Khóa luận: Ảnh hưởng lớp chắn HPGe đến hệ số trùng phùng nguồn chuẩn

Luận văn tốt nghiệp giáo dục nghiên cứu tốt nghiệp sư phạm vật lý đánh giá ảnh hưởng các lớp che chắn tinh thể đầu dò hpge đối với hệ số, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hân
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vương
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Đánh giá ảnh hưởng các lớp che chắn tinh thể đầu dò HPGe đối với hệ số hiệu chỉnh trùng phùng trong phép đo nguồn điểm chuẩn
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KHÓA LUẬN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
• 1.3. Cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chất
• 1.4. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần
• 1.5. Hiệu ứng trùng phùng
• 1.6. Tóm tắt chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đầu dò HPGe
• 2.2. Nguồn chuẩn trong mô phỏng
• 2.3. Tóm tắt chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng trong mô phỏng
• 3.2. Hệ số trùng phùng (TCS) hai cấu hình đầu dò
• 3.3. Đánh giá ảnh hưởng cấu hình đầu dò đối với hệ số hiệu chỉnh trùng phùng
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LỜI MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ số trùng phùng và vai trò lớp chắn HPGe

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và phân tích môi trường, hệ phổ kế gamma với đầu dò HPGe (Germanium siêu tinh khiết) là một công cụ không thể thiếu. Thiết bị này được ưa chuộng nhờ độ phân giải năng lượng vượt trội, cho phép xác định chính xác hoạt độ của các đồng vị phóng xạ. Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác cao, việc xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần là một yêu cầu bắt buộc. Quá trình này thường gặp phải các sai số đo lường đáng kể, xuất phát từ nhiều yếu tố như phông môi trường, hiệu ứng tự hấp thụ và đặc biệt là hiệu ứng trùng phùng (Coincidence Summing Effect). Hiệu ứng này xảy ra khi hai hay nhiều photon gamma từ cùng một phân rã được đầu dò ghi nhận gần như đồng thời, dẫn đến việc chúng bị tính là một xung duy nhất với năng lượng tổng. Điều này làm sai lệch số đếm tại các đỉnh năng lượng thực, gây ra sự xuất hiện của các đỉnh tổng (sum peak) không có thật hoặc làm giảm số đếm tại các đỉnh riêng lẻ. Do đó, việc áp dụng hiệu chỉnh trùng phùng là cực kỳ quan trọng. Hệ số hiệu chỉnh này không phải là một hằng số, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình học đo, khoảng cách từ nguồn đến đầu dò, và đặc biệt là cấu trúc bên trong của chính đầu dò, bao gồm cả các lớp vật liệu che chắn tinh thể. Các lớp chắn này, dù có vai trò chính là giảm phông phóng xạ và bảo vệ tinh thể, lại có thể tương tác với các tia gamma, từ đó ảnh hưởng gián tiếp đến xác suất ghi nhận đồng thời và làm thay đổi hệ số trùng phùng. Việc đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng này là một bài toán phức tạp nhưng cần thiết để nâng cao độ tin cậy của các phép đo phân tích phổ gamma.

1.1. Định nghĩa hiệu ứng trùng phùng Coincidence Summing

Hiệu ứng trùng phùng, hay Coincidence Summing Effect, là một hiện tượng vật lý cố hữu trong các phép đo phổ gamma sử dụng các đồng vị phóng xạ có sơ đồ phân rã phức tạp. Nó xảy ra khi hai hoặc nhiều photon (gamma hoặc tia X) phát ra theo tầng trong một chuỗi phân rã được đầu dò HPGe ghi nhận trong khoảng thời gian phân giải của hệ đo. Kết quả là hệ thống điện tử xử lý chúng như một sự kiện duy nhất, tạo ra một xung có biên độ bằng tổng năng lượng của các photon tới. Hiện tượng này dẫn đến hai hệ quả chính: giảm số đếm tại các đỉnh năng lượng riêng lẻ (summing-out) và tăng số đếm tại đỉnh năng lượng tổng (summing-in), hay còn gọi là đỉnh tổng (sum peak). Mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng này phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất đầu dò: hiệu suất càng cao (ví dụ khi đặt nguồn gần đầu dò), xác suất ghi nhận đồng thời càng lớn và hiệu ứng trùng phùng càng rõ rệt.

