Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần mẫu đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp vật lý nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Trần Thị Bảo Ngọc
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý Học
• Đề tài: Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MUC BANG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
• 1.2. Hiệu ứng quang điện
• 1.3. Hiệu ứng Compton
• 1.4. Hiệu ứng tạo cặp
• 1.5. Chuỗi phân rã phóng xạ
• 1.5.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U
• 1.5.2. Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th
• 1.6. Hiệu suất ghi đầu dò
• 1.6.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan
• 1.6.2. Đường cong hiệu suất
• 1.7. Tóm tắt Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chương trình MCNP6
• 2.2. Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6
• 2.3. Hệ phổ kế sử dụng dầu đồ BPG
• 2.4. Tóm tắt Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KET QUA VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Bố trí thí nghiệm
• 3.2. Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan cho các mau chuẩn
• 3.3. Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan giữa thực nghiệm và mô
• 3.4. Tóm tắt Chương 3
• TÀI LIEU THAM KHẢO
• LỜI MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Hiểu đúng hiệu suất ghi đỉnh năng lượng trong phân tích mẫu

Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency - FEPE) là một thông số nền tảng trong lĩnh vực phổ kế gamma. Nó định nghĩa xác suất mà một photon gamma, phát ra từ nguồn, truyền toàn bộ năng lượng của nó vào vùng hoạt động của đầu dò. Việc xác định chính xác chỉ số này là yêu cầu bắt buộc để thực hiện phân tích định lượng, tức là tính toán hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong một mẫu. Một đường cong hiệu suất được xây dựng chuẩn xác cho phép chuyển đổi trực tiếp diện tích đỉnh năng lượng đo được thành hoạt độ thực của mẫu. Theo nghiên cứu của Tran Thị Bảo Ngọc (2020), FEPE không phải là một hằng số mà phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiều yếu tố. Các yếu tố này bao gồm năng lượng của bức xạ gamma, cấu hình hình học giữa mẫu và đầu dò, và quan trọng nhất là thành phần nguyên tố của chính mẫu đo. Sự phụ thuộc này là cốt lõi của nhiều thách thức trong khoa học vật liệu và phân tích môi trường. Việc bỏ qua ảnh hưởng của thành phần mẫu có thể dẫn đến sai số hệ thống nghiêm trọng, làm giảm độ chính xác và độ lặp lại của phép đo. Do đó, hiểu rõ bản chất của FEPE và các yếu tố tác động đến nó là bước đầu tiên để đảm bảo kết quả phân tích đáng tin cậy, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như kiểm soát chất lượng (QC) trong công nghiệp hoặc giám sát phóng xạ môi trường.

1.1. Khái niệm cốt lõi về hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần, hay FEPE, là tỷ lệ giữa số photon gamma được ghi nhận tại đỉnh năng lượng toàn phần và tổng số photon gamma phát ra từ nguồn ở cùng mức năng lượng đó. Đây là một đại lượng không có thứ nguyên, thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm hoặc số thập phân. Giá trị này phản ánh khả năng của toàn bộ hệ phổ kế, từ máy dò năng lượng (energy detector) đến các bộ xử lý tín hiệu, trong việc chuyển đổi một sự kiện tương tác gamma thành một tín hiệu đo được. Công thức xác định FEPE trong thực nghiệm thường là: ε = N / (A * t * m * Iγ), trong đó N là diện tích đỉnh, A là hoạt độ nguồn, t là thời gian đo, m là khối lượng mẫu và Iγ là xác suất phát gamma. Chỉ số này cực kỳ quan trọng vì nó liên kết trực tiếp giữa dữ liệu thô (số đếm) và kết quả cuối cùng (phân tích định lượng hoạt độ). Một hệ thống có hiệu suất cao sẽ cho phép đạt được giới hạn phát hiện (LOD) thấp hơn trong thời gian đo ngắn hơn.

