Luận văn Khảo sát đáp ứng của detector hpge cho phóng xạ môi trường bằng phần mềm geant4

.2.3. Các thiết lập cơ sở ban đầu Nguồn sử dụng được khảo sát trong hai trường hợp là nguồn điểm và nguồn có dạng khối hình hộp chữ nhật với chiều dài 100 mm, chiều rộng 100 mm và chiều cao 20 mm, được phân bố đều, gồm nguồn đơn năng (K-40; 1,4602 MeV) và nguồn đa năng với nhiều mức năng lượng (U-238, Th-232). Trong luận văn này chúng tôi tham khảo các số liệu năng lượng từ phòng thí nghiệm quốc gia Henri Becquerel của Pháp (LNHB)[20], [21]. Nguồn được đặt bên trong buồng chì tại gốc tọa độ có tọa độ (0;0;0mm), trong khoảng cách từ buồng chì đến đầu dò cách bề mặt đầu dò một khoảng 59,76 mm, năng lượng tới được phát ra đến đầu dò dưới góc bốn pi. Mẫu nguồn được khảo sát lần lượt trong hai trường hợp là nguồn không có môi trường vật chất và nguồn có ảnh hưởng môi trường vật chất (dạng đất). Với mục đích, khảo sát ảnh 39 hưởng của sự tự hấp thụ lên phổ năng lượng của các bức xạ gamma. Môi trường đất được mô phỏng trong đề tài có khối lượng riêng 1,6 g/cm3 gồm các thành phần với tỉ lệ phần trăm như sau[4]: 2,2 H + 57,5 O + 8,5 Al + 26,2 Si + 5,6 Fe. Đối với bức xạ vũ trụ muon[9], [10], [11] được khảo sát với năng lượng đơn 450 MeV và năng lượng đến đầu dò có dạng tia. Phần này có sự hỗ trợ của chương trình GPS trong Primarygeneratoraction. GPSPRIMARYGENERATORACTION GPSPrimaryGeneratorAction::GPSPrimaryGeneratorAction() { particleGun = new G4GeneralParticleSource(); } GPSPrimaryGeneratorAction::~GPSPrimaryGeneratorAction() { delete particleGun; } void GPSPrimaryGeneratorAction::GeneratePrimaries(G4Event* anEvent) { particleGun->GeneratePrimaryVertex(anEvent); } Theo đó, khi bắn kích thước nguồn, cách bắn, năng lượng sẽ được khai báo. Xét K-40 làm ví dụ điển hình, với các đồng vị U-238, Th-232 phát nhiều mức năng lượng thì việc khai báo cũng hoàn toàn tương tự. Theo thứ tự của các dòng code ta có: Nguồn phát gamma lúc này được khai báo là nguồn K-40, cường độ nguồn là 37000 Bq, bức xạ được phát ra là gamma, nguồn có dạng nguồn điểm, được đặt ở tọa độ (0;0;0), bắn bức xạ tới theo góc 4-pi (type iso), năng lượng của bức xạ được nguồn phát ra là đơn năng với giá trị 1,4602 MeV và có cường độ phát năng lượng này là 10,55 Bq. Với nguồn có kích thước khai báo cũng tương tự với nguồn điểm. Trong code bên # K40 1uCi // nguồn điểm gps/source/intensity 37000. /gps/particle gamma /gps/pos/type Point /gps/pos/centre 0. 0. 0. mm /gps/ang/type iso gps/ene/type User /gps/hist/type energy /gps/hist/point 1.4602 0 /gps/hist/point 1.4602 10.55 //nguồn khối 40 cạnh, dạng nguồn hình hộp chữ nhật được định nghĩa là type Plane, và kích thước khối nguồn hình hộp chữ nhật tương ứng theo các trục Ox, Oy, Oz là (100mm, 100mm, 20mm). /gps/pos/type Plane /gps/pos/shape Circle /gps/pos/halfx 50. mm /gps/pos/halfy 50. mm /gps/pos/halfz 10. mm /gps/pos/radius 50. mm /gps/pos/inner_radius 0. mm /gps/pos/centre 0. 0. 0. mm Code khai báo dạng nguồn, kích thước, vị trí nguồn, kiểu bắn, và năng lượng của các nguồn sẽ trình bày chi tiết trong phụ lục 5. 