1.2. Giới thiệu về hệ phổ kế gamma và đầu dò HPGe

Hệ phổ kế gamma là một hệ thống thiết bị dùng để đo lường và phân tích phổ năng lượng của các bức xạ gamma phát ra từ một nguồn phóng xạ. Thành phần cốt lõi của hệ thống này là đầu dò bức xạ. Đầu dò HPGe (High-Purity Germanium) là loại đầu dò bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Ưu điểm lớn nhất của HPGe là độ phân giải năng lượng cực tốt, cho phép tách biệt các đỉnh năng lượng rất gần nhau mà các loại đầu dò khác không thể làm được. Để hoạt động hiệu quả, tinh thể Germanium cần được làm lạnh đến nhiệt độ của nitơ lỏng (77K) để giảm thiểu nhiễu nhiệt, đảm bảo tín hiệu thu được phản ánh trung thực năng lượng của bức xạ gamma.

1.3. Tầm quan trọng của lớp che chắn tinh thể Germanium

Tinh thể Germanium trong đầu dò HPGe rất nhạy cảm và được bao bọc bởi nhiều lớp vật liệu bảo vệ và che chắn. Các lớp này bao gồm một lớp chết (dead layer) bên ngoài, vỏ nhôm (aluminum housing) và một không gian chân không. Chức năng chính của các lớp vật liệu che chắn này là bảo vệ tinh thể khỏi các tác nhân vật lý, giảm thiểu phông phóng xạ từ môi trường và các bức xạ tán xạ năng lượng thấp. Tuy nhiên, chính các lớp này lại là một phần của hình học đo tổng thể. Các photon gamma khi đi qua chúng có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ, làm thay đổi phổ năng lượng tới tinh thể. Do đó, việc mô tả chính xác cấu trúc và thành phần của các lớp che chắn là tối quan trọng khi thực hiện mô phỏng Monte Carlo để tính toán hiệu suất đầu dò và hệ số hiệu chỉnh.

II. Phân tích các yếu tố gây sai số trong phép đo phổ gamma

Độ chính xác trong phân tích phổ gamma phụ thuộc vào việc kiểm soát và hiệu chỉnh các nguồn gây sai số đo lường. Trong đó, hiệu ứng trùng phùng là một trong những thách thức lớn nhất, đặc biệt khi đo các nguồn chuẩn phóng xạ đa năng lượng ở cự ly gần đầu dò. Mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng này không đồng nhất mà thay đổi dựa trên nhiều yếu tố. Hình học đo là yếu tố quan trọng hàng đầu, bao gồm khoảng cách từ nguồn đến bề mặt đầu dò và hình dạng của mẫu đo (nguồn điểm, nguồn thể tích). Khi khoảng cách giảm, góc khối mà đầu dò nhìn thấy nguồn tăng lên, làm tăng mạnh hiệu suất ghi đỉnh và kéo theo đó là xác suất xảy ra trùng phùng. Một yếu tố khác là sơ đồ phân rã của chính đồng vị. Các đồng vị có chuỗi phân rã gamma theo tầng phức tạp (như ⁶⁰Co, ¹³³Ba) sẽ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng trùng phùng nhiều hơn so với các đồng vị phát gamma đơn năng. Ngoài ra, cấu trúc nội tại của đầu dò HPGe cũng đóng một vai trò quyết định. Các thông số như kích thước tinh thể, độ dày lớp chết, và đặc biệt là hình dạng và vật liệu của các lớp che chắn có thể làm thay đổi xác suất tương tác của photon. Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Hân (2022) đã chỉ ra rằng ngay cả những thay đổi nhỏ trong cấu hình đầu dò, như việc bo tròn các góc của tinh thể, cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất đầu dò và cần được xem xét cẩn thận khi xây dựng mô hình mô phỏng để tính toán hệ số hiệu chỉnh trùng phùng một cách chính xác.

2.1. Tác động của hình học đo và khoảng cách nguồn đầu dò

Yếu tố hình học đo có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến hệ số trùng phùng. Khi nguồn phóng xạ được đặt càng gần bề mặt đầu dò HPGe, góc khối càng lớn, dẫn đến hiệu suất ghi đỉnh và hiệu suất tổng tăng lên đáng kể. Điều này làm tăng xác suất để hai hay nhiều photon từ cùng một phân rã đi vào vùng hoạt động của đầu dò và được ghi nhận đồng thời. Do đó, hiệu ứng trùng phùng trở nên nghiêm trọng hơn ở các khoảng cách gần. Ngược lại, khi tăng khoảng cách, hiệu suất giảm, và hiệu ứng trùng phùng cũng giảm theo. Sự phụ thuộc này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chuẩn hóa khoảng cách đo và hiệu chỉnh cho từng vị trí cụ thể.

