Tài liệu đánh giá hiệu suất năng lượng đỉnh toàn phần và hiệu suất tổng bằng phương pháp monte carlo

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ …o0o… ĐỖ THỊ ÁNH TUYẾT ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG ĐỈNH TOÀN PHẦN VÀ HIỆU SUẤT TỔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE-CARLO Ngành: VẬT LÍ Mã số: 105 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÍ ĐỖ THỊ ÁNH TUYẾT ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG ĐỈNH TOÀN PHẦN VÀ HIỆU SUẤT TỔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE-CARLO Ngành: VẬT LÍ Mã số: 105 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ths.TRẦN THIỆN THANH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, ngoài những cố gắng của bản thân, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của thầy cô, gia đình, bạn bè, luôn sát cánh bên em cho đến khi hoàn thành khóa luận. Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến Ths.Trần Thiện Thanh, thầy đã truyền cho em những kiến thức chuyên môn, tận tình chỉ bảo cũng như đóng góp những ý kiến và những kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành khóa luận. Xin cho em được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ths.Lê Công Hảo về những kiến thức bổ ích thầy đã truyền cho em, thầy đã giúp em chỉnh sửa lại luận văn để luận văn được hoàn chỉnh. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Vật Lý trường ĐH Sư Phạm TPHCM đã dìu dắt, truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trường. Cảm ơn các bạn đã luôn quan tâm, giúp đỡ, sát cánh bên mình trong suốt thời gian qua. Con xin gửi lời cảm ơn, lời tri ân đến ba mẹ, gia đình, người thân về tình yêu thương mà mọi người dành cho con, tiếp thêm sức mạnh cho con trên con đường tri thức cũng như trong cuộc sống này. Chân thành cảm ơn. MỤC LỤC Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt .................................................................... 3 Danh mục các bảng ..................................................................................................... 4 Danh mục hình vẽ và đồ thị ........................................................................................ 6 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẦU DÒ GERMANIUM BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT (HPGe) .........................................................................................................10 1.1. Giới thiệu về đầu dò HPGe [1] ....................................................................... 10 1.2. Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma [1, 2] ............................... 10 1.3. Phổ biên độ xung [2]....................................................................................... 10 1.4. Độ phân giải năng lượng ................................................................................ 12 1.5. Hiệu suất đo [3] .............................................................................................. 14 1.5.1. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (εp) ................................................ 15 1.5.2. Hiệu suất tổng (εt)..................................................................................... 16 1.5.3. Tỉ số P/T ................................................................................................... 17 1.5.4. Đường cong hiệu suất............................................................................... 18 1.6. Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất của detector [3] ................................... 19 1.6.1. Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh ........................................... 19 1.6.2. Yếu tố hình học đo ................................................................................... 19 1.6.3. Hiệu ứng trùng phùng tổng ...................................................................... 20 1.6.4. Hiệu chỉnh phân rã phóng xạ.................................................................... 21 1.6.5. Hệ điện tử ................................................................................................. 21 1.6.6. Sự tự hấp thụ ........................................................................................... 22 1.7 Nhận xét ........................................................................................................... 22 Chương 2 - TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO...................................................23 2.1. Các cơ chế tương tác của gamma với vật chất [1, 4]...................................... 23 2.1.1. Hấp thụ quang điện .................................................................................. 