2.3. Chương trình tác động độ phân giải Độ rộng một nửa khi có ảnh hưởng độ phân giải năng lượng đầu dò ghi nhận được tác động độ phân giải theo quy luật[15]: FWHM = a + b * sqrt(E) (2.1) Với các hệ số a, b được lấy từ các số liệu thực nghiệm của phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại Học Khoa Học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh: a = 0,6982239678*10-3; b = 0,902784899*10-3. Trên cơ sở phương pháp Monte Carlo ta xây dựng được phương trình thể hiện sự phụ thuộc của giá trị năng lượng sau khi tác động độ phân giải vào giá trị năng lượng thu được khi chưa có độ phân giải như sau: Ereso = E + E∆ (2.2) Với 035482,2 σ FWHME =∆ (2.3) Trong đó 0σ gọi là độ lệch chuẩn. Khi đó bằng việc tạo biến cố ngẫu nhiên theo các tọa độ ta thu được độ lệch chuẩn của độ phân giải như sau: float r1,r2,x1,x2,edepstdgaus; r1 = 0.; r2 = 0.; x1 = 0.; x2 = 0.; edepstdgaus = 0.; r1 = (float)rand()/RAND_MAX; // random (0,1). r2 = (float)rand()/RAND_MAX; // random (0,1). x1 = sqrt(-2.*log(r1)); x2 = sin(2.*PI*r2); edepstdgaus = x1*x2; 41 return edepstdgaus; Sau khi thu được độ lệch chuẩn, chương trình tính toán tác động độ phân giải lên năng lượng được xác định theo FWHM và độ lệch chuẩn. Các hằng số a, b tìm được từ số liệu thực nghiệm và được khai báo là hằng số. Đồng thời các giá trị ban đầu của E∆ , và Ereso đều bằng không (biến deltaedep trong đoạn code này chính là E∆ , edepresolution là Ereso). Với mỗi giá trị năng lượng mà detector ghi nhận được (edep) thì chương trình tính ra một Ereso theo công thức edepresolution = edep + deltaedep, và trong đó deltaedep được tính theo công thức: deltaedep=((a+ b*sqrt(edep))/2.35482)*edepstdgaus cũng chính là công thức (1.33). float a, b; a = 0.698223968e-3; b = 0.902784899e-3; float deltaedep,edepresolution; deltaedep = 0.; edepresolution = 0.; deltaedep = ((a +b*sqrt(edep))/2.35482)*edepstdgaus; edepresolution = edep + deltaedep; return edepresolution; Toàn bộ code tác động độ phân giải được trình bày đầy đủ trong phụ lục 6. 2.4. Chương trình lưu dữ liệu và vẽ phổ 2.4.1. Chương trình lưu dữ liệu Dữ liệu được lưu dưới dạng dữ liệu tín hiệu số đếm bằng chương trình lưu, trong phần EVENTACTION, dữ liệu xuất ra dạng thập phân, có đuôi là .txt và có thể sử dụng các chương trình C++, hoặc Exel... để xử lý. Câu lệnh lưu file kết quả luufile.open ("//fileSave.txt",ios::app); trong đó : là đường dẫn đến folder sẽ chứa kết quả. Cụ thể trong luận văn kết quả được lưu dưới định dạng txt như sau: { ofstream luufile; luufile.open ("/home/hau/g4work/mpHPGe/data.txt",ios::app); if (edep > 0) { luufile << edep <<"\n"; } luufile.close(); } Trong đó 42 if (edep > 0) { luufile << edep <<"\n"; } Là câu lệnh điều kiện, ý nghĩa là những năng lượng nào lớn hơn không thì mới lưu. Nhằm mục đích gọn và nhẹ file kết quả. Code của phần này được trình bày trong phụ lục 7. Tất cả các nội dung trên được liên kết thành sự kiện thống nhất nhờ đến các phần GNUmakefile và SteppingAction. Code của phần này được trình bày trong phụ lục 8. 