Luận án tiến sĩ áp dụng phương pháp mô phỏng monte carlo để nâng cao chất lượng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA
SỬ DỤNG ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe
Chuyên ngành: Vật lý Hạt nhân
Mã số: 1.02.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2009


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Bảng các chữ viết tắt .................................................................................................. ix
Danh mục các bảng ................................................................................................. xiii
Danh mục các hình vẽ .............................................................................................xvii
Mở đầu ....................................................................................................................... 1
Chương 1. Tổng quan ................................................................................................. 6
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến ứng dụng
phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu đặc trưng của hệ phổ kế gamma 6
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................... 8
1.1.2. Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong mơ phỏng vận

chuyển bức xạ tại Việt Nam ............................................................ 22
1.1.3. Những vấn đề liên quan đến luận án ............................................. 24
1.2. Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe – các đặc trưng về năng lượng, đáp ứng
phổ và hiệu suất. ............................................................................................... 28
1.2.1. Đầu dò germanium siêu tinh khiết .................................................. 29
1.2.2. Dạng đáp ứng của đầu dò đối với bức xạ gamma đơn năng ........... 32
1.2.3. Hiệu suất .......................................................................................... 37
1.3. Chương trình MCNP ................................................................................. 39
1.3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 39
1.3.2. Các đặc trưng của phần mềm mô phỏng vận chuyển bức xạ đa năng
MCNP.............................................................................................. 41
1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................... 44


Chương 2. Mơ phỏng hệ phổ kế gamma đầu dị HPGe bằng chương trình MCNP 45
2.1. Mơ tả hệ phổ kế gamma HPGe dùng trong thực nghiệm và mô phỏng. ... 45
2.1.1. Đầu dị ............................................................................................... 46
2.1.2. Buồng chì .......................................................................................... 47
2.1.3. Nguồn chuẩn ..................................................................................... 48
2.2. Mơ hình hóa hệ phổ kế gamma ................................................................. 51
2.2.1. Đánh giá độ cao xung và hiệu suất đầu dị – Tally F8 ..................... 51
2.2.2. Mơ phỏng Monte Carlo hệ phổ kế gamma HPGe dùng MCNP ....... 52
2.2.3. Kiểm tra độ tin cậy bước đầu của mô hình ....................................... 55
2.3. Khảo sát hàm đáp ứng của hệ phổ kế gamma đầu dị HPGe bằng chương
trình MCNP. ..................................................................................................... 58
2.3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 58
2.3.2. Mô phỏng hàm đáp ứng của đầu dò HPGe đối với nguồn 60Co đặt ở
khoảng cách 10,6 cm so với mặt đầu dò ......................................... 58
2.3.3. Khảo sát sự hấp thụ tia

đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt

trong buồng chì................................................................................ 63
2.3.4. So sánh phổ mơ phỏng khi có và khi khơng có buồng chì .............. 65
2.3.5. So sánh phổ mơ phỏng nguồn 60Co khi đặt trong buồng chì ở khoảng
cách gần 2,4 cm và khoảng cách xa 10,6 cm ............................... 67
2.3.6. Nghiên cứu đáp ứng của đầu dò HPGe với gamma năng lượng thấp
dưới 100 keV bằng MCNP5 với kỹ thuật SSW-SSR...................... 68
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 77
Chương 3. Hiệu chuẩn hiệu suất ghi hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe sử dụng
chương trình MCNP .................................................................................................. 78


3.1. Hiệu chỉnh trùng phùng tổng trong hệ phổ kế gamma đối với nguồn 60Co
dạng điểm bằng chương trình MCNP............................................................... 78
3.1.1. Thuật tốn kết hợp phổ mơ phỏng đỉnh đơn thành phổ mơ phỏng có
trùng phùng ..................................................................................... 79
3.1.2 Các phương pháp xác định hệ số trùng phùng ................................ 80
3.1.3. Mô phỏng phổ đỉnh đơn và phổ trùng phùng đối với nguồn 60Co ... 81
3.1.4. ác định hệ số trùng phùng đối với nguồn 60Co ............................. 83
3.2. Khảo sát hiệu suất của hệ phổ kế gamma HPGe đối với hình học mẫu thể
tích bằng MCNP - Đánh giá ảnh hưởng của matrix và mật độ lên hiệu suất .. 84
3.2.1. Giới thiệu .......................................................................................... 85
3.2.2. Hình học mẫu khảo sát ..................................................................... 85
3.2.3. Mô phỏng đường cong hiệu suất đỉnh theo matrix và theo mật độ .. 85
3.2.4. Áp dụng xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong một số mẫu
chuẩn của IAEA .............................................................................. 95
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................... 101
Chương 4. Khử miền liên tục phổ gamma sử dụng thuật tốn ML-EM và chương
trình mơ phỏng MCNP ............................................................................................ 103

4.1. Giới thiệu ................................................................................................. 103
4.2. Các phương pháp thực hiện ..................................................................... 105
4.2.1. Phương pháp giải cuộn dùng thuật toán ML-EM ........................... 105
4.2.2. Mơ phỏng ma trận đáp ứng bằng chương trình MCNP .................. 107
4.2.3. Nội suy đáp ứng ............................................................................. 108
4.2.4. ây dựng chương trình giải cuộn phổ gamma ............................. 113