2.2. Sai số đo lường tiềm ẩn khi bỏ qua hiệu chỉnh trùng phùng

Việc bỏ qua hoặc hiệu chỉnh không chính xác hiệu ứng trùng phùng sẽ dẫn đến các sai số đo lường hệ thống nghiêm trọng trong phân tích phổ gamma. Cụ thể, hoạt độ của các đồng vị có thể bị đánh giá thấp hơn thực tế tại các đỉnh năng lượng chính (do hiệu ứng summing-out) hoặc bị đánh giá sai do sự xuất hiện của các đỉnh tổng (sum peak). Theo nghiên cứu của Trần Thiện Thanh và cộng sự [4], sai số này có thể lên tới vài phần trăm hoặc hơn, tùy thuộc vào đồng vị và hình học đo. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như kiểm định vật liệu hạt nhân hay quan trắc phóng xạ môi trường, những sai số này là không thể chấp nhận được. Do đó, việc xác định và áp dụng coincidence summing correction là một bước bắt buộc.

2.3. Thách thức trong việc đánh giá ảnh hưởng lớp chắn tinh thể

Đánh giá ảnh hưởng của lớp chắn là một thách thức vì các thông số chi tiết về cấu trúc đầu dò không phải lúc nào cũng được nhà sản xuất cung cấp đầy đủ. Các lớp vật liệu như lớp chết (dead layer), vỏ nhôm, và các thành phần khác có độ dày và hình dạng cụ thể. Thậm chí các chi tiết nhỏ như việc bo tròn các góc tinh thể cũng có thể ảnh hưởng đến đường đi của photon và quá trình thu thập điện tích. Trong khóa luận của Nguyễn Ngọc Hân, hai cấu hình đầu dò (có bo góc và không bo góc) đã được mô phỏng Monte Carlo để khảo sát sự khác biệt. Kết quả cho thấy mặc dù hiệu suất ghi đỉnh có sự sai khác, nhưng ảnh hưởng lên hệ số trùng phùng cuối cùng lại không quá lớn, cho thấy sự phức tạp của các tương tác bên trong đầu dò.

III. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo tính hệ số trùng phùng

Để đánh giá một cách định lượng ảnh hưởng của lớp chắn đến hệ số trùng phùng, phương pháp thực nghiệm thuần túy gặp nhiều khó khăn do không thể thay đổi cấu trúc vật lý của đầu dò. Do đó, mô phỏng Monte Carlo nổi lên như một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt. Các chương trình như MCNP (Monte Carlo N-Particle) hay Geant4 cho phép xây dựng một mô hình số hóa chi tiết của toàn bộ hệ đo, từ nguồn chuẩn phóng xạ, môi trường xung quanh cho đến từng chi tiết nhỏ nhất của đầu dò HPGe, bao gồm cả các lớp vật liệu che chắn. Trong nghiên cứu được đề cập, phiên bản MCNP6 và một phiên bản nâng cấp là MCNP-CP đã được sử dụng. MCNP6 được dùng để tính toán hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng bằng cách theo dõi đường đi của một số lượng lớn các hạt photon phát ra từ nguồn. MCNP-CP là một phiên bản đặc biệt, có khả năng mô phỏng quá trình phân rã theo tầng của hạt nhân dựa trên cơ sở dữ liệu ENSDF (Evaluated Nuclear Structure Data File). Tính năng độc đáo của MCNP-CP là cho phép chạy mô phỏng ở hai chế độ: có xét đến trùng phùng và triệt trùng phùng. Bằng cách lấy tỷ số giữa hiệu suất ghi ở chế độ triệt trùng phùng và chế độ có trùng phùng, ta có thể tính toán trực tiếp hệ số hiệu chỉnh trùng phùng (TCS - True Coincidence Summing factor). Phương pháp này cho phép khảo sát ảnh hưởng của từng thông số một cách độc lập, điều mà thực nghiệm không thể thực hiện được.

3.1. Thiết lập mô hình đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP6

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mô phỏng Monte Carlo là xây dựng một mô hình hình học chính xác của đầu dò HPGe. Dựa trên các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất (ví dụ, đầu dò GEM50P4-83 của Ortec), các thông số như đường kính, chiều cao tinh thể, đường kính và độ sâu hốc trong, bề dày lớp chết ngoài và trong được định nghĩa trong tệp đầu vào của MCNP. Nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng hai cấu hình: một có các cạnh tinh thể sắc nét và một có các cạnh được bo tròn. Việc mô tả chính xác các lớp vật liệu che chắn như vỏ nhôm, lớp chân không và các thành phần khác cũng được thực hiện để mô hình phản ánh gần nhất với cấu trúc thực tế, đảm bảo kết quả hiệu suất đầu dò thu được có độ tin cậy cao.