23 2.1.2. Tán xạ Compton ....................................................................................... 25 2.1.3. Hiệu ứng tạo cặp...................................................................................... 26 2.2. Phương pháp Monte Carlo [2] ........................................................................ 27 2.2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 27 2.2.2. Phương pháp Monte Carlo ....................................................................... 28 2.3. Chương trình MCNP [3, 5, 8] ......................................................................... 28 2.3.1. Giới thiệu về chương trình MCNP ........................................................... 28 2.3.2. Các bước thực hiện quá trình mô phỏng trong MCNP4C2 ...................... 29 Chương 3 - KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG ....................................... 33 3.1. Dạng hình học của đầu dò HPGe.................................................................... 33 3.2. Mô phỏng và kết quả của quá trình mô phỏng ............................................... 35 3.2.1. Mô phỏng ................................................................................................. 35 3.2.2. Kết quả của quá trình mô phỏng .............................................................. 37 3.3. So sánh kết quả mô phỏng của 3 loại đầu dò bằng MCNP4C2 với kết quả mô phỏng của các chương trình khác như GEANT3, GEANT4, MCNP, PENELOPE [7]. ..........................................................................................................................39 3.4. Đánh giá sự tự hấp thụ của các thành phần hóa học trong nguồn .................. 46 3.5. Nhận xét .......................................................................................................... 57 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 60 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Các kí hiệu ε abs : Hiệu suất tuyệt đối Ω là góc khối giữa nguồn và đầu dò εt : Hiệu suất tổng ε int: Hiệu suất nội εp : Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần NP : diện tích đỉnh năng lượng toàn phần A : hoạt độ tại thời điểm đo (Bq) I γ : xác xuất phát gamma t: thời gian đo (s) R t : Tốc độ phân rã tại thời điểm t R 0 : Tốc độ phân rã tại thời gian lúc đầu η 1 , η 2 , η s lần lượt là hiệu suất ghi nhận được của tia γ 1 , γ 2 và đỉnh tổng. λ là hằng số phân rã E e là tổng động năng của electron và positron E γ là năng lượng của tia gamma tới  Các chữ viết tắt AvgC ETZ : Số đếm trung bình DSBHS: Độ sai biệt hiệu suất MCNP: Monte-Carlo N-Particle HPGe: Germanium siêu tinh khiết (Hyper pure Germanium) P/T: Tỉ số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trên hiu suất tổng (Peak to total) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các kiểu tally ............................................................................................32 Bảng 3.1: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của đầu dò 1 .... 37 Bảng 3.2: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của đầu dò 2 ....38 Bảng 3.3: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của đầu dò 3 .... 38 Bảng 3.4: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của đầu dò 3 với mật độ nước là 3 g/cm3 khi mô phỏng bằng GEANT3, GEANT4............................39 Bảng 3.5: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của đầu dò 3 với mật độ nước là 3 g/cm3 khi mô phỏng bằng MCNP và PENELOPE… 40 Bảng 3.6: So sánh hiệu suất đỉnh của đầu dò 3 ở mật độ của nước là 3 g/cm3 giữa code MCNP4C2 và code GEANT3, GEANT4, MCNP, PENELOPE [7].............. 40 Bảng 3.7: So sánh hiệu suất tổng của đầu dò 3 ở mật độ của nước là 3 g/cm3 giữa code MCNP4C2 và GEANT3, GEANT4, MCNP, PENELOPE [7]. ...................... 41 Bảng 3.8: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò 3 ở mật độ 2 g/cm3 , 3 g/cm3 , 4 g/cm3.......................................................................................................... 44 Bảng 3.9: Hiệu suất tổng của đầu dò 3 ở mật độ 2 g/cm3 , 3 g/cm3 , 4 g/cm3 ......... 