2.4.2. Chương trình vẽ phổ Phổ năng lượng được vẽ dạng Gauss, trục thẳng đứng là logarit (số đếm), trục ngang là trục năng lượng đơn vị MeV. Chương trình được dùng vẽ phổ là chương trình ROOT, xét đoạn code dưới đây. in.open(Form("datareso.txt")); // Tao File.root; tao histogram; tao ntuple TFile *f=new TFile("mpHPGe.root","RECREATE"); TH1F *h1=new TH1F("h1","gauss",2000,0.,2.); File dữ liệu được vẽ phổ là file datareso.txt, được mở trong câu lệnh in.open(Form()); File chủ mpHPGe được tạo ROOT nhờ câu lệnh: TFile *f=new TFile("mpHPGe.root","RECREATE"); Còn trong câu lệnh TH1F *h1=new TH1F("h1","gauss",2000,0.,2.); phổ được vẽ dạng Gauss, 2000 là số khoảng chia. 0 là giá trị năng lượng ở gốc tọa độ, 2. là giá trị năng lượng lớn nhất trên trục năng lượng, đơn vị mặc định là MeV. Như vậy, một độ chia trên trục năng lượng có giá trị tương ứng là 1 keV. Toàn bộ code vẽ phổ được trình bày trong phụ lục 9. 43 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Đề tài thực hiện mô phỏng phổ đáp ứng cho hệ đo gamma phông thấp HPGe đối với một số đồng vị phóng xạ có trong môi trường tự nhiên, bao gồm U-238, Th-232, K-40 và bức xạ muon. Việc bố trí mô phỏng được phân tích chi tiết ở chương 2. Nguồn phát là các đồng vị U- 238, Th-232, K-40 và bức xạ vũ trụ muon. Đối với đồng vị phóng xạ, chúng tôi khảo sát cho nguồn dạng nguồn điểm, nguồn có kích thước không xét đến ảnh hưởng của môi trường và nguồn có kích thước có xét đến ảnh hưởng của sự tự hấp thụ của môi trường. Năng lượng của đồng vị phóng xạ được tham khảo từ Phòng thí nghiệm quốc gia Henri Becquerel của Pháp. Riêng bức xạ vũ trụ muon, chúng tôi xét cho năng lượng tới là 450 MeV, dạng tia, hướng tới vuông góc với bề mặt trên của đầu dò. Trong chương 3 chúng tôi trình bày kết quả mô phỏng đạt được và thảo luận chi tiết cho từng đồng vị và cho bức xạ muon. 3.1. Dạng phổ của đồng vị K-40 và nhận xét Trên Hình 3.1 là phổ năng lượng của nguồn điểm K-40, với năng lượng phát ra đến đầu dò dưới phân bố góc bốn pi. Trên phổ thể hiện rõ rệt sự ảnh hưởng của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tạo cặp và hiệu ứng Compton ở các đỉnh năng lượng toàn phần 1,4602 MeV, đỉnh thoát đơn 0,949 MeV, thoát đôi 0,438 MeV, đỉnh 0,511 MeV và đỉnh tán xạ ngược. Trong đó ta thấy trên phổ năng lượng này, nền Compton rộng chứng tỏ sự ảnh hưởng mạnh và ưu thế của hiệu ứng Compton trong tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất ở năng lượng tới là 1,4602 MeV. 44 Hình 3.1. Phổ năng lượng của đồng vị K-40 dạng nguồn điểm. Hình 3.2. Phổ năng lượng của đồng vị K-40 dạng nguồn khối, khi có và không có sự tụ hấp thụ của đất (với khối lượng riêng của đất là Dđất =1,6 g/cm3). Trên Hình 3.2 là hai phổ năng lượng ứng với mẫu nguồn K-40 phát bức xạ 1,4602 MeV trong trường hợp có môi trường vật chất và không có môi trường vật chất. Dạng phổ năng lượng trong hai trường hợp này tương đồng với dạng phổ trong trường hợp nguồn điểm, ở đây ta cũng ghi nhận được các đỉnh năng lượng như đỉnh năng lượng toàn phần 1,4602 MeV, đỉnh thoát