Tài liệu Tính toán và xác định hiệu suất của đầu dò nal (ti) kích thước 3'' x 3''

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Trịnh Văn Danh TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) KÍCH THƯỚC 3" × 3" LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành Phố Hồ Chí Minh - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Trịnh Văn Danh TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) KÍCH THƯỚC 3" × 3" Chuyên Ngành: Vật Lí Nguyên Tử Mã Số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS. Châu Văn Tạo Thành Phố Hồ Chí Minh – 2013 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin gửi đến tất cả mọi người lời cảm ơn chân thành nhất. Xin cảm ơn thầy PGS.TS. Châu Văn Tạo, người thầy hướng dẫn luận văn của tôi, thầy đã gợi ý, hướng dẫn đề tài và luôn quan tâm, đôn đốc tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Thầy cũng đã bỏ thời gian đọc và sửa chữa luận văn cho tôi. Xin cảm ơn thầy ThS. Hoàng Đức Tâm, người thầy đã luôn giúp đỡ tôi những khi tôi gặp khó khăn, thầy đã cho tôi những ý kiến đóng góp, ý tưởng thực hiện và những lời khuyên để tôi kịp thời bổ sung và chỉnh sửa luận văn. Xin cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy tôi trong suốt quá trình học tập, quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt Nhân, trường đại học Sư Phạm TP. HCM luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi thực hiện các thí nghiệm phục vụ cho luận văn. Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu và quí thầy cô tổ Vật Lý trường THPT Long Thành đã tạo điều kiện về mặt thời gian cho tôi hoàn thành luận văn. Xin cảm ơn thầy ThS. Vũ Đăng Khôi, giáo viên tin học trường THPT Long Thành và bạn Nguyễn Quốc Trung đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc lập trình và viết giao diện chương trình tính toán hiệu suất bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 2012. Cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2013 Trịnh Văn Danh ii MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn ...................................................................................................... i Mục lục ..........................................................................................................ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................... v Danh mục các bảng ....................................................................................... vi Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...................................................................vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ..................................................... 5 1. 1. Tổng quan về đầu dò NaI(Tl) .......................................................... 5 1.1.1. Cấu tạo của đầu dò NaI (Tl) ................................................. 5 1.1.1.1. Chất nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) ................... 6 1.1.1.2. Ống nhân quang điện .................................................. 6 1.1.1.3. Lớp vỏ bao bọc đầu dò................................................ 9 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động đầu dò NaI(Tl) ................................ 10 1.1.3. Ứng dụng của đầu dò NaI(Tl) ............................................ 11 1.2. Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo ....................................... 14 1.2.1. Phương pháp Monte Carlo ................................................. 14 1.2.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo .......................... 14 1.2.3. Ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong vật lý hạt nhân ................................................................................... 18 CHƯƠNG 2. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HYBRID MONTE CARLO .... 19 iii 2.1. Tổng quan về các loại hiệu suất ..................................................... 19 2.1.1. Khái niệm hiệu suất ............................................................ 