Mở đầu Ngày nay, nhiều kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng vào đời sống đặc biệt là những kỹ thuật được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, năng lượng, môi trường. Việc bắt đầu sử dụng nguồn phóng xạ làm ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành. Các máy đo phóng xạ môi trường trở thành những công cụ cơ bản cho phép người sử dụng kiểm tra về hoạt độ phóng xạ từ môi trường. Hệ phổ kế gamma là một trong những hệ thống phát hiện bức xạ được sử dụng rộng rãi nhất.
Trong phép đo phóng xạ cần có kiến thức chính xác về hiệu suất ghi của máy đo bởi chỉ một phần của bức xạ đi vào vật liệu tương tác bên trong nên hiệu suất ghi không đạt 100%. Một trong những đầu dò có hiệu suất cao để đo hoạt độ môi trường là đầu dò sử dụng chất nhấp nháy rắn điển hình như hệ đo phổ gamma NaI(Tl) bao gồm một đầu dò NaI(Tl) và máy phân tích đa kênh MCA, hiệu suất ghi bức xạ phụ thuộc vào nhiều tham số của đầu dò. Nhiều phần mềm đã phát triển rất sớm từ những năm 1940 cho phép người dùng tính toán phù hợp với mô hình thực nghiệm mà không cần làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ. Phần mềm mô phỏng MCNP5 dựa trên phương pháp Monte Carlo được xây dựng bởi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP5 được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng vì sự phù hợp của mô phỏng so với thực nghiệm.
Phần mềm MCNP5 cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyển hạt từ những dữ liệu đầu vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng để tính được hiệu suất ghi của đầu dò cần xác định được số hạt để lại năng lượng trong tinh thể. Trong quá trình photon phát ra từ nguồn trên đường đi nó phải qua các vật liệu môi trường và các lớp che chắn tinh thể. Hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần được tính giữa thực nghiệm và mô phỏng bao giờ cũng có sự chệnh lệch tùy thuộc vào các thông số đầu vào. Sự phù hợp giữa tính toán hiệu suất từ mô phỏng và thực nghiệm cần có những nghiên cứu liên quan giữa các thông số đầu vào đối với kết quả tính toán.
Khi tính hiệu suất bằng phương pháp gamma truyền qua thì các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả là các thông số của đầu dò NaI(Tl) được cung cấp từ nhà sản 1 xuất, việc hiệu chỉnh các yếu tố này trước khi mô phỏng sẽ cho kết quả tối ưu hơn. Sự ảnh hưởng của lớp phản xạ bao quanh tinh thể đã được nghiên cứu bởi Tam và cộng sự [5]. Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi bề dày lớp phản xạ hiệu suất cũng thay đổi và phụ thuộc tuyến tính theo bề dày lớp phản xạ Al2O3 , sự hiệu chỉnh thông số này cho thấy sự phù hợp với độ lệch dưới 2% giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở các mức năng lượng trải dài từ 88 keV- 1332 keV. Thay vì hiệu chỉnh thông số bề dày lớp phản xạ chúng tôi hiệu chỉnh các thông số khác, đồng thời đưa ra phương pháp xây dựng một quy trình để tách rời sự ảnh hưởng của từng thông số lên bài toán, sau đó đưa ra mô hình tối ưu giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Theo những nội dung trên nên luận văn được chia thành bốn chương. Chương một trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất, những tương các cơ bản như: quang điện, Compton và tạo cặp. Chương hai giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5. Chương ba trình bày về mô hình thực nghiệm và phương pháp xác định các thông số tối ưu.
Trong chương này nghiên cứu về ba phương pháp để xác định lần lượt các thông số mật độ lớp phản xạ, bán kính tinh thể NaI(Tl), và chiều dài tinh thể NaI(Tl). Chương bốn sẽ trình bày về kết quả của các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl) thu được đối với từng phương pháp, từ kết quả thu được sẽ thay lại các thông số này vào mô phỏng, sau đó tiến hành so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần giữa mô phỏng và thực nghiệm và thảo luận về các thông số tối ưu với mô hình mới. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1. Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng lượng cao ứng với bước sóng nhỏ hơn 10 11 m.
Bức xạ gamma thực chất là các hạt photon, chúng có tính chất của cả sóng và hạt, khi đi vào vật liệu photon tương tác với các electron, thường xảy ra ba hiệu ứng: quang điện, Compton và tạo cặp. Do xảy ra tương tác giữa photon và electron, khi truyền qua vật liệu bia một phần cường độ của chùm tia bị suy giảm, vì vậy số đếm photon suy giảm về số lượng tùy thuộc vào độ dày vật liệu bia và năng lượng photon tới. Quy luật suy giảm của cường độ chùm tia photon đi qua vật liệu được tính theo công thức: I I 0 e d photon.2) trong đó: d (cm) là bề dày vật liệu. ( cm 1 ) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với vật liệu bia, do hệ số tuyến tính phụ thuộc vào mật độ bia nên người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối để mô tả sự suy giảm của cường độ photon truyền qua.cm3 ) là mật độ của bia.