3.2. Lựa chọn và khai báo nguồn chuẩn phóng xạ trong mô phỏng

Để khảo sát hiệu ứng trùng phùng, các nguồn chuẩn phóng xạ có sơ đồ phân rã phức tạp đã được lựa chọn, bao gồm ⁵⁷Co, ⁶⁰Co, ⁸⁸Y, và ¹³³Ba. Các thông tin về năng lượng và cường độ phát gamma của từng đồng vị được lấy từ cơ sở dữ liệu hạt nhân uy tín như Nucléide-Laraweb. Trong chương trình MCNP, nguồn được định nghĩa là nguồn điểm, phát ra các photon với năng lượng và xác suất tương ứng. Vị trí của nguồn được thay đổi ở các khoảng cách khác nhau so với bề mặt đầu dò (từ 0 cm đến 10 cm) để đánh giá sự phụ thuộc của hệ số trùng phùng vào hình học đo.

3.3. Quy trình tính toán hệ số hiệu chỉnh trùng phùng TCS

Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng (TCS) được tính toán bằng chương trình MCNP-CP. Chương trình này mô phỏng quá trình phân rã của hạt nhân và cho phép người dùng bật/tắt tính năng trùng phùng. Quy trình gồm hai bước: (1) Chạy mô phỏng với chế độ có trùng phùng (CPS = 0) để thu được hiệu suất có bị ảnh hưởng bởi trùng phùng (ε). (2) Chạy mô phỏng với chế độ triệt trùng phùng (CPS = 1) để thu được hiệu suất lý tưởng không bị ảnh hưởng (ε₀). Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng sau đó được tính bằng công thức TCS = ε₀ / ε. Một giá trị TCS lớn hơn 1 cho thấy tại đỉnh năng lượng đó, hiệu ứng summing-out chiếm ưu thế, và ngược lại. Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp hệ số cần thiết cho việc hiệu chỉnh trùng phùng.

IV. Kết quả đánh giá ảnh hưởng cấu hình lớp chắn đầu dò HPGe

Kết quả từ mô phỏng Monte Carlo cung cấp một cái nhìn chi tiết về ảnh hưởng của cấu hình lớp chắn đến các thông số đo lường. Nghiên cứu đã so sánh hai mô hình đầu dò HPGe: một cấu hình lý tưởng với các cạnh tinh thể vuông góc (không bo góc) và một cấu hình thực tế hơn với các cạnh được bo tròn (có bo góc). Kết quả cho thấy, hiệu suất ghi đỉnh và hiệu suất tổng của cấu hình không bo góc luôn lớn hơn so với cấu hình có bo góc. Độ sai biệt này rõ rệt nhất ở vùng năng lượng thấp và ở các khoảng cách gần, có thể lên tới hơn 14% tại năng lượng 79,6 keV của ¹³³Ba. Điều này có thể được giải thích là do phần thể tích hoạt động của tinh thể ở cấu hình không bo góc lớn hơn một chút. Tuy nhiên, khi phân tích hệ số hiệu chỉnh trùng phùng (TCS) được tính toán bởi MCNP-CP, một kết quả đáng chú ý đã xuất hiện. Mặc dù hiệu suất ghi có sự khác biệt rõ rệt, độ sai biệt về hệ số trùng phùng giữa hai cấu hình lại rất nhỏ, thường dưới 1% ở tất cả các khoảng cách và năng lượng khảo sát. Kết quả này chỉ ra rằng, mặc dù hình dạng chi tiết của tinh thể và lớp chắn ảnh hưởng đến xác suất ghi nhận tổng thể, nhưng nó lại ít tác động đến tỷ lệ giữa hiệu suất có và không có trùng phùng. Điều này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng, cho thấy việc mô hình hóa chính xác tuyệt đối các góc bo có thể không phải là yếu tố quyết định nhất khi mục tiêu chính là tính toán coincidence summing correction.

4.1. So sánh hiệu suất ghi đỉnh giữa hai cấu hình đầu dò

Kết quả mô phỏng bằng MCNP6 cho thấy một sự khác biệt hệ thống về hiệu suất ghi đỉnh và hiệu suất tổng giữa hai cấu hình. Cụ thể, hiệu suất đầu dò của cấu hình không bo góc luôn cao hơn. Ví dụ, tại khoảng cách 2 cm, với đỉnh 122,1 keV của ⁵⁷Co, độ sai biệt là 7,55%. Sự sai biệt này giảm dần khi năng lượng tăng lên. Nguyên nhân được cho là do cấu hình không bo góc có một thể tích hoạt động hiệu dụng lớn hơn một chút so với cấu hình có bo góc. Các photon, đặc biệt là các photon năng lượng thấp, có nhiều khả năng tương tác hoàn toàn trong phần thể tích tăng thêm này. Kết quả này khẳng định rằng các chi tiết hình học nhỏ của tinh thể có ảnh hưởng có thể đo lường được đến hiệu suất ghi.

