Khóa luận Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường

điện Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng cho các electron đó để nó thoát ra khỏi nguyên tử. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của quang electron bằng hiệu năng lượng bức xạ gamma tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân: e lkE E E= − (1.1) trong đó: eE là động năng cực đại của electron. E là năng lượng của photon tới. lkE là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử. Từ biểu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ gamma tới 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 của bức xạ gamma tới nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện xảy ra đối với các electron ở lớp xa hạt nhân hơn. 4 Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện 1.1.2. Hiệu ứng Compton Khi năng lượng gamma tới tăng lên đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu chuyển sang hiệu ứng Compton. Khi đó, có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được xem như tán xạ với electron tự do. Sự va chạm giữa bức xạ gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton. Sau quá trình tán xạ, bức xạ gamma thay đổi hướng bay so với ban đầu và bị mất một phần năng lượng, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton được mô tả qua Hình 1.2. Hình 1.2. Hiệu ứng Compton Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ gamma và electron sau tán xạ được thể hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]: 5 ( ) ' 2 e E E E 1 1 cos m c    = + −  (1.2) ( ) ( ) ' 2 e e 2 e E E 1 cos m c E E E E 1 1 cos m c        −    = − = + −  (1.3) trong đó: E là năng lượng của bức xạ gamma tới. 'E là năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ. eE là động năng cực đại của electron.  là góc bay của gamma sau tán xạ. Khi tán xạ Compton, năng lượng bức xạ gamma giảm và phần năng lượng đó truyền cho electron. Như vậy, động năng electron càng lớn khi gamma tán xạ với góc  càng lớn. Dựa theo biểu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đối với động năng electron eE sau tán xạ phụ thuộc vào góc θ: Khi o0 = thì ( )e minE 0= , bức xạ gamma sau tán xạ mang năng lượng gần bằng năng lượng gamma tới 'E E = . Khi 0180 = thì ( )e max 2E E 1 2  = +  , gamma truyền năng lượng lớn nhất cho electron tức là khi tán xạ giật lùi với 2 e E m c   = . 1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng E 1,02MeV  thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó tạo ra một cặp electron – positron. Đây gọi là hiệu ứng tạo cặp 6 electron – positron. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng của electron và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng 2 eE 2m c − [1]: 2 ee e E E E 2m c+ − + = − (1.4) trong đó: E là năng lượng của bức xạ gamma tới. e E + , eE − lần lượt là động năng của positron và electron. Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp Electron và positron thường di chuyển vài milimet trong vật liệu trước khi bị môi trường hấp thụ năng lượng. Do hai hạt có khối lượng như nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có năng lượng bằng nhau. Electron sẽ mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa và hủy lẫn nhau, đây là hiệu ứng hủy cặp. Quá trình hủy cặp electron – positron tạo ra hai bức xạ gamma bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV. Hai bức xạ này có thể bị hấp thụ hoặc thoát ra khỏi đầu dò và tạo thành các đỉnh thoát trong phổ gamma. Nếu một bức xạ thoát ra khỏi đầu dò thì đỉnh quan sát được có năng lượng ( )2eE m c − gọi là đỉnh thoát đơn. Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát có năng lượng ( )2eE 2m c − gọi là đỉnh thoát đôi. 7 1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium và thorium là các đồng vị phóng xạ không bền. Chúng tự phân rã bằng cách phát ra các hạt alpha, beta và bức xạ gamma thành các đồng vị con, quá trình phân rã tạo thành chuỗi cho đến khi chuỗi kết thúc bằng một đồng vị bền. Trong tự nhiên uranium có ba đồng vị 238U, 235U, 234U; đồng vị 238U chiếm tỷ lệ nhiều nhất (99,25%). Thorium trong tự nhiên chỉ có một đồng vị duy nhất là 232Th. Để đo phổ gamma của các đồng vị này, cần hiểu rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tính chất của các đồng vị con có mặt trong chuỗi. Trong khóa luận này quan tâm nghiên cứu đến các đồng vị phóng xạ phát bức xạ gamma trong chuỗi 238U và 232Th 1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 238U. Trong tự nhiên, 238U chiếm 99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm. Đồng vị 238U phân rã alpha thành đồng vị 234Th. Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bền 206Pb. Hình 1.4. Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U [7] 1.2.2. Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th được đưa ra trong Hình 1.5. Chuỗi phân rã này có 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma. Có thể dùng phổ kế gamma để đo đỉnh năng lượng của các đồng vị 228Ac (911,2 keV, 968,9 keV), 212Pb (238,6 keV), và 208Tl (583,2 keV, 2614,5 keV) một cách dễ dàng. 8 Hình 1.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị 232Th [7] Trong Hình 1.5, đồng vị 212Bi bị phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po. Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi trở thành đồng vị 208Tl bằng cách phát ra hạt alpha với xác suất phân nhánh là 35,96%. Nhánh thứ hai, 212Bi phân rã beta về đồng vị 212Po với xác suất 64,06% nhưng lại không đo được bằng phép đo phổ gamma. Vì vậy, nếu sử dụng 208Tl để xác định hoạt độ của 232Th thì cần phải lấy hoạt độ của 208Tl chia cho xác suất phân nhánh là 35,96%. 1.3. Hiệu suất ghi đầu dò 1.3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE - full energy peak efficiency) là xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt của đầu dò. Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng biểu thức (1.5) [8]: p p N (E) AtI (E)m  = (1.5) trong đó: pN E( ) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. A là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg). 9 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 theo công thức truyền sai số [2]. Do sai số của cân điện tử là 0,001g và đo trong khoảng thời gian lớn nên sai số thời gian và sai số khối lượng có thể được bỏ qua 22 tm 0, 0 m t     = =        . Vậy hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo biểu thức (1.6): p 222 INA p A N I          =  + +             (1.6) trong đó: A là sai số hoạt độ của nguồn. N là sai số diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. I  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 ilog a log E = (1.7) 10 trong đó,  , E và ia lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng đỉnh và các hệ số có được từ việc làm khớp hàm. Hiệu suất ghi nhận của đầu dò bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: khoảng cách từ mẫu đo tới đầu dò, yếu tố hình học của mẫu đo, kích thước vật liệu của mẫu đo, hiệu ứng trùng phùng tổng, sự tự hấp thụ của mẫu [7]. 1.4. Tóm tắt Chương 1 Trong Chương 1, khóa luận đã trình bày về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất; chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ 238U , 232Th và các khái niệm liên quan đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. Các vấn đề trên là nền tảng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của các mẫu chuẩn được đề cập tới trong Chương 3. 11 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Chương trình MCNP6 Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là một trong số các phiên bản của MCNP với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm quang hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler. MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mô tả hình học ba chiều do đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học. Thông qua phần mềm Visual Editor, sử dụng chương trình MCNP6 cần phải mô tả chi tiết về cấu hình, vật liệu và nguồn. Cấu hình đầu dò và nguồn được định nghĩa trong không gian ba chiều. Vật liệu cần xác định được khối lượng riêng, thành phần các đồng vị có mặt trong đó. MCNP6 có thể mô tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguồn trụ...) cũng như các thông số nguồn như năng lượng, vị trí, loại bức xạ. Bên cạnh đó, người dùng có thể điều chỉnh dạng hạt, thông lượng hạt, năng lượng mất mát theo các mục đích khác nhau. Một ưu điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ, giúp người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý trong quá trình chạy mô phỏng. Chính vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử 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: 12 Bảng 2.1. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 Mô tả Cấu trúc Thẻ tiêu đề C HPGe GEM50P4-83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM C 24-April-2019 Cell Cards C ****************** BLOCK 1: CELL CARDS ******** C ----------------------Cell HPGe---------------- 1 2 -5.3230 (-26 5 -27):(27 -24 5):(-5 6 29 -16):(-6 7 15 -16) IMP:P,E=1 $Ge Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards. Surface Cards C *************BLOCK 2: SURFACE CARDS******* C -----------------------HPGe----------------- C ----------------------PLANE----------------- 1 PZ 0.0 Phân cách giữa Surface Cards và Surface Cards. Data Cards C *************BLOCK 3: DATA CARDS********* MODE P C -----------------MATERIAL CARDS---------- M1 13000 -1.000000 $Al density 2.6989 Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào: • Không sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào, chỉ sử dụng phím [Spacebar]. • Kí tự ‘C’ đặt ở đầu dòng và kí tự ‘$’ ở cuối dòng cho phép người dùng ghi chú những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa. MCNP sẽ không thực hiện các dòng ghi chú này trong khi chạy chương trình. 13 • Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm3), tiết diện (barn). 2.1.1.1. Khai báo ô mạng (Cell Cards) Cell là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa trong phần Surface Cards). Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao, hội và bù các vùng không gian tạo bởi các mặt. Mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị dương và âm tương ứng. Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell number), số vật chất (material number), mật độ vật chất (material density) và một dãy các mặt (surfaces) có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:), bù (#) để tạo thành cell. Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]: j m d geom params Trong đó: • j là chỉ số Cell. • 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/cm3 và dấu “-“ nếu tính theo đơn vị g/cm3. • 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 14 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 Trong đó: • j là chỉ số mặt. • n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyển toạ độ. • a là kí hiệu loại mặt. Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vuông góc với trục Ox. • list là các tham số định nghĩa mặt. Trong mô phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng, mặt cầu và mặt elip. Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thể hiện ở Bảng 2.1: Bảng 2.2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6] Ký hiệu Mô tả Phương trình Tham số PZ Mặt phẳng ⊥ trục OZ z D 0− = D CZ Mặt trụ trên trục OZ 2 2 2x y R 0+ − = R SZ Mặt cầu tâm trên trục Oz ( ) 22 2 2x y z z R 0+ + − − = z R TZ Mặt xuyến ellipse hoặc tròn trục song song với trục OZ ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 x x y y A z z 1 0 B C  − + − − −  + − = x y z ABC 15 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) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng. Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW). Để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát. Trong mô phỏng của khóa luận này sử dụng nguồn tổng quát (SDEF). Cú pháp khai báo nguồn tổng quát trong Data Cards như sau: SDEF Thông số 1 Thông số 2 Thông số 3 Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2.3. Trong mô phỏng của khóa luận, ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8. Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trò như một đầu dò vật lý cho phép ghi nhận xung, 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 mô tả qua Hình 2.3. 16 Bảng 2.3. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 [6] Thông số Ý nghĩa CELL Số hiệu cell của nguồn AXS Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT POS Toạ độ 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 lấp đầy trong cell trong quá trình mô phỏng. Các thành phần trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố thành phần và tỉ lệ phần trăm của nguyên tố đó trong vật chất. Cú pháp khai báo: Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 Trong đó: m là chỉ số của vật liệu. ZAID là số hiệu xác định đồng vị có dạng ZZZAAA (với ZZZ là số hiệu nguyên tử, AAA là số khối). Trong khi khai báo đồng vị, số hiệu nguyên tử 17 ZZZ không nhất thiết phải viết đủ 3 chữ số, đối với các đồng vị tự nhiên AAA=000. Ví dụ để khai báo đồng vị 16 8O có thể viết 8016 hoặc 8000. fraction là tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu. Tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số nguyên tử có trong hợp chất nếu mang giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu mang giá trị âm. Ví dụ về Material Cards trong file input của khóa luận được mô tả qua Hình 2.4: Hình 2.4. Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào Trong đó, các thông số từ dòng M1 đến M8 là vật liệu tham khảo từ quy định về vật liệu mô tả trong MCNP [8], M9 là vật liệu của mẫu chuẩn [9,11]. 2.2. Hệ phổ kế sử dụng đầu 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- 83; bộ tiền khuếch đại; thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, đầu dò được làm lạnh bằng Ni-tơ lỏng; buồng chì che chắn. Các thông số của đầu dò do nhà sản suất cung cấp được đưa ra trong Bảng 2.4. Hệ phổ kế được kết nối với máy tính thông qua cổng cáp, việc ghi nhận và xử lí phổ được thực hiện bằng chương trình chuyên dụng Meastro. 18 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 số đầu 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 G Bề dày vỏ 1 Al 2.3. Mẫu chuẩn Việc đo các mẫu chuẩn được thực hiện trên hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng 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, IAEA-447. Đối với mẫu chuẩn IAEA- 19 RGU-1 cần có thời gian nhốt mẫu là 30 ngày để đạt được trạng thái cân bằng phóng xạ của đồng vị 238U và các đồng vị con [13]. Các thông số của mẫu chuẩn về khối lượng và mật độ được đưa ra trong Bảng 2.5. Bảng 2.5. Thông số của mẫu chuẩn STT Mẫu chuẩn Khối lượng (g) Mật độ (g/cm3) 1 IAEA-RGU-1 130,14 1,55 2 IAEA-RTh-1 118,6 1,42 3 IAEA-434 76,24 0,91 4 IAEA-447 107,70 1,28 Xác suất phát bức xạ gamma ( I ) và sai số của xác suất phát bức xạ gamma ( I ) tương ứng với năng lượng của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu chuẩn được đưa ra trong phần Phụ lục C. Tỷ lệ các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn được trình bày ở Bảng 2.6 và Bảng 2.7. Bảng 2.6. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn [9,11] Nguyên tố Mẫu IAEA RGU-1 IAEA RGTh-1 IAEA 434 IAEA 447 C 0,01 9,57 47,4 O 53,16 52,761 40,99 18,37 Na 0,02 0,31 Mg 0,2 0,86 Al 0,1 0,012 4,49 Si 46,6 45,6 1,04 10,88 P 1,43 20 Bảng 2.7. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn (tiếp theo) [9,11] Nguyên tố Mẫu IAEA RGU-1 IAEA RGTh-1 IAEA 434 IAEA 447 S 20,17 K 0,002 0,02 0,06 1,71 Ca 0,03 0,5 26,74 12,61 Ti 0,33 Fe 0,03 0,11 Zn 0,011 Sr 0,016 Y + Re 0,76 Pb 0,008 Th 0,08 U 0,04 2.4. Tóm tắt Chương 2 Trong Chương 2 khóa luận đã trình bày đối tượng nghiên cứu là chương trình MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và các mẫu chuẩn. Khóa luận dùng phương pháp đo trực tiếp và tính toán, phân tích đánh giá số liệu dựa trên kết quả thực nghiệm và mô phỏng sử dụng chương trình MCNP6. 