoặc thông qua việc truyền năng lượng cho một electron quỹ đạo, dẫn đến sự phát ra electron biến hoán nội.
Phương trình toán học biểu diễn quá trình phân rã
Quá trình phân rã phóng xạ là quá trình thống kê Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ sẽ bị suy giảm theo thời gian.
H 0 và N 0 là hoạt độ và số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm ban đầu.
H và N là hoạt độ và số hạt nhân phóng xạ còn lại sau thời gian t.
� = � �� 2 1/2 là hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ.
T 1/2 là chu kì bán rã của hạt nhân phóng xạ.
Hình 2: Quy luật suy giảm của số hạt nhân phóng xạ theo thời gian.
Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma khi tương tác với môi trường vật chất không gây ion hóa trực tiếp như các hạt tích điện, mà thông qua các tương tác với electron và hạt nhân nguyên tử Ba tương tác chính của bức xạ gamma với nguyên tử bao gồm hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Bức xạ gamma có năng lượng vượt trội hơn năng lượng liên kết của electron trong lớp vỏ nguyên tử Khi tương tác với electron, bức xạ gamma truyền toàn bộ năng lượng, giải phóng electron đó ra khỏi nguyên tử, được gọi là electron quang điện Động năng của electron quang điện được tính bằng hiệu giữa năng lượng bức xạ gamma và năng lượng liên kết của electron trên quỹ đạo n.
Hiệu ứng quang điện xảy ra với xác suất cao hơn ở các electron lớp vỏ bên trong nguyên tử Khi một electron lớp trong được giải phóng, electron ở lớp vỏ ngoài sẽ nhảy xuống vị trí đó, đồng thời phát ra bức xạ tia X đặc trưng do sự chênh lệch năng lượng liên kết giữa hai lớp vỏ nguyên tử.
Hình 3: Mô tả hiệu ứng quang điện [2]
Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện trên một nguyên tử:
1.3.2 Hiệu ứng tán xạ Compton
Bức xạ gamma có năng lượng cao đủ để tương tác với các electron trong lớp vỏ nguyên tử, khiến chúng trở thành electron tự do Khi bức xạ gamma va chạm với electron, nó bị tán xạ và mất một phần năng lượng để giải phóng electron, đồng thời cung cấp động năng cho electron đó Năng lượng của bức xạ gamma sau khi tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ θ và năng lượng ban đầu của bức xạ gamma Các photon gamma bị tán xạ vẫn có khả năng gây ra hiện tượng tán xạ Compton và các hiệu ứng quang điện khác.
Hình 4: Mô tả hiệu ứng tán xạ Compton [2].
Xác suất xảy ra hiệu ứng tán xạ Compton trên một nguyên tử:
Khi bức xạ gamma có năng lượng vượt quá hai lần năng lượng nghỉ của electron (E = 1022 keV), nó sẽ tương tác với môi trường và bị hấp thụ bởi điện trường của hạt nhân, dẫn đến sự hình thành một cặp electron (e−) và positron (e+).
Positron, phản hạt của electron, tương tác với electron trong môi trường vật chất, dẫn đến việc hủy lẫn nhau Quá trình này tạo ra hai lượng tử gamma ngược chiều nhau, mỗi lượng tử mang năng lượng 511 keV.
Hình 5: Mô tả hiệu ứng tạo cặp
Xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp trên một nguyên tử:
Độ suy giảm cường độ của chùm gamma khi đi qua lớp vật chất
Khi bức xạ gamma đi qua một lớp vật chất, nó có khả năng tương tác và bị hấp thụ bởi các nguyên tử trong lớp đó Do đó, cường độ của chùm bức xạ gamma sẽ giảm khi di chuyển qua lớp vật chất.
1.4.1 Hệ số suy giảm tuyến tính
Khi bức xạ gamma đi qua một lớp vật chất, xác suất tương tác của nó phụ thuộc vào bản chất của lớp vật chất và số lượng nguyên tử mà bức xạ có khả năng tương tác Độ suy giảm cường độ của bức xạ gamma khi đi qua lớp vật chất có bề dày được mô tả theo định luật Beer – Lambert.
� là cường độ của chùm bức xạ gamma.
� là tổng xác suất các quá trình tương tác của bức xạ gamma trên một nguyên tử của lớp vật chất.
� là số nguyên tử trên 1 đơn vị thể tích của lớp vật chất.
� là bề dày của lớp vật chất.