đơn 0,949 MeV, thoát đôi 0,438 MeV, đỉnh 0,511 MeV và đỉnh tán xạ ngược, dạng nền Compton rộng. S ố đế m /k eV K-40 khi có sự tự hấp thụ đất (Dđất =1,6 g/cm3) K-40 khi không tính đến sự hấp thụ đất S ố đế m /k eV Năng lượng (MeV) Năng lượng (MeV) 45 Ở vùng năng lượng nhỏ hơn 0,6 MeV, nền Compton đối với mẫu nguồn có đất thể hiện cao lên hơn đối với mẫu nguồn không có đất. Đó là do gamma bị tán xạ trong môi trường đất, dẫn đến phông nền cao hơn khi xét tới có sự ảnh hưởng của môi trường đất trong mẫu. Một số đỉnh được chọn có thể làm đỉnh đặc trưng cho phổ năng lượng của đồng vị là kết quả được chọn lọc từ việc phân tích đỉnh phổ trong chương trình ROOT. Đỉnh phổ được xét trong khoảng E σ3± so với năng lượng đỉnh (E), bằng các hàm chức năng trong ROOT ta tính được số đếm của phông nền (kí hiệu SB) và số đếm tổng trong đỉnh tương ứng với miền E σ3± . Từ đó ta thu được tỉ số giữa số đếm đỉnh thực (bằng số đếm tổng trong đỉnh trừ số đếm nền tương ứng, kí hiệu là SG) và số đếm tổng trong đỉnh (kí hiệu là Stot ). Hình 3.3. Minh họa đỉnh phổ và nền tương ứng. Với đồng vị K-40 đơn năng, số đếm đỉnh năng lượng toàn phần trong vùng E σ3± khi chưa có môi trường đất là 2,417.105. Còn khi có môi trường đất thì số đếm tương ứng là 2,18.105. Sự thay đổi của số đếm toàn phần là không đáng kể khi có và không có môi trường đất. Đồng thời, dựa vào phổ trên Hình 3.2 ta thấy rằng tại đỉnh năng lượng toàn phần 1,4602 MeV nền Compton rất thấp so với đỉnh trong cả hai trường hợp có và không có đất. Hình 3.4 dưới đây là phổ năng lượng và phông nền của đồng vị K-40 trong trường hợp có môi trường và không có môi trường, được vẽ trong miền năng lượng từ 1,4 MeV đến 1,5 MeV sẽ cho ta thấy rõ hơn về ảnh hưởng của sự tự hấp thụ của môi trường tại đỉnh 1,4602 MeV. Phông nền Đường làm khớp đỉnh phổ dạng gauss Đường giới hạn phông nền Số đ ếm /k eV Năng lượng (MeV) 46 Hình 3.4. Phổ và phông nền của đồng vị K-40 khi có và không có đất trong miền năng lượng từ 1,4 MeV đến 1,5 MeV. Điều này chứng tỏ khi khảo sát đồng vị K-40, sự tự hấp thụ của môi trường đất ảnh hưởng không đáng kể, cho nên việc có mặt môi trường đất là không đáng lo ngại khi xác định hoạt độ của đồng vị K-40. 3.2. Dạng phổ của đồng vị U-238 và nhận xét Hình 3.5. Phổ năng lượng của đồng vị U-238 dạng nguồn điểm. S ố đ ếm /k eV Năng lượng (MeV) Năng lượng (MeV) Số đ ếm /k eV Đường phổ và đường giới hạn phông nền khi có đất Đường phổ và đường giới hạn phông nền khi không có đất 47 Hình 3.6. Phổ năng lượng của đồng vị U-238 dạng nguồn khối, khi có và không có sự tụ hấp thụ của đất (với khối lượng riêng của đất là Dđất =1,6 g/cm3). Trên Hình 3.5 và Hình 3.6 là phổ năng lượng của mẫu nguồn U-238 dạng điểm và dạng có kích thước. Cũng như với nguồn K-40, có sự tương đồng dạng phổ của nguồn điểm và nguồn có kích thước. Trong trường hợp này, phổ ghi nhận khá phức tạp với nhiều đỉnh năng lượng và miền Compton rộng. Đối với nguồn có nhiều năng lượng, có thể dựa vào một số đỉnh đặc trưng trong việc xác định đồng vị cũng như hoạt độ. Tuy nhiên, đối với