19 2.1.2. Các loại hiệu suất................................................................ 19 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò bức xạ..... 20 2.1.3.1. Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng ε t R R của đầu dò bức xạ ..................................................... 20 2.1.3.2. Những yếu tố ảnh hướng đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần................................................ 21 2.1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất nội của đầu dò NaI (Tl) ............................. 24 2.1.4. Các phương pháp xác định hiệu suất .................................. 24 2.1.4.1. Phương pháp thực nghiệm ........................................ 25 2.1.4.2. Phương pháp bán thực nghiệm ................................. 26 2.1.4.3. Phương pháp Monte Carlo ........................................ 27 2.2. Xác định hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) sử dụng phương pháp hybrid Monte Carlo. ..................................................................... 29 2.3. Tính hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn điểm ................. 30 2.3.1. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn điểm ..... 30 2.3.2. Xác định hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) với nguồn điểm ................................................................................... 32 2.4. Tính hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn đĩa .................... 34 2.5. Xác định hiệu suất nội của đầu dò NaI (Tl) với nguồn đĩa ............ 39 2.6. Phương pháp thực nghiệm xác định hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) với nguồn điểm................................ 39 iv 2.6.1. Bố trí thực nghiệm .............................................................. 40 2.6.2. Xử lý phổ thực nghiệm ....................................................... 40 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 42 3.1. Viết giao diện Visual Basic Studio 2012 để tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) cho nguồn điểm và nguồn đĩa ...................................................................................... 42 3.2. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3"×3" đối với nguồn dạng điểm được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Fortran .......................................................................................... 46 3.3. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng đĩa được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Fortran........................... 47 3.4. Hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng điểm ......... 49 3.5. Hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng đĩa ............. 50 3.6. Hiệu suất của đầu dò NaI (Tl) kích thước 3"×3" xác định từ lý thuyết và từ thực nghiệm .............................................................. 51 KẾT LUẬN.................................................................................................. 54 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 56 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ............................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 58 PHỤ LỤC .................................................................................................... 61 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Các kí hiệu: ε t ( E ) : hiệu suất tổng của đầu dò. ε i ( E ) : hiệu suất nội của đầu dò. ε p ( E ) : hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. H d : chiều dài của đầu dò. R phần. ε pgeo : hiệu suất đỉnh nguồn cần đo. ε pref : hiệu suất đỉnh nguồn điểm tham khảo. R R d : bán kính của đầu dò. R A: hoạt độ phóng xạ của nguồn tại R R s : bán kính của nguồn đĩa tròn, R μ: hệ số suy giảm tuyến tính toàn thời điểm đo. R mỏng. d: khoảng cách từ nguồn đến đầu dò. Δ: đoạn đường mà photon đi được trong tinh thể. N: số photon phát ra từ nguồn. r a : bán kính của đường tròn mà trên R R đó các nguồn điểm phân bố trên nguồn đĩa. t: thời gian ghi nhận ε abs ( E ) : hiệu suất tuyệt đối của đầu dò. RND: hàm Random Number  Các chữ viết tắt: MCNP: Monte – Carlo N Particle P : tỉ số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần trên hiệu suất tổng (Peak to T total). Fortran: ngôn ngữ lập trình Fortran (Formula Translation) PET/CT: sự kết hợp giữa 2 hệ thống PET (Positron Emission Tomography) và CT (Computed Tomography) trong y học hạt nhân. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông tin nguồn và hệ đo NaI(Tl) ................................................... 40 U T 6 T 6 U Bảng 3.1. Hiệu suất tổng đầu dò NaI(Tl) kích thước 3'' 3'' đối với U T 6 T 6 U U T 6 nguồn điểm xác định từ giao diện Visual Basic 2012 và từ thực nghiệm ....... 45 T 6 U Bảng 3.2. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3'' 3'' đối với U T 6 T 6 U U T 6 nguồn điểm đặt đồng trục với đầu dò cách bề mặt đầu dò d = 0,001cm ......... 46 T 6 U Bảng 3.3. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3'' 3'' đối với U T 6 T 6 U U T 6 nguồn điểm đặt đồng trục với đầu dò cách bề mặt đầu dò d = 10 cm ............. 46 T 6 U Bảng 3.4. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước đầu dò NaI(Tl) U T 6 kích thước 3'' 3'' đối với nguồn đĩa có bán kính R s = 3,81cm đặt đồng 6T U U 6T RU U RU U trục với đầu dò cách bề mặt đầu dò khoảng d = 3,0cm.................................... 47 T 6 U Bảng 3.5. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3'' 3'' đối với U T 6 T 6 U U T 6 nguồn đĩa có bán kính R s =3,81cm đặt đồng trục với đầu dò cách bề mặt R U RU đầu dò khoảng d = 10,0cm ............................................................................... 48 6T U Bảng 3.6. Kết quả xác định hiệu suất tổng được xác định bằng Code U T 6 CalcTotEff và bằng thực nghiệm ..................................................................... 52 T 6 U vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đầu dò NaI(Tl) kích thước 3''× 3'' tại Phòng thí nghiệm Vật Lý U T 6 T 6 U U T 6 Hạt Nhân trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh .............................................. 5 T 6 U Hình 1.2. Sơ đồ bên trong một ống nhân quang ................................................ 7 U T 6 T 6 U Hình 1.3. Hai cách bố trí đi-nốt (dynode) trong ống nhân quang ...................... 9 U T 6 T 6 U Hình 1.4. Sơ đồ mặt cắt của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3''× 3'' ...................... 10 U T 6 T 6 U Hình 1.5. Sơ đồ khối một hệ đo sử dụng đầu dò nhấp nháy ............................ 11 U T 6 U T 6 Hình 1.6. Đầu dò nhấp nháy được sử dụng trong các thiết bị phát hiện U T 6 phóng xạ ở các lối ra vào ................................................................................. 12 6T U Hình 1.7. Đầu dò NaI(Tl) sử dụng trong hệ thống PET/CT ........................... 13 U T 6 T 6 U Hình 1.8. Đầu dò nhấp nháy dùng để xác định bề dày, ăn mòn và khuyết U T 6 tật của sản phẩm ............................................................................................... 13 6T U Hình 1.9. Sơ đồ khối chương trình Monte Carlo tổng quát ............................. 15 U T 6 T 6 U Hình 2.1. Sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần vào U T 6 năng lượng của photon tới................................................................................ 22 6T U Hình 2.2. Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của 60Co ................................ 23 U T 6 P U P U T 6 U Hình 2.3. Nguồn điểm đặt đồng trục với đầu dò NaI(Tl) ................................ 30 U T 6 T 6 U Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán tính hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) với U T 6 nguồn dạng điểm đặt đồng trục với đầu dò ...................................................... 33 T 6 U Hình 2.5. Nguồn đĩa đặt đồng trục với đầu dò NaI(Tl).................................... 