1.2. Tầm quan trọng trong phân tích định lượng và kiểm soát chất lượng

Trong phân tích định lượng, mục tiêu là xác định hàm lượng hoặc hoạt độ của một chất cụ thể. Đường cong hiệu suất, thể hiện mối quan hệ giữa FEPE và năng lượng, là công cụ hiệu chuẩn thiết yếu. Nếu không có đường cong này, phổ kế gamma chỉ có thể thực hiện phân tích định tính – tức là xác định sự có mặt của các đồng vị nhưng không thể đo lường chúng. Trong ngành công nghiệp, từ sản xuất thép, xi măng đến dược phẩm, việc kiểm soát chất lượng (QC) yêu cầu các phép đo chính xác và nhanh chóng. Phổ kế gamma, đặc biệt là các kỹ thuật như phổ kế huỳnh quang tia X (XRF), dựa vào hiệu suất ghi đỉnh để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng đúng thông số kỹ thuật về thành phần nguyên tố. Bất kỳ sai lệch nào trong việc xác định hiệu suất đều có thể dẫn đến quyết định sai lầm, gây tổn thất kinh tế và ảnh hưởng đến an toàn sản phẩm.

II. Thách thức Thành phần mẫu ảnh hưởng hiệu suất ghi đỉnh

Thách thức lớn nhất trong việc hiệu chuẩn phổ kế gamma là sự ảnh hưởng của chính mẫu đo lên kết quả. Hiệu ứng ma trận (matrix effect) là thuật ngữ chung để mô tả hiện tượng này. Ma trận của mẫu, tức là toàn bộ các thành phần khác ngoài chất cần phân tích, có thể làm suy giảm hoặc tán xạ bức xạ gamma trước khi chúng đến được đầu dò. Hiện tượng này gây ra sự khác biệt đáng kể về hiệu suất ghi đỉnh năng lượng giữa mẫu chuẩn và mẫu phân tích nếu chúng có thành phần hóa học hoặc mật độ khác nhau. Tài liệu nghiên cứu gốc đã chứng minh rõ điều này khi so sánh các mẫu chuẩn IAEA (ví dụ IAEA-RGU-1 và IAEA-RGTh-1) có ma trận địa chất khác nhau. Kết quả cho thấy, ngay cả với cùng một hệ đo, đường cong hiệu suất cũng thay đổi. Nguyên nhân chính là do sự tự hấp thụ của mẫu (self-absorption), đặc biệt rõ rệt ở vùng năng lượng thấp. Các photon năng lượng thấp dễ dàng bị hấp thụ bởi các nguyên tố có số Z cao trong ma trận. Điều này đòi hỏi quy trình chuẩn bị mẫu phân tích phải cực kỳ cẩn thận và các phương pháp hiệu chuẩn phải tính đến sự khác biệt về ma trận để đảm bảo tính chính xác.

2.1. Phân tích hiệu ứng ma trận và sự tự hấp thụ của mẫu đo

Hiệu ứng ma trận là nguyên nhân chính gây ra sai số trong phân tích phổ năng lượng. Nó bao gồm hai cơ chế chính: sự hấp thụ và sự tán xạ. Sự tự hấp thụ xảy ra khi photon gamma phát ra từ bên trong mẫu bị chính các nguyên tử của mẫu hấp thụ trước khi thoát ra ngoài. Mức độ hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng photon và thành phần nguyên tố của ma trận. Các nguyên tố nặng (Z cao) có tiết diện hấp thụ quang điện lớn, do đó chúng làm giảm mạnh cường độ đỉnh (peak intensity) ở vùng năng lượng thấp. Nghiên cứu gốc chỉ ra rằng sai biệt giữa hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng thường lớn nhất ở các đỉnh năng lượng dưới 300 keV, khẳng định tầm quan trọng của hiệu ứng này. Tán xạ Compton trong mẫu cũng làm giảm số photon đến được đầu dò với năng lượng toàn phần, góp phần làm giảm hiệu suất ghi đỉnh.