4.2. Phân tích độ sai biệt hệ số trùng phùng TCS tính toán

Trái ngược với kết quả về hiệu suất, hệ số trùng phùng (TCS) tính được từ MCNP-CP cho thấy sự tương đồng rất cao giữa hai cấu hình. Độ sai biệt tương đối (RD) của giá trị TCS giữa cấu hình có bo góc và không bo góc ở hầu hết các trường hợp đều nhỏ hơn 1%, và giá trị lớn nhất ghi nhận chỉ là 0,99%. Điều này cho thấy rằng, mặc dù giá trị tuyệt đối của hiệu suất (cả ε và ε₀) thay đổi theo cấu hình, tỷ số của chúng (TCS = ε₀ / ε) lại gần như không đổi. Kết quả này gợi ý rằng ảnh hưởng của hình dạng góc tinh thể lên các sự kiện đơn lẻ và sự kiện trùng phùng là tương đối đồng nhất, do đó bị triệt tiêu khi tính tỷ số.

4.3. Lý giải nguyên nhân sai biệt và ý nghĩa của kết quả

Sự sai biệt nhỏ về hệ số trùng phùng có thể được giải thích bởi quá trình thu thập điện tích gần các cạnh của tinh thể. Trong một đầu dò thực tế, vùng rìa và các góc cạnh có thể có hiệu quả thu thập điện tích kém hơn, tạo ra các xung không hoàn chỉnh. Việc bo tròn góc trong mô hình có thể mô phỏng hiệu ứng này tốt hơn, loại bỏ các sự kiện ở vùng rìa có tín hiệu kém. Tuy nhiên, vì ảnh hưởng này tác động lên cả các sự kiện đơn và trùng phùng, nên khi tính toán hệ số hiệu chỉnh trùng phùng, sự khác biệt này trở nên không đáng kể. Ý nghĩa thực tiễn của kết quả này là các nhà nghiên cứu có thể tập trung vào các thông số kích thước chính (đường kính, chiều cao) khi mô phỏng để tính TCS, và những chi tiết rất nhỏ như độ cong của góc có thể không phải là nguồn gây sai số đo lường chính.

V. Kết luận và ứng dụng trong phân tích phổ gamma thực tiễn

Nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp chắn và cấu hình đầu dò HPGe đến hệ số trùng phùng đã mang lại những kết luận quan trọng. Kết quả đã khẳng định phương pháp mô phỏng Monte Carlo, đặc biệt là sử dụng chương trình MCNP-CP, là một công cụ hiệu quả để xác định chính xác các hệ số hiệu chỉnh. Nghiên cứu chỉ ra rằng, trong khi các chi tiết hình học nhỏ như việc bo tròn góc tinh thể có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất ghi đỉnh tuyệt đối, thì tác động của nó lên hệ số hiệu chỉnh trùng phùng lại rất nhỏ (dưới 1%). Điều này hàm ý rằng hệ số trùng phùng ít nhạy cảm với những chi tiết cấu trúc rất nhỏ của đầu dò so với các yếu tố khác như khoảng cách nguồn-đầu dò hay sơ đồ phân rã của đồng vị. Về mặt ứng dụng, kết quả này giúp đơn giản hóa phần nào quá trình xây dựng mô hình mô phỏng để hiệu chỉnh trùng phùng, cho phép các phòng thí nghiệm tập trung vào việc mô tả chính xác các thông số kích thước chính và hình học đo. Việc áp dụng đúng đắn các hệ số hiệu chỉnh này là tối quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong các hoạt động phân tích phổ gamma định lượng, từ việc quan trắc phóng xạ môi trường, kiểm tra an toàn thực phẩm, cho đến các nghiên cứu cơ bản trong vật lý hạt nhân. Nghiên cứu cũng mở ra các hướng phát triển tiếp theo, như kết hợp mô phỏng với thực nghiệm và mở rộng áp dụng cho các nguồn mẫu thể tích, vốn phức tạp hơn nhiều so với nguồn điểm.