35 U T 6 T 6 U Hình 2.6. Lưu đồ thuật toán tính hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) với U T 6 nguồn dạng đĩa đặt đồng trục với đầu dò ......................................................... 38 T 6 U Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hiệu suất tổng với nguồn điểm U T 6 đặt đồng trục với đầu dò NaI(Tl) ..................................................................... 39 T 6 U viii Hình 3.1. Giao diện Visual Basic 2012 để tính toán hiệu suất của đầu dò U T 6 NaI(Tl) .............................................................................................................. 43 6T U Hình 3.2. Quá trình tính toán hiệu suất bằng giao diện Visual Basic 2012 ..... 44 U T 6 T 6 U Hình 3.3. Kết quả tính hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) U T 6 với nguồn đĩa bằng giao diện Visual Basic 2012 ............................................. 44 T 6 U Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất nội theo tỉ số d/R d tại các giá trị U T 6 R U RU năng lượng khác nhau. ..................................................................................... 49 6T U Hình 3.5. Sự phụ thuộc của hiệu suất nội theo năng lượng của photon tới ..... 50 U T 6 T 6 U Hình 3.6. Sự phụ thuộc của hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) với nguồn U T 6 dạng đĩa vào tỉ số d/R d ..................................................................................... 51 R U R6T Hình 3.7. Sự phụ thuộc hiệu suất tổng theo khoảng cách từ Fortran và từ U T 6 thực nghiệm ...................................................................................................... 53 6T U 1 MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển của vật lý hạt nhân, có nhiều loại đầu dò bức xạ đã được phát kiến và sử dụng, trong đó được sử dụng rộng rãi nhất là các đầu dò chứa khí, đầu dò nhấp nháy và đầu dò bán dẫn. Mỗi loại đầu dò đều có những ưu điểm riêng và có những ứng dụng phù hợp với tính chất của nó: đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết với ưu điểm nổi bật về khả năng phân giải, đầu dò nhấp nháy với ưu thế về hiệu suất ghi, khả năng chế tạo ra các hình học đa dạng và kích thước khác nhau đáp ứng các yêu cầu sử dụng khác nhau. T 0 T 0 Với những ưu điểm riêng của mình, đầu dò nhấp nháy vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực an ninh, đầu dò nhấp nháy được sử dụng trong các thiết bị phát hiện phóng xạ ở các lối ra vào, T 0 T 0 các máy phát hiện phóng xạ cầm tay. Trong lĩnh vực an toàn bức xạ và môi trường, đầu dò nhấp nháy hiện diện trong các máy đo liều, các thiết bị T 0 T 0 kiểm soát an toàn, trong các máy dò tìm rác thải độc hại. Đầu dò nhấp nháy 0T 0T còn được sử dụng tích cực trong lĩnh vực giảng dạy và nghiên cứu hạt nhân. T 0 T 0 Trong công nghiệp, việc xác định bề dày, cấu trúc của vật liệu và phát hiện các khuyết tật trong sản phẩm bằng phương pháp gamma tán xạ ngược đang là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đầu dò nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) với ưu điểm hiệu suất ghi cao, nhỏ, gọn, dễ dàng đưa đến nơi cần khảo sát được đánh giá là một lựa chọn tốt cho việc đo đạc bề dày vật liệu. Các ứng dụng rộng rãi của đầu dò NaI(Tl) cho thấy việc xác định hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) để sử dụng hiệu quả đầu dò loại này vẫn hết sức T 0 T 0 cần thiết. Việc tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp giải tích, phương pháp Monte Carlo, phương pháp hybrid Monte Carlo… Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) với kích thước 3’’x3’’ đối với nguồn đĩa đã được T.Nakamura xác định bằng phương pháp giải tích [13]. Sau đó, 2 cũng với phương pháp này Selim và các cộng sự đã trình bày kết quả tính toán hiệu suất tổng của đầu dò nhấp nháy với nguồn đặt đồng trục với đầu dò [21]. Bên cạnh phương pháp giải tích, một số tác giả khác cũng tính toán hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) bằng phương pháp Monte Carlo do tính đơn giản của nó như T.Nakamura [14], Haase G. và các cộng sự [10]. Năm 2007, S.Yalcin và các cộng sự [18] đã sử dụng kết