� = �0 � −� � � (3) với: �0 là cường độ ban đầu của chùm bức xạ gamma tới.
Hệ số suy giảm tuyến tính: � = � � đại diện cho khả năng hấp thụ bức xạ gamma của lớp vật chất. ρ Z
Công thức (3) được viết lại là:
Hình 6: Độ suy giảm cường độ bức xạ gamma theo hàm e mũ.
1.4.2 Hệ số suy giảm khối
Hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào số lượng nguyên tử trong một đơn vị thể tích của lớp vật chất, cho thấy mối liên hệ với mật độ khối của lớp vật chất đó.
Trên thực tế, người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối tính bằng �/�, khi đó công thức (4) sẽ trở thành:
Tích � � được gọi là bề dày khối.
Hệ số suy giảm khối không liên quan đến mật độ khối mà chỉ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của lớp vật chất, điều này giúp việc tra cứu và sử dụng trở nên thuận tiện hơn.
Hệ số tự hấp thụ đối với nguồn thể tích
Khi mẫu đo chứa các nguyên tố phóng xạ phân bố đồng đều, bức xạ gamma từ các nguyên tố ở các vị trí khác nhau sẽ phải xuyên qua các độ dày khác nhau của mẫu trước khi đến detector, dẫn đến sự suy giảm bức xạ không đồng nhất.
Sự tự hấp thụ của mẫu có ảnh hưởng đến số đếm nhận được trên detector, bên cạnh hiệu suất ghi của detector.
� = �0 � � �ℎ� (6) trong đó: ɛ là hiệu suất ghi của detector.
C tht là hệ số tự hấp thụ của mẫu.
Phương pháp phổ gamma yêu cầu mẫu chuẩn và mẫu đo có hiệu suất ghi và hệ số tự hấp thụ giống nhau Tuy nhiên, trong thực tế, việc đảm bảo khối lượng mẫu chuẩn bằng mẫu đo trong cùng một cấu hình hộp đo không phải lúc nào cũng khả thi Hơn nữa, sự khác biệt về thành phần cấu tạo giữa mẫu chuẩn và mẫu đo dẫn đến sự khác biệt về hệ số tự hấp thụ Do đó, việc xác định hệ số tự hấp thụ là rất cần thiết để nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán.
1.5.1 Xác định hệ số tự hấp thụ
Giả sử mẫu có bề dày x và hệ số suy giảm tuyến tính μ, các nguyên tố phóng xạ được phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích mẫu.
Cường độ bức xạ gamma phát ra từ mặt dr sau khi đi qua bề dày r là:
Lấy tích phân theo bề dày x ta được:
Cách tính hệ số tự hấp thụ bức xạ gamma không chỉ đơn giản như khi bức xạ phát ra vuông góc xuống detector Trong thực tế, bức xạ gamma phát ra theo hướng đẳng hướng, dẫn đến việc bức xạ đến detector từ nhiều góc độ khác nhau và xuyên qua các bề dày mẫu khác nhau Điều này phụ thuộc vào vị trí và hình dạng của mẫu cũng như detector, làm cho việc tính toán trở nên phức tạp hơn nhiều.
1.5.2 Xác định hệ số suy giảm tuyến tính
Khi biết thành phần hóa học của mẫu:
Giả sử mẫu đo cấu tạo bởi k nguyên tố có hàm lượng tương ứng là: q 1 , q 2 , …, q k (q 1 + q 2 + q 3 + … + q k = 1) có khối lượng m và thể tích V.
Số nguyên tử có trong mẫu là:
�=1 � � 0 tử/mol]. với A i là số khối của nguyên tố i và �0 = 6,022 × 1023 [nguyên
Số nguyên tử có trong 1 đơn vị thể tích mẫu là:
� với � = �/� là mật độ khối của mẫu.
Tổng xác suất tương tác của bức xạ gamma với nguyên tố i, ký hiệu là P(Eɣ, Ni), có thể được xác định thông qua các công thức liên quan đến năng lượng bức xạ gamma Eɣ và số nguyên tử của nguyên tố i là Ni, hoặc từ các giá trị đã được đo thực nghiệm.
(https:// physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html).
Khi đó, hệ số suy giảm tuyến tính được xác định là:
Khi chưa xác định được thành phần hóa học của mẫu, hệ số suy giảm tuyến tính có thể được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm, cụ thể là phương pháp đo hệ số truyền qua.