4.3. Khử miền liên tục phổ gamma của một số nguồn gamma dạng điểm bằng
thuật tốn ML-EM và chương trình MCNP – Đánh giá hiệu quả của việc giải
cuộn. ............................................................................................................... 114
4.3.1. ây dựng ma trận đáp ứng ............................................................. 114
4.3.2. Giải cuộn phổ đo ............................................................................ 115
4.4. Thử nghiệm khử miền liên tục phổ gamma trong phân tích mẫu mơi
trường hình học mẫu Marinelli bằng thuật tốn ML-EM và chương trình
MCNP ............................................................................................................. 119
4.4.1. Mẫu mơi trường - Mẫu chuẩn – Hình học mẫu ............................. 119
4.4.2. Kết quả và thảo luận ....................................................................... 120
4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................... 124
Kết luận chung....................................................................................................... 126
Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................... 130
Danh mục các cơng trình......................................................................................... 131
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 134
Phụ lục ..................................................................................................................... 146
Phụ lục 1: Các đặc trưng của nguồn phóng xạ dạng điểm ............................. 146
Phụ lục 2: Thông tin về đầu dò HPGe GC2018 ............................................. 148


- ix -

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

ACTL

Thư viện kích hoạt từ Livemore

BEGe

Đầu dị germanium năng lượng mở Broad Energy Germanium
rộng

BGO

ACTivation Library

detector

Đầu dò trong thiết bị triệt Compton Bismuth Germanate
Bi4Ge3O12

BS

Tán xạ ngược

CSSIM

Chương trình mơ phỏng phổ trùng Coincidence Spectra

Back Scattering

phùng của tác giả luận án và cộng SIMulation
sự
CSS

Hệ phổ kế triệt Compton

Compton Suppression
Spectrometer

CYLTRAN

Chương trình mơ phỏng Monte
Carlo

CYLTRAN

của

nhóm

Halbleib và Mehlhorn, 1986
DE

Đỉnh thốt đơi

DETEFF

Chương trình mơ phỏng Monte DETector EFFiciency

Double Escape

Carlo DETEFF của nhóm Cornejo
Diaz và D. Pérez Sánchez,1998;
Jurado Vargas, 2002)
DET

Đầu dị

EGS4

Chương trình mơ phỏng Monte

DETector

Carlo EGS4 của nhóm Nelson
1985, Stanford Linear Accelerator
Center
ENDF

Thư viện số liệu hạt nhân ENDF

Evaluated Nuclear Data File


-x-

ENDL

Thư viện số liệu hạt nhân ENDL

Evaluated Nuclear Data
Library

E&Z

Hãng sản xuất nguồn phóng xạ

FOM

Thơng số đánh giá độ tin cậy của Figure Of Merit

Eckert & Ziegler, Co.

phương pháp Monte Carlo
FWHM

Độ rộng tại nửa chiều cao cực đại

Full Width at Half
Maximum

Ge(Li)

Đầu dị germanium “khuếch tán
lithium”

GEANT

Chương trình mơ phỏng Monte
Carlo GEANT của nhóm R. Brun
1986,

CERN

Data

Handling

Division, Geneva
GEB

Mở rộng năng lượng dạng Gauss

Gaussian Energy
Broadenning

GESPECOR

Chương trình mơ phỏng Monte Germanium SPEctroscopy
Carlo GESPECOR của nhóm O. CORrection Factors
Sima và D. Arnold, 2000

HPGe
IAEA

High Purity Germanium
Cơ quan năng lượng nguyên tử International Atomic Energy
quốc tế

IPRES

Agency

Chương trình nội suy hàm đáp ứng InterPolated RESponse
của tác giả luận án và cộng sự

IRE

Viện phóng xạ quốc gia

Institut National des Radio
Elements, Belgium

LEGe

LR

Đầu dò germanium năng lượng Low Energy Germanium
thấp

Detector

Phương pháp hồi quy tuyến tính

Linear Regularisation

- xi -

LS. curves

Phương pháp đường cong thứ ba

MCG

Chương trình Monte Carlo gamma Monte Carlo Gamma

Linear to Squared curves.

xử lý các photon năng lượng cao
MCNG

Chương trình Monte-Carlo ghép Monte Carlo Neutron
cặp neutron-gamma

MCN

Gamma

Chương trình Monte-Carlo xử lý Monte Carlo Neutron
bài tốn vận chuyển neutron

MCNP

Chương trình Monte-Carlo mơ Monte Carlo N Particle

phỏng vận chuyển hạt N của nhóm
J.F.

Briesmeister,

Alamos

1997,

National

Los

Laboratory

Report, LA-12625-M
MEM

Phương pháp entropy cực đại

ML-EM

Phương pháp cơ hội cực đại sử Maximum Likelihood

Maximum Entropy Method

dụng sự cực đại hóa kỳ vọng

Estimation using
Expectation Maximisation

NAS

Hãng sản xuất nguồn phóng xạ

North American Scientific,
Inc.