hợp phương pháp Monte Carlo và phương pháp giải tích để xác định hiệu suất tổng của đầu dò. Trong phương pháp này, nhóm tác giả trên đã sử dụng kỹ thuật Monte Carlo để xác định hướng của các photon phát ra từ nguồn. Dựa trên hướng photon phát ra từ nguồn, phần quãng đường mà photon đi trong tinh thể được xác định bằng phương pháp giải tích. Sự kết hợp của hai phương pháp này được gọi là phương pháp hybrid Monte Carlo. Phương pháp hybrid Monte Carlo được đưa ra bởi Yalcin có ưu điểm là thời gian tính toán nhanh và linh hoạt khi dễ dàng thay đổi các thông số như: khoảng cách detector – nguồn (d), hệ số suy giảm tuyến tính toàn phần (μ),… Vì vậy, trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng lại phương pháp hybrid Monte Carlo của Yalcin để tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl). Bên cạnh đó, chúng tôi cũng đã phát triển chương trình máy tính bằng ngôn ngữ lập trình Fortran (CalcTotEff) chạy trên nền tảng Plato của hãng Silverfrost sử dụng phương pháp hybrid Monte Carlo của Yalcin để tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của detector NaI(Tl) theo các khoảng cách khác nhau. Dựa trên hiệu suất tổng tính được này, chúng tôi cũng sẽ tính hiệu suất nội của detector NaI(Tl), kết quả thu được có sự phù hợp rất tốt với các tác giả khác. Trong luận văn này, với mục đích hướng đến đối tượng người sử dụng không đi sâu vào tìm hiểu phương pháp xác định hiệu suất tổng và hiệu suất nội mà chỉ quan tâm đến kết quả tính toán hiệu suất, chúng tôi đã xây dựng giao diện tính toán hiệu suất nội và hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) bằng 3 ngôn ngữ lập trình Visual Basic. Khi sử dụng giao diện, người dùng chỉ cần nhập các thông số đầu vào như: hệ số suy giảm tuyến tính, số hạt photon phát ra từ nguồn, khoảng cách từ nguồn đến đầu dò là có thể thu được kết quả tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl), điều đó sẽ giúp cho người dùng quan tâm đến hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức. Kết quả thu được từ giao diện Visual Basic 2012, được so sánh với kết quả tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Fortran và của các tác giả tính toán bằng các phương pháp khác là hoàn toàn phù hợp. Để kiểm chứng lại kết quả tính toán từ ngôn ngữ lập trình Fortran và giao diện Visual Basic, chúng tôi cũng đã tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác định hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn điểm Cs-137 ở các khoảng cách khác nhau. Quá trình đo đạc thực nghiệm được tiến hành ở Phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh, kết quả thu được có sự phù hợp tốt giữa hiệu suất tổng và hiệu suất nội từ Code CalcTotEff và thực nghiệm. Trong luận văn này, ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, bố cục của luận văn như sau: Chương 1: Tổng quan lí thuyết Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan lý thuyết: cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, ưu và nhược điểm của đầu dò NaI(Tl), giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và các đặc trưng của phương pháp này. Chương 2: Xác định hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) bằng phương pháp hybrid Monte Carlo Các vấn đề được chúng tôi đề cập đến trong chương hai là: các loại hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) cũng như các phương pháp xác định hiệu suất của đầu dò NaI(Tl). Phương pháp hybrid Monte Carlo dùng để tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của 4 đầu dò NaI(Tl) cho nguồn dạng điểm và nguồn dạng đĩa đặt đồng trục với đầu dò cũng được trình bày trong chương này. Chương 3: Kết quả và thảo luận Trong chương ba, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả tính toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng điểm và nguồn dạng đĩa đặt đồng trục với đầu dò sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran (CalcTotEff) và từ giao diện Visual Basic 2012. Kết quả đo thực nghiệm để xác định hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) với nguồn điểm 137Cs đặt đồng trục P với đầu dò cũng được trình bày trong chương này. P 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 1. 