Hình 8: Cấu hình thực nghiệm xác định hệ số suy giảm tuyến tính [16]
Sơ đồ thí nghiệm xác định hệ số suy giảm tuyến tính được minh họa trong hình 8 Bức xạ từ nguồn được chiếu trực tiếp vào detector trong hai trường hợp: (a) khi hộp đo rỗng và (b) khi hộp đo chứa mẫu có bề dày x.
I 0 (E) là cường độ bức xạ gamma tới detector khi không có vật cản.
I(E) là cường độ bức xạ gamma sau khi đi qua lớp vật chất bề dày x.μ(E) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với năng lượng E.
Cơ sở vật lý của phương pháp gamma xác định hoạt động phóng xạ của các đồng vị
Các hạt nhân không bền sẽ tự phân rã phóng xạ alpha hoặc beta để chuyển đổi thành các đồng vị khác Hạt nhân con thường được hình thành ở trạng thái kích thích và tự giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ hoặc thông qua biến hoán nội để trở về trạng thái có năng lượng thấp hơn, cuối cùng là trạng thái cơ bản Khi hạt nhân nhảy từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp, bức xạ điện từ phát ra được gọi là bức xạ gamma Năng lượng của bức xạ gamma được xác định bằng hiệu năng lượng giữa hai mức dịch chuyển: Eɣ = E2 – E1, trong đó E2 và E1 là năng lượng tương ứng với hai trạng thái đầu và cuối trong quá trình dịch chuyển gamma.
Phổ gamma do hạt nhân phát ra có tính chất gián đoạn, tương tự như phổ alpha, và được coi là phổ vạch Điều này có nghĩa là năng lượng của các mức năng lượng hạt nhân là xác định, đặc trưng cho từng loại hạt nhân.
Khi xảy ra phân rã alpha hoặc beta, hạt nhân con thường ở trạng thái kích thích và sẽ khử kích thích bằng cách phát ra tia gamma Quá trình này dẫn đến việc hạt nhân có thể phát ra một hoặc nhiều tia gamma, phản ánh sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái nội tại của hạt nhân Do đó, mỗi hạt nhân khi phân rã sẽ phát ra một hoặc một số bức gamma đặc trưng cho nguyên tố đó.
Dựa vào các đỉnh hấp thụ toàn phần trong phổ gamma, thiết bị có thể xác định năng lượng bức xạ gamma phát ra từ mẫu khi đi vào detector, từ đó nhận diện các đồng vị phóng xạ phát gamma có trong mẫu Để thực hiện điều này, cần tiến hành chuẩn năng lượng, tức là xác định hàm phụ thuộc giữa năng lượng bức xạ gamma và vị trí số kênh tương ứng, thường được chọn là hàm tuyến tính.
Chúng ta có thể sử dụng một hoặc nhiều nguồn chuẩn với năng lượng bức xạ gamma đã biết để xác định vị trí kênh các đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần Sau khi ghi nhận phổ từ các nguồn chuẩn, ta có thể xây dựng đường chuẩn năng lượng tương ứng với các năng lượng gamma phát ra.
Hình 9: Đường chuẩn năng lượng.
Mỗi đồng vị phóng xạ khi phân rã sẽ phát ra bức xạ gamma đặc trưng, có năng lượng đặc trưng cho nguyên tố đó Số lượng tia gamma phát ra trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của đồng vị Cụ thể, số bức xạ gamma có năng lượng E ɣ phát ra từ mẫu trong một giây được tính theo công thức n ɣ = I ɣ A, trong đó n ɣ là số bức xạ gamma phát ra.
I ɣ cường độ phát xạ tia gamma có năng lượng E ɣ [%].
Hoạt độ của nguyên tố phát bức xạ gamma được đo bằng đơn vị Bq, và để nhận biết các bức xạ gamma đặc trưng từ mẫu, ta dựa vào các đỉnh hấp thụ toàn phần trong phổ gamma được ghi nhận bởi detector Với tia gamma có năng lượng xác định, việc xác định số tia gamma phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian cho phép tính được hoạt độ phóng xạ A của đồng vị trong mẫu Để xác định số lượng tia gamma nγ, ta dựa vào diện tích của đỉnh hấp thụ toàn phần Do đó, để xác định hoạt độ của đồng vị phóng xạ trong mẫu qua phương pháp phổ gamma, cần ghi nhận phổ gamma của mẫu Hình 10 minh họa phổ gamma được ghi nhận trên hệ phổ kế gamma bán dẫn tại Trung tâm phân tích thuộc Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Nguyên tử Việt Nam.