2.2. Ảnh hưởng của mật độ và tính không đồng nhất của thành phần mẫu

Ngoài thành phần hóa học, các đặc tính vật lý của mẫu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Mật độ mẫu cao hơn có nghĩa là có nhiều nguyên tử hơn trên đường đi của photon, làm tăng xác suất tự hấp thụ và tán xạ. Do đó, hai mẫu có cùng thành phần nguyên tố nhưng mật độ khác nhau (ví dụ một mẫu bột nén chặt và một mẫu bột tơi xốp) sẽ cho các giá trị hiệu suất khác nhau. Tính không đồng nhất của mẫu là một vấn đề khác. Nếu các đồng vị phóng xạ không được phân bố đều trong toàn bộ thể tích mẫu, vị trí hình học trung bình của nguồn phát sẽ bị lệch, dẫn đến sai số trong tính toán hiệu suất. Đây là lý do tại sao quá trình chuẩn bị mẫu phân tích, bao gồm nghiền, sàng và đồng nhất hóa, là cực kỳ quan trọng để đạt được độ chính xác và độ lặp lại cao.

III. Hướng dẫn xác định hiệu suất ghi đỉnh bằng phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm là cách tiếp cận trực tiếp và phổ biến nhất để xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng. Quy trình này bắt đầu bằng việc sử dụng một hoặc nhiều nguồn chuẩn đã biết trước hoạt độ và có các đỉnh năng lượng gamma trải rộng trên dải năng lượng quan tâm. Các nguồn chuẩn này thường được cung cấp bởi các tổ chức uy tín như IAEA. Mẫu chuẩn được đặt trong một cấu hình hình học xác định so với máy dò năng lượng, thường là đầu dò Germanium siêu tinh khiết (HPGe) do độ phân giải năng lượng vượt trội. Phổ năng lượng của từng nguồn chuẩn được thu nhận trong một khoảng thời gian đủ dài để giảm thiểu sai số thống kê. Từ diện tích của các đỉnh năng lượng toàn phần, kết hợp với hoạt độ đã biết của nguồn, thời gian đo và xác suất phát gamma, FEPE tại mỗi mức năng lượng được tính toán. Tập hợp các điểm dữ liệu (Năng lượng, Hiệu suất) này sau đó được sử dụng để xây dựng đường cong hiệu suất thông qua các hàm khớp toán học. Việc hiệu chuẩn thiết bị phân tích này phải được thực hiện định kỳ để đảm bảo kết quả luôn chính xác.

3.1. Thiết lập hệ phổ kế gamma với đầu dò HPGe tối ưu

Một hệ phổ kế gamma điển hình được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm một đầu dò HPGe loại đồng trục, được làm lạnh bằng nitơ lỏng để giảm nhiễu nhiệt. Đầu dò này được đặt trong một buồng chì để che chắn khỏi phông phóng xạ môi trường, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio). Tín hiệu từ đầu dò được xử lý bởi một chuỗi điện tử bao gồm tiền khuếch đại, khuếch đại và bộ phân tích đa kênh (MCA). Việc tối ưu hóa tham số đo, chẳng hạn như thời gian hình thành xung và điện thế cao áp, là cần thiết để đạt được độ phân giải năng lượng tốt nhất. Trong tài liệu tham khảo, hệ thống sử dụng đầu dò HPGe GEM50P4-83 với phần mềm Maestro để thu nhận và xử lý phổ, đây là một cấu hình tiêu chuẩn cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

3.2. Quy trình hiệu chuẩn thiết bị phân tích bằng mẫu chuẩn IAEA

Quy trình hiệu chuẩn thiết bị phân tích bắt đầu bằng việc lựa chọn các mẫu chuẩn phù hợp. Nghiên cứu gốc đã sử dụng các mẫu IAEA-RGU-1 (Uranium), IAEA-RGTh-1 (Thorium), IAEA-434 và IAEA-447, có ma trận và hoạt độ được chứng nhận. Mỗi mẫu được đo trong thời gian dài (ví dụ: 86.400 giây) để tích lũy đủ số đếm thống kê tại các đỉnh năng lượng quan trọng. Sau khi trừ phông, diện tích của mỗi đỉnh được xác định bằng phần mềm chuyên dụng như GENIE 2K hoặc COLEGRAM. Sử dụng công thức tính FEPE, các giá trị hiệu suất thực nghiệm được xác định. Bước cuối cùng là sử dụng một phần mềm như ORIGIN để khớp các điểm dữ liệu này với một hàm đa thức logarit, tạo ra một đường cong hiệu suất liên tục, cho phép nội suy hiệu suất tại bất kỳ năng lượng nào.