NEA

Cơ quan năng lượng hạt nhân

NJOY

Mã định dạng các thư viện số liệu

Nuclear Energy Agency

hạt nhân trong MCNP
NPPs

Nhà

máy

điện

hạt

nhân

ở Nuclear Power Plants at

Cofrentes, Tây Ban Nha

Cofrentes, Valencia, Spain

PD

Đầu dị chính

Primary Detector

P/C

Tỉ số đỉnh/Compton

Peak/Compton

P/T

Tỉ số đỉnh / toàn phần

Peak/Total


- xii -

PENELOPE

Chương trình mơ phỏng Monte- PENetration and Energy
Carlo

PENELOPE

của

nhóm LOss of Photon and

Salvat, 2003

Electrons

PHD

Phân bố độ cao xung

Pulse Height Distribution

QUADOS

Tổ chức kiểm tra chất lượng các QUality Assurance of
công cụ tính tốn liều

Computation Tools for
DOSimetry

REGe

Đầu dị germanium điện cực ngược Reverse Electrode Coaxial

Germanium Detector

SD

Đầu dị triệt Compton

Suppression Detector

SE

Đỉnh thốt đơn

Single Escape

SEM

Vi phổ quét electron

Scanning Electron
Microscopy

SPECDEC

Chương trình giải cuộn phổ gamma SPECtra DEConvolution
của tác giả luận án

SSNTD

Đầu dò alpha

Solid State Nuclear Track
Detector

SSR

Thẻ đọc nguồn mặt

Surface Source Read Card

SSW

Thẻ viết nguồn mặt

Surface Source Write Card

TCS

Trùng phùng tổng

True Coincidence Summing

TRIPOLI

Chương

trình

Monte

Carlo

TRIPOLI của nhóm J.C. Nimal
XtRa

Đầu dò germanium dải đo rộng

eXtended Range germanium
detector


- xiii -

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Bảng
1

2.1

Diễn giải

Trang

Hoạt độ theo Bq/kg của các đồng vị phóng xạ có trong

50

chuẩn IAEA – 375
2

2.2

Thơng tin về hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) của các mẫu RGU1,

51

RGTh1, RGK1
3

2.3

Thông tin về mật độ mẫu

51

4

2.4

Dữ liệu đo phổ nguồn 137Cs và 22Na theo khoảng cách

56

5

2.5

So sánh hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm đối

57

với 137Cs
6

2.6

So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm đối với

22

Na

57

ánh giá t lệ iện t ch đ nh tán xạ, đ nh toàn ph n của phổ

63

(1274 keV)
7

2.7

thực nghiệm so với phổ mô phỏng của nguồn 60Co
8

2.8

So sánh các iện t ch đ nh tán xạ, đ nh toàn ph n của phổ
mơ phỏng nguồn

60

64

o khi uồng ch có và khơng có hai lớp

thi c (Sn) và đồng ( u)
9

ánh giá t lệ hấp th trung

2.9

nh các tia

đ c tr ng của ch

65

t lớp thi c 1mm và đồng 1, mm
10

ánh giá t lệ tham gia các đ nh trong phổ nguồn

2.10

60

Co khi

66

có và khơng có uồng ch với khoảng cách nguồn - đ u ò
10,6cm
11

ánh giá t lệ tham gia các đ nh trong phổ mô phỏng nguồn

2.11
60

12

2.12

68

o ở hai khoảng cách 2,4cm và 10,6cm
ánh giá hiệu suất đ nh, hiệu suất toàn ph n và t số P/T

của phổ mô phỏng nguồn

241

73

Am với các tr ờng hợp khác

nhau
13

2.13

ánh giá sự sai iệt % t số P/T của phổ mô phỏng nguồn

73


- xiv -

241

14

2.14

Am với các tr ờng hợp khác nhau

ánh giá hiệu suất đ nh, hiệu suất toàn ph n và t số P/T
của phổ mô phỏng nguồn

109

73

với các tr ờng hợp khác

nhau
15

2.15

ánh giá sự sai iệt % t số P/T của phổ mô phỏng nguồn
109

16

2.16

74

Cd với các tr ờng hợp khác nhau

ánh giá ảnh h ởng của mode P E so với mode P lên việc

76

xác định t số P/T của các đ nh năng l ợng trong phổ hỗn
hợp đa năng năng l ợng thấp
17

3.1

ác định hiệu suất đ nh và hiệu suất toàn ph n t phổ mô
phỏng đơn năng của hai nguồn

60

83

Co theo các vị tr nguồn

khác nhau so với m t đ u ò
18

3.2

So sánh hiệu suất đ nh của phổ thực nghiệm và phổ mô

83

phỏng 60 o k t hợp
19

3.3

So sánh hệ số trùng phùng t nh t công thức (3.2) và công

84

thức (3.3)
20

3.4

Thành ph n hóa học của các matrix c n khảo sát

86

21

3.5

Giá trị hiệu suất đ nh mô phỏng với matrix không kh (  0 )

87

22

3.6

Giá trị hiệu suất đ nh mô phỏng theo năng l ợng với các

87

matrix khác nhau tại mật độ 0, g/cm3
23

3.7

Giá trị hiệu suất đ nh mô phỏng theo năng l ợng với các

88

matrix khác nhau tại mật độ 1,0 g/cm3
24

3.8

Giá trị hiệu suất đ nh mô phỏng theo năng l ợng với các

88

matrix khác nhau tại mật độ 2,0 g/cm3
25

3.9

Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 0, g/cm3

91

với năng l ợng gamma tới khác nhau
26

3.10

Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 1,0 g/cm3
với năng l ợng gamma tới khác nhau

91


- xv -

27

3.11

Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 2,0 g/cm3

92

với năng l ợng gamma tới khác nhau
28

3.12

Hệ số hiệu ch nh sự tự hấp th của mẫu đất

29

3.13

Giá trị a,

và hệ số t ơng quan r t việc khớp f theo  ạng

93
94

(3.6)
30

3.14

31

3.15

ác giá trị a, theo năng l ợng đối với mẫu IAEA-375
K t quả t nh f, 0 và  ở một vài năng l ợng đối với mẫu

