ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN
o
VOÕ XUAÂN AÂN
LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ VAÄT LYÙ
TP. Hoà Chí Minh - 2008
ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN
o
VOÕ XUAÂN AÂN
Chuyeân ngaønh: Vaät lyù Haït nhaân
Maõ soá: 1.02.03
LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ VAÄT LYÙ
Ngöôøi höôùng daãn khoa hoïc: PGS. TS. Ngoâ Quang Huy
TS. Ñoã Quang Bình
TP. Hoà Chí Minh - 2008
LÔØI CAM ÑOAN
Toâi xin cam ñoan ñaây laø coâng trình nghieân cöùu cuûa rieâng toâi hoaëc cuûa ngöôøi
höôùng daãn khoa hoïc. Keát quaû neâu trong luaän aùn laø trung thöïc vaø chöa töøng ñöôïc
ai coâng boá trong baát kyø coâng trình naøo khaùc.
Taùc giaû
Voõ Xuaân AÂn
LÔØI CAÛM ÔN
Trong suoát nhieàu naêm hoïc taäp - nghieân cöùu veà phöông phaùp Monte Carlo,
thuaät toaùn di truyeàn vaø öùng duïng cuûa caùc phöông phaùp naøy ñeå nghieân cöùu caùc
ñaëc tröng cuûa heä phoå keá gamma duøng detector germanium sieâu tinh khieát vaø tính
toaùn kích thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli taïi
Boä moân Vaät lyù haït nhaân, Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân, Ñaïi hoïc Quoác
gia Thaønh phoá Hoà Chí Minh.
Phoøng An toaøn Böùc xaï vaø Moâi tröôøng, Trung taâm Haït nhaân Thaønh phoá Hoà
Chí Minh.
Taùc giaû ñaõ nhaän ñöôïc söï quan taâm giuùp ñôõ nhieät tình vaø chu ñaùo cuûa caùc
Thaày Coâ, Cô quan vaø caùc baïn ñoàng nghieäp, cho pheùp toâi ñöôïc baøy toû loøng bieát ôn
chaân thaønh ñeán
PGS TS Ngoâ Quang Huy, ngöôøi Thaày kính meán, khoâng nhöõng ñaõ ñem ñeán
cho toâi kieán thöùc khoa hoïc vaø phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc maø coøn daïy baûo
ñaïo ñöùc trong nghieân cöùu khoa hoïc, ñoù laø loøng nhieät tình, tính trung thöïc vaø coù
traùch nhieäm.
TS Ñoã Quang Bình, ngöôøi höôùng daãn khoa hoïc, ñaõ höôùng daãn, gôïi yù vaø giuùp
thaùo gôõ nhöõng vöôùng maéc trong suoát quaù trình thöïc hieän luaän aùn.
PGS TS Mai Vaên Nhôn, ngöôøi Thaày kính meán, ñaõ thöôøng xuyeân nhaéc nhôû
tieán ñoä hoaøn thaønh luaän aùn vaø coù nhöõng yù kieán phaûn bieän boå ích.
CN Nguyeãn Vaên Mai, TS Traàn Vaên Luyeán, ThS Thaùi Myõ Pheâ vaø CN Ñaøo
Vaên Hoaøng, Phoøng An toaøn Böùc xaï vaø Moâi tröôøng, Trung taâm Haït nhaân TP Hoà
Chí Minh, ñaõ nhieät tình giuùp ñôõ, taïo ñieàu kieän thuaän lôïi vaø cho pheùp toâi tieán haønh
thí nghieäm treân heä phoå keá gamma duøng detector HPGe, cuõng nhö caùc yù kieán thaûo
luaän boå ích.
TS Nguyeãn Vaên Huøng, Trung taâm Ñaøo taïo, Vieän Nghieân cöùu Haït nhaân Ñaø
Laït ñaõ taïo ñieàu kieän thuaän lôïi ñeå toâi söû duïng boä nguoàn phoùng xaï chuaån.
PGS TS Hoaøng Duõng, Phuï traùch Phoøng Vaät lyù Tính toaùn, Tröôøng Ñaïi hoïc
Khoa hoïc Töï nhieân, Ñaïi hoïc Quoác gia TP Hoà Chí Minh, ñaõ taïo ñieàu kieän toát nhaát
ñeå toâi thöïc thi chöông trình tính toaùn.
PGS TS Nguyễn Minh Cảo, PGS TS Châu Văn Tạo và TS Nguyễn Đông Sơn
đã có những ý kiến đóng góp quí báu để tôi hoàn thiện luận án một cách đầy đủ và
sâu sắc hơn.
Boä moân Vaät lyù Haït nhaân, Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân TPHCM, ñaõ
quan taâm taïo moïi ñieàu kieän veà cô sôû vaät chaát vaø phoøng thí nghieäm hieän coù ñeå toâi
hoaøn thaønh caùc chuyeân ñeà, seminar vaø luaän aùn.
Khoa Coâng ngheä Ñieän töû, Tröôøng Ñaïi hoïc Coâng nghieäp TP Hoà Chí Minh ñaõ
ñoäng vieân vaø chia seû coâng vieäc ñeå toâi thöïc hieän caùc phaàn coâng vieäc cuûa luaän aùn.
