TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) KÍCH THƯỚC 3 × 3

Header Page 1 of 143.

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

Footer Page 1 of 143.


Header Page 2 of 143.

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

Footer Page 2 of 143.


Header Page 3 of 143.

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

Footer Page 3 of 143.


Header Page 4 of 143.

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

Footer Page 4 of 143.


Header Page 5 of 143.

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

Footer Page 5 of 143.


Header Page 6 of 143.

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

Footer Page 6 of 143.


Header Page 7 of 143.

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.

Footer Page 7 of 143.


Header Page 8 of 143.

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

Footer Page 8 of 143.


Header Page 9 of 143.

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

Footer Page 9 of 143.


Header Page 10 of 143.

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

Footer Page 10 of 143.


Header Page 11 of 143.

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,

Footer Page 11 of 143.


Header Page 12 of 143.

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

Footer Page 12 of 143.

Header Page 13 of 143.

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

Footer Page 13 of 143.


Header Page 14 of 143.

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.

Footer Page 14 of 143.

P


Header Page 15 of 143.

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

Footer Page 15 of 143.


Header Page 16 of 143.

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.

Footer Page 16 of 143.

P

Header Page 17 of 143.

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

Footer Page 17 of 143.


Header Page 18 of 143.

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.

Footer Page 18 of 143.


Header Page 19 of 143.

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:

Footer Page 19 of 143.


Header Page 20 of 143.

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

Footer Page 20 of 143.


Header Page 21 of 143.

11

nháy cũng được lấy ra qua mạnh RC [2]. Sơ đồ khối của một hệ đo sử dụng
đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được bố trí như hình 1.5.
Bộ đếm gộp
Lớp phủ chắn sáng

ống

Bộ tiền

Bộ khuếch

nhân

khuếch đại

đại

Cao thế

Dao động ký

Bộ phân liệt

quang
Máy phân
tích đa kênh

Chất nhấp nháy

Hình 1.5. Sơ đồ khối một hệ đo sử dụng đầu dò nhấp nháy
1.1.3. Ứng dụng của đầu dò NaI(Tl)
Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có rất nhiều ưu điểm như: có khả năng đo
được những mẫu hoạt độ mạnh,thời gian chết nhỏ. Nó có khả năng hoạt động
tốt ở nhiệt độ phòng, mật độ các tinh thể nhấp nháy lớn nên chúng hấp thụ
mạnh hạt bức xạ, do đó hiệu suất ghi lớn. Các đầu dò chứa khí có độ hiệu
dụng gần 100% khi ghi đo các hạt alpha và beta, còn đối với bức xạ gamma thì
rất thấp, thường nhỏ hơn 1%; trong lúc đó, đầu dò nhấp nháy với tinh thể nhấp
nháy rắn có độ hiệu dụng rất cao đối với tia gamma, do đó người ta thường
dùng đầu dò nhấp nháy này để đo bức xạ gamma. Thời gian đáp ứng nhanh
của tinh thể nhấp nháy là một ưu điểm của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) so với
thời gian trễ cỡ 10−9 s đối với dung môi hữu cơ hay chất nhấp nháy khí trơ.
P

P

Thời gian thu góp nhấp nháy sáng ngắn hơn thu góp các cặp ion trong các đầu

Footer Page 21 of 143.


Header Page 22 of 143.

12

dò chứa khí. Do đó, đầu dò nhấp nháy thường được sử dụng để đếm nhanh và
trong các mạch trùng phùng nhanh.
Ngoài ra, tinh thể nhấp nháy dễ dàng sản xuất theo các dạng hình học
và kích thước khác nhau, đáp ứng các yêu cầu thí nghiệm. Đối với chất nhấp

nháy lỏng, ưu điểm này càng thể hiện rõ hơn.
Tuy nhiên, đầu dò nhấp nháy cũng tồn tại một số nhược điểm như: độ
phân giải năng lượng thấp, thời gian phân rã của xung nhấp nháy vào khoảng
230 ns nên không phù hợp với các ứng dụng cần thời gian phân giải hoặc tốc
độ đếm cao.
Với rất nhiều những ưu điểm như trên, hiện nay đầu dò NaI(Tl) đã
được ứng 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 (như hình 1.6), các máy phát hiện
0T

0T

phóng xạ cầm tay.
•

Trong lĩnh vực y tế, an toàn bức xạ và môi trường, đầu dò nhấp nháy
T
0

T
0

hiện diện trong hệ thống PET/CT(như hình 1.7), các máy đo liều, các
thiết bị kiểm soát an toàn, trong các máy dò tìm rác thải độc hại.
T
0

T
0

Hình 1.6. Đầu dò nhấp nháy được sử dụng trong các thiết bị
phát hiện phóng xạ ở các lối ra vào [22].

Footer Page 22 of 143.


Header Page 23 of 143.

13

Hình 1.7. Đầu dò NaI(Tl) sử dụng trong hệ thống PET/CT
• Trong công nghiệp, việc xác định bề dày, ăn mòn, 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 nhấp
nháy NaI(Tl) (như hình 1.8).

Hình 1.8. Đầu dò nhấp nháy dùng để xác định bề dày, ăn mòn và
khuyết tật của sản phẩm

Footer Page 23 of 143.


Header Page 24 of 143.

14

• Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) còn được sử dụng trong lĩnh vực giảng dạy

T
0

T
0

và nghiên cứu hạt nhân.
1.2. Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo
1.2.1. Phương pháp Monte Carlo
Phương pháp Monte Carlo hay còn gọi là phương pháp thử thống kê
được định nghĩa như là phương pháp tính bằng cách biểu diễn nghiệm của bài
toán dưới dạng tham số của một đám đông lý thuyết và sử dụng dãy ngẫu
nhiên để xây dựng mẫu đám đông mà từ đó ta thu được mẫu thống kê của các
đám đông tham số. Nói cách khác, phương pháp Monte Carlo cung cấp những
lời giải gần đúng cho những bài toán bằng cách thực hiện các thí nghiệm lấy
mẫu thống kê sử dụng các số ngẫu nhiên.
Các bước giải bài toán Monte Carlo:
• Bước 1: Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0,1].
• Bước 2: Lấy mẫu các đại lượng ngẫu nhiên từ các phân bố cho trước
của chúng dựa trên các số ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0,1].
• Bước 3: Tính các đặc trưng trung bình được quan tâm dựa trên các giá
trị của đại lượng ngẫu nhiên được lựa chọn và xử lý thống kê.
Hình 1.9 cho biết sơ đồ khối của một chương trình Monte Carlo tổng
quát [5].
1.2.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo
Tính chính xác của phương pháp Monte Carlo phụ thuộc vào một số
yếu tố: định lý giới hạn trung tâm, luật số lớn, số ngẫu nhiên [5].
• Định lý giới hạn trung tâm
Định lý giới hạn trung tâm mô tả cách ước lượng Monte Carlo tiến đến
giá trị thực.Theo lý thuyết, ước lượng Monte Carlo luật phân bố chuẩn quanh

giá trị thực khi N lớn. Độ lệch chuẩn của việc tính toán Monte Carlo khi đó

Footer Page 24 of 143.


Header Page 25 of 143.

15

được cho bởi căn bậc hai của phương sai chia cho √𝑁. Kết quả này là quan
trọng cho việc đánh giá độ chính xác của tiến trình Monte Carlo.

Hình 1.9. Sơ đồ khối chương trình Monte Carlo tổng quát

Footer Page 25 of 143.