1. Tổng quan về đầu dò NaI(Tl) Đầu dò nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) được phát minh bởi R. Hofstadter vào năm 1948, với ưu điểm là có độ phân giải và hiệu suất đo cao nên đầu dò NaI(Tl) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: an ninh, an toàn bức xạ và môi trường, các máy đo liều, các thiết bị kiểm soát an 0T 0T toàn, trong các máy dò tìm rác thải độc hại… 0T 0T Hiện nay, việc xác định bề dày, cấu trúc của vật liệu và phát hiện các khuyết tật trong sản phẩm bằng phương pháp gamma tán xạ ngược đã mở ra một hướng đi mới cho việc sử dụng đầu dò NaI(Tl). Các ứng dụng rộng rãi của đầu dò NaI(Tl) cho thấy việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và xác định hiệu suất của nó để sử dụng hiệu quả hơn vẫn là rất cần thiết. 1.1.1. Cấu tạo của đầu dò NaI (Tl) Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng đầu dò NaI(Tl) kích thước 3''× 3'' ở Phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh (như hình 1.1). Hình 1.1. Đầu dò NaI(Tl) kích thước tại Phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân trường ĐH Sư phạm TP Hồ Chí Minh 6 Cấu tạo của đầu dò nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) gồm các bộ phận sau: • Chất nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl). • Ống nhân quang điện. • Lớp vỏ bao bọc đầu dò. 1.1.1.1. Chất nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) Tinh thể NaI sạch là chất nhấp nháy chỉ ở nhiệt độ nitrogen lỏng (−192°C), nó sẽ trở thành chất nhấp nháy ở nhiệt độ phòng thí nghiệm khi thêm vào một lượng nhỏ thallium(Tl). NaI(Tl) là chất nhấp nháy phổ biến nhất sử dụng để đo tia gamma. Nó được sản xuất dưới dạng đơn tinh thể có đường kính lên tới 0,75 m (~ 30 inch) và bề dày đáng kể (0,25 m ≈ 10 inch). Mật độ tương đối cao (3,67 × 103 kg/m3) và số nguyên tử cao kết hợp thể tích lớn giúp P P P P nó trở thành một đầu dò đo tia gamma với hiệu suất cao. Mặc dù đầu dò bán dẫn có độ phân giải năng lượng tốt hơn nhưng chúng không thể thay thế NaI(Tl) trong các thí nghiệm đòi hỏi đầu dò có thể tích lớn [15]. Phổ phát xạ của NaI(Tl) có đỉnh cực đại ở 410 nm và có hiệu suất chuyển đổi ánh sáng cao nhất trong tất cả các chất nhấp nháy vô cơ. Tuy nhiên, tinh thể NaI(Tl) cũng có một số nhược điểm. Nó giòn, dễ vỡ và nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và các sốc nhiệt. Nó cũng dễ hút ẩm nên được bao bọc kỹ. NaI cũng chứa một lượng nhỏ kali, sẽ tạo ra phông nhất định do tính phóng xạ của 40K. P P 1.1.1.2. Ống nhân quang điện Ống nhân quang (photomultiplier tube) hay ống quang (phototube) là thành phần của một ống đếm nhấp nháy. Không có sự khuếch đại của ống nhân quang, chất nhấp nháy cũng trở nên vô dụng. Ống nhân quang cơ bản là một bộ khuếch đại nhanh, trong thời gian 10−9 giây có khả P P năng khuếch đại một xung tới của ánh sáng nhìn thấy lên một hệ số bằng 106 P hoặc lớn hơn. P 7 Ống nhân quang là một ống thủy tinh chân không chứa phô-tô-ca-tốt (photocathode) ở đầu vào và một loạt các đi-nốt (dynode) ở bên trong (như hình 1.2). A-nốt (anode), nằm ở cuối cùng sau chuỗi các đi-nốt, hoạt động như một bộ góp electron. Photon sinh ra từ chất nhấp nháy đi vào ống nhân quang và đập vào phô-tô-ca-tốt, được làm bằng vật liệu có khả năng phát ra electron khi ánh sáng chiếu vào nó. Electron phát ra từ phô-tô-ca-tốt dưới tác dụng của điện trường chuyển động tới đi-nốt đầu tiên, được phủ bởi chất có thể phát ra electron thứ cấp khi các electron va chạm với nó. Các electron thứ cấp từ đinốt đầu tiên chuyển động đến đi-nốt thứ hai, từ đó lại tiếp tục chuyển động đến đi-nốt thứ ba và cứ thế. Các ống nhân quang được sản xuất hiện nay có thể có tới 15 đi-nốt. Quá trình sản sinh electron thứ cấp từ các đi-nốt liên tiếp gây ra một sự khuếch đại số electron. Chất nhấp nháy Hình 1.2. Sơ đồ bên trong một ống nhân quang Điện trường giữa các đi-nốt được thiếp lập bằng cách