Khoâng theå naøo queân Ba Maù toâi ñaõ daønh suoát moät ñôøi taàn taûo, khoâng quaûn
ngaïi naéng möa lo laéng cho con vaø vì con.
Caùc coâng trình thuoäc noäi dung luaän aùn ñöôïc thöïc hieän trong khuoân khoå caùc
ñeà taøi Nghieân cöùu cô baûn trong Khoa hoïc töï nhieân naêm 2007 cuûa Boä Khoa hoïc vaø
Coâng ngheä (Maõ soá 409406).
MUÏC LUÏC
Lôøi cam ñoan ....................................................................................................
i
Lôøi caùm ôn ........................................................................................................
ii
Muïc luïc .............................................................................................................
iv
Baûng caùc chöõ vieát taét vaø ñôn vò ño ...................................................................
vi
Danh muïc caùc baûng ..........................................................................................
x
Danh muïc caùc hình veõ ......................................................................................
xii
Môû ñaàu .............................................................................................................
1
Chöông 1. Toång quan .......................................................................................
7
1.1. Nhöõng tieán boä trong lónh vöïc cheá taïo detector ..................................
7
1.2. Phöông phaùp Monte Carlo ................................................................
10
1.3. Thuaät toaùn di truyeàn ..........................................................................
27
Chöông 2. AÙp duïng chöông trình MCNP4C2 ñeå nghieân cöùu caùc ñaëc tröng
cuûa detector ......................................................................................................
32
2.1. Môû ñaàu ..............................................................................................
32
2.2. Chöông trình MCNP4C2 ...................................................................
33
2.3. Xaây döïng boä soá lieäu ñaàu vaøo ............................................................
36
2.3.1. Heä phoå keá gamma .................................................................
36
2.3.2. Caáu truùc buoàng chì vaø detector HPGe GC1518 .....................
37
2.3.3. Caáu truùc cuûa caùc nguoàn phoùng xaï .........................................
44
2.3.4. Moâ phoûng phoå gamma cuûa caùc nguoàn phoùng xaï ...................
53
2.3.5. Keát quaû vaø thaûo luaän .............................................................
62
2.4. Nghieân cöùu aûnh höôûng cuûa söï bieán thieân caùc thoâng soá vaät lyù ..........
63
2.4.1. Phaân tích caùc thoâng soá vaät lyù cuûa detector ............................
64
2.4.2. Hieäu suaát detector ..................................................................
65
2.4.3. AÛnh höôûng cuûa söï bieán thieân caùc thoâng soá vaät lyù leân hieäu
suaát detector ....................................................................................
66
2.4.4. Keát quaû vaø thaûo luaän .............................................................
74
2.5. Nghieân cöùu söï taêng beà daøy lôùp germanium baát hoaït ........................
75
2.5.1. Xaùc ñònh thöïc nghieäm söï giaûm hieäu suaát detector ................
75
2.5.2. Tính toaùn beà daøy lôùp germanium baát hoaït .............................
78
2.6. Kieåm chöùng thöïc nghieäm ..................................................................
82
2.7. Keát luaän .............................................................................................
93
Chöông 3. Xaây döïng phöông phaùp tính toaùn kích thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa
maãu daïng Marinelli ..........................................................................................
95
3.1. Môû ñaàu ..............................................................................................
95
3.2. Boá trí thöïc nghieäm vaø xaây döïng baøi toaùn .........................................
98
3.3. Moâ hình baøi toaùn ...............................................................................
99
3.4. Phöông phaùp tính toaùn .......................................................................
101
3.5. AÛnh höôûng cuûa naêng löôïng tia gamma, thaønh phaàn hoaù hoïc ...........
112
3.6. Kieåm chöùng thöïc nghieäm ..................................................................
117
3.7. Söï phuï thuoäc cuûa toác ñoä ñeám vaøo theå tích hoäp chöùa maãu .................
122
3.8. Keát luaän .............................................................................................
125
Chöông 4. Keát luaän chung ...............................................................................
126
Kieán nghò veà nhöõng nghieân cöùu tieáp theo ....................................................
129
Danh muïc caùc coâng trình ..................................................................................
130
Taøi lieäu tham khaûo ...........................................................................................
133
Phuï luïc ..............................................................................................................
146
- vi -
BAÛNG CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT VAØ ÑÔN VÒ ÑO
Chöõ vieát taét
Tieáng Vieät
ACTL
ANSI
thö vieän soá lieäu ACTL
ACTivation Library
Vieän Tieâu chuaån quoác gia Hoa American National Standards
Kyø
Institute
buoàng chì
Broad Energy Germanium
Detector
Bismuth Germanate Bi4Ge3O12
thieát keá baèng maùy tính
Computer Aided Design
chuïp aûnh baèng phöông phaùp Computerized Axial Tomocaét lôùp
graphy
Standard Electrode Coaxial
Germanium Detector
BC
BEGe
BGO
CAD
CAT
Coaxial Ge
CYLTRAN
DET
DETEFF
E&Z
EGS
Tieáng Anh
chöông trình moâ phoûng Monte CYLTRAN
Carlo CYLTRAN
An electron/photon transport
code.
detector
detector
chöông trình moâ phoûng Monte DETector EFFiciency
Carlo DETEFF
A Monte Carlo code developed
for the computation of the full
energy peak efficiency in
detectors.
haõng cung caáp nguoàn phoùng xaï Eckert & Ziegler, Co.
chöông trình moâ phoûng Monte Electron Gamma
A computer code system is a
Carlo EGS
general purpose package for the
Monte Carlo simulation of the
coupled transport of electrons and
photons in an arbitrary geometry
for particles with energies from a
few keV up to several TeV.