IV. Bí quyết tối ưu hiệu suất ghi đỉnh với mô phỏng Monte Carlo

Mô phỏng Monte Carlo là một công cụ tính toán mạnh mẽ cho phép bổ sung và thay thế các phép đo thực nghiệm tốn kém. Các chương trình như MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) có khả năng mô hình hóa chính xác toàn bộ hệ thống đo, từ các chi tiết hình học của đầu dò, vật liệu che chắn đến các đặc tính của mẫu đo. Bằng cách mô phỏng hàng tỷ sự kiện phân rã, MCNP6 có thể tính toán hiệu suất ghi đỉnh năng lượng cho bất kỳ cấu hình nào. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là tính linh hoạt. Nó cho phép các nhà khoa học nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số một cách độc lập, ví dụ như thay đổi thành phần nguyên tố hoặc mật độ của mẫu mà không cần chuẩn bị mẫu vật lý. Nghiên cứu của Tran Thị Bảo Ngọc đã sử dụng MCNP6 để xây dựng mô hình hệ phổ kế và so sánh hiệu suất mô phỏng với kết quả thực nghiệm. Sự so sánh này không chỉ giúp kiểm chứng độ chính xác của mô hình mà còn làm sáng tỏ nguyên nhân của sự sai biệt, chẳng hạn như ảnh hưởng của hiệu ứng ma trận hoặc sự thay đổi của các thông số đầu dò theo thời gian.

4.1. Giới thiệu chương trình MCNP6 và lợi ích trong phân tích phổ

MCNP6 là một phần mềm phân tích phổ dựa trên phương pháp Monte Carlo, mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt (photon, neutron, electron) qua vật chất. Người dùng cần khai báo chi tiết ba thành phần chính: hình học của hệ thống (Cell Cards), các mặt phẳng định nghĩa hình học (Surface Cards) và thông tin về vật liệu, nguồn bức xạ (Data Cards). Lợi ích chính của MCNP6 là khả năng tạo ra một 'thí nghiệm ảo' với độ chính xác cao. Nó có thể tính toán hiệu suất cho các mẫu có hình dạng phức tạp hoặc các mẫu có hoạt độ quá thấp/cao để đo thực nghiệm. Hơn nữa, nó giúp đánh giá các hiệu ứng khó hiệu chỉnh trong thực nghiệm như hiệu ứng trùng phùng tổng (coincidence summing), một nguyên nhân gây sai lệch lớn được đề cập trong tài liệu gốc.

4.2. Xây dựng mô hình và so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm

Để có kết quả mô phỏng đáng tin cậy, việc xây dựng mô hình phải cực kỳ chi tiết. Điều này bao gồm việc nhập chính xác các thông số hình học của đầu dò (đường kính, chiều cao tinh thể, bề dày lớp chết) do nhà sản xuất cung cấp. Quan trọng không kém là khai báo chính xác thành phần nguyên tố và mật độ của mẫu chuẩn. Trong nghiên cứu, các thông tin này được lấy từ tài liệu của IAEA và các công trình trước đó. Sau khi chạy mô phỏng, hiệu suất tính toán được so sánh với hiệu suất thực nghiệm. Tài liệu gốc chỉ ra rằng có sự phù hợp tốt ở một số đỉnh năng lượng nhưng cũng có sai biệt lớn ở các đỉnh khác. Những sai biệt này cung cấp thông tin quý giá, giúp xác định các nguyên nhân như hiệu ứng tự hấp thụ chưa được mô hình hóa hoàn hảo hoặc sự lão hóa của đầu dò (lớp chết dày lên) so với thông số ban đầu.