5.1. Tóm tắt kết luận chính về ảnh hưởng của lớp che chắn

Kết luận cốt lõi là cấu hình chi tiết của lớp chắn và tinh thể đầu dò HPGe (cụ thể là việc bo góc) có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất ghi đỉnh nhưng ảnh hưởng không đáng kể (độ sai biệt < 1%) đến hệ số hiệu chỉnh trùng phùng. Điều này cho thấy hệ số trùng phùng là một đại lượng tương đối bền vững với các thay đổi nhỏ trong cấu trúc bên trong của đầu dò. Tuy nhiên, các thông số chính như kích thước tinh thể và hình học đo tổng thể vẫn là yếu tố quyết định cần được mô hình hóa chính xác.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn trong việc hiệu chỉnh phổ gamma chính xác

Trong thực tiễn, việc tính toán và áp dụng coincidence summing correction giúp loại bỏ một nguồn sai số đo lường hệ thống quan trọng, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích định lượng. Kết quả nghiên cứu giúp các nhà khoa học tự tin hơn khi sử dụng các mô hình mô phỏng đơn giản hóa ở một mức độ nhất định mà không làm ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của hệ số hiệu chỉnh. Điều này đặc biệt hữu ích khi các thông số chi tiết của đầu dò không được cung cấp đầy đủ, giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên tính toán trong công tác phân tích phổ gamma.

5.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo Từ mô phỏng đến thực nghiệm

Để củng cố và xác thực các kết quả mô phỏng, hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc kết hợp giữa mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trên cùng một hệ phổ kế gamma. Việc so sánh hệ số trùng phùng tính toán với giá trị xác định từ thực nghiệm sẽ cung cấp một bài kiểm tra toàn diện cho độ chính xác của mô hình. Ngoài ra, việc mở rộng nghiên cứu sang các loại mẫu phức tạp hơn như mẫu thể tích (dạng trụ, bình Marinelli) là một hướng đi cần thiết, vì hiệu ứng trùng phùng và tự hấp thụ trong các mẫu này có sự tương tác qua lại, đòi hỏi các phương pháp hiệu chỉnh phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Trong chương nay, tôi trình bày về một số công trình nghiên cứu liên quan đến dé tài khóa luận; cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chat; hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phân; hiệu suất tông; hiệu ứng trùng phùng. Chương 2: Déi tượng và phương pháp nghiên cứu gồm có đầu dò HPGe, nguồn chuẩn trong mô phỏng, chương trình MCNP-CP. Chương 3: Kết quả và tháo luận.

Ở chương nảy, tôi trình bày về kết quả hiệu suất ghi đình nang lượng toàn phan và hiệu suất tông thu được từ mô phỏng MCNP6; hệ số trùng phùng (TCS) với hai cau hình đầu do; đánh giá hệ số trùng phùng giữa hai cầu hình mô phỏng. Tinh hình nghiên cứu về van đề liên quan đến khóa luận 1. Tình hình nghiên cứu trên thé giới Năm 1993, Menno Blaauw [2] đã xác định đường cong hiệu suất tuyệt đỗi của đầu dd Germanium hiệu suất cao với việc sử dụng nguồn phat tia gamma trùng phùng. Đường cong hiệu suất có thể được xác định bằng một số phương pháp, từ phương pháp thuần lý thuyết đến cả những phương pháp chỉ có thực nghiệm.

Trong bài báo này, tác giả đã sử dụng phương pháp xác định hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng và hoạt độ của nguồn trong cùng một lúc. Đây được coi là sự kết hợp giữa phương pháp Semkow's và nhiêu phương pháp cũ được phát triển dé xác định giá trị hoạt độ nguồn bằng cách dựa trên những thông tin của đỉnh tông. Ý tưởng này cho ring nếu dùng đường cong hiệu suất dé tính đến hiệu ứng trùng phùng. Dong vị *°Br được sử dụng đo trên đầu đò này dé xác định đường cong hiệu suất.

Sau đó, “Eu sử dụng đường cong hiệu suất này đề tính toán và kết quả so sánh với thực nghiệm. Năm 2007, tác giả DuSan Novkovic [1] và các cộng sự dùng phương pháp mới dé tính toán trùng phùng của tia X vả tia gamma trong phép đo phé gamma của “Co, 13°Ce sử đụng hệ phô kế HPGe. Phương pháp mới nay dùng đẻ rút ra phương trình tốc độ đêm và cho phép xác định hiệu suất ghi đính cũng như hoạt độ của nguồn. Nguồn gốc xuất phát của các phương trình tính tốc độ đếm cũng được xác định qua các chương trình tính toán.