ENDF
ENDL
thö vieän soá lieäu ENDF
thö vieän soá lieäu ENDL
Evaluated Nuclear Data File
Evaluated
Nuclear
Data
Library
- vii -
FWHM
Ge
GEANT
GESPECOR
HCM
HÑM
HPGe
IAEA
IEEE
INAA
INST
k/c
KHKT
KHTN
LD
LEGe
LN2
max
MCNP
min
MPX
ñoä roäng ñænh naêng löôïng toaøn
phaàn taïi moät nöûa chieàu cao cöïc
ñaïi
germanium
chöông trình moâ phoûng Monte
Carlo GEANT
full width at half maximum
Germanium
GEANT
A toolkit for the simulation of
the passage of particles through
matter.
chöông trình moâ phoûng Monte GErmanium
SPEctroscopy
Carlo GESPECOR
CORrection Factors
Hoà Chí Minh
hoäp ñöïng maãu
detector germanium sieâu tinh High Purity Gemanium
khieát
Cô quan naêng löôïng nguyeân töû International Atomic Energy
quoác teá
Agency
Vieän Tieâu chuaån kyõ thuaät ñieän Institute of Electrical and
vaø ñieän töû
Electronics Engineers
Phaân tích kích hoaït neutron Instrumental
Neutron
duïng cuï
Activation Analysis
Vieän Khoa hoïc vaø Kyõ thuaät Institue of Nuclear Sciences &
Haït nhaân
Techniques
khoaûng caùch
Khoa hoïc Kyõ thuaät
Khoa hoïc Töï nhieân
haõng cung caáp nguoàn phoùng xaï Leybold Didactic GmbH
Low Energy Germanium
Detector
Liquid Nitrogen
cöïc ñaïi
maximum
chöông trình moâ phoûng Monte Monte Carlo N-Particle
Carlo MCNP
A general-purpose, continuousenergy, generalized-geometry,
time-dependent, coupled
neutron/photon/electron Monte
Carlo transport code.
cöïc tieåu
minimum
maãu phoùng xaï
- viii -
NAS
ÑHQG
ÑL
NCHN
NPX
NSS
haõng cung caáp nguoàn phoùng xaï
Ñaïi hoïc Quoác gia
Ñaø Laït
Nghieân cöùu Haït nhaân
nguoàn phoùng xaï
haõng cung caáp nguoàn phoùng xaï
PE
polyethylene
PHOTON
chöông trình moâ phoûng Monte PHOTON
Carlo PHOTON
A Monte Carlo code is
designed for any beamline. Its
ability to calculate power
deposited and spectra transmitted through nearly arbitrary
beamline configurations as
well as the scattered radiation
doses through shielding walls
make it a very powerful tool.
phoøng thí nghieäm
Reverse Electrode Coaxial
Germanium Detector
Phaân tích kích hoaït neutron keát Radiochemical
Neutron
hôïp taùch hoaù
Activation Analysis
silicon
Silicon
Surface Source Read Card
Surface Source Write Card
tieâu chuaån
Standard
soá thöù töï
chu kì baùn raõ
Thaønh phoá
Ultra Low Energy Germanium
Detector
Hôïp chuûng quoác Hoa Kyø
The United State of America
Germanium Well Detector
Extended Range Germanium
Detector
PTN
REGe
RNAA
Si
SSR
SSW
Std
STT
T½
TP
Ultra LEGe
USA
Well
XtRa
North American Scientific, Inc.
Nuclear Services & Supplies
Rost GmbH
polyethylene
- ix -
Boäi soá vaø öôùc soá
Kí hieäu
E
P
T
G
M
k
m
µ
n
p
f
a
Caùc ñôn vò ño naêng löôïng
1 eV (electron-Volt)
1 J (Joule)
1 m0c2
1 mpc2
1 mnc2
Caùc ñôn vò ño böùc xaï
1 Bq (Becquerel)
1 Ci (Curi)
1 Gy (Grey)
1 Rad (Rad)
1 Rem (Rem)
1 Sv (Sievert)
Thang ño
1018
1015
1012
109
106
103
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Caùch ñoïc
exa
penta
tera
giga
mega
kilo
mil
micro
nano
pico
femto
atto
=
=
=
=
=
1,602×10-19 J (Joule)
6,241×1018 eV (electron-Volt)
0,511 MeV
ñoái vôùi electron
938,3 MeV
ñoái vôùi proton
939,6 MeV
ñoái vôùi neutron
=
=
=
=
=
=
2,7×10-11 Ci (Curi)
3,7×1010 Bq (Becquerel)
100 Rad (Rad)
0,01 Gy (Grey)
0,01 Sv (Sievert)
100 Rem (Rem)
Haèng soá vaät lyù
AV = 6,02×1023 mol-1 - haèng soá Avogadro
h = 6,626×10-34 J⋅s = 4,135×10-15 eV⋅s - haèng soá Plank
k = 1,38×10-23 J/K = 8,617×10-5 eV/K - haèng soá Boltzmann
e = 1,602×10-19 C - ñieän tích cuûa electron
me = 9,109×10-31 kg = 0,511 MeV - khoái löôïng cuûa electron
mp = 1,673×10-27 kg = 938,3 MeV - khoái löôïng cuûa protron
mn = 1,675×10-27 kg = 939,6 MeV - khoái löôïng cuûa neutron
- x -
DANH MUÏC CAÙC BAÛNG
STT Baûng
Dieãn giaûi
Trang
232
1
2.1
Thaønh phaàn vaø haøm löôïng cuûa caùc maãu chuaån Th vaø
52
238
U.