mẫu nguồn U-238, phông nền Compton nhỏ hơn 0,5 MeV khi có ảnh hưởng của môi trường đất bắt đầu đáng kể. Do đó, việc phân tích đồng vị dựa vào các năng lượng đặc trưng ở vùng năng lượng này sẽ bị ảnh hưởng đáng kể. Dựa vào một số công trình nghiên cứu thực nghiệm của nhóm tác giả Trương Thị Hồng Loan và nhóm tác giả Ngô Quang Huy [3], [5], [6] cùng phổ năng lượng của đồng vị, chúng tôi phân tích một số đỉnh năng lượng đặc trưng của đồng vị U-238 như 0,0633 MeV; 0,25819 MeV; 0,7679 MeV; 1,001 MeV; 1,7654 MeV. Các thông số của các đỉnh năng lượng này trong trường hợp không có sự tự hấp thụ của môi trường và sự ảnh hưởng của sự tự hấp thụ của môi trường được thể hiện trong Bảng 3.1. So sánh tỉ số SG/SB của mỗi đỉnh ứng với khi chưa có môi trường đất và có môi trường đất ta thấy rằng tỉ số SG/SB đều lớn hơn 1, và với các đỉnh năng lượng dưới 0,5 MeV thì tỉ số này giảm mạnh khi có môi trường đất và ở mức năng lượng cao hơn 0,5 MeV thì tỉ số này thay đổi không đáng kể khi không có và có đất. Năng lượng (MeV) Số đ ếm /k eV U-238 khi có sự tự hấp thụ đất (Dđất =1,6 g/cm3) U-238 khi không tính đến sự hấp thụ đất 48 Bảng 3.1. Các thông số của một số đỉnh đặc trưng của đồng vị U-238. Đỉnh (MeV) U-238 nguồn khối - không có sự tự hấp thụ của đất U-238 nguồn khối - có sự tự hấp thụ của đất Ghi chú k∆ = (SG/Stot)k.đất - ( SG/Stot)có.đất τ∆ = (SG/SB)k.đất - ( SG/SB)có.đất 0,0633 σ(MeV) 4,11.10-4 4,40.10-4 E + 3σ (MeV) 0,0645 0,0646 E - 3σ (MeV) 0,0621 0,0620 SG/Stot 0,856 0,786 07,0=∆κ SG/SB 5,96 3,67 =∆τ 2,29 0,25819 σ (MeV) 1,217.10-3 1,584.10-3 E + 3σ (MeV) 0,2619 0,2629 E - 3σ (MeV) 0,2546 0,2534 SG/Stot 0,838 0,666 =∆κ 0,172 SG/SB 5,190 2,000 =∆τ 3,190 0,7679 σ (MeV) 1,050.10-3 1,070.10-3 E + 3σ (MeV) 0,7696 0,7697 E - 3σ (MeV) 0,7633 0,7632 SG/Stot 0,870 0,860 =∆κ 0,01 SG/SB 6,690 6,168 =∆τ 0,522 1,001 σ (MeV) 9,19.10-4 9,14.10-4 E + 3σ (MeV) 1,0038 1,0037 E - 3σ (MeV) 0,9983 0,9984 SG/Stot 0,930 0,933 =∆κ -0,003 SG/SB 13,190 13,843 =∆τ 0,653 1.7654 σ (MeV) 9,29.10-4 1,229.10-3 E + 3σ (MeV) 1,7682 1,7685 E - 3σ (MeV) 1,7627 1,7625 SG/Stot 0,839 0,860 =∆κ -0,021 SG/SB 6,611 6,150 =∆τ 0,461 Phân tích một số đỉnh để thấy rõ ảnh hưởng của tán xạ Compton của các mức năng lượng cao và của sự tự hấp thụ của môi trường lên phổ năng lượng. Với đỉnh 0,0633 MeV tỉ số SG/SB khi chưa có đất là 5,96 khi có đất giảm xuống còn 3,67. Điều này cho thấy khi chưa có đất phông nền tại đỉnh 0,0633 MeV chỉ do các năng lượng cao hơn xảy ra tán xạ Compton với vật chất trong đầu dò đóng góp, nên lúc này số đếm đỉnh thực nhiều gấp 5,96 lần số đếm phông nền. Nhưng khi có đất ta thấy phông nền tăng lên làm cho tỉ số SG/SB giảm, số đếm đỉnh thực lúc này chỉ còn gấp 3,67 lần số đếm nền. Như vậy khi có môi trường đất thì sự đóng góp của sự tự hấp thụ của đất ở mức năng lượng này là đáng kể, nó làm cho phông nền cao hơn trong trường hợp chỉ có sự đóng góp của các mức năng lượng cao hơn. Ảnh hưởng của sự tự hấp thụ 49 càng thể hiện rõ ở đỉnh năng lượng 0,25819 MeV khi tỉ số SG/SB trong trường hợp có hấp thụ của đất