44 Bảng 3.10: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất 1 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ..........................................................................................................47 Bảng 3.11: Hiệu suất tổng của đất 1 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ............48 Bảng 3.12: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất 2 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ..........................................................................................................48 Bảng 3.13: Hiệu suất tổng của đất 2 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ............49 Bảng 3.14: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất 3 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 50 Bảng 3.15: Hiệu suất tổng của đất 3 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 .............50 Bảng 3.16: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất 4 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ..........................................................................................................51 Bảng 3.17: Hiệu suất tổng của đất 4 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ............51 Bảng 3.18: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất 5 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ..........................................................................................................52 Bảng 3.19: Hiệu suất tổng của đất 5 ở mật độ 1 g/cm3, 1,5 g/cm3, 2 g/cm3 ............53 Bảng 3.20: Độ sai biệt hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đất loại 5, 4, 3, 2 so với đất 1 ở cùng mật độ 1,5 g/ cm3 ..........................................................................54 Bảng 3.21: Độ sai biệt hiệu suất tổng của đất loại 5, 4, 3, 2 so với đất 1 ở cùng mật độ 1,5 g/ cm3 .............................................................................................................55 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Phổ phân bố độ cao xung vi phân của gamma theo năng lượng của nguồn Eu-152 ......................................................................................................................11 Hình 1.2: Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải tương đối xấu ............................................................................................ 12 Hình 1.3: Định nghĩa của độ phân giải detector ......................................................13 Hình 1.4: Giá trị năng lượng của các nguồn thường được dùng trong quá trình xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh thực nghiệm. 15 Hình 1.5: Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh ........................................... 19 Hình 1.6: Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của Co60 ............................................................ 21 Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện ................................................................................23 Hình 2.2: Tán xạ Compton .......................................................................................25 Hình 3.1: Dạng hình học đầu dò 1 ........................................................................... 33 Hình 3.2: Dạng hình học của đầu dò 2 ..................................................................... 34 Hình 3.3: Dạng hình học của đầu dò 3 .....................................................................35 Hình 3.4: Cấu trúc của đầu dò 2 được vẽ bằng MCNP ............................................36 Hình 3.5: Cấu trúc của nguồn và đầu dò 3 được vẽ bằng MCNP ............................36 Hình 3.6: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mô phỏng MCNP4C2 và các mô phỏng khác .........................................................................................................41 Hình 3.7: Hiệu suất tổng của mô phỏng MCNP4C2 và các mô phỏng khác ...........42 Hình 3.8: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 loại đầu dò .......................... 42 Hình 3.9: Hiệu suất tổng của ba loại đầu dò ............................................................43 Hình 3.10: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò 3 ở mật độ 2g/cm3 , 3g/cm3 , 4g/cm3 45 Hình 3.11: Hiệu suất tổng của đầu dò 3 ở mật độ 2 g/cm3 , 3 g/cm3 , 4 g/cm3 .......46 Hình 3.12: Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 5 loại đất ở mật độ 1,5 g/cm3 ...................................................................................................................................53 Hình 3.13: Hiệu suất tổng của 5 loại đất ở mật độ 1,5g/cm3 ...................................54 Hình 3.14: ĐSBHS đỉnh năng lượng toàn phần của đất 5, 4, 3, 2 so với đất 1 ở mật độ 1,5 g/cm3 ..............................................................................................................56 Hình 3.15: ĐSBHS tổng của đất 5, 4, 3, 2 so với đất 1 ở mật độ 1,5 g/cm3 ............56 MỞ ĐẦU Ngày nay, nghiên cứu và phát triển khoa học luôn được xem là những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc định hướng sự phát triển của toàn xã hội. Các cơ sở máy móc, thiết bị trong phòng thí nghiệm luôn được trang bị đầy đủ và không ngừng cải tiến nhằm tạo điều kiện thuận lợi hơn cho người làm khoa học. Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào chúng ta cũng có đủ các điều kiện cần thiết để thực hiện các thí nghiệm như mong muốn và không phải lúc nào các phương pháp thực nghiệm cũng được thực hiện một cách dễ dàng, chính xác, nhất là trong lĩnh vực nghiên cứu về vật lý hạt nhân, một lĩnh vực mà những kết quả tính toán thường là gần đúng và mang tính chất thống kê. Lúc này, máy tính đóng vai trò là một công cụ thật sự hữu ích. Sự xuất hiện của máy tính không chỉ dùng trong việc nghiên cứu, phân tích, đo đạc các kết quả thực nghiệm mà nó còn được sử dụng như một công cụ để mô phỏng thí nghiệm, cung cấp cho chúng ta những kết quả mà các thí nghiệm thuần túy thường gặp phải nhiều khó khăn và hạn chế trong quá trình thực hiện. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp Monte-Carlo cụ thể là chương trình MCNP4C2. Đây là một chương trình được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực hạt nhân. Việc áp dụng chương trình MCNP trong vật lý hạt nhân cũng được thực hiện trong nhiều năm gần đây với các phiên bản MCNP mới ngày càng hoàn thiện hơn. Vì vậy việc hiểu biết và sử dụng chương trình là điều hết sức cần thiết cho người làm việc trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Mục đích của khóa luận này là dùng chương trình MCNP4C2 để mô phỏng ba cấu hình lý thuyết của detector Germanium nhằm đánh giá hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng của ba cấu hình nêu trên. Khóa luận gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về đầu dò Germanium siêu tinh khiết (HPGe): Giới thiệu các đặc tính, cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma, các khái niệm cơ bản của hiệu suất, phân loại hiệu suất, cách xác định và xây dựng đường cong hiệu suất theo các phương pháp khác nhau như thực nghiệm, bán thực nghiệm, và đặc biệt là phương pháp mô phỏng. Chương 2: Tương tác của photon với môi trường vật chất và phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Giới thiệu các loại đặc trưng chính của photon với môi trường vật chất, tổng quan về mô phỏng, đặc biệt là phương pháp Monte-Carlo, đồng thời giới thiệu sơ lược các kiến thức cơ bản của chương trình MCNP. Chương 3: Kết quả của quá trình mô phỏng: Giới thiệu về 3 cấu hình detector Germanium cần nghiên cứu trong luận văn, kết quả của quá trình mô phỏng bằng chương trình MCNP4C2. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả của các chương trình mô phỏng khác như GEANT3, GEANT4, MCNP, PENELOPE của tác giả Tim Vidmar [7]. Từ đó so sánh, đánh giá hiệu suất năng lượng đỉnh toàn phần và hiệu suất tổng của 3 cấu hình detector nêu trên. Và dựa trên cơ sở đó xem xét, khảo sát ảnh hưởng của mật độ nguồn và sự hấp thụ tia gamma trong nguồn đến hiệu suất ghi của detector. . CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẦU DÒ GERMANIUM BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT (HPGe) 1.1. Giới thiệu về đầu dò HPGe [1] Detector HPGe là một trong những detector dùng ghi nhận gamma phổ biến nhất hiện nay cho việc nghiên cứu cơ bản hay trong vật lý ứng dụng, vì chúng có ưu điểm là có độ phân giải cao. Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể ghi nhận với độ phân giải lên tới 0,1%. Đây cũng chính là hệ đo được đề cập đến trong đề tài này. 1.2. Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma [1, 2] Khi đi qua môi trường vật chất, do bức xạ gamma không mang điện tích nên không gây hiệu ứng ion hóa hoặc kích thích trực tiếp vào đầu dò. Vì vậy, việc ghi nhận chúng được thực hiện thông qua các tương tác mà trong đó một phần hoặc toàn bộ năng lượng của chúng được truyền cho electron. Chính các electron này gây ion hóa tạo ra các xung điện ở lối ra của detector. Như vậy detector phải thực hiện 2 chức năng: - Biến đổi năng lượng tia gamma thành năng lượng các electron. Do đó nó hoạt động như bộ chuyển đổi trung bình mà tại đó các tia gamma có xác suất tương tác trung bình sinh ra một hay nhiều electron nhanh - Hoạt động như một thiết bị ghi nhận chuyển đổi electron nhanh thành những tín hiệu điện. 1.3. Phổ biên độ xung [2] Khi detector hoạt động theo kiểu xung, mỗi xung riêng sẽ mang thông tin quan trọng liên quan đến điện tích được tạo ra bởi tương tác của bức xạ trong detector. Những xung này được tập hợp và lưu trữ cho sự thể hiện phân bố biên độ xung của detector ở đầu ra. Có hai cách thông thường để trình bày thông tin về phân bố biên độ xung là phổ vi phân và phổ tích phân. Phổ tích phân ít phổ biến hơn. Trong hệ trục tọa độ Descartes với trục hoành là vi phân biên độ xung dH, trục tung là số đếm vi phân của xung dN (được quan sát với biên độ bên trong