2
2.2
Caùc giaù trò cuûa naêng löôïng photon E vaø ñoä roäng ñænh
57
naêng löôïng toaøn phaàn taïi moät nöûa chieàu cao cöïc ñaïi
FWHM
3
2.3
Caùc giaù trò danh ñònh cuøng vôùi dung sai cuûa caùc thoâng soá
66
vaät lyù cuûa detector do nhaø saûn xuaát cung caáp.
4
2.4
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
70
vaøo beà daøy voû nhoâm cuûa detector.
5
2.5
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
70
vaøo khoaûng caùch giöõa voû detector vaø maët treân tinh theå
germanium.
6
2.6
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
71
vaøo beà daøy voû hoäp chöùa tinh theå germanium.
7
2.7
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
71
vaøo ñöôøng kính tinh theå germanium.
8
2.8
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
72
vaøo chieàu cao tinh theå germanium.
9
2.9
Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
72
vaøo ñoä saâu hoác tinh theå germanium.
10 2.10 Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
73
vaøo beà daøy lôùp boron.
11 2.11 Keát quaû tính toaùn veà söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát detector
73
vaøo beà daøy lôùp germanium baát hoaït.
12 2.12 Keát quaû tính toaùn veà ñoä thay ñoåi töông ñoái cuûa hieäu suaát
74
detector
13 2.13 Söï phuï thuoäc cuûa tæ soá hieäu suaát detector vaøo naêng löôïng
77
tia gamma ño ngaøy 24/8/2005 so vôùi ngaøy 29/10/1999 ñoái
vôùi 2 maãu ziricon-1 vaø ziricon-2.
14 2.14 Hieäu suaát thöïc nghieäm cuûa detector ñoái vôùi moät soá vaïch
78
naêng löôïng töø 511 keV ñeán 1332 keV.
15 2.15 Hieäu suaát tính toaùn cuûa detector
81
16 2.16 Hieäu suaát tính toaùn cuûa detector vaø ñoä suy giaûm hieäu suaát
81
töông ñoái
- xi -
17
2.17
18
2.18
19
2.19
20
2.20
21
2.21
22
3.1
23
3.2
24
3.3
25
3.4
26
3.5
27
3.6
28
3.7
29
3.8
30
3.9
Caùc giaù trò thöïc nghieäm vaø tính toaùn vôùi caùc beà daøy lôùp
germanium baát hoaït khaùc nhau cuûa hieäu suaát detector
Caùc bình phöông ñoä leäch töông ñoái giöõa hieäu suaát tính
toaùn vaø hieäu suaát thöïc nghieäm
Keát quaû thöïc nghieäm vaø tính toaùn ñoái vôùi caùc quang ñænh
cuûa maãu dung dòch 131I.
Keát quaû thöïc nghieäm vaø tính toaùn ñoái vôùi caùc quang ñænh
cuûa maãu 238U.
Keát quaû thöïc nghieäm vaø tính toaùn ñoái vôùi caùc quang ñænh
cuûa maãu 232Th.
Hieäu suaát cöïc ñaïi εmax vaø boä giaù trò toái öu h1, r, h2 vaø t cuûa
hoäp chöùa maãu daïng Marinelli
Caùc giaù trò toái öu cuûa h1, r, h2 vaø t ñoái vôùi 10 vaïch naêng
löôïng tia gamma töø 255 keV ñeán 1926 keV
Thaønh phaàn hoaù hoïc cuûa 9 maãu ño ñöôïc duøng ñeå tính
toaùn kích thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli.
Caùc giaù trò toái öu cuûa h1, r, h2 vaø t ñoái vôùi 9 maãu ño coù
thaønh phaàn hoaù hoïc khaùc nhau
Caùc giaù trò toái öu cuûa h1, r, h2 vaø t ñoái vôùi 5 maãu boät ñaát
phuø sa coù maät ñoä khaùc nhau
Caùc giaù trò toái öu cuûa h1, r, h2 vaø t ñöôïc laáy trung bình
theo caùc keát quaû tính toaùn khi coù xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa
Kích thöôùc cuûa caùc hoäp chöùa maãu daïng Marinelli duøng
trong thöïc nghieäm.
So saùnh hieäu suaát tæ ñoái giöõa tính toaùn vaø thöïc nghieäm ñoái
vôùi 4 hoäp chöùa maãu daïng Marinelli.
Toác ñoä ñeám töông ñoái cuûa caùc hoäp chöùa maãu daïng
Marinelli vôùi theå tích cho tröôùc
84
86
88
90
92
110
112
113
114
115
116
119
122
124
- xii -
DANH MUÏC CAÙC HÌNH VEÕ
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Hình
Dieãn giaûi
Trang
2.1
Sô ñoà khoái heä phoå keá gamma duøng detector HPGe.