Hình 10: Phổ gamma của một mẫu đất ghi nhận trên hệ phổ kế gamma bán dẫn.
Sau khi phân tích phổ gamma, các đồng vị phóng xạ trong mẫu được nhận diện cùng với diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng Dựa vào phổ gamma phông của thiết bị và phổ gamma của mẫu, tốc độ đếm đã được trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần được tính toán Gọi n là tốc độ đếm đã trừ phông tại đỉnh hấp thụ toàn phần với năng lượng Eγ, ε là hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần có năng lượng Eγ, hoạt độ A của đồng vị trong mẫu được tính theo công thức xác định.
(17) trong đó: A là hoạt độ của nguyên tố phát bức xạ gamma [Bq]. n là tốc độ đếm tại năng lượng E ɣ đã trừ phông [số đếm/giây].
Diện tích đỉnh tại năng lượng E ɣ đã trừ phông được ký hiệu là S Thời gian đo mẫu được ký hiệu là t, tính bằng giây Hiệu suất ghi của detector tại đỉnh năng lượng E ɣ được ký hiệu là ɛ Cường độ phát xạ tia gamma có năng lượng E ɣ được ký hiệu là I ɣ, biểu thị bằng phần trăm.
Từ công thức (17) nhận thấy với mỗi vạch gamma có năng lượng E γ xác định,
Để tính hoạt độ A của đồng vị trong mẫu, bạn cần biết hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phần và xác định giá trị n từ các thí nghiệm.
Phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn có thành phần tương tự và cấu hình đo giống với mẫu cần phân tích Sau khi đo mẫu chuẩn, hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố trong mẫu này sẽ được dùng để xây dựng đường cong hiệu suất ghi Đường cong này giúp xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu đo một cách chính xác.
Mẫu chuẩn Đường cong hiệu suất ghi Mẫu đo
Hình 11: Mô tả phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn.
Một số hàm khớp cho đường cong hiệu suất ghi được sử dụng đối với detector bán dẫn:
• Gray và Ahmad (1985) cho khoảng năng lượng từ 80 đến 1850 keV:
• Sanchez-Reyes (1987) cho khoảng năng lượng từ 63 đến 3050 keV:
• Genie2000, CANBERRA cho khoảng năng lượng từ 50 đến 3000 keV:
Trong đó, ɛ là hiệu suất ghi của detector, E ɣ là năng lượng của bức xạ gamma, a i là các hệ số làm khớp.
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO GEANT4
Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo GEANT4
Geant4 là một phần mềm mô phỏng mạnh mẽ được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C++ và biên dịch bằng g++ trên hệ điều hành Linux Nó sử dụng phương pháp Monte-Carlo để mô phỏng đường đi của các hạt khi tương tác với môi trường vật chất Được phát triển bởi CERN, GEANT4 cung cấp các công cụ toàn diện để mô phỏng detector và các quá trình vật lý liên quan, cho phép nghiên cứu tương tác của các hạt trên một dải năng lượng rộng Hiện nay, GEANT4 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật lý hạt nhân, vật lý năng lượng cao, máy gia tốc, y học và khoa học vũ trụ.
Geant4 sử dụng kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, trong đó chương trình được chia thành các lớp và lớp con, được coi là các đối tượng độc lập Mỗi đối tượng mang một tên riêng, và mọi tham chiếu đến nó đều thông qua tên này Điều này cho phép mỗi đối tượng nhận thông báo, xử lý dữ liệu bên trong và gửi phản hồi đến các đối tượng khác hoặc môi trường một cách độc lập.
Một chương trình mô phỏng hoàn chỉnh bao gồm chương trình nguồn, sử dụng các câu lệnh và mã lệnh kết nối với dữ liệu thư viện để tạo ra sản phẩm cuối cùng Chương trình nguồn kiểm soát thao tác lệnh và giao diện người dùng, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số cần thiết Máy tính sẽ biên dịch chương trình này và thực thi các yêu cầu từ người lập trình.
Để phát triển một chương trình mô phỏng sử dụng bộ công cụ Geant4, người dùng cần xây dựng ba lớp bắt buộc Hình 12 minh họa sơ đồ làm việc của GEANT4, giúp người dùng hình dung rõ hơn về quy trình này.