V. Ứng dụng phân tích thành phần mẫu và kết quả nghiên cứu thực tế

Việc nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng vào thành phần mẫu có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, nó cho phép phân tích hợp kim và các vật liệu composite một cách không phá hủy, xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố. Trong địa chất và khai khoáng, phương pháp này được dùng để phân tích thành phần của mẫu đất, đá, quặng, hỗ trợ công tác thăm dò tài nguyên. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là giám sát môi trường, nơi phổ kế gamma được dùng để đo hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong đất, nước, không khí. Kết quả nghiên cứu của Tran Thị Bảo Ngọc (2020) đã cung cấp những dữ liệu thực nghiệm cụ thể. Nghiên cứu chỉ ra rằng, đối với các đồng vị phát nhiều tia gamma như ²¹⁴Bi và ²¹⁴Pb, độ sai biệt giữa thực nghiệm và mô phỏng là rất cao. Nguyên nhân được giải thích là do hiệu ứng trùng phùng tổng, tự hấp thụ và sự không chắc chắn trong dữ liệu hạt nhân. Những phát hiện này nhấn mạnh sự cần thiết của các phương pháp hiệu chỉnh tiên tiến khi phân tích các mẫu môi trường phức tạp.

5.1. Các ví dụ ứng dụng trong khoa học vật liệu và giám sát môi trường

Trong khoa học vật liệu, một nhà máy sản xuất thép cần đảm bảo hợp kim có đúng tỷ lệ Crom và Niken. Kỹ thuật phân tích phổ năng lượng như XRF, sau khi được hiệu chuẩn chính xác có tính đến ma trận sắt, có thể thực hiện việc này nhanh chóng ngay trên dây chuyền sản xuất. Trong giám sát môi trường, sau một sự cố hạt nhân, các nhà khoa học cần đo nồng độ ¹³⁷Cs trong các mẫu đất khác nhau. Vì đất từ các vùng khác nhau có thành phần nguyên tố và mật độ khác nhau, việc áp dụng một đường cong hiệu suất duy nhất sẽ dẫn đến kết quả sai. Thay vào đó, cần có các phương pháp hiệu chỉnh dựa trên ma trận, hoặc sử dụng mô phỏng Monte Carlo cho từng loại mẫu cụ thể để đạt được kết quả đáng tin cậy.

5.2. Đánh giá sai biệt giữa thực nghiệm và mô phỏng theo tài liệu gốc

Tài liệu gốc đã tiến hành so sánh chi tiết hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng cho bốn mẫu chuẩn IAEA. Kết quả cho thấy sự phù hợp tốt (sai biệt <7%) ở một số đỉnh năng lượng của ²²⁸Ac. Tuy nhiên, ở nhiều đỉnh khác, đặc biệt là các đỉnh của ²¹⁴Bi và ²¹⁴Pb trong chuỗi phân rã Uranium, sai biệt rất lớn (có thể lên đến 20-30%). Các nguyên nhân chính được chỉ ra bao gồm: (1) Hiệu ứng trùng phùng tổng không được hiệu chỉnh trong phép đo thực nghiệm, làm giảm số đếm ở các đỉnh năng lượng toàn phần. (2) Sự tự hấp thụ mạnh ở năng lượng thấp. (3) Sự thay đổi các đặc tính của đầu dò theo thời gian sử dụng, đặc biệt là bề dày lớp chết, làm giảm hiệu suất ghi nhận so với mô hình lý tưởng. Những kết quả này là một lời cảnh báo quan trọng về sự phức tạp của việc hiệu chuẩn và sự cần thiết phải xem xét toàn diện các yếu tố ảnh hưởng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hệ phô kế gamma sử dụng dau dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) được sử dụng phô biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trường nhờ vào những ưu điểm của nó như: khả năng phân tích nhiều đồng vị, độ chính xác cao. Điều can thiết ở kỹ thuật đo phố gamma là phải xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan của đầu dò. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan phụ thuộc vào hình dang, thành phan, mật độ của mẫu đo và năng lượng bức xạ gamma phát ra. Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường thường sử dụng các mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ được cung cap từ IAEA dé đánh giá đường cong hiệu suất cho mẫu đo có dang hình học nhất định {9,10.