37
2.2a Maët caét doïc cuûa buoàng chì, kích thöôùc tính baèng cm.
38
2.2b Maët caét doïc cuûa buoàng chì ñöôïc moâ phoûng baèng chöông
38
trình MCNP4C2
2.3a Maët caét doïc cuûa detector HPGe GC1518, kích thöôùc tính
41
baèng mm.
2.3b Maët caét doïc cuûa detector HPGe GC1518 ñöôïc moâ phoûng
41
baèng chöông trình MCNP4C2
2.3c Maët caét doïc cuûa detector HPGe GC1518 vaø thoâng tin veà
42
vaät lieäu vaø kích thöôùc hình hoïc
2.3d Maët caét doïc cuûa detector HPGe cuøng chuûng loaïi vôùi
43
detector HPGe GC1518
2.4
Caáu taïo cuûa bình chöùa nitrogen loûng vaø caùch gheùp noái vôùi
43
detector HPGe GC1518
2.5
Sô ñoà phaân raõ cuûa ñoàng vò phoùng xaï 137Cs.
44
137
2.6
Caáu truùc cuûa nguoàn Cs cuûa haõng Nuclear Services &
45
Supplies - Rost GmbH.
2.7
Caáu truùc cuûa nguoàn 60Co cuûa haõng An Eckert & Ziegler,
46
Co.
2.8
Sô ñoà phaân raõ cuûa ñoàng vò phoùng xaï 60Co.
46
131
2.9
Nguoàn phoùng xaï I daïng dung dòch cuûa Vieän NCHN Ñaø
47
Laït chöùa trong hoäp daïng Marinelli.
2.10 Sô ñoà phaân raõ cuûa ñoàng vò phoùng xaï 131I.
48
241
60
137
54
22
2.11 Caáu truùc cuûa caùc nguoàn Am, Co, Cs, Mn, Na vaø
49
88
Y cuûa haõng North American Scientific, Inc.
2.12 Sô ñoà phaân raõ cuûa caùc ñoàng vò phoùng xaï 54Mn (a), 22Na
50
88
(b), vaø Y (c).
2.13 Caùc nguoàn phoùng xaï 232Th vaø 238U vôùi vaät lieäu neàn laø boät
51
ñaù voâi chöùa trong hoäp chöùa maãu daïng töïa Marinelli.
2.14 Caáu truùc cuûa nguoàn 226Ra cuûa haõng Leybold Didactic
52
GmbH.
2.15 Söï phuï thuoäc cuûa FWHM vaøo naêng löôïng photon E.
57
- xiii -
20
2.16
21
2.17
22
2.18
23
2.19
24
25
26
2.20
2.21
2.22
27
28
29
2.23
2.24
2.25
30
2.26
31
2.27
32
2.28
33
2.29
34
2.30
35
2.31
36
2.32
37
38
3.1
3.2
So saùnh keát quaû tính toaùn baèng chöông trình moâ phoûng
Monte Carlo MCNP4C2 vaø thöïc nghieäm
Caùc ñöôøng thöïc nghieäm khi ñaët nguoàn 137Cs höôùng xuoáng
döôùi vaø höôùng leân treân
Caùc phoå gamma thöïc nghieäm vaø tính toaùn khi ñaët nguoàn
137
Cs höôùng xuoáng döôùi
Caùc phoå gamma thöïc nghieäm vaø tính toaùn khi ñaët nguoàn
137
Cs höôùng leân treân
Caùc phoå gamma thöïc nghieäm vaø tính toaùn cuûa nguoàn 60Co
Caùc phoå gamma thöïc nghieäm vaø tính toaùn cuûa nguoàn 131I
Cấu truùc detector HPGe GC1518, kích thöôùc tính baèng
mm vaø caùc thoâng soá vaät lyù.
Caáu hình tính toaùn detector - nguồn phoùng xaï.
AÛnh chuïp cuûa maãu ziricon-2.
Söï phuï thuoäc tæ soá hieäu suaát trung bình cuûa detector vaøo
naêng löôïng tia gamma cuûa hai maãu ziricon-1 vaø ziricon-2
Söï phuï thuoäc cuûa beà daøy lôùp germanium baát hoaït vaøo
hieäu suaát tính toaùn cuûa detector.
Caùc giaù trò hieäu suaát thöïc nghieäm vaø hoï ñöôøng cong hieäu
suaát tính toaùn baèng chöông trình MCNP4C2 theo beà daøy
Söï phuï thuoäc cuûa trung bình caùc bình phöông ñoä leäch
töông ñoái giöõa hieäu suaát tính toaùn vaø hieäu suaát thöïc
Söï phuï thuoäc cuûa tæ soá dieän tích caùc quang ñænh tính toaùn
so vôùi thöïc nghieäm vaøo naêng löôïng caùc tia gamma cuûa
nguoàn 131I.
Söï phuï thuoäc cuûa tæ soá dieän tích caùc quang ñænh tính toaùn
so vôùi thöïc nghieäm vaøo naêng löôïng caùc tia gamma cuûa
nguoàn 238U.
Söï phuï thuoäc cuûa tæ soá dieän tích caùc quang ñænh tính toaùn
so vôùi thöïc nghieäm vaøo naêng löôïng caùc tia gamma cuûa
nguoàn 232Th.