96
97

chuẩn IAEA-37 h nh học Marinelli đang khảo sát
32

3.16

Số liệu iện t ch đ nh lấy t phổ IAEA-37 với một số năng

97

l ợng đ c tr ng
33

3.17

Hoạt độ t nh toán đ ợc của các đồng vị trong mẫu IAEA-

98

375
34

3.18

So sánh hoạt độ của các đồng vị khảo sát trong mẫu chuẩn

98

IAEA-375 với thông tin t nhà sản xuất.
35

3.19

K t quả t nh a,

của RGU1, RGTh1 và RGK1

36

3.20

K t quả t nh f, 0 và  ở một vài năng l ợng khảo sát đối với

99
99

mẫu chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1 h nh học Marinelli
37

3.21

Thông tin về iện t ch đ nh S, độ lệch chuẩn t ơng đối của

100

S, thời gian ch t tc trong phổ RGU1, RGTh1 và RGK1
38

3.22

K t quả t nh toán hoạt độ đồng vị trong RGU1, RGTh1 và

100

RGK1
39

3.23

So sánh hoạt độ tính tốn và hoạt độ cung cấp của nhà sản

101

xuất đối với chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1
40

4.1

So sánh iện t ch đ nh phổ tr ớc và sau khi giải cuộn

118

41

4.2

Thông tin về mẫu đo và thời gian đo

120

42

4.3

So sánh iện t ch đ nh của phổ đo S1(E) và phổ sau khi giải

122

cuộn S2(E) của mẫu B1 và B2
43

4.4

So sánh iện t ch đ nh của phổ đo S1(E) và phổ sau khi giải

123


- xvi -

cuộn S2(E) của mẫu RGU1
44

4.5

So sánh t số iện t ch giữa phổ thực nghiệm và sau khi giải

124

cuộn của các mẫu B1và B2
44

4.6

So sánh t số iện t ch giữa phổ RGU1 và B2 của thực
nghiệm và sau khi giải cuộn

124


- xvii -

DANH MỤC HÌNH VẼ
Diễn giải

Trang

Sơ đồ khối mơ tả ý nghĩa và mối liên hệ giữa các bài tốn

28

STT Hình
1

1.1

được thực hiện trong luận án
2

1.2

Các đặc trưng về năng lượng của các loại đầu dò Ge khác

31

nhau
3

1.3

Mặt cắt ngang đầu dò Ge đồng trục

32

4

1.4

Sơ đồ những bức xạ từ vật liệu che chắn vào đầu dò

36

5

1.5

Dạng đáp ứng của đầu dò HPGe đối với nguồn 60Co

37

6

2.1

Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe 2018

46

7

2.2

Cấu trúc đầu dò GC2018 ( kích thước theo mm)

47

8

2.3

Mặt cắt dọc hệ đầu dị - buồng chì (kích thước theo cm)

48

9

2.4

Mặt cắt dọc của nguồn137Cs (kích thước tính theo mm)

48

10

2.5

Mặt cắt ngang của nguồn 137Cs (kích thước tính theo mm)

48

11

2.6

Mặt cắt dọc của nguồn152Eu (kích thước tính theo mm)

49

12

2.7

Mặt cắt ngang của nguồn 152Eu (kích thước tính theo mm)

49

13

2.8

Cấu hình nguồn chuẩn giả điểm 60Co mã số GF-060-D

49

14

2.9

Hình học mẫu Marinelli (kích thước theo cm)

50

15

2.10

Mặt cắt dọc của hệ nguồn - đầu dò - buồng chì vẽ bằng

55

MCNP
16

2.11

So sánh phổ

60

Co mơ phỏng dạng vạch và GEB bằng

60

So sánh phổ mô phỏng 60Co dạng GEB sử dụng MCNP4C2

61

MCNP4C2
17

2.12

và MCNP5
18

2.13.a So sánh phổ 60Co thực nghiệm và mô phỏng

d = 10,6cm

61

theo thang đo thường
19

2.13.b

So sánh phổ 60Co thực nghiệm và mô phỏng
theo thang đo logarithm

d = 10,6cm

62


- xviii -

20

2.14.a Phổ mơ phỏng 60Co khi buồng chì không l t thiếc và đồng

64

21

2.14.b Phổ mô phỏng 60Co khi buồng chì c l t thiếc và đồng

64

22

2.15

60

66

So sánh vùng năng lượng thấp của phổ mô phỏng

Co khi

c buồng chì và khi khơng c buồng chì
23

2.16

So sánh phổ mơ phỏng nguồn 60Co khi đặt

khoảng cách

67

gần 2,4 cm và xa 10,6 cm so với mặt đầu dò
24

2.17

So sánh phổ gamma 59,5keV của 241Am khi có bổ sung giãn

71

n Doppler (DB) và khi không bổ sung giãn n Doppler
(NDB) trong trường hợp dùng mode P
25

2.18

So sánh phổ gamma 59,5 keV của 241Am khi có bổ sung giãn

71

n Doppler (DB) và khi không bổ sung giãn n Doppler
(NDB) trong trường hợp dùng mode P E
26