Các phương trình tốc độ đếm đôi với “Co phức tap trong quá trình giải, dé đơn giản cho giải phương trình nhóm tác giả sử dụng chương trình Wolfram Research Mathematica có thé phục vụ cho việc xác định hoạt độ của nguồn được đo. Tương tự như *’Co, việc xác định hiệu suất ghi đỉnh và hoạt độ của !°*Ce cũng được thực hiện bằng chương trình Wolfram Research Mathematica. Năm 2007, tác giả Tim Vidmar và các cộng sự [3] tính toán hệ số hiệu chính trùng phùng tông cho các nguồn thẻ tích. Trong phép đo phô gamma.

hệ số hiệu chỉnh trùng phùng đối với các nguồn thể tích có thé được tính toán từ hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan và hiệu suất tông nếu mau do là nguồn điểm gọi là hiệu suất theo năng lượng. Phương pháp này được mô tả nhằm xác định đường cong hiệu suất theo năng lượng với mục đích phân tích các mẫu đo trên đầu dò HPGe loại p trong 3 phép đo phô tia gamma môi trường và kết quả đã được xác định thành công dựa trên thực nghiệm. Đầu dò HPGe cần được hiệu chuẩn bằng nguồn điểm hoặc nguồn thé tích và đường cong đính tông được xác định bằng mô phỏng Monte Carlo. Nhóm tác giả đã phát triển phương pháp tính hệ số hiệu chỉnh trùng phùng đối với các mẫu trụ dựa trên phép đo hiệu chuẩn của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và đường cong đỉnh tông được xác định bằng mô phóng Monte Carlo.

Jonsson và các cộng sự [Š] xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng của ‘Ba, Bu và Sb đối với nguồn thê tích. Hệ số hiệu chính trùng phùng của Ba, Eu và !?*$b được xác định bằng thực nghiệm và so sánh với hệ số hiệu chỉnh thu được từ ba phan mềm EFFTRAN-X, GESPECOR và VGSL. Phương pháp tính toán này đã được sử dụng cho nhiều công trình nghiên cứu trước đây. mức độ chính xác của mỗi phần mềm chưa được chi rõ mà chi cho biết sự phù hợp của kết qua tính toán từ các phần mềm với độ lệch tôi đa là 3,79%.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Năm 2017, tác giả Phù Chí Hòa và các cộng sự [9] tính toán hiệu ứng trùng phùng tông của đầu dò HPGe và hiệu ứng tự hấp thụ gamma trong mẫu bằng phương pháp m6 phỏng Monte Carlo, Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng chương trình GEANT4 dé mô phỏng đầu dò HPGe-PGNAA của Viện nghiên cứu Hạt nhân Da Lạt và các giá trị hiệu suất ghi, hệ số hiệu chính trùng phùng thực, hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tông với các khoảng cách đặt nguồn của nguồn '*Eu trong vùng năng lượng từ 121,8 keV đến 1408 keV. Kết hợp với việc xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng. chương trình GEANT4 cũng được sử dụng dé xác định hệ số tự hấp thụ gamma ở 3 mức năng lượng là 81 keV; 661,6 keV và 1332. Trong đó, hệ số trùng phùng tong được xác định băng ti số giữa hiệu suất ghi tuyệt đối của đầu đò khi sử dụng nguồn chuân điểm đơn năng lượng và da năng lượng.

Các kết qua thu được từ bài báo có ý nghĩa cho việc hỗ trợ quá trình làm thực nghiệm trong xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng có độ chính xác cao trong điều kiện không có nhiều nguồn chuân. Năm 2018, tác giá Trần Thiện Thanh và các cộng sự [4] ước tính ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh trùng phùng trong phép đo mẫu môi trường trên các nguồn thẻ tích. 4 Trong bai báo này, các tác giả sử dụng 11 nguồn chuẩn gồm ?!°Pb, “Am, !Cd, Co, "Te, | Sn, Sr, !37Cs, “Co và *Y có dai năng lượng từ 47 keV đến 1836 keV dé xây dựng đường cong hiệu suất đính năng lượng toàn phần. Phan mém mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP-CP và phần mềm chuyền đồi hiệu suất ETNA được sử dụng.

Hai loại đầu dd HPGe đồng trục loại p được nhóm tác giả sử dụng với hiệu suất khác nhau là 50% đối với đầu dò GEM50 do hãng Ortec sản xuất và 35% đỗi với dau dò GC3520 do hãng Canberra sản xuất. Các kết quả tính toán hệ số hiệu chỉnh trùng phùng giữa hai phương pháp có độ lệch tương đối trung bình nhỏ hơn 2%. Điều này cho thấy rằng có sự phù hợp tốt giữa MCNP-CP và ETNA. Cơ sở lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chất Phô gamma thu được do nguồn phát bức xạ, các bức xạ do nguồn phát ra tương tác với môi trường xung quanh đầu dò và tương tác bên trong dau dò.