Söï phuï thuoäc cuûa tæ soá dieän tích caùc quang ñænh tính toaùn
so vôùi thöïc nghieäm vaøo naêng löôïng caùc tia gamma cuûa
nguoàn 131I, 232Th vaø 238U.
Caáu hình nguyeân thuyû cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli.
Caáu hình hoäp chöùa maãu daïng Marinelli ngaøy nay.
58
59
60
60
61
62
67
68
76
77
80
85
86
89
90
91
92
96
97
- xiv -
39
3.3
40
41
42
3.4
3.5
3.6
43
3.7
44
3.8a
Sô ñoà thuaät toaùn cuûa quaù trình choïn loïc baèng phöông
phaùp tournament.
Sô ñoà thuaät toaùn cuûa quaù trình lai
Sô ñoà thuaät toaùn cuûa quaù trình ñoät bieán.
Sô ñoà thuaät toaùn cuûa chöông trình tính toaùn kích thöôùc toái
öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli
Söï phuï thuoäc cuûa hieäu suaát trung bình vaøo soá theá heä tieán
hoaù cuûa thuaät toaùn di truyeàn
Ñoà thò (daïng mesh) cuûa haøm ε = ε V ,d (h 2 , r ) .
45
3.8b
Ñoà thò (daïng contour) cuûa haøm ε = ε V ,d (h 2 , r ) .
46
3.9
47
48
49
50
Ñoà thò (daïng contour) bieåu dieãn söï phuï thuoäc cuûa hieäu
suaát vaøo chieàu cao phaàn treân h1 vaø beà daøy phaàn döôùi t
3.10 Hình daïng vaø kích thöôùc cuûa hoäp chöùa maãu daïng
Marinelli duøng trong thöïc nghieäm.
3.11a AÛnh caùc hoäp chöùa maãu daïng Marinelli. Hoäp toái öu - hoäp
1 (beân traùi), Hoäp qui öôùc - hoäp 2 (beân phaûi).
3.11b AÛnh caùc hoäp chöùa maãu daïng Marinelli. Hoäp khoâng toái öu
- hoäp 3 (beân traùi), Hoäp khoâng toái öu - hoäp 4 (beân phaûi).
3.12 Söï phuï thuoäc cuûa toác ñoä ñeám töông ñoái theo theå tích cuûa
hoäp chöùa maãu daïng Marinelli.
103
105
105
107
109
111
111
118
119
120
120
124
- 1 -
MÔÛ ÑAÀU
Vieäc cheá taïo thaønh coâng caùc loaïi detector baùn daãn germanium sieâu tinh
khieát (high purity germanium - HPGe) vôùi ñoä phaân giaûi vaø hieäu suaát ñeám cao vaøo
nhöõng naêm 1980 laø moät böôùc ngoaëc trong lòch söû phaùt trieån caùc thieát bò ghi nhaän
böùc xaï tia X vaø tia gamma vì noù ñaõ caûi thieän ñaùng keå ñoä chính xaùc cuûa caùc pheùp
phaân tích baèng phöông phaùp haït nhaân [46]. Phaàn chính cuûa detector HPGe laø tinh
theå germanium sieâu tinh khieát vôùi maät ñoä taïp chaát chæ vaøo khoaûng 1010 nguyeân
töû/cm3 vaø gioáng nhö moät diode khoång loà coù caáu truùc goàm 3 vuøng P (positive), I
(intrinsic) vaø N (negative) laøm vieäc ôû cheá ñoä phaân cöïc nghòch. Trong ñoù theå tích
vuøng I raát lôùn so vôùi vuøng P vaø N, coøn goïi laø theå tích hoaït ñoäng cuûa detector vaø
töông töï nhö moät buoàng ion hoaù theå raén, ñaây laø nôi hình thaønh caùc caëp electronloã troáng hoaëc electron-ion khi coù chuøm tia gamma xuyeân qua vaø chuùng ñöôïc taäp
hôïp veà phía caùc ñieän cöïc. Tuyø thuoäc vaøo muïc ñích söû duïng vaø mieàn naêng löôïng
tia gamma quan taâm, ngöôøi ta cheá taïo detector HPGe ôû moät soá caáu hình* khaùc
nhau nhö Ultra LEGe, LEGe, BEGe, Coaxial Ge hoaëc HPGe, XtRa, REGe vaø
Well [39]. Hieän nay treân theá giôùi detector HPGe ngaøy caøng ñöôïc öùng duïng roäng
raõi trong caùc pheùp ño phoå gamma cuûa caùc maãu phoùng xaï [46]. ÔÛ nöôùc ta nhieàu
nôi nhö Vieän Nghieân cöùu Haït nhaân Ñaø Laït, Vieän Khoa hoïc vaø Kyõ thuaät Haït nhaân
Haø Noäi, Trung taâm Haït nhaân TP Hoà Chí Minh, Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï
nhieân TP Hoà Chí Minh ... ñaõ trang bò vaø öùng duïng heä phoå keá gamma duøng
detector HPGe trong nghieân cöùu khoa hoïc vaø trieån khai öùng duïng. Ñeå söû duïng heä
phoå keá gamma duøng detector HPGe moät caùch coù hieäu quaû, coù hai vaán ñeà quan
troïng caàn phaûi nghieân cöùu ñoù laø hieäu suaát detector vaø ñoä nhaïy cuûa heä phoå keá
gamma [17]. ÔÛ khía caïnh ngöôøi söû duïng, ñoä nhaïy cuûa heä phoå keá gamma phuï
*
Döïa theo caùch vieát taét cuûa haõng Canberra Industries, Inc.