21 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Bố trí thí nghiệm Hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò HPGe GEM50P4-83 do hãng ORTEC sản suất được khảo sát trong khóa luận này. Trong đó, đầu dò HPGe GEM50P4-83 là loại đầu dò đồng trục loại p với hiệu suất tương đối là 50%, có đường kính tinh thể 65,9 mm và chiều cao tinh thể là 11,5 mm. Các thông số hình học của đầu dò do nhà sản xuất cung cấp được đưa ra trong Bảng 2.4. Thành phần vật liệu của mẫu chuẩn đã trình bày trong các 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. Mô phỏng được thực hiện với tổng số hạt là 109 hạt. Để thực hiện các phép đo thực nghiệm, mẫu chuẩn được đặt tại vị trí sát mặt đầu dò (Hình 3.1). Mẫu chuẩn đựng trong hộp trụ có đường kính 7,3 cm, bề dày mẫu 2 cm. Hình 3.1. Mô hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6 Khóa luận sử dụng hai phần mềm xử lý phổ là GENIE 2K và COLEGRAM. Sau khi thu nhận phổ gamma của các mẫu chuẩn, tiến hành trừ phông trực tiếp trong phần mềm GENIE 2K. Việc trừ phông sẽ được tính theo tỷ lệ thời gian đo phông và đo mẫu. Đối với GENIE 2K thu được các thông tin của phổ như ngày đo, thời gian đo và có thể đọc phổ để lấy ra số kênh tương ứng với đỉnh năng lượng cần quan tâm trong khóa luận theo từng mẫu chuẩn. Sau đó, sử dụng phần mềm COLEGRAM để xác định diện tích đỉnh năng lượng toàn phần theo số kênh. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu 22 chuẩn được đưa ra trong Bảng 3.1. Đối với 2 mẫu IAEA 434 và IAEA-447 có thời gian đo dài hơn so với các mẫu khác vì cần lấy đủ thống kê số đếm. Bảng 3.1. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn Tên phổ gamma Thời gian đo (s) Phông 86400 IAEA-RGU-1 86400 IAEA-RGTH-1 86400 IAEA-434 172800 IAEA-447 172800 Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-RGU- 1 được trình bày trong Hình 3.2 và Hình 3.3. Đối với Hình 3.2, năng lượng được lấy theo thang đo từ 0 MeV đến 0,5 MeV, Hình 3.3 từ 0,5 đến 3 MeV. Phổ thực nghiệm là phổ đo bằng hệ phổ gamma sử dụng đầu dò HPGe. Các đỉnh màu được chú thích trên hình là đỉnh năng lượng trong phổ mô phỏng chạy với số hạt là 1 tỷ hạt. Hình 3.2. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA- RGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV) 23 Hình 3.3. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA- RGU-1 (0,5 MeV – 3 MeV) 3.2. Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần cho các mẫu chuẩn Đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xây dựng tương ứng với mỗi mẫu chuẩn trong khoảng năng lượng 46,5 keV đến 2641,7 keV. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần đươc xác định bằng biểu thức (1.5). Tại năng lượng 186,2 keV có sự chồng chập giữa đỉnh năng lượng của 226Ra và 235U. Do đó, số đếm tại đỉnh năng lượng 186,2 keV bao gồm 57,2% của 226Ra (186,2 keV) và 42,8% của 235U (185,7 keV). Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đồng vị 226Ra ứng với năng lượng 186,2 keV được tính theo biểu thức (3.1) [12,13]: ( ) p226p N (E) 52,7% AtI (E)m Ra   = (3.1) Trong đó pN (E) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. A là hoạt độ mẫu chuẩn do IAEA cung cấp (Bq/kg). t là thời gian đo (s). 24 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, 212Bi phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po (Hình 1.5). Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi phát hạt alpha trở thành đồng vị 208Tl xác suất phân nhánh là 35,96%. Vì vậy, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đồng vị 208Tl cần chia cho xác suất phân nhánh là 35,96%. ( ) p208p N (E) 35,96% AtI (E)m Tl /   = (3.2) Sai số của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng phương pháp truyền sai số, Trong đó, sai số của số đếm được tính theo phân bố Poisson N N = p 222 INA p A N I          =  + +             (3.3) 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) 1 IAEA-RGU-1 238U 4940±30 2 IAEA-RTh-1 232Th 3250±90 3 IAEA-434 226Ra 780±62 238U 120±11 4 IAEA-447 137Cs 425±10 212Pb 37,0±1,5 228Ac 37±2 226Ra 25,1±2,0 238U 22,2±0,8 25 Đường chuẩn hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của các mẫu được làm khớp theo hàm đa thức: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 4 5 1 2 3 4 5ln B B ln E B ln E B ln E B ln E B ln E = + + + + + (3.4) với ln , lnE lần lượt là loganepe của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và loganepe của năng lượng; B, B1, B2, B3, B4, B5 là các tham số có được từ việc làm khớp hàm. Sử dụng phần mềm ORIGIN để làm khớp hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần từ kết quả thực nghiệm. Độ sai biệt hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa giá trị thực nghiệm và làm khớp của các mẫu chuẩn được tính theo biểu