Cấu trúc của detector bao gồm ba phần chính: Solid Volume, Logical Volume và Physical Volume Solid Volume được tạo thành từ các hình khối đơn giản như hình hộp, đa diện lồi, hình ống và hình trụ Logical Volume kết hợp hình thể và vật liệu, chỉ ra các thuộc tính như màu sắc, độ đậm nhạt và đặc rỗng của vật thể Cuối cùng, Physical Volume xác định vị trí của vật thể trong không gian.
Physics List: khai báo các thông tin về loại hạt sử dụng trong mô phỏng và các quá trình vật lý đối với từng hạt.
Primary Generator Action: khai báo những điều kiện ban đầu của nguồn phát (hướng bắn, vị trí bắn, mật độ và năng lượng của nguồn) [3]
Trong GEANT4, người dùng xây dựng cấu trúc hình học trong không gian ba chiều, cung cấp thông tin về hình học, vật liệu và vị trí của hệ Hạt và bức xạ được tạo ra với các thông số năng lượng và hướng bay sẽ tương tác với môi trường vật theo các quá trình vật lý đã được khai báo Ngoài ra, tương tác của các hạt thứ cấp, được sinh ra từ hạt sơ cấp, cũng được chú trọng; mỗi loại hạt và tương tác đều có mô hình riêng Chương trình ghi nhận và xuất ra thông tin theo các điều kiện ban đầu mà người dùng thiết lập.
Phần mềm LabSOCS
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm LabSOCS
LabSOCS là một chương trình mô phỏng Monte-Carlo, được phát triển trên nền tảng REXX và tích hợp vào phần mềm Genie 2000 của Canberra, hoạt động trên hệ điều hành WINDOWS của máy tính cá nhân.
LabSOCS cho phép xây dựng đường cong hiệu suất chính xác cho nhiều hình dạng mẫu mà không cần mẫu chuẩn Khác với các chương trình khác, LabSOCS cung cấp thông tin chi tiết về detector và sử dụng dữ liệu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) của Mỹ cùng với chương trình mô phỏng Monte-Carlo MCNP.
Thông tin về tinh thể của detector là yếu tố quan trọng để xác định hiệu suất nội của nó Tuy nhiên, việc xác định chính xác các chi tiết bên trong lớp vỏ bọc, như hình dáng, thể tích hoạt động, bề dày lớp chết và vị trí của phần detector lạnh, là rất khó khăn Sự khác biệt giữa hiệu suất nội được tính toán từ thông tin kích thước của nhà sản xuất và hiệu suất thực tế có thể dẫn đến sai số lớn Phần mềm ISOCS/LabSOCS có khả năng loại bỏ những sai số này nhờ vào việc cung cấp các thông số chính xác về tinh thể thực của detector.
LabSOCS cung cấp nhiều mẫu cấu hình đa dạng, cho phép người dùng điều chỉnh các tham số trong một khoảng rộng Thời gian trả kết quả nhanh chóng, chỉ dưới một phút Kết quả cuối cùng của LabSOCS là đường cong hiệu suất ghi, giúp người dùng đánh giá hiệu quả một cách chính xác.
Mật độ khối của mẫu.
Hệ số tự hấp thụ.
Thành phần cấu tạo của hộp đo, mẫu đo.
Hiệu suất ghi của detector. Hình dạng và bề dày thành hộp đo.
Hình 13: Các thông số về detector của LabSOCS.
Các yếu tố cần khai báo trong LabSOCS:
Mẫu đo có sự đa dạng về thành phần, điều này khiến việc tìm kiếm mẫu chuẩn phù hợp trở nên khó khăn, bao gồm các loại như mẫu tro bay, mẫu thực vật, mẫu đất, trầm tích và quặng Hơn nữa, sự chênh lệch về khối lượng giữa mẫu đo và mẫu chuẩn trong cùng một cấu hình đo cũng thường xảy ra Tất cả những yếu tố này đều góp phần tạo ra sai số trong quá trình đo lường.