- 2 -
thuoäc vaøo caùc ñaëc tröng che chaén cuûa buoàng chì, ñoä nhieãm baån phoùng xaï cuûa
thieát bò. Coøn hieäu suaát detector phuï thuoäc vaøo caùc ñaëc tröng cuûa detector, nguoàn
phoùng xaï vaø hình hoïc ño. Ñoái vôùi heä phoå keá gamma duøng detector HPGe
GC1518 ñaët taïi Trung taâm Haït nhaân TP Hoà Chí Minh, caùc ñaëc tröng che chaén cuûa
buoàng chì ñaõ ñöôïc nghieân cöùu chi tieát [20] vaø ñoä nhieãm baån phoùng xaï ñöôïc kieåm
tra ñònh kì baèng caùch ño phoâng beân trong buoàng chì. Vaán ñeà quan troïng coøn laïi laø
nghieân cöùu hieäu suaát detector vì coù hai khaû naêng nhö sau:
Thöù nhaát, hieäu suaát detector coù xu höôùng giaûm daàn theo thôøi gian, do ñoù caàn
phaûi xaùc ñònh nguyeân nhaân laøm giaûm hieäu suaát detector vaø tìm kieám bieän phaùp
khaéc phuïc ñeå haïn cheá quaù trình giaûm hieäu suaát detector naøy. Moät trong nhöõng
nguyeân nhaân laøm giaûm hieäu suaát detector ñoù laø trong suoát quaù trình hoaït ñoäng
cuûa detector, caùc nguyeân töû lithium cuûa lôùp n+ (lôùp germanium baát hoaït hay lôùp
cheát) tieáp tuïc khueách taùn vaøo saâu beân trong tinh theå laøm cho beà daøy cuûa lôùp naøy
taêng leân ñaùng keå, thu heïp theå tích hoaït ñoäng cuûa detector vaø soá löôïng caùc caëp haït
mang ñieän ñöôïc hình thaønh seõ giaûm ñi. Hieän töôïng khueách taùn naøy coù theå haïn
cheá ñöôïc baèng caùch luoân giöõ laïnh detector ôû nhieät ñoä nitrogen loûng.
Thöù hai, trong pheùp ño phoå gamma cuûa caùc maãu phoùng xaï, hieäu suaát
detector coøn phuï thuoäc vaøo caùc ñaëc tröng cuûa nguoàn phoùng xaï, ñoù laø daïng hình
hoïc, kích thöôùc vaø theå tích cuûa hoäp chöùa maãu. Trong soá caùc daïng hình hoïc cuûa
hoäp chöùa maãu, hoäp chöùa maãu daïng Marinelli coù hieäu suaát ñeám cao hôn vì noù
ñöôïc ñaët aùp saùt vaøo caû maët treân vaø maët beân cuûa detector, bao boïc gaàn kín theå tích
hoaït ñoäng cuûa detector. Tuy nhieân, ñeå hoäp chöùa maãu daïng Marinelli vôùi theå tích
cho tröôùc ñaït ñöôïc hieäu suaát ñeám cao nhaát caàn phaûi tính toaùn kích thöôùc toái öu
cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli naøy.
Do ñoù muïc ñích nghieân cöùu cuûa ñeà taøi luaän aùn naøy laø xaùc ñònh hieäu suaát cuûa
detector sau moät thôøi gian daøi hoaït ñoäng vaø xaây döïng phöông phaùp tính toaùn kích
- 3 -
thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli ñeå naâng cao toái ña hieäu suaát ñeám
trong pheùp ño phoå gamma.
Ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa ñeà taøi luaän aùn naøy laø detector HPGe GC1518 ñaët
taïi Trung taâm Haït nhaân TP Hoà Chí Minh vaø hoäp chöùa maãu daïng Marinelli.
Detector HPGe GC1518 coù daïng truï ñoàng truïc ñaùy kín (Coaxial Ge vaø cuõng ñöôïc
vieát taét laø HPGe) goàm moät tinh theå germanium sieâu tinh khieát coù ñöôøng kính
ngoaøi 54 mm, chieàu cao 32 mm, ôû giöõa coù moät hoác hình truï ñöôøng kính 7 mm vaø
chieàu cao 17 mm. Maët treân vaø maët beân cuûa tinh theå laø lôùp n+ ñöôïc noái vôùi cöïc
döông nguoàn ñieän, coøn goïi laø lôùp germanium baát hoaït. Maët trong cuûa hoác tinh theå
laø lôùp p+ ñöôïc noái vôùi cöïc aâm cuûa nguoàn ñieän. Hoäp chöùa maãu daïng Marinelli
ñöôïc cheá taïo baèng caùc vaät lieäu coù saün treân thò tröôøng nhö thaønh hoäp laøm baèng vaät
lieäu polyvinylchloride vaø caùc ñaùy hoäp laøm baèng vaät lieäu polyacrylic. Caùc taám vaät
lieäu naøy ñöôïc gia coâng baèng maùy caét laser vaø sau ñoù laép raùp chuùng vôùi nhau
baèng chaát keát dính cyanoacrylate vôùi sai soá tuyeät ñoái toång coäng khoaûng 0,5 mm.