Một trong những mẫu môi trường phô biến cho phép đo phô gamma là mẫu đất, nó rất quan trọng đối với nghiên cứu địa chất và phân tích mỗi nguy hiểm phóng xạ môi trường. Một số công trình nghiên cứu tiêu biêu có liên quan đến đề tài khóa luận như: năm 2012, S. Baccouche cùng cộng sự [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo dé chuẩn hiệu suất của đầu dd Nal(TI) và CsI(TI) cho phép do gamma từ các mẫu đất. Năng lượng được chọn là các đỉnh 1460 keV (°K), 1764 keV (7 Bi) và 2614 keV ("TI ).

Độ lệch của hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm cho hai đầu dò CsI(TI) và Nal(TI) đều không vượt quá 4%, ngoại trừ hiệu suất đối với năng lượng 2614 keV là 9%. Farhad Masoudi [10] nghiên cứu về sự thay đôi hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tổ trong các mẫu môi trường bằng cách so sánh sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 mẫu chuan IAEA- RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng chương trình MCNP dé mô phỏng hệ phô kế gamma sử dụng đầu đò HPGe GEM80P4-95 do hãng ORTEC cung cap. Các đỉnh năng lượng được chọn dé khảo sát là 63.78 keV (**Th), 143,76 keV (**U) trong mẫu IAEA-RGU- 1: 238.2 keV (2#T1), 911,2 keV (#* Ac) đối với mẫu IAEA-RGTH-1 va 1460.8 keV (“K ) trong mẫu IAEA-RGK-1.

Mẫu chuẩn có dang hình học Marinelli và được dat tai vị trí sát mặt đầu dd. Thành phan nguyên tố chứa trong các mẫu được xác định bằng phương pháp huỳnh quang tia X. Nhóm tác giả sử dụng các thành phần nguyên t6 này đề tính toán biệu suất đỉnh cho các mau trong mô phỏng. Kết quả độ sai t biệt của hiệu suất đình giữa ba mẫu chuẩn LAEA-RGU-1.

IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK- 1 và 5 mẫu đất không vượt quá 8%, ngoại trừ tại đỉnh năng lượng 63,3 keV có độ sai biệt là §. Từ các công trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đẻ tài là "Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh nang lượng toàn phần vào thành phần nguyên tô của mẫu môi trường". Mục đích của khóa luận này là xác định biệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các mẫu chuân do IAEA cung cấp. Bên cạnh đó, khóa luận còn thực hiện đánh giá hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp dụng phương pháp Monte Carlo, Đánh giá sự ảnh hưởng của thành phan nguyên tố chứa trong các mau chuẩn lên hiệu suất đỉnh.

Dựa theo các nội dung trên, khóa luận được chia thành ba chương: Chương | trình bay cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ gamma với vật chat; chuỗi phân ra phóng xạ của các đồng vị ”U, ?°Th; các khái niệm về hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phân. Chương 2 giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu bao gồm: cau trúc tệp đầu vào của chương trình MCNP6, hệ phô kế gamma sử dụng đầu dd HPGe và các mẫu chuân. Chương 3 kết quả và thảo luận. Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phân và đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng.

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình hap thụ và tán xạ. Đối với quá trình hap thy, bức xa gamma truyền toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mắt. Đối với quá trình tán xa, bức xạ gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và bị tán xạ (sau quá trình tán xạ. bức xạ gamma bị lệch đi một góc so với phương chuyên động ban đâu).

Tùy theo năng lượng của photon tới. bức xạ gamma có thẻ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế. Tuy nhiên, trong ghi do bức xạ chi có hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp là ba cơ chế tương tác chính tham gia vào việc tạo thành tín hiệu xung trong đầu đò. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên ur và truyền toàn bộ năng lượng cho các electron đó đề 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, =E,—-E, (1.1) trong đó: E, là động năng cực đại của electron. E, là nang lượng của photon tới. E,, là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử. Từ biéu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi nang lượng bức xa gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.