Khóa luận tập trung vào quá trình phát gamma của nguồn. bức xạ gamma có bản chất là bức xạ điện từ. Không giống như các hạt tích điện alpha, beta tạo ra tín hiệu bên trong dau dò bang cách ion hóa và kích thích trực tiếp các vật liệu đầu dd. Các photon gamma không được tích điện, do đó không thể được phát hiện bằng cách này.

Việc phát hiện ra các bức xạ gamma phụ thuộc vao các tương tác truyền năng lượng cho các vật liệu bên trong đầu dò. Các cơ chế tương tác đặc trưng của gamma bao gồm: © Hiện tượng quang điện: hiện tượng quang điện xảy ra do tương tác của tia gamma với các electron liên kết trong nguyên tir, làm cho các electron bit ra khỏi lớp vỏ của nó. Đồng thời phát ra tia X đặc trưng. Hiện tượng quang điện đặc trưng ở vùng năng lượng thấp [8].

© Tan xa Compton: là sự tương tác trực tiếp của tia gamma với một electron và chuyên một phan năng lượng của tia gamma cho electron. Và chuyền động của tia gamma lệch hướng so với hướng chuyên động ban đầu. Tán xạ Compton quan trọng ở vùng năng lượng trung bình [8]. o Hiệu ứng tạo cặp: là kết quả của qua trình tương tac của tia gamma với nguyên tử.

Quá trình này diễn ra trong trường thé Coulomb của hạt nhân. dẫn đến việc chuyên đôi tia gamma có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron là 1022 keV tạo thành một cặp electron — positron. Sau đó hủy cặp 5 giải phóng hai photon với năng lượng mỗi hạt là 511 keV. Hiệu ứng tạo cặp chiếm ưu thế ở vùng năng lượng cao [8].

Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần Hiệu suất ghi đỉnh nang lượng toàn phần được xem là thông số có ý nghĩa nhất trong phép đo phô gamma. Và đây chính là xác suất ghi nhận toàn bộ năng lượng của một gamma phát ra trong thê tích hoạt động của đầu dò [7]. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan được tính bằng tỷ số giữa số đếm mà dau dod ghi nhận được tại năng lượng quan tâm so với số đếm được phát ra bởi nguồn theo công thức [6]: &= Seti I { 1.1 ) w«keengmsn Trong đó: Nocxtemsinh là số đếm mà đầu đò ghi nhận được tại năng lượng quan tâm. Noodemngnon là số đêm phát ra từ nguồn.

e là hiệu suất ghi định năng lượng toàn phan.1 cho thay đường cong hiệu suất theo năng lượng của đầu đò đồng trục loại p sử dụng thang đo logarit. Đối với dau đò đồng trục loại p, đồ thị thé hiện mối quan hệ giữa hiệu suất đỉnh theo năng lượng xấp xi tuyến tính trên phần lớn dai năng lượng từ 130 keV đến 2000 keV. Dưới năng lượng 130 keV, hiệu suất giảm do sự hap thụ tại cửa số đầu dd và các lớp che chắn. Ở năng lượng trên 3000 keV hiệu suất sẽ giảm nhanh hơn so với đường tuyến tinh [8].0005- = ° i ặ ¬ ———— ————r TT? ——— 60 100 200 400600 1000 2000 Nang lượng tia gamma (keV) Hình 1.

Dường cong hiệu suất ghi định năng lượng toàn phan của đầu dé đồng trục loại p [8] Sau khi xây dựng đường cong hiệu suất ghi đỉnh. có thê sử dụng dé nội suy cung cấp dữ liệu hiệu suất can thiết đẻ chuyên đổi điện tích đỉnh thành hoạt độ nguồn. Chúng ta cần lưu ý rằng. phô hiệu chuẩn sử dụng phải đạt được độ dam bảo như nguôn được đo ở dang nao, điều kiện tiền hành thực nghiệm ra sao, Xét điều kiện lý tưởng nhất là nguồn diém chuan phát gamma đơn năng với tốc độ đếm thấp và khoảng cách nguén/dau do hợp lý.

Tuy nhiên, có một vài lý do đường chuẩn hiệu suất theo năng lượng có thẻ không đạt được phù hợp khi đối chiều mau thực [8]: o Khoảng cách nguồn đến dau dò khác nhau. o Hình học nguồn khác nhau. o Sự hấp thụ bên trong nguồn.