Trong LabSOCS, việc xác định thành phần mẫu đo không thể thực hiện trước, mà cần dựa vào dự đoán từ thư viện vật liệu có sẵn hoặc tạo ra vật liệu mới Mặc dù thành phần mẫu dự đoán có thể không hoàn toàn giống với mẫu đo thực tế, nhưng chúng vẫn tương đồng ở một mức độ nhất định, giúp giảm sai số so với phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn khi không có mẫu tương tự Hơn nữa, LabSOCS cho phép điều chỉnh mật độ khối của mẫu, loại bỏ sai số do sự khác biệt về mật độ giữa mẫu chuẩn và mẫu đo trong phương pháp phổ gamma.
2.2.2 Sử dụng phần mềm LabSOCS
Sau khi cài đặt phần mềm ISOCS/LabSOCS Trong cửa sổ phần mềm Genie2k, tại mục Options, chọn Geometry Composer Sau đó chọn mục File =>
New (hoặc bấm Ctrl + N), cửa sổ để chọn loại cấu hình đo sẽ hiện ra Chọn mụcLabSOCS, sau đó lựa chọn cấu hình hộp đo mẫu của mình.
Hình 14: Chọn cấu hình hộp đo.
Sau khi chọn cấu hình hộp đo, cửa sổ chọn loại detector sẽ hiện ra.
Sau khi chọn detector, cửa sổ nhập thông tin cấu hình đo và mẫu sẽ xuất hiện Tại đây, bạn cần chọn đơn vị đo độ dài và nhập các thông số như kích thước hộp đo, bề dày, loại vật liệu của các thành hộp đo và mẫu, mật độ khối của mẫu, thông tin về tấm hấp thụ, cũng như khoảng cách giữa nguồn và detector Cuối cùng, hãy chọn View để tiếp tục.
Drawing để biết thêm chi tiết về các kích thước của hộp đo.
Khi chọn định dạng mẫu dựa trên hình học, cần lưu ý rằng mẫu sẽ lấp đầy vùng thể tích đã khai báo Để điều chỉnh khối lượng mẫu, bạn có thể thay đổi mật độ khối của mẫu thay vì giữ nguyên giá trị mặc định.
Mật độ khối mặc định của "drydirt" là 1.6, tương ứng với khối lượng mẫu lên tới 298.56 g Để đạt được khối lượng mẫu thực tế khoảng 141.19 g, cần giảm mật độ khối xuống 0.7565.
Hình 16: Nhập các thông số về cấu hình hộp đo và mẫu.
Một số loại vật liệu có thể không có sẵn trong thư viện hiện tại Để tạo thêm thư viện cho các vật liệu mới, bạn có thể chọn mục Edit => Materials Library hoặc nhấn Ctrl + M Tại đây, bạn có thể nhập thông tin về thành phần cấu tạo và mật độ khối của vật liệu mới (xem thêm phụ lục 2).
Thành phần cấu tạo chung của một loại vật liệu có thể tìm thấy dễ dàng trên mạng internet.
Hình 17: Bên cạnh thư viện một số loại vật liệu có sẵn, có thể tạo thêm vật liệu mới.
Sau khi hoàn tất việc cấu hình hộp đo, cần khai báo các giá trị năng lượng quan trọng để phần mềm có thể trả lại hiệu suất ghi tương ứng Để thực hiện điều này, hãy chọn mục Edit => Efficiency Curve.
Hình 18: Chọn các vị trí năng lượng quan tâm.
Sau khi đã hoàn thành tất cả các bước trên, chọn mục Edit => Efficiency
Curve => Validate geometry để kiểm tra lại các giá trị kích cỡ hộp đo đã đúng chưa.
Sau khi kiểm tra xong, ta lưu lại cấu hình đo bằng cách chọn File => Save
(hoặc bấm Ctrl + S) và điền tên cấu hình vào file lưu.
To calculate the performance values at key energy positions, navigate to Edit => Efficiency Curve => Generate data points in the Genie2k software To retrieve these performance values, select Calibrate => Efficiency => By ISOCS/LabSOCS and then choose the previously saved configuration file.
Hình 19: Hiệu suất ghi sau khi tính toán bằng LabSOCS.
Hình 20: Đường cong hiệu suất ghi vẽ bởi LabSOCS.
2.2.3 Khảo sát sai số do sự khác biệt về thành phần mẫu và mật độ khối trên LabSOCS
Các nghiên cứu về sự khác biệt trong thành phần mẫu và mật độ khối đã được thực hiện trên cấu hình hộp đo hình trụ với kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo có bề dày thành 0.82 mm và đáy 0.90 mm, được chế tạo từ polypropylen.
• Sai số do sự khác biệt về mật độ khối mẫu.
