CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỎNG QUAN 1. Sơ lược về tình hình nghiên cứu gamma tán xạ 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Phép đo gamma tán xạ được thiết lập với mục đích ghi nhận các sự kiện mà tia gamma phát ra từ nguồn phóng xạ đi đến mẫu và xảy ra các tương tác tan xa (Compton, Rayleigh) trong mẫu, sau đó thoát ra khỏi mẫu. Trong phép đo này, các tia gamma tán xạ được ghi nhận bởi đầu dò sẽ bao gồm các sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần.
Tán xạ một lần là quá trình tia gamma tới chỉ xảy ra một lần tương tác Compton với mẫu. Năng lượng của các tia gamma tán xạ một lần phụ thuộc vào góc tan xạ và cô định với mỗi cấu hình do. Tan xạ nhiều lần là quá trình tia gamma tới xảy ra nhiều lần tương tác Compton hoặc Rayleigh với mẫu trước khi đến dau dò. Do đó, các tia gamma tán xạ nhiều lần có phổ năng lượng liên tục và trải rộng.
Một số nghiên cứu trước đây đã tính toán phô phân bố năng lượng của tia gamma tán xạ nhiều lần bằng các phương pháp giải tích và Monte Carlo như sau: Năm 1930, Dumond [11] đã ứng dung lý thuyết tán xạ cô điển Thompson và hiệu chỉnh Breit cho sự phân cực dé tính toán cho quá trình tan xa của photon. Từ đó, tác gia đưa ra biểu thức giải tích cho sự tính toán cường độ va phân bố phổ của tán xạ hai lần theo góc tán xạ với mẫu có dạng khối cau. Năm 1937, Kirkpatrick [12] đã công bố nghiên cứu về tính toán giải tích cho cường độ của tán xạ hai lần tại góc 90” trên mẫu có dạng cầu hoặc trụ, với photon tới ở trạng thái phân cực bất kỳ. Nền tảng của nghiên cứu dựa trên lý thuyết tán xạ Thompson và hiệu chỉnh xấp xi cho năng lượng mắt do electron giật lùi.
Năm 1975, Felsteiner và cộng sự [13] đã công bố các tính toán Monte Carlo cho việc xác định số lượng tán xạ nhiều lần trong phép đo tán xạ Compton. Nhóm tác giả đã khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện đo khác nhau như bề dày mẫu, vật liệu mẫu và năng lượng của photon tới lên tán xạ nhiều lần. Quãng đường tự do trung bình của photon tới bên trong vật liệu tán xạ được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đóng góp tán xạ nhiều lần. Năm 1979, Halonen và cộng sự [14] đã công bố nghiên cứu về tính toán Monte Carlo nhằm xác định phân bố góc của tán xạ hai lần cho các mẫu Nhôm và Nikel dang trụ.
Nhóm tác giả đã nghiên cứu sự khác biệt giữa việc ứng dụng tiết diện Thompson phi tương đối và tiết diện Klein-Nishina cho việc mô phỏng quá trình tán xạ tại các năng lượng khác nhau. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của việc sử dụng tiết điện Ribberfors (hiệu chỉnh cho sự phân bố động lượng của electron) cũng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy răng tiết diện tương đối tính và phi tương đối là khá khác biệt tại năng lượng 160 keV, nhưng sự phụ thuộc vào năng lượng của hai tiết diện này là giống nhau một cách cơ bản. Hơn nữa, tiết điện tương đối Klein-Nishina và Ribberfors không có sự khác nhau đáng kể cho việc tính toán tán xạ hai lần.
Năm 1991, Fernández [15] đã trình bày nghiên cứu về tán xạ hai lần Compton và Rayleigh cho bức xạ gamma không phân cực. Cường độ của tán xạ hai lần do các hiệu ứng Compton và Rayleigh (bao gồm Compton-Compton, Compton- Rayleigh, Rayleigh-Compton, Rayleigh-Rayleigh) được suy ra dựa trên lý thuyết vận chuyền cho một mẫu dày vô hạn được chiếu xạ bởi một chùm tia gamma đơn năng. Sự đóng góp của số bậc tương tác (tức số lần tương tác mà bức xạ gamma trải qua) được phân biệt dựa trên lời giải của phương trình Boltzmann. Từ đó, tác giả đã tính toán cường độ tán xạ hai lần của các hiệu ứng Rayleigh và Compton cho các vật liệu đơn nguyên tố và hỗn hợp.
Các kết quả tính toán lý thuyết cũng được so sánh với dtr liệu thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo. Năm 1999, Fernández và cộng sự [16] đã trình bày mô hình lý thuyết sử dụng phương trình vectơ Boltzmann đề tính toán cho các quá trình tán xạ mà photon tới ở trạng thái phân cực bất kì. Mô hình này cho phép xác định các thông tin về cường độ của photon tán xạ nhiều lần và trạng thái phân cực toàn phần của chúng trong phép đo tán xạ từ mẫu dày vô hạn được chiếu bởi chùm tia đơn năng. Năm 2004, Kakutani và cộng sự [17] đã công bố nghiên cứu về mô phỏng Monte Carlo cho phép đo tán xạ Compton với các tia X tới phân cực tuyến tính hoặc ellip.
Trong công trình này, phổ năng lượng của tán xạ Compton hai lần được tính toán như các hàm của năng lượng tia X tới và số nguyên tử (Z) của các mẫu có hình dạng và kích thước khác nhau. Năm 2013, Tarim va cộng sự [18] đã xây dựng một phần mềm Monte Carlo dé mô phỏng phép do gamma tán xạ. Phần mềm nay cho phép đánh giá một cách riêng biệt các quá trình tương tác mà photon trải qua tán xạ một lần hoặc nhiều lần bên trong mẫu. Kết qua của nghiên cứu đã cho thấy dang phân bố phổ năng lượng của các thành phần tán xạ một lần và nhiều lần (từ hai lần đến chín lần).