giảm đi 2,595 lần so với khi không có sự hấp thụ của đất (từ 5,190 xuống 2,000). Với các đỉnh năng lượng lớn hơn 0,5 MeV như 0,7976 MeV; 1,001 MeV; 1,7654 MeV nền Compton thấp hơn và tỉ số SG/SB khi có và không có đất chênh lệch không còn đáng kể. Dựa vào tỉ số SG/Stot ta cũng nhận được: Trong phổ năng lượng phức tạp của đồng vị U- 238 sự trội lên của các đỉnh trên so với nền Compton là rõ. Cụ thể, tỉ số SG/Stot của các đỉnh 0,0633 MeV; 0,2588 MeV; 0,7679 MeV; 1,001 MeV; 1,7654 MeV rất cao. Khi không có đất thì SG/Stot lần lượt là 0,856; 0,838; 0,870; 0,930; 0,839. Khi có đất thì tỉ số SG/Stot của các đỉnh lần lượt là 0,786; 0,666; 0,860; 0,933; 0,860. Như vậy, dựa vào các kết quả trên ta thấy sự ảnh hưởng đáng kể của sự tự hấp thụ của môi trường đất ở miền năng lượng dưới 0,5 MeV. Cụ thể, biểu hiện qua sự thay đổi không đáng kể của tỉ số SG/Stot và tỉ số SG/SB của các đỉnh năng lượng lớn hơn 0,5 MeV khi không có môi trường và khi có môi trường. Còn với các mức năng lượng nhỏ hơn 0,5 MeV nền Compton cao lên hơn khi có đất và sự thay đổi của các tỉ số SG/Stot và SG/SB là đáng kể. Điều này có thể lý giải là: Tại một đỉnh năng lượng, trong trường hợp chưa có môi trường, nền Compton do chính tán xạ Compton của các năng lượng cao hơn nó tương tác với vật chất tạo ra. Còn khi có môi trường đất thì ngoài sự đóng góp do tán xạ Compton của các năng lượng cao hơn còn có đóng góp của sự tự hấp thụ của môi trường, do đó nền Compton sẽ cao hơn và cao hơn đáng kể ở miền năng lượng dưới 0,5 MeV khi có môi trường đất. Khi năng lượng càng cao thì số đỉnh năng lượng cao hơn nó càng ít, dẫn đến sự ảnh hưởng của tán xạ Compton do năng lượng cao hơn gây ra ít hơn so với mức năng lượng nhỏ, đồng thời ở các mức năng lượng cao hơn 0,5 MeV sự tự hấp thụ của môi trường ảnh hưởng không đáng kể lên phổ năng lượng. Nên lúc này sự đóng góp của tán xạ Compton của các mức năng lượng cao hơn lên nền Compton là chủ yếu. Với kết quả này ta thấy, khi khảo sát đồng vị U-238 các đỉnh 0,0633 MeV; 0,2588 MeV; 0,7679 MeV; 1,001 MeV; 1,7644 MeV dùng làm đỉnh đặc trưng là rất tốt. Tuy nhiên khi dùng đỉnh 0,0633 MeV và đỉnh 0,2588 MeV thì cần quan tâm đến ảnh hưởng của sự tự hấp thụ của môi trường. 3.3. Dạng phổ của đồng vị Th-232 và nhận xét 50 Trên Hình 3.7, 3.8 là phổ năng lượng của mẫu nguồn Th-232 nguồn dạng điểm và dạng khối hình hộp chữ nhật. Trong trường hợp này, phổ ghi nhận khá phức tạp với nhiều đỉnh năng lượng và miền Compton rộng. Hình 3.7. Phổ năng lượng của đồng vị Th-232 dạng nguồn điểm. Hình 3.8. Phổ năng lượng của đồng vị Th-232 dạng nguồn khối, khi có và không có sự tụ hấp thụ của đất (với khối lượng riêng của đất là Dđất =1,6 g/cm3). Đối với nguồn có nhiều năng lượng, có thể dựa vào một số đỉnh đặc trưng trong việc xác định đồng vị cũng như hoạt độ. Dựa vào một số tài liệu thực nghiệm của nhóm tác giả Trương Thị Hồng Loan và nhóm tác giả Ngô Quang Huy[3], [5], [6] cùng với phổ năng lượng thu Năng lượng (MeV) Số đ ếm /k eV Th-232 khi có sự tự hấp thụ đất (Dđất =1,6 g/cm3) Th-232 khi không tính đến