áp điện thế dương tăng dần liên tiếp vào mỗi đi-nốt. Hiệu điện thế giữa hai đi-nốt liên tiếp từ 80 đến 120 V. Vật liệu làm phô-tô-ca-tốt được sử dụng trong hầu hết các ống nhân quang thương mại là hỗn hợp cesium và antimony (Cs-Sb). Vật liệu dùng để phủ các đi-nốt là Cs-Sb hoặc bạc-magnesium (Ag-Mg). Tốc độ phát xạ thứ cấp 8 (secondary emission rate) của đi-nốt phụ thuộc không những vào loại bề mặt mà còn vào điện thế áp vào. Một tham số rất quan trọng của ống nhân quang là độ nhạy phổ của phô-tô-ca-tốt. Để có kết quả tốt nhất, phổ của chất nhấp nháy phải khớp với độ nhạy của phô-tô-ca-tốt. Bề mặt Cs-Sb có độ nhạy phổ cực đại ở bước sóng 440 nm, phù hợp tốt với đáp ứng phổ của hầu hết các chất nhấp nháy. Một tham số quan trọng khác của ống nhân quang điện là độ lớn dòng tối (dark current). Dòng tối bao gồm chủ yếu là các electron phát ra từ ca-tốt sau khi năng lượng nhiệt bị hấp thụ. Quá trình này gọi là phát xạ ion nhiệt (thermionic emission), và một phô-tô-ca-tốt đường kính 50 mm có thể giải phóng trong bóng tối 105 electron/s ở nhiệt độ phòng. Làm lạnh ca-tốt P P (cathode) làm giảm nguồn tạp âm này với một hệ số là khoảng 2 lần cho mỗi lần giảm từ 10 đến 15°C. Quá trình phát xạ ion nhiệt có thể xảy ra từ các đinốt hoặc từ thành thủy tinh của ống nhân quang, nhưng đóng góp này là nhỏ. Electron có thể được giải phóng khỏi phô-tô-ca-tốt do các ion dương sinh ra từ sự ion hóa khí còn dư trong ống đập vào. Cuối cùng, ánh sáng phát ra là kết quả của sự tái hợp ion có thể phóng thích electron đập vào ca-tốt hoặc các đinốt. Rõ ràng, độ lớn của dòng tối là quan trọng trong các trường hợp nguồn bức xạ yếu. Cả hai yếu tố độ lớn dòng tối và sự đáp ứng phổ cần được xem xét khi mua một ống nhân quang nào đó. Electron chuyển động từ đi-nốt này đến đi-nốt kế tiếp là nhờ tác dụng của điện trường. Khi có từ trường, nó sẽ làm lệch quỹ đạo chuyển động của electron, khiến cho không phải tất cả electron đều đến được đi-nốt tiếp theo, và do dó độ khuếch đại sẽ giảm. Thậm chí từ trường yếu của trái đất thỉnh thoảng cũng gây ra hiệu ứng không mong muốn này. Ảnh hưởng của từ trường có thể làm giảm bằng cách bao quanh ống nhân quang một tấm kim loại hình trụ, gọi là kim loại-µ (µ-metal). Kim loại µ có đủ mọi hình dạng và kích thước. 9 Ống nhân quang được chế tạo với nhiều bố trí hình học khác nhau của phô-tô-ca-tốt và các đi-nốt. Nhìn chung, phô-tô-ca-tốt được phủ một lớp nửa trong suốt trên mặt trong của cửa sổ ống nhân quang (như hình 1.3). Mặt ngoài của cửa sổ, ở hầu hết các ống nhân quang, phẳng để dễ dàng hấp thụ ánh sáng của chất nhấp nháy. Trong hình 1.3 là hai dạng bố trí hình học khác nhau của các đi-nốt. Hình 1.3. Hai cách bố trí đi-nốt (dynode) trong ống nhân quang 1.1.1.3. Lớp vỏ bao bọc đầu dò Tinh thể NaI(Tl) có nhược điểm là giòn, dễ vỡ, hút ẩm. Vì vậy, để hạn chế nhược điểm này, nhà sản xuất đã bao bọc một lớp vỏ xung quanh tinh thể NaI(Tl). Cấu tạo lớp vỏ của đầu dò NaI(Tl) (như hình 1.4) gồm: 10 Ở phía trước, theo hướng từ bên ngoài vào bên trong, đầu tiên sẽ là lớp nhôm dày 1,5mm, kế tiếp là là lớp silic đioxit (SiO 2 ) dày 2mm và cuối cùng R R sát với tinh thể NaI(Tl) là 1 lớp nhôm oxit (Al 2 O 3 ) dày 3mm. R R R R Từ mặt bên của đầu dò: đầu tiên là lớp nhôm (Al) dày 1,5mm, kế đến là lớp nhôm oxit dày 2 mm sát với tinh thể NaI(Tl). 83 2 76 2 1.5 1.5 NaI 3 Al2O3 SiO2 Al Hình 1.4. Sơ đồ mặt cắt của đầu dò NaI(Tl) kích thước 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động đầu dò NaI(Tl) Đầu dò NaI(Tl) là một tổ hợp gồm hai thành phần chính là: chất nhấp nháy (tinh thể NaI được kích hoạt bởi Tl) và ống nhân quang điện. Khi một tia bức xạ đập vào tinh thể nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chất nhấp nháy. Sau thời gian khoảng 10−6 − 10−9 s, các phân tử này chuyển về P P P P trạng thái cơ bản bằng cách phát ra các nhấp nháy sáng. Ánh sáng từ bản tinh thể nhấp nháy đi vào ống nhân quang điện, từ đó nó biến thành dòng điện. Cũng như mạch điện lối ra của đầu dò chứa khí, tín hiệu lối ra của đầu dò nhấp