Năng lượng liên kết của electron giảm dan theo các lớp K, L, M,.Néu 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. Hiệu ứng quang điện 1. 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 kẻ và bat đầu chuyên sang hiệu ứng Compton. có thé 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 xa gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem như electron tự do) được gọi là tắn xa Compton. Sau quá trình tán xạ, bức xạ gamma thay đôi hướng bay so với ban đầu và bị mat một phan nang lượng, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ Compton được mô tả qua Hình 1. 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 thẻ hiện qua các biểu thức (1.2) E, =E,-E, =—eoe (13) trong đó: E, là năng lượng của bức xạ gamma tới.

là năng lượng của bức xa gamma sau tán xạ. E, là động năng cực đại của electron. 0 là góc bay của gamma sau tắn 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 8 càng lớn. Dựa theo biéu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đôi với động năng electron E_ sau tấn xạ phụ thuộc vao góc 0: Khi 0=0” thì (E,)__ on =0, bức xạ gamma sau tấn xạ mang năng lượng gần bang năng lượng gamma tới E, = E. ¬ + ` ` Khi 6=180" thi (E,), 2E,ơ a h A = 2° £Amma truyền năng lượng lớn nhất cho : 200 electron tức là khi tan xạ giật lùi với œ =——=. Hiệu ứng tạo cặp Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng E, >1,02MeV thi khi di qua điện trường của hạt nhân nó tạo ra một cặp electron — positron.

Day gọi là hiệu ứng tao cặp 6 electron = positron. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tông động năng của electron và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E, —2m,c* [1]: E.4) trong đó: E, là năng lượng của bức xạ gamma tới.,E__ lần lượt là động năng của positron và electron. E, > 1,02MeV P y =0,511MeV x ⁄ Huy electron - positron Hình 1. Hiệu ứng tạo cặp Electron và positron thường đi chuyền vài milimet trong vật liệu trước khi bị môi trường hap thụ nang lượng.

Do hai hạt có khối lượng như nhau nên có xác suất lớn đề hai hạt có năng lượng bằng nhau. Electron sẽ mat dan 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 xa gamma bay ngược chiêu nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV.

Hai bức xạ này có thé bị hấp thụ hoặc thoát ra khỏi đầu đò và tạo thành các đính thoát trong phỏ gamma. Nếu một bức xạ thoát ra khỏi đầu dò thì đỉnh quan sát được có năng lượng (E, = m.c’} gọi là đỉnh thoát don. Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát cỏ năng lượng (E, -2m,c’) gọi là định thoát đôi. 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 hat alpha, beta và bức xạ gamma thành các đồng vi con, quá trình phan rã tạo thành chuỗi cho đến khi chuỗi kết thúc bằng một đồng vị bèn. Trong tự nhiên uranium có ba đồng vị ?3*U, ?ŠU, ?3*U; đồng vị ?°U chiếm tỷ lệ nhiều nhất (99,25%). Thorium trong tự nhiên chỉ có một đồng vị duy nhất là ?*Th. Để đo phổ gamma của các đồng vị này, can hiểu rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tinh 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 ?*ŠU và ?*?Th 1. Chuỗi phân rã của đồng vị **U Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị ?°*U. Trong tự nhiên, **°U chiếm 99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm. Đồng vị **ŠU phân rã alpha thành đồng vị ??*Th.

Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bèn Pb. Typ = 4,46 x 10? năm Tị¿; = 1,17 phút 218D5 +l2nh Ty)2 = 3,094 phút Ty2 = 7,5 x 10 "năm a láph ZOpp Tiy2 = 22/3 nim Tị,¿ = 138,4 ngày Hình 1. Sơ đồ phân rã của đồng vị ?°°U [7] 1. Chuỗi phân rã của đồng vị *?Th Chuỗi phân rã của đồng vị ?*?