sự hấp thụ đất S ố đế m /k eV Năng lượng (MeV) 51 được, ta chọn phân tích một số đỉnh sau 0,1706 MeV; 0,4592 MeV; 0,6699 MeV; 0,8901 MeV; 0,9848 MeV. Bảng 3.2 phân tích chi tiết một số thông số của một số đỉnh đặc trưng của phổ năng lượng của đồng vị Th-232. Dựa trên các số liệu thu được trong Bảng 3.2, các đỉnh năng lượng 0,1706 MeV; 0,4592 MeV; 0,6699 MeV; 0,8901 MeV; 0,9848 MeV trội lên rất rõ trên nền Compton khi không có môi trường đất và khi có môi trường đất. Điều này thể hiện ở tỉ số SG/SB và SG/Stot xét trong khoảng năng lượng từ E - 3σ (MeV) đến E + 3σ (MeV) rất cao. Bảng 3.2. Các thông số của một số đỉnh đặc trưng của đồng vị Th-232. Đỉnh (MeV) Th-232 nguồn khối - không có sự tự hấp thụ của đất Th-232 nguồn khối - có sự tự hấp thụ của đất Ghi chú k∆ = (SG/Stot)k.đất - ( SG/Stot)có.đất τ∆ = (SG/SB)k.đất - ( SG/SB)có.đất 0,1706 σ (MeV) 9,01.10-4 9,20.10-4 E + 3σ (MeV) 0,1729 0,1729 E - 3σ (MeV) 0,1675 0,1674 SG/Stot 0,847 0,805 k∆ =0,042 SG/SB 5,53 4,14 τ∆ =1,39 0,4592 σ (MeV) 9,17.10-4 6,76.10-4 E + 3σ (MeV) 0,4620 0,4613 E - 3σ (MeV) 0,4565 0,4572 SG/Stot 0,934 0,860 k∆ =0,74 SG/SB 14,08 6,17 τ∆ =7,91 0,6999 σ (MeV) 7,80.10-4 7,78.10-4 E + 3σ (MeV) 0,6723 0,6722 E - 3σ (MeV) 0,6676 0,6676 SG/Stot 0,885 0,878 k∆ =0,007 SG/SB 7,70 7,17 τ∆ =0,53 0,8901 σ (MeV) 8,89.10-4 8,680-4 E + 3σ (MeV) 0,8920 0,8927 E -3σ (MeV) 0,8891 0,8875 SG/Stot 0,896 0,896 k∆ = 0 SG/SB 8,612 8,660 τ∆ = - 0,048 0,9848 σ (MeV) 9,00.10-4 9,26.10-4 E + 3σ (MeV) 0,9876 0,9876 E - 3σ (MeV) 1,9821 0,9821 SG/Stot 0,925 0,923 k∆ =0,002 SG/SB 12,280 12,045 τ∆ =0,235 Ở đây ta cũng thấy rằng, sự tự hấp thụ của môi trường đất ảnh hưởng lên phổ năng lượng ở miền năng lượng thấp hơn 0,5 MeV mạnh hơn ở miền năng lượng cao hơn 0,5 MeV. Bằng chứng là tỉ số SG/Stot và SG/SB tại đỉnh 0,1706 MeV lần lượt giảm 0,042 và 1,39 khi có 52 môi trường đất; Tại đỉnh 0,4592 MeV hai tỉ số này lần lượt giảm 0,074 và 7,91 khi có đất. Còn với các đỉnh năng lượng lớn hơn 0,5 MeV thì sự thay đổi của tỉ số SG/Stot và SG/SB ít hơn, như là đỉnh 0,6699 MeV thì tỉ số SG/Stot chỉ giảm 0,007 khi có môi trường đất còn tỉ số SG/SB thì chỉ giảm 0,53; Đỉnh 0,8901 MeV thì tỉ số SG/Stot khi có đất và không có đất bằng nhau, tỉ số SG/SB thì lại tăng 0,048; Đỉnh 0,9848 MeV thì độ giảm của tỉ số SG/Stot khi có môi trường đất so với khi không có môi trường đất là 0,002 và tỉ số SG/SB cũng chỉ giảm đi 0,235. Lý giải tương tự như với phổ năng lượng của đồng vị U-238, đối với đồng vị Th-232 ảnh hưởng của sự tự hấp thụ của môi trường chỉ đáng kể đối với các năng lượng dưới 0,5 MeV. Do đó khi xác định hoạt độ của đồng vị Th-232 thì có thể dựa vào một số đỉnh 0,6699 MeV; 0,8901 MeV; 0,9848 MeV. Còn nếu dùng các đỉnh 0,1706 MeV; 0,4592 MeV thì cần quan tâm đến sự tự hấp thụ của môi trường. 