Hiệu ứng quang điện Thí nghiệm nổi tiếng của Heinrich Hertz vào năm 1887 là một trong những điều kỳ lạ trong lịch sử khoa học, ông phát hiện ra sóng điện từ xác nhận lý thuyết sóng của James Maxwell, ông cũng là người khám phá ra hiệu ứng quang điện dẫn đến tính chất hạt ánh sáng [6]. Abert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của Max Plank đã giải thích thành công hiện tượng quang điện. Giả thuyết photon mang năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử đi vào kim loại truyền hết 3 năng lượng cho electron, theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại bằng hiệu năng lượng photon tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử. Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại, một electron ở lớp vỏ ngoài cùng hấp thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại [6].
1 2 mvmax hf lk (1.4) 2 trong đó: 1 2 mvmax là động năng cực đại của electron. 2 hf là năng lượng của photon tới. lk là năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân. Năng lượng liên kết của electron giảm dần theo các lớp K, L, M, N… Nếu năng lượng của photon nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra cho các electron ở lớp xa hạt nhân hơn.
Mỗi một nguyên tử có cấu trúc năng lượng ở các lớp vỏ electron khác nhau nên xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện 4 không những phụ thuộc vào năng lượng của photon tới mà còn phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton là sự va chạm giữa photon và electron tự do, trong thực tế thì electron không tự do mà là những electron liên kết với hạt nhân trong nguyên tử môi trường. Đối với photon đi vào môi trường có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron ta có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron và xem như bài toán va chạm giữa photon với các electron tự do. Hiệu ứng Compton[2].
Sự va chạm giữa photon với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton. Sau tán xạ photon thay đổi phương chuyển động và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Theo định luật bảo toàn năng lượng: Te E E ' (1.5) Trong đó: Te là động năng cực đại của electron. E là năng lượng của photon tới.
E ' là năng lượng của photon sau tán xạ Compton. Trên cơ sở tính toán dựa trên bảo toàn năng lượng và động lượng có xét đến tương đối tính, năng lượng của photon và electron sau khi tán xạ theo góc lần lượt được tính theo công thức (1. Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp là sự tương tác giữa một photon có năng lượng lớn hơn 1022 keV với hạt nhân nguyên tử, kết quả là sự biến mất của photon cùng với sự xuất hiện cặp electron và positron. Positron sau đó nhanh chóng bị hủy do tương tác với các electron khác từ môi trường và sinh ra hai photon với năng lượng 511 keV.3 Hiệu ứng tạo cặp [2].
Theo định luật bảo toàn năng lượng: Te Te E 2(mec 2 ) E 1022 KeV (1.8) Hiêu ứng tạo cặp xảy ra bên ngoài tinh thể tạo thành photon được ghi nhận ở đỉnh năng lượng 511 keV, nếu hiệu ứng tạo cặp xảy ra bên trong tinh thể và các photon được tạo thành sau đó thoát ra thì sẽ ghi nhận các đỉnh thoát đơn hoặc thoát đôi. Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguồn tới đầu dò [2]. Trong ghi nhận bức xạ từ phổ gamma các hiệu ứng quang điện, Compton và tạo cặp được thể hiện trong hình 1. Phổ đo bức xạ gamma năng lượng 1408 keV.
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 2. Phương pháp Monte Carlo Sự ra đời của máy tính điện tử đầu những năm 1940 là một bước ngoặc quan trọng đối với sự phát triển của xã hội loài người. Kích thước của những hệ máy tính điện tử khi ấy rất cồng kềnh, điển hình như máy tính ENIAC được thiết kế bởi hai nhà khoa học Mỹ là John Mauchy và J. Bởi vì việc tính toán bằng máy tính vẫn còn phức tạp, người vận hành phải sử dụng bằng những máy điện cơ, nên các kỹ sư phải lựa chọn phương pháp giải toán phù hợp với khối lượng tính toán từ máy tính.
Một trong những phương pháp phù hợp với máy tính điện tử là giải toán bằng phương pháp số. Tuy nhiên, ý tưởng giải toán bằng phương pháp số đã xuất hiện từ rất sớm nhưng chưa được quan tâm. Năm 1777, nhà toán học người Pháp Georges- Louis Leclerc Comte de Buffon đã đưa ra một bài toán nổi tiếng về tính số hết sức kỳ lạ.