2.19

So sánh phổ mô phỏng gamma năng lượng 59,5 keV trong

72

bốn trường hợp: NDB mode P, NDB mode PE, DB mode
P, DB mode P E
27

2.20

So sánh phổ mô phỏng của 109Cd với năng lượng 88,04 keV

72

trong bốn trường hợp: NDB mode P, NDB mode PE, DB
mode P, DB mode P E.
28

2.21

So sánh phổ mô phỏng của

137

Cs với năng lượng 660 keV

74

trong các trường hợp: NDB mode P, NDB mode P E và
thực nghiệm Exp
29

2.22

So sánh phổ mô phỏng hỗn hợp 210Pb và 109Cd dùng mode P

75

và mode PE bằng MCNP5 c bổ sung giãn n Doppler
30

3.1

Sơ đồ phân rã của 60Co

31

3.2

Phổ mơ phỏng có trùng phùng của

81
60

Co kết hợp từ hai phổ

82

mô phỏng đơn năng riêng lẻ 1173keV và 1332keV bằng
CSSIM
32

3.3

So sánh phổ mơ phỏng có trùng phùng và phổ thực nghiệm
của 60Co

82


- xix -

33

3.4

Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ

89

0,5 g/cm3
34

3.5

Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ

90

1,0 g/cm3
35

3.6

Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ

90

2,0 g/cm3
36

3.7

Sự phụ thuộc của hệ số f theo ln(E) với khác nhau đối với

93

matrix đất.
37

3.8

Sự phụ thuộc của hệ số f theo với E khác nhau đối với

94

matrix đất
38

3.9

Sự phụ thuộc của hệ số a theo Ln(E)

95

39

3.10

Sự phụ thuộc của hệ số b theo Ln(E)

95

40

4.1

Dạng đáp ứng mô phỏng đối với nguồn

137

Cs với năng

108

lượng 662 keV
41

4.2

Các đỉnh năng lượng nội suy

111

42

4.3

Đáp ứng mô phỏng 1055 keV

111

43

4.4

Đáp ứng mô phỏng 1405 keV

111

44

4.5.a

Đáp ứng nội suy 1280 keV từ hai đáp ứng mô phỏng 1055

112

và 1405keV
45

4.5.b

So sánh đáp ứng mô phỏng và nội suy đối với gamma tới

112

1280 keV
46

4.6

Sơ đồ khối các bước thực hiện việc giải cuộn phổ gamma

113

47

4.7

Một số đáp ứng của đầu dò HPGe được mô phỏng b i

114

MCNP
48

4.8

Các đáp ứng nội suy trong khoảng từ 1000 – 1400 keV

115

49

4.9

Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 137Cs

116

50

4.10

Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 60Co

116

51

4.11

Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 152Eu

117


- xx -

52

4.12

So sánh một vài đỉnh đo và đỉnh sau khi giải cuộn của phổ

117

nguồn 152Eu
53

4.13

So sánh tỷ số S1/S2 theo năng lượng với đường cong P/T

119

54

4.14

Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu B1

121

55

4.15

Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu B2

121

56

4.16

Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu RGU1

122


- 1 -

MỞ ĐẦU
Các kỹ thuật đo bức xạ đã được phát triển không ngừng kể từ khi người ta
khám phá ra hiện tượng phóng xạ. Đặc biệt, cùng với sự ra đời của đầu dò
germanium siêu tinh khiết (HPGe) và Silicon (Si) trong suốt thập kỉ 1960, lĩnh vực
đo phổ gamma đã được cách mạng hóa, đo phổ gamma trở thành công nghệ tiên

tiến. Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, những tính chất của
bức xạ được sử dụng để đo nồng độ phóng xạ, chẳng hạn như xác định hàm lượng
của các hạt nhân phóng xạ phát gamma trong các mẫu mơi trường. Những đầu dị
như vậy đã được đặt ở những vị trí chính yếu trong các phịng thí nghiệm phân tích
phóng xạ. Việc sử dụng các đầu dò bán dẫn đã giúp tạo nên các kết quả chính xác
hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma của đầu dò với các năng lượng khác nhau.
Ở Việt Nam từ lâu nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như:
Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt,
Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM với sự trợ giúp của IAEA đã trang bị các hệ phổ kế
gamma loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu mơi trường hoạt độ
thấp.
Năm 2002 Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Tp.HCM

kết hợp với Vinagamma xây dựng dự án trang bị cho Phịng thí

nghiệm Vật lý hạt nhân chun đề một hệ đo gamma phơng thấp đầu dị HPGe.
Luận án này được thực hiện trong khuôn khổ dự án trên với mục đích nghiên cứu
ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế này, đặc biệt với sự hỗ trợ của phương pháp Monte
Carlo. Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ phổ
kế thường tập trung vào các vấn đề về hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến nó
như hiệu ứng trùng phùng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu suất theo
năng lượng, theo khoảng cách, theo hình học của mẫu, theo bề dày lớp chết. Từ
đó hiệu chuẩn hiệu suất cho cấu hình đo cần quan tâm; nghiên cứu về đáp ứng
của đầu dò, đánh giá các đặc trưng của phổ gamma đo được như độ phân giải,
giới hạn phát hiện, phông nền tự nhiên, miền liên tục của phổ, tỷ số P/C, tỷ số