3.4. Dạng phổ của muon và nhận xét Hình 3.9. Phổ năng lượng để lại trong đầu dò của bức xạ vũ trụ muon tới 450MeV. Hình 3.9 là phổ năng lượng bức xạ vũ trụ muon với năng lượng tới 450 MeV để lại trong đầu dò, được xét trong vùng (0-2) MeV. Dạng phổ phông nền do muon gây ra có liên tục, có phông nền cao ở vùng năng lượng thấp, và giảm theo năng lượng. Trên phổ năng lượng để lại trong đầu dò của bức xạ vũ trụ muon có đỉnh 0,511 MeV trội lên rất rõ, đây là đỉnh hủy của các positron (sinh ra do sự tự phân hủy của hạt muon âm) với các electron. Số đ ếm /k eV Năng lượng (MeV) 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chúng tôi đã thực hiện mô phỏng phổ đáp ứng cho hệ đo gamma phông thấp HPGe đối với một số đồng vị phóng xạ có trong môi trường tự nhiên, bao gồm U-238, Th-232, K-40 và bức xạ vũ trụ muon. Đầu dò chúng tôi khảo sát là loại HPGe GC2018. Các thông số về kích thước và vật liệu của đầu dò, cũng như thông số về buồng chì được lấy từ nhà sản xuất. Hệ đo này mô tả cho hệ đo HPGe, hiện đang có ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Đại học Khoa học Tự nhiên – TpHCM. Thông số độ phân giải theo năng lượng của hệ đo được lấy từ số liệu thực nghiệm của phòng thí nghiệm. Các mẫu nguồn khảo sát lần lượt trong trường hợp nguồn điểm và nguồn có kích thước. Đối với nguồn có kích thước, chúng tôi xét tới không và có sự tự hấp thụ trong nguồn. Sự tự hấp thụ được xét là môi trường đất có khối lượng riêng Dđất =1,6 g/cm3. Năng lượng ở mỗi đồng vị của K-40, U-238 và Th-232 được tham khảo từ database của phòng thí ngiệm quốc gia của Pháp (LNHB). Hướng bắn của gamma là đẳng hướng 4 pi, mẫu nguồn đặt cách bề mặt đầu dò 59,76 mm. Riêng bức xạ vũ trụ muon được khảo sát với năng lượng tới là 450 MeV, dạng tia, hướng tới vuông góc với mặt trên của đầu dò. Từ các kết thu được từ mô phỏng trên từng đồng vị như sau: Đối với mẫu nguồn K-40, với năng lượng tới 1,4602 MeV, phông nền Compton đối với mẫu nguồn có đất thể hiện đáng kể ở vùng năng lượng nhỏ hơn 0,6 MeV. Tại đỉnh 1,4602 MeV sự ảnh hưởng của phông nền là không đáng kể khi không có và có môi trường. Do vậy việc xác định hoạt độ của đồng vị K-40 ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của môi trường. Đối với mẫu nguồn U-238 và Th-232 dạng phổ phức tạp hơn. Với đồng vị U-238 ta có thể dựa trên một số đỉnh năng lượng đặc trưng như 0,0633 MeV; 0,2588 MeV; 0,7679 MeV; 1,001 MeV; 1,7654 MeV với lưu ý là ở miền năng lượng dưới 0,5 MeV thì sự tự hấp thụ của môi trường đất ảnh hưởng đáng kể, nên khi chọn các đỉnh 0,0633 MeV và 0,2588 MeV để xác định hoạt độ của đồng vị U-238 thì cần đánh giá đến sự tự hấp thụ của môi trường. Với đồng vị Th-232 các đỉnh năng lượng 0,1706 MeV; 0,4592 MeV; 0,6699 MeV; 0,8901 MeV; 0,9848 MeV trội lên rất rõ trên nền Compton khi không có môi trường đất và khi có môi trường đất, tuy nhiên khi có đất phông nền Compton bị ảnh hưởng đáng kể ở vùng năng lượng nhỏ hơn 0,5 MeV nên khi dựa vào các đỉnh 0,1706 MeV; 0,4592 MeV để xác định hoạt độ của Th-232 thì cần quan tâm đến sự tự hấp thụ của môi trường. 54 Đối với muon tới có năng lượng 450 MeV, phổ phông nền có dạng liên tục, có phông nền cao ở vùng năng lượng thấp, và giảm theo năng lượng. Những kết quả đạt được sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về mặt thực nghiệm, xây dựng