vùng giới hạn dH), chia cho dH kí hiệu là dN/dH. Trục hoành có đơn vị là volt còn trục tung có đơn vị là volt-1. Số xung có biên độ nằm giữa giá trị H 1 và H 2 có thể thu được bằng cách lấy tích phân trong khoảng giới hạn từ H 1 đến H 2 , nghĩa là chúng ta tính diện tích trong miền giới hạn này, số xung có biên độ trong khoảng giữa H 1 và H 2 bằng: H2 dN dH dH H1 N= ∫ (1.1) Hình 1.1: Phổ phân bố độ cao xung vi phân của gamma theo năng lượng của nguồn Eu152 Sự tỉ lệ giữa biên độ xung và năng lượng cho phép biến đổi đơn vị của trục hoành từ đơn vị của biên độ thành đơn vị của năng lượng (thường dùng là keV hoặc MeV), đơn vị của trục tung thành đơn vị của nghịch đảo năng lượng. Phương trình (1.1) lúc này được viết lại như sau: E2 dN dE dE E1 N= ∫ (1.2) Nó thể hiện số photon tương tác với năng lượng giữa E 1 và E 2 . Phổ độ cao xung lúc này được gọi là phổ năng lượng gamma. Ví dụ hình 1.1. 1.4. Độ phân giải năng lượng Độ phân giải năng lượng là đặc trưng quan trọng của detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết. Một hệ đo có thể được đánh giá cao khi mà độ phân giải của chúng được cho là rất tốt. Vậy thì độ phân giải năng lượng như thế nào là tốt ? Trong nhiều ứng dụng thực tế, các detector thường được dùng để đo sự phân bố của các bức xạ theo năng lượng. Sự phân bố này được gọi là hàm đáp ứng của detector đối với năng lượng. Hình 1.2: Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải tương đối xấu Xét thấy trên hình 1.2 mặc dù số xung được ghi nhận trong cả hai trường hợp là như nhau, diện tích mỗi đỉnh là bằng nhau, cả hai đều có sự phân bố xung quanh giá trị trung bình H 0 , nhưng bề rộng của đường cong trong trường hợp rộng hơn thì xấu, vì thế bề rộng hàm đáp ứng càng nhỏ thì phép đo càng chính xác. Độ phân giải năng lượng của detector được định nghĩa là tỉ số giữa FWHM (bề rộng của phân bố tại tọa độ bằng nửa độ cao cực đại tại vị trí đỉnh H 0 ) trên H 0 . Độ phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên và diễn tả theo %. Hình 1.3: Định nghĩa của độ phân giải detector Detector có độ phân giải càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau. Độ phân giải năng lượng của detector không tốt có thể do một số nguyên nhân gây ra sự thăng giáng trong đáp ứng của detector: • Thứ nhất do sự dịch chuyển đặc trưng hoạt động của detector trong quá trình ghi nhận bức xạ. • Thứ hai do những nguồn nhiễu bên trong bản thân của detector và hệ thống dụng cụ đo. • Thứ ba là do thăng giáng thống kê từ chính bản thân rời rạc của tín hiệu đo. Trong hầu hết các detector được sử dụng, thăng giáng thống kê là nguồn thăng giáng quan trọng trong tín hiệu và đưa đến giới hạn hoạt động của detector. Hiện nay detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết có độ phân giải năng lượng cao nhất. Để đạt được độ phân giải như thế thì cấu tạo đầu dò phải có kích thước nhỏ và nguyên tử số thấp. Các detector bán dẫn Germanium siêu tinh khiết có ưu điểm lớn nhất là phân tích các phổ gamma phức tạp có nhiều đỉnh. 1.5. Hiệu suất đo [3] Về nguyên tắc, tất cả các detector sẽ cho xung ra khi có bức xạ tương tác với đầu dò. Ở đây đối với bức xạ gamma, vì chúng không mang điện tích nên khi vào detector chúng phải trải qua nhiều quá trình tương tác thứ cấp trước khi được ghi nhận. Bởi vì bức xạ này có thể truyền qua những khoảng cách lớn giữa những lần tương tác và như thế chúng có thể thoát ra khỏi vùng làm việc của detector dẫn đến hiệu suất của detector nhỏ hơn 100%. Khi đó hiệu suất của detector thật sự cần thiết để liên hệ số xung đếm được và số photon tới detector. Người ta chia hiệu suất của detector thành hai loại là: hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency) và hiệu suất nội (intrinsic efficiency). Hiệu suất tuyệt đối (ε abs ): Được định nghĩa là tỉ số giữa các xung ghi nhận được và số bức xạ được phát ra bởi nguồn. Hiệu suất này không những phụ thuộc vào tính chất của detector mà còn phụ thuộc vào bố trí hình học như khoảng cách giữa nguồn và detector. Hiệu suất nội (ε int ): Được định nghĩa là tỉ số giữa các xung ghi nhận được và số bức xạ đến đầu dò. Hiệu suất nội không phụ thuộc vào góc khối nhìn detector như trong hiệu suất tuyệt đối. Đối với nguồn đẳng hướng hai hiệu suất này liên hệ với nhau như sau:  4π  ε int = ε abs   Ω (1.3) Ở đây Ω là góc khối của detector được nhìn từ vị trí của nguồn Việc sử dụng hiệu suất nội tiện hơn nhiều so với hiệu suất tuyệt đối, bởi vì hiệu suất nội ít phụ thuộc hình học giữa detector và nguồn. Hiệu suất nội chỉ phụ thuộc vào vật liệu detector, năng lượng bức xạ và bề dày vật lý của detector theo chiều bức xạ tới. Nhưng phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn và detector vẫn còn vì quãng đường trung bình của bức xạ xuyên qua detector sẽ thay đổi một ít theo khoảng cách này. Ngoài ra hiệu suất đếm còn được phân loại theo bản chất của bức xạ được ghi nhận, được chia thành hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng. 1.5.1. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (εp) Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (εp) được định nghĩa là xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất mát toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích hoạt động của đầu dò. Trong phân bố độ cao xung vi phân, các hiện tượng mất năng lượng toàn phần này được thể hiện bởi một đỉnh xuất hiện ở vị trí cuối của phổ. Các hiện tượng mà chỉ mất một phần năng lượng của bức xạ tới sẽ xuất hiện xa hơn về phía trái của phổ. Số các hiện tượng mất năng lượng toàn phần có thể được thu bởi một tích phân đơn giản diện tích toàn phần dưới đỉnh. Phương pháp thực nghiệm thông thường được sử dụng là dùng một số nguồn phát gamma đơn năng để tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo năng lượng. Tuy nhiên, năng lượng của gamma còn phụ thuộc vào khoảng cách cho nên ứng với mỗi khoảng cách nhất định có một đường cong hiệu suất. Điều này là rất mất thời gian và tốn kém trong quá trình đo đạc thực nghiệm. Hình 1.4: Giá trị năng lượng của các nguồn thường được dùng trong quá trình xây dựng đường cong hiệu suất đỉnh thực nghiệm. Trong thực nghiệm hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bởi: N p (E) ε (E) = AI γ (E)t p (1.4) Với εp, NP, A, I γ , t lần lượt là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, diện tích đỉnh năng lượng toàn phần, hoạt độ tại thời điểm đo (Bq), xuất phát gamma, thời gian đo (s) Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính, các đường cong hiệu suất tại các khoảng cách khác nhau có thể được tính bằng các phương pháp bán thực nghiệm hoặc phương pháp mô phỏng. Trong phương pháp mô phỏng hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần mô phỏng được định nghĩa là: số gamma tại đỉnh năng lượng toàn phần chia cho số gamma phát ra từ nguồn. N peak ε = emit N p (1.5) Hiệu suất của một tia gamma có năng lượng xác định có thể được nội suy hoặc ngoại suy từ các hiệu suất của các tia gamma chuẩn đã được tính trước đó. Hiệu suất của việc đo nguồn có kích thước có thể được tính bằng cách đo hiệu suất của các nguồn điểm chuẩn tại các vị trí khác nhau mô phỏng theo hình học của nguồn thể tích. Nếu không biết vật liệu phóng xạ nằm ở đâu trong lớp vỏ bọc thì lặp lại việc đo sau khi lật nguồn lại và tính hiệu suất trung bình. 1.5.2. Hiệu suất tổng (εt) Hiệu suất tổng (εt) được định nghĩa như xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất bất kì năng lượng khác không nào của nó trong thể tích hoạt động của đầu dò. Trong phân bố độ cao xung vi phân, diện tích tổng dưới phổ của tất cả các xung không quan tâm đến biên độ được ghi nhận để xác định hiệu suất tổng. Trong thực tế, rất nhiều hệ thống đo đạc luôn luôn đặt ra một yêu cầu rằng độ cao xung phải lớn hơn một mức ngưỡng xác định nào đó được thiết lập để phân biệt chống lại các xung rất nhỏ từ nhiễu điện tử. Do vậy, chỉ có thể tiến tiệm cận đến hiệu suất tổng lý thuyết bằng cách làm thấp ngưỡng này hết mức có thể. Trong thực tế, để xác định hiệu suất tổng cần thực hiện các bước sau: - Trừ phông - Ngoại suy phổ đến năng lượng zero ký hiệu ETZ (ETZ được ngoại suy thô bằng cách lấy trung bình 4 kênh từ trái sang phải của ETZ). - Lấy tổng số đếm toàn phần theo công thức: R NT = ∑ C +AvgC i ETZ .ETZ i=ETZ (1.6) Ở đây R là số kênh tương ứng với biên phải của đỉnh năng lượng toàn phần, C i là số đếm tại kênh thứ i, AvgC ETZ là số đếm trung bình tại kênh ETZ. Hiệu suất tổng được tính theo công thức: N T (E) ε (E)= AI γ (E)t t (1.7) Với εt, NT, A, I γ , t lần lượt là hiệu suất tổng tương ứng với năng lượng E, diện tích tổng, hoạt độ tại thời điểm đo (Bq), xác suất phát gamma, thời gian đo (s) tương ứng của năng lượng quan tâm. Trong tính toán hệ số trùng phùng thì hiệu suất tổng là một nhân tố rất quan trọng. Tuy nhiên, các nguồn phát gamma đơn năng không có sẵn vì thế các giá trị này sẽ được mô phỏng toàn bộ năng lượng gamma quan tâm. 1.5.3. Tỉ số P/T Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng có mối quan hệ với nhau bởi tỉ số P/T. εP P/T= t ε (1.8) Bởi vì xác suất của mỗi cơ chế tương tác phụ thuộc vào năng lượng của photon tới vì thế cần phải tính toán cả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và tỉ số đỉnh năng lượng toàn phần trên tổng. Tỉ số này phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách từ nguồn tới đầu dò vì thế có thể bỏ qua hiệu ứng khoảng cách. Đối với detector HPGe, tỉ số P/T thông thường nằm