Do sự khác biệt về thành phần mẫu, khối lượng mẫu đo và khối lượng mẫu chuẩn trong cùng một cấu hình hộp đo sẽ khác nhau, bất kể độ nén mẫu có thay đổi như thế nào Ví dụ, nếu mẫu chuẩn là Drydirt với khối lượng khoảng 250g (ρ = 1.34), thì sai số với các mẫu đo có khối lượng m ≈ 200g (ρ = 1.07) và m ≈ 150g (ρ = 0.81) khi sử dụng mẫu chuẩn để chuẩn hiệu suất sẽ như thế nào, giả sử rằng mẫu đo và mẫu chuẩn có cùng thành phần.
Bảng 1: Sai số của hiệu suất ghi gây ra bởi sự khác biệt về mật độ khối tính bởi LabSOCS.
Hiệu suất Hiệu suất Sai khác
• Sai số do sự khác biệt về thành phần mẫu.
Bảng 2: Thành phần cấu tạo của mẫu chuẩn (Soil6) và một số mẫu đất có sẵn trong LabSOCS (Dirt 1, Dirt 4, Drydirt).
Bảng 3: Sai số hiệu suất gây ra bởi sự khác biệt về thành phần mẫu tính bởi
Hiệu suất Hiệu suất Sai khác (%)
Kết quả cho thấy, khi chọn mẫu không quá khác biệt, sai số từ năng lượng 80 keV trở lên (với hộp đo dày khoảng 3 cm) nằm trong giới hạn chấp nhận được Thực tế cho thấy, chỉ có một số ít nguyên tố phát bức xạ gamma có năng lượng nhỏ hơn mức này.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả phân tích mẫu chuẩn
3.1.1 Mô tả các mẫu thực nghiệm Để đánh giá độ chính xác của phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ gamma kết hợp với phần mềm LabSOCS, luận văn đã tiến hành thử nghiệm trên 9 mẫu chuẩn do IAEA cung cấp trên 3 loại mẫu là: mẫu đất, mẫu thực vật và mẫu nước; và 2 cấu hình hộp đo là hình trụ và hình giếng Thông tin về mẫu chuẩn được đưa ra trong bảng 4.
Bảng 4: Thông tin về các mẫu chuẩn sử dụng trong luận văn.
Kí hiệu mẫu Dạng mẫu Nguồn gốc mẫu
S4 – Bottle 108 Cỏ khô IAEA-TEL-2012-03
IAEA-330 Rau bina (spinach) IAEA
3.1.2 Kết quả tính toán với mẫu đất
Khảo sát mẫu đất được thực hiện bằng hộp đo hình trụ với kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo có thành dày 0.82 mm và đáy dày 0.90 mm, được chế tạo từ polypropylen.
Hình 21: Kết quả tính toán mẫu đất S5 – Bottle 108 năm 2012 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn.
Mẫu đất S5 – Bottle 108 nặng khoảng 140g, trong khi mẫu chuẩn IAEA-375 nặng khoảng 260g, dẫn đến sự khác biệt về thành phần và mật độ khối Kết quả thu được cho thấy độ lệch tương đối lớn so với giá trị chuẩn.
Bảng 5: Kết quả tính toán mẫu đất S5 – Bottle 108 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Drydirt, hộp hình trụ.
Nguyên tố Kết quả ngày 15/06/2018 Sai khác (%)
Cs-137 103.8 Bq/kg => 120.4 Bq/kg (01/01/2012) 1.5
LabSOCS giúp hiệu chỉnh sai số về mật độ khối của mẫu, làm giảm đáng kể độ sai số Tuy nhiên, tại các mức năng lượng thấp, sai số vẫn lớn, với 46.5 keV cho Pb-210 và 59.54 keV cho Am-241 Thêm vào đó, hoạt độ riêng của Am-241 trong mẫu thấp cũng góp phần làm tăng sai số.
Bảng 6: Kết quả tính toán mẫu đất IAEA-447 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Drydirt, hộp hình trụ.
Nguyên tố Kết quả ngày 17/08/2018 Chuẩn (15/09/2009) Sai khác (%) Cs-137 366 Bq/kg = 449 Bq/kg
Pb-210 479 Bq/kg 420 Bq/kg 14
Pb-212 37.0 Bq/kg 37.0 Bq/kg 0.0
Ac-228 38.0 Bq/kg 37.0 Bq/kg 2.7
Am-241 2.5 Bq/kg 2.2 Bq/kg 14
Hình 22: Kết quả kiểm tra tay nghề năm 2018 sử dụng LabSOCS với mẫu đất.