Phöông phaùp nghieân cöùu cuûa ñeà taøi luaän aùn naøy laø keát hôïp thöïc nghieäm ño
phoå gamma vôùi tính toaùn baèng phöông phaùp Monte Carlo vaø thuaät toaùn di truyeàn.
Trong tính toaùn phoå gamma baèng phöông phaùp Monte Carlo, chöông trình
MCNP4C2* ñöôïc söû duïng. Ñaây laø moät trong nhöõng chöông trình maùy tính ñaùng
tin caäy [51, 110] öùng duïng phöông phaùp Monte Carlo ñeå moâ phoûng quaù trình vaän
chuyeån cuûa neutron, photon vaø electron trong moâi tröôøng vaät chaát. Trong tính
toaùn kích thöôùc toái öu hoäp chöùa maãu daïng Marinelli, chöông trình tính toaùn döïa
treân cô sôû thuaät toaùn di truyeàn keát hôïp vôùi chöông trình MCNP4C2 ñöôïc soaïn
thaûo baèng ngoân ngöõ laäp trình Fortran 95 vaø chaïy treân maùy tính caù nhaân HP4100.
Phöông phaùp nghieân cöùu cuûa ñeà taøi luaän aùn ñöôïc trình baøy cuï theå nhö sau:
*
Phieân baûn MNCP4C2 ñaõ ñöôïc Vieän Nghieân cöùu Haït nhaân Ñaø Laït mua baûn quyeàn vaø trong
suoát quaù trình nghieân cöùu ñeå hoaøn thaønh luaän aùn chöông trình naøy ñaõ ñöôïc söû duïng.
- 4 -
Caùc keát quaû nghieân cöùu trong nhöõng naêm gaàn ñaây cuûa nhieàu taùc giaû [51, 59,
64, 65, 74, 86, 90, 96, 110] veà caùc ñaëc tröng cuûa detector HPGe cho thaáy raèng
hieäu suaát detector moâ phoûng thöôøng lôùn hôn hieäu suaát detector thöïc teá, do ñoù naûy
sinh moät nhu caàu caáp thieát cho nhöõng ngöôøi laøm thöïc nghieäm laø xaùc ñònh moät
caùch chính xaùc hieäu suaát detector. Ñeå coù söï phuø hôïp toát hôn giöõa keát quaû tính
toaùn vaø soá lieäu thöïc nghieäm, caùc taùc giaû ñaõ ñieàu chænh taêng beà daøy lôùp
germanium baát hoaït leân khoaûng gaáp 2 laàn soá lieäu do nhaø saûn xuaát cung caáp
[110]. Tuy nhieân cô sôû vaät lyù cho vieäc ñieàu chænh taêng naøy thì chöa coù taùc giaû naøo
lyù giaûi moät caùch ñònh löôïng. Do ñoù muïc tieâu nghieân cöùu cuûa vaán ñeà naøy laø lyù giaûi
moät caùch ñònh löôïng ñeå laøm roõ yù nghóa vaät lyù cuûa vieäc ñieàu chænh taêng beà daøy lôùp
germanium baát hoaït cuûa detector HPGe. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy, tröôùc tieân caàn
phaûi xaây döïng boä soá lieäu ñaàu vaøo veà caáu truùc hình hoïc vaø thaønh phaàn vaät lieäu
cuûa buoàng chì, detector vaø caùc nguoàn phoùng xaï ñeå moâ hình hoaù heä phoå keá
gamma baèng chöông trình MCNP4C2. Phaân tích aûnh höôûng cuûa söï bieán thieân caùc
thoâng soá vaät lyù leân hieäu suaát detector vaø xaùc ñònh thöïc nghieäm söï giaûm hieäu suaát
detector sau gaàn 10 naêm hoaït ñoäng ñeå chöùng toû söï taêng beà daøy lôùp germanium
baát hoaït laø coù thöïc. Cuoái cuøng laø thieát keá caùc thí nghieäm ñeå kieåm chöùng boä soá
lieäu ñaàu vaøo vaø giaù trò tính toaùn cuûa beà daøy lôùp germanium baát hoaït.
Veà vieäc xaây döïng phöông phaùp tính toaùn kích thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa
maãu daïng Marinelli, caên cöù vaøo nhöõng keát quaû ñaït ñöôïc trong nghieân cöùu xaùc
ñònh kích thöôùc toái öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli cho thaáy raèng coù coâng
trình baèng thöïc nghieäm ño hieäu suaát detector ñoái vôùi caùc kích thöôùc hình hoïc
khaùc nhau cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli vaø ñaõ xaùc ñònh ñöôïc kích thöôùc toái
öu cuûa hoäp chöùa maãu daïng Marinelli coù theå tích V = 500 cm3 vaø V = 1000 cm3
[38], hoaëc coù coâng trình caûi tieán caáu truùc hình hoïc cuûa hoäp chöùa maãu daïng
Marinelli coù theå tích V = 1200 cm3 [66]. Tuy nhieân vieäc xaùc ñònh kích thöôùc toái
- Xem thêm -
.PDF 
181 
76 
74 