- 2 -

P/T; nghiên cứu các phương pháp xử lý phổ tinh tế để đạt được độ chính xác
ngày càng cao, đặc biệt trong phân tích hoạt độ thấp…
Có nhiều phương pháp để tiếp cận và giải quyết các vấn đề này như: thực
nghiệm, giải tích, bán thực nghiệm và mơ phỏng. Các thuật tốn được sử dụng để
xử lý phổ như phương pháp truyền thống làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến
(phương pháp gradient, phương pháp Grid search, phương pháp Marquardt), hay
hiện nay với việc phát triển ngành cơng nghệ thơng tin, nhiều thuật tốn khác ra đời
với các kỹ thuật dị tìm và tối ưu thơng minh như thuật tốn di truyền, wavelet,
heuristic… Ngồi ra người ta cịn tìm cách để cải tiến phổ, hạ thấp giới hạn phát
hiện hay nâng cao tỷ số P/T của đầu dò như sử dụng thiết bị triệt Compton, sử dụng
kỹ thuật giải cuộn phổ đo...
Mục tiêu của luận án này là nghiên cứu ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế
gamma trong phân tích hoạt độ thấp của mẫu mơi trường. Để hỗ trợ việc nghiên
cứu một cách nhanh chóng tiện lợi, các thử nghiệm mơ phỏng Monte Carlo với
chương trình MCNP được áp dụng. Nó bao gồm các phần chính như sau:
Thứ nhất, để sử dụng hệ phổ kế gamma trong phân tích hoạt độ thấp cần
hiệu chuẩn hiệu suất của đầu dị theo hình học mẫu cần đo. Khi đó cần đánh giá
hiệu suất của đầu dị HPGe, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như hiệu ứng
trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu suất theo năng
lượng, theo khoảng cách và theo hình học mẫu.
Thứ hai, để hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu suất đạt được độ chính xác cao,
đặc biệt trong phép đo mẫu môi trường hoạt độ thấp, cần nghiên cứu về đáp ứng
của đầu dò, các ảnh hưởng của hình học đo lên miền liên tục của phổ đặc biệt là
vùng năng lượng thấp.
Thứ ba, khi đi qua mơi trường của đầu dị với cấu hình cụ thể, tia gamma tới
tương tác với đầu dò sẽ được ghi nhận thông qua các hiệu ứng trực tiếp (hiệu ứng
quang điện) hoặc gián tiếp như tán xạ Compton, tạo cặp hoặc thốt khỏi đầu dị.
Tùy theo hình học và cấu trúc cụ thể của đầu dị cũng như bố trí vật liệu xung quanh
đầu dò mà ảnh hưởng tán xạ sơ cấp và thứ cấp lên phổ sẽ thay đổi khác nhau. Một

- 3 -

cách tổng quát phổ đo được là kết quả của sự tương tác của hệ đầu dò lên phổ tới,
làm phân bố lại dạng của phổ tới, bao gồm đỉnh toàn phần do hiệu ứng quang điện
và nền liên tục từ hiệu ứng tán xạ Compton nhiều lần trong mơi trường đầu dị và
các vật liệu xung quanh. Do đó tốc độ đếm trên đỉnh tồn phần khơng thể hiện đầy
đủ cường độ nguồn đi vào đầu dò. Vì vậy để đánh giá phẩm chất của đầu dị, một
trong nhiều đặc trưng cơ bản của nó là tỷ số P/T (Peak to Total) hay tỷ số P/C (Peak
to Compton). Các tỷ số này càng cao thì khả năng phát hiện hoạt độ thấp của hệ phổ
kế càng tốt. Có nhiều cách để cải tiến các đặc trưng này như tăng thể tích hoạt động
của đầu dị, xây dựng các hệ thống triệt Compton. Việc giải cuộn phổ đo (spectra
deconvolution) để có được phổ gốc ban đầu bằng phương pháp toán học là một cách
để cải tiến tỷ số này. Về lý tưởng có thể sử dụng việc giải cuộn như một phương
pháp để xác định hoạt độ một cách tuyệt đối thông qua một phép biến đổi ngược
dựa vào ma trận đáp ứng của đầu dị. Nó cho ta phổ gốc ban đầu của tia tới mà sẽ
không bị ảnh hưởng bởi cấu hình, vật liệu của hệ phát hiện khi nó đi qua. Trên thực
tế khó có thể thực hiện việc giải cuộn hoàn toàn do sự khó khăn trong việc xây dựng
ma trận đáp ứng một cách chính xác, cũng như việc chọn lựa các phương pháp lặp
để giải tìm hàm ngược. Tuy nhiên với việc sử dụng các mẫu chuẩn trong việc xác
định hoạt độ, phương pháp giải cuộn trong luận án này được dùng bước đầu như
một cách để cải tiến tỷ số P/T từ việc khử miền liên tục. Bằng cách đó ta có được
các phổ tương ứng sau khi giải cuộn với các đặc trưng tốt giúp nâng cao khả năng
phân giải, giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích hoạt độ bằng hệ
phổ kế gamma đang dùng.
Đối tượng nghiên cứu của luận án này là đầu dò HPGe ký hiệu GC2018 của
hãng Canberra Industries, Inc. đặt tại Phịng thí nghiệm chun đề Vật lý Hạt nhân,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Tp.HCM. Nguồn và mẫu có dạng điểm, trụ và
Marinelli. Đầu dò được đặt trong buồng chì được thiết kế bởi hãng Canberra cho hệ
đo tương ứng.

Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án là sử dụng phương pháp mơ phỏng
Monte Carlo với chương trình MCNP để nghiên cứu thử nghiệm các vấn đề liên


- 4 -

quan đến việc ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế gamma HPGe. Hiệu lực của mơ hình
được kiểm tra liên tục bởi thực nghiệm tương ứng. Từ đó khai thác khả năng mơ
hình hóa chính xác cao trong bài toán vận chuyển bức xạ của MCNP để nghiên cứu
sâu hơn trong vấn đề đánh giá và xử lý phổ gamma.
Nội dung của Luận án bao gồm bốn chương:
Chương 1 là phần tổng quan, trình bày tình hình nghiên cứu trên thế giới và
Việt Nam liên quan đến áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong nghiên
cứu đặc trưng của hệ phổ kế gamma mơi trường có hoạt độ thấp sử dụng đầu dò
HPGe; giới thiệu về hệ phổ kế gamma và các đặc trưng của nó về đáp ứng và hiệu
suất – các đối tượng cần nghiên cứu trong luận án; giới thiệu về chương trình mơ
phỏng vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte Carlo (MCNP) đã
được xây dựng ở phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ.
Chương 2 sử dụng chương trình MCNP để mơ phỏng hệ phổ kế gamma HPGe
có tại Phịng thí nghiệm của Bộ mơn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên Tp.HCM. Kiểm tra tính hiệu lực của mơ hình đã xây dựng bằng cách so sánh
kết quả mô phỏng hiệu suất đỉnh với thực nghiệm tương ứng. Từ mơ hình xây dựng
được đánh giá đáp ứng phổ của hệ đầu dò HPGe, nghiên cứu ảnh hưởng của sự tán
xạ nhiều lần lên dạng phổ từ các vật liệu của môi trường xung quanh, nghiên cứu
vùng năng lượng thấp của phổ với sự bổ sung hiệu ứng nở Doppler trong phiên bản
MCNP5 sử dụng kỹ thuật SSW-SSR.
Chương 3 áp dụng mơ hình MCNP hệ phổ kế đã xây dựng để hiệu chuẩn hiệu
suất ghi của đầu dị. Nó bao gồm việc xây dựng chương trình kết hợp phổ mô phỏng
đỉnh đơn thành phổ mô phỏng có trùng phùng, từ đó xác định hệ số hiệu chỉnh trùng
phùng tổng cho nguồn

60

Co dạng điểm, khảo sát hiệu suất của hệ phổ kế với hình

học mẫu thể tích Marinelli, đánh giá ảnh hưởng của matrix và mật độ lên hiệu suất
ghi nhận của đầu dò. Với kết quả có được từ mơ phỏng khảo sát sự thay đổi của
hiệu suất theo năng lượng và theo mật độ, mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh sự tự
hấp thụ theo mật độ được thiết lập. Từ đó xây dựng quy trình đơn giản để cho người
phân tích có thể chuẩn hiệu suất trong việc xác định hoạt độ mẫu môi trường. Quy


- 5 -

trình được kiểm chứng bằng cách xác định hoạt độ của 137Cs, 238U, 232Th, 40K, 226Ra
trong một số mẫu chuẩn của IAEA như chuẩn IAEA – 375, chuẩn RGU1, RGTh1,
RGK1.
Chương 4 xây dựng ma trận đáp ứng liên tục từng kênh bằng phương pháp mô
phỏng MCNP kết hợp với kỹ thuật nội suy, sau đó sử dụng thuật toán ML-EM để
khử miền liên tục phổ gamma, nâng cao tỷ số P/T của phổ gamma đối với một số
nguồn hình học dạng điểm. Từ đó áp dụng trong phép đo mẫu mơi trường hoạt độ
thấp với hình học mẫu Marinelli.


- 6 -

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TRONG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA
Cùng với sự phát triển của các máy tính điện tử, các phương pháp MonteCarlo ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa học và công nghệ
hạt nhân.
Các phương pháp Monte Carlo rất khác với các phương pháp vận chuyển tất
định. Các phương pháp tất định giải phương trình vận chuyển đối với trạng thái hạt
trung bình. Ngược lại, phương pháp Monte Carlo khơng giải phương trình tường
minh mà đúng hơn nhận các trả lời bằng mô phỏng các hạt riêng rẽ và ghi một số
khía cạnh (các đánh giá) của trạng thái trung bình của chúng. Trạng thái trung bình
của các hạt trong vật lý khi đó được rút ra từ trạng thái trung bình của các hạt được
mơ phỏng (bằng cách sử dụng định lý giới hạn trung tâm). Phương pháp Monte
Carlo cho phép biểu diễn chi tiết tất cả các khía cạnh của các số liệu vật lý trong quá
trình vận chuyển hạt. Nó rất thích hợp để giải các bài toán phức tạp, 3 chiều, phụ
thuộc thời gian.
Trong những năm gần đây, các chương trình mơ phỏng vận chuyển bức xạ
bằng phương pháp Monte Carlo được sử dụng ngày càng rộng rãi. Điều này, một
mặt được gắn liền với yêu cầu cấp bách giải quyết nhiều bài toán quan trọng thực tế
từ thiết kế lò phản ứng đến bảo vệ bức xạ và vật lý y học. Mặt khác, các chi phí thực
nghiệm tăng lên và các chi phí tính tốn giảm xuống cũng đang làm cho việc mơ
phỏng sự vận chuyển trở nên hấp dẫn hơn, đặc biệt khi các thí nghiệm được tiến
hành trong các mơi trường nguy hiểm. Hơn nữa, các kỹ thuật tính trong những
chương trình này cũng nhanh hơn và các máy tính cũng tốt hơn đang làm cho mô
phỏng số trở nên đáng tin cậy hơn.