Hầu hết các kết quả đều nằm trong giới hạn độ lệch tương đối tối đa cho phép được IAEA công nhận, ngoại trừ hai trường hợp đặc biệt là Am-241 (59.54 keV) và Pb-210 (46.5 keV).
3.1.3 Kết quả tính toán với mẫu thực vật
Khảo sát mẫu thực vật được tiến hành trên hộp đo hình trụ có kích thước 85.16 mm × 32.76 mm (đường kính × chiều cao) Hộp đo có thành dày 0.82 mm và đáy dày 0.90 mm, được chế tạo từ polyproplyne.
Hình 23: Kết quả tính toán mẫu cỏ S4 – Bottle 108 năm 2012 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn.
Bảng 7: Kết quả tính toán mẫu cỏ S4 – Bottle 108 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Cellulos, hộp hình trụ.
Nguyên tố Kết quả (Bq/kg) Sai khác (%)
Bảng 8: Kết quả tính toán mẫu IAEA-330 (rau spinach) sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là Cellulos, hộp hình trụ.
Nguyên tố Kết quả ngày 17/08/2018 Chuẩn (15/10/2007) Sai khác (%) Cs-137 974 Bq/kg => 1248 Bq/kg
3.1.4 Kết quả tính toán với mẫu nước
Các khảo sát đối với mẫu nước được thực hiện trên cấu hình hộp đo hình giếng (bình Marinelli 500ml) được làm bằng polystyrene.
Hình 24: Kết quả tính toán mẫu nước S1, S2 – Bottle 178 năm 2016 bằng phương pháp phổ gamma dùng mẫu chuẩn.
Trong các mẫu nước, thành phần chính giữa mẫu chuẩn và mẫu đo tương đồng, đồng thời không có sự khác biệt về khối lượng mẫu trong cùng một cấu hình đo Do đó, phương pháp phổ kế gamma sử dụng mẫu chuẩn mang lại kết quả chính xác và hiệu quả.
Bảng 9: Kết quả tính toán mẫu nước S1, S2 – Bottle 178 sử dụng LabSOCS giả định vật liệu là nước, hộp hình giếng.
Nguyên tố Kết quả (Bq/kg) Sai khác (%)
Có thể thấy các kết quả tính toán hoạt độ các nguyên tố phóng xạ trong mẫu nước sử dụng LabSOCS cho kết quả rất tốt.
Hình 25: Kết quả kiểm tra tay nghề năm 2018 sử dụng LabSOCS với mẫu nước.
Kết quả so sánh đối chứng
Các khảo sát đã so sánh kết quả giữa phương pháp sử dụng mẫu chuẩn và phương pháp mô phỏng GEANT4, kết hợp với việc đo hệ số truyền qua Nghiên cứu được thực hiện trên cấu hình hộp đo hình trụ có kích thước 76.00 mm × 30.00 mm (đường kính × chiều cao), với bề dày thành hộp đo là 0.90 mm và đáy hộp đo dày 1.77 mm, được làm từ polystyrene.
Bảng 10 trình bày kết quả so sánh hoạt độ phóng xạ riêng của các mẫu đất tự nhiên, được tính toán bằng hai phương pháp: (1) Phương pháp phổ gamma kết hợp với phần mềm LabSOCS và (2) Phương pháp phổ gamma sử dụng mẫu chuẩn từ phòng An toàn bức xạ, Trường Đại học Khoa học tự nhiên.
Bảng 10 trình bày kết quả xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên, so sánh với phương pháp sử dụng mẫu chuẩn tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Những dữ liệu này cho thấy sự chính xác và độ tin cậy của phương pháp phân tích trong việc đo lường hoạt độ phóng xạ, góp phần quan trọng vào nghiên cứu và đánh giá mức độ phóng xạ trong môi trường tự nhiên.
Mẫu Nguyên tố Hoạt độ riêng (Bq/kg) Sai khác (%)
Kết quả từ Bảng 11 cho thấy sự so sánh giữa phương pháp mô phỏng Monte-Carlo GEANT4 và việc đo hệ số truyền qua tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam.
Mẫu Nguyên tố Hoạt độ riêng (Bq/kg) Sai khác (%)