Từ đó, ta có thể quan sát được sự chồng chập của thành phần tán xạ một lần và nhiều lần bên trong phô tổng. Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra sự phụ thuộc của các sự kiện tán xạ ngược nhiều lần vào bề dày bia và năng lượng của photon tới. Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của các điều kiện đo khác nhau (như các thông số hình học của hệ đo, năng lượng tia gamma tới, bia tán xạ v.) lên cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần đã được khảo sát trong một số nghiên cứu như sau: Năm 1983, Paramesh và cộng sự [19] đã khảo sát sự phụ thuộc của bề dày bão hòa cho tia gamma tán xạ nhiều lần vào số nguyên tử (Z) của vật liệu bia. Trong nghiên cứu này, chùm tia gamma hẹp phát ra từ nguồn '*’Cs có năng lượng 662 keV được chiếu đến các bia nhôm, sắt, đồng và chì với bề dày khác nhau.
Đầu dò Nal(TD) được bố trí tại góc 120° so với tia tới dé ghi nhận các tia gamma tán xạ. Kết quả cho thấy cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của bé dày bia và đạt tới bão hòa sau một giá trị của bề dày, được gọi là bề dày bão hòa. Giá trị bề dày bão hòa giảm xuống khi số nguyên tử của vật liệu bia tăng lên. Cụ thể, bề dày bão hòa của nhôm, sắt, đồng, và chi lần lượt là 8,3 cm, 2,65 cm, 2,2 em và 0,4 em.
Năm 2006, Singh và cộng sự [20] đã công bố nghiên cứu về sự phân bố năng lượng và cường độ của tán xạ Compton nhiều lần trên bia đồng với các tia gamma tới có năng lượng lần lượt là 279, 662 và 1120 keV. Trong đó, một đầu dò Nal(TI) được sử dụng để ghi nhận các tia gamma tán xa tại góc đo 60° so với tia gamma tới. Kết quả của nghiên cứu cho thấy, cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của bề dày bia và sau đó đạt tới bão hòa. Giá trị bề dày bão hòa tăng lên theo sự gia tăng của năng lượng tia gamma tới.
Mặt khác, tỉ số giữa số sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần được ghi nhận bởi đầu dò là suy giảm theo sự gia tăng của bề dày bia. Năm 2006, Singh và cộng sự [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của ống chuẩn trực đầu đò và bề dày bia đối với các tia gamma tán xạ nhiều lần. Nhóm tác giả đã sử dụng nguồn phóng xạ '?’Cs được chuẩn trực dé phát ra chùm tia gamma hẹp có năng lượng 662 keV chiếu đến các bia nhôm dạng trụ có đường kính khác nhau. Đầu dò Nal(Tl) được đặt tại góc 90° so với chùm tia tới dé ghi nhan cac tia gamma tan xa.
Kết quả cho thấy cường độ tia gamma tán xa nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của đường kính bia và sau đó đạt tới bão hòa. Số lượng tia gamma tán xạ nhiều lần được ghi nhận cũng tăng lên theo sự gia tăng đường kính của ống chuẩn trực đầu đò. Tuy nhiên, bề dày bão hòa lại không thay đổi bởi thông số này. Ngoài ra, tỉ sỐ giữa số sự kiện tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần tăng lên khi thu hẹp đường kính của ống chuẩn trực đầu dò.
Kết quả này cho thấy có thé làm giảm thành phan tán xạ nhiều lần trong phô bang cách thu hẹp ống chuẩn trực. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc phải tăng thời gian của phép đo hoặc sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn dé dam bảo thong ké. Năm 2007, Singh và cộng su [22] đã khảo sát anh hưởng cua góc tan xa lên các tia gamma tán xạ nhiều lần với gamma tới có năng lượng 662 keV. Nhóm tác giả đã bồ trí đầu đò Nal(TI) tại các vị trí khác nhau, tương ứng với các góc tán xạ từ 50° đến 130°, để ghi nhận tia gamma tán xạ từ các bia đồng có bề dày khác nhau.
Kết quả của nghiên cứu cho thấy, ứng với mỗi góc tán xạ thì cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần tăng lên theo sự gia tăng của bề dày bia và sau đó đạt tới bão hòa. Giá trị của bề dày bão hòa giảm dần từ 14,4 mm đến 5,0 mm khi góc tán xạ tăng từ 50° đến 80°, và giảm từ 27,0 mm đến 18,0 mm khi góc tán xạ tăng từ 100° đến 130°. Đồng thời, nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng với mỗi bề dày bia thì cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần suy giảm khi góc tán xạ giảm từ 50° đến 80°, đạt tối thiểu tại góc 90°, và gia tăng từ góc 100° đến 130°. Sự biến thiên với quy luật nêu trên của cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần theo góc tán xạ càng trở nên rõ ràng đối với các bia có bề dày lớn.
Năm 2016, Kiran và cộng sự [23] đã nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ tia gamma tán xạ nhiều lần và bề dày bão hòa theo góc tán xạ cho các bia cacbon, nhôm, sắt và đồng bằng thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo. Nhóm tác giả đã sử dụng nguồn phóng xạ '””Cs dé phát ra chùm tia gamma có năng lượng 662 keV chiếu đến bia.