- 7 -

Tổ chức QUADOS (Quality Assurance of Computation Tools for Dosimetry)
[29] được tài trợ bởi Hiệp Hội Châu Âu theo hợp đồng FIGD-CT-2000-20062, đề
nghị sự so sánh chéo giữa các nhóm nghiên cứu nhằm mục đích đánh giá việc sử
dụng các phần mềm tính tốn về liều lượng trong an toàn bức xạ và vật lý y khoa.

Đề nghị đầu tiên được xem xét và công bố cho tất cả người sử dụng các chương
trình mơ phỏng Monte Carlo, giải tích và bán giải tích hoặc những phương pháp tất
định từ bên trong lẫn bên ngoài hiệp hội Châu Âu có liên quan đến lĩnh vực nghiên
cứu này. Tám bài tốn được đặt ra trong đó bài tốn thứ bảy (P7) liên quan đến
nghiên cứu về đầu dò germanium với chùm photon năng lượng từ 15 keV đến 1
MeV với các đặc trưng liên quan đến phân bố độ cao xung (PHD) của đầu dò và đã
được các tác giả nghiên cứu và giải quyết với việc sử dụng phương pháp mô phỏng
Monte Carlo trong hội thảo quốc tế về “Intercomparison on the usage of
computational codes in radiation dosimetry” tổ chức tại Bologna, Italy tháng 7 năm
2003.
Trong nghiên cứu hệ phổ kế gamma và các đặc trưng của đầu dị đã có nhiều
chương trình đáng tin cậy sử dụng phương pháp Monte Carlo để đánh giá các đặc
trưng của hệ phổ kế tiêu biểu như các phần mềm EGS4 (Nelson et al. 1985,
Stanford Linear Accelerator Center), GEANT (R. Brun et al. 1986, CERN Data
Handling Division, Geneva), CYLTRAN (Halbleib và Mehlhorn, 1986, Integrates
Tiger Series), MCNP (J.F. Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory
Report, LA-12625-M), GESPECOR (O. Sima và D. Arnold, 2000), DETEFF
(Cornejo Diaz và D. Pérez Sánchez,1998; Jurado Vargas et al., 2002), PENELOPE
( PENetration and Energy LOss of Photon and Electrons , Salvat et al., 2003) ...
Thơng qua đó người sử dụng có thể mơ phỏng lại hệ đo của mình và từ đó
đánh giá các đặc trưng mong muốn. Đa số các cơng trình trên thế giới tập trung vào
các vấn đề về mô phỏng đáp ứng phổ, sử dụng mơ phỏng trong việc hỗ trợ tính tốn
hiệu suất đối với các dạng hình học nguồn và mẫu khác nhau, khảo sát hiệu suất
theo năng lượng, theo khoảng cách, hiệu chỉnh trùng phùng tổng đối với gamma
phân rã nhiều tầng, hiệu chỉnh tự hấp thụ đối với hình học nguồn và mẫu thể tích.


- 8 -

Một ứng dụng khác của việc mô phỏng đáp ứng phổ được sử dụng bởi tác giả là xây

dựng ma trận đáp ứng bằng mô phỏng cho bài toán khử miền liên tục phổ gamma
thực hiện trong luận án này.
Dưới đây liệt kê vắn tắt một số công trình trên thế giới cũng như tại Việt Nam
liên quan đến vấn đề áp dụng phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu ứng dụng
hệ phổ kế gamma và những vấn đề liên quan.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năm 1972, Peterman [69] và Goton [34] đã tính tốn sự tự hấp thụ tia gamma
trong nguồn dạng đĩa bằng phương pháp Monte Carlo và bằng các phương pháp tất
định khác. Sự tự hấp thụ trong nguồn thể tích thường khơng được tính tốn.
Năm 1976, Rieppo [70] đã áp dụng phương pháp Monte Carlo trong việc tính
tốn sự hấp thụ tia gamma trong nguồn thể tích đối với đầu dị mặt và giếng dùng
tinh thể NaI. Sự hấp thụ của gamma trong mơi trường gồm nước, nhơm, và chì
cũng được khảo sát.
Năm 1982, Gardner và cộng sự [30] đã áp dụng phương pháp Monte Carlo để
mô phỏng phân bố độ cao xung của tia X và gamma tức thời từ phản ứng bắt
neutron đối với hai loại đầu dò Si(Li) và Ge. Trong đó để ý đến các cơ chế mất mát
năng lượng của electron quang điện, electron Auger từ bề mặt đầu dị và sự mất
hồn tồn của các photon khác nhau như tia X của Si, bức xạ hủy 511 keV và các
photon tán xạ Compton đơn hay nhiều lần. Từ đó các cơ chế tương tác khả dĩ đối
với mỗi đặc trưng đáp ứng của đầu dò được nhận dạng và dạng hàm giải tích đơn
giản được sử dụng từ các cơng trình trước đó được xác nhận. Đáp ứng của đầu dò
bức xạ được sử dụng chủ yếu trong hai bối cảnh: giải cuộn phổ độ cao xung đo
được để có phân bố năng lượng của bức xạ và cuộn phân bố năng lượng của bức xạ
có được từ mơ hình tốn học để có phân bố độ cao xung dự đoán.
Năm 1990, He, Gardner và Verghese [38] đã cải tiến đáp ứng của đầu dò
Si(Li) tới miền năng lượng 5 keV đến 60 keV. Các tham số của mơ hình có được từ