Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ lên hệ phổ kế gamma hpge

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ VŨ TRỤ
LÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2018

HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ VŨ TRỤ
LÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE

Ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số ngành: 62440501

Phản biện 1: GS.TS. Lê Hồng Khiêm
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng
Phản biện 3: TS. Trần Văn Hùng
Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Trần Quốc Dũng

Phản biện độc lập 2: PGS.TS. Phạm Đức Khuê

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. VÕ HỒNG HẢI
2. GS.TS. NOMACHI MASAHARU

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của riêng tơi hoặc cùng với Thầy
hướng dẫn khoa học. Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Võ
Hồng Hải và GS.TS. Nomachi Masaharu. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và
khơng sao chép từ bất cứ cơng trình nào của người khác.
Tác giả luận án


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án, tác giả đã nhận được sự quan
tâm giúp đỡ tận tình của gia đình, Thầy/Cơ, đồng nghiệp và bạn bè. Tác giả xin bày tỏ
lòng trân trọng và cảm ơn đến:
Thầy TS. Võ Hồng Hải đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian thực hiện đề
tài. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy.
GS.TS. Masaharu Nomachi, và nhóm nghiên cứu, thuộc Đại học Osaka, Nhật Bản
đã hỗ trợ thiết bị đo thực nghiệm; giáo sư đã có những định hướng nghiên cứu và cùng
với Thầy TS. Võ Hồng Hải đã giúp đỡ tôi hồn thành luận án.

Phịng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGTP.HCM đã hỗ trợ thiết bị thực hiện thí nghiệm.
Nhóm nghiên cứu VATLY của Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân, Hà Nội đã hỗ
trợ các bản nhấp nháy plastic cho xây dựng hệ trùng phùng.
GS. Chary Rangacharyulu, Đại học Saskatchewan, Canada đã hỗ trợ thiết bị
MCA-2K cho thí nghiệm đo các phổ năng lượng trên đầu dò HPGe và GS đã có những
góp ý khoa học cho luận án.
GS. Itahashi Takahisa, trường Đại học Osaka, Nhật Bản đã có những trao đổi và
đóng góp q báu cho luận án.
Q Thầy/Cơ, học viên, sinh viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, ĐHQG-TP.HCM đã động viện, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho
tơi hồn thành luận án.
Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQG-TP.HCM đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án.
Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-TP.HCM đã tạo điều
kiện thuận lợi và tài trợ kinh phí nghiên cứu thơng qua các đề tài cấp trường.
Cuối cùng, con xin chân thành cảm ơn ba mẹ, gia đình đã ln động viên và tạo
mọi điều kiện cho con hồn thành chương trình học và luận án này.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 5

1.1. Các đặc trưng phổ phông của hệ phổ kế gamma HPGe........................................ 5
1.1.1. Phông từ môi trường, vật liệu che chắn và cấu trúc đầu dị ........................... 6
1.1.2. Phơng từ khí Radon và đồng vị con cháu của Radon .................................... 6
1.1.3. Bức xạ vũ trụ .................................................................................................. 7
Tổng quan về bức xạ vũ trụ..................................................................... 7
Tính chất và thơng lượng của muon ....................................................... 9
Đóng góp của muon vào phổ phơng của hệ phổ kế gamma HPGe ...... 13
Đóng góp của neutron vào phổ phông của hệ phổ kế gamma HPGe. .. 14
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ......................................................... 15
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 15
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 23
1.3. Các phương pháp giảm phông vũ trụ cho hệ phổ kế gamma HPGe ................... 26
1.3.1. Phịng thí nghiệm dưới lịng đất ................................................................... 26
1.3.1. Che chắn neutron cho đầu dò HPGe ............................................................ 27
1.3.2. Triệt bức xạ vũ trụ bằng kỹ thuật đối trùng ................................................. 27
1.4. Kết luận Chương 1 .............................................................................................. 29
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ ĐO ......................................................... 30
2.1. Hệ phổ kế gamma HPGe ..................................................................................... 30


iv

2.1.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma HPGe .................................................................... 30
2.1.2. Đầu dò bán dẫn HPGe đồng trục ................................................................. 30
2.1.3. Buồng chì ..................................................................................................... 32
2.2. Thực nghiệm đo phổ phơng trên hệ phổ kế gamma HPGe trong vùng năng lượng
(0,05 – 50) MeV ......................................................................................................... 33
2.2.1. Thiết lập thí nghiệm ..................................................................................... 33
2.2.2. Kết quả đo phổ phông trên hệ phổ kế gamma HPGe ................................... 34
2.3. Thực nghiệm đo đáp ứng phổ bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe trong

vùng năng lượng 0,05 MeV – 50 MeV ...................................................................... 37
2.3.1. Thiết lập thí nghiệm ..................................................................................... 37
2.3.2. Xây dựng đầu dị nhấp nháy plastic – Đánh giá ghi nhận bức xạ vũ trụ ..... 40
Bảng nhấp nháy và dẫn sáng ................................................................. 41
Ống nhân quang điện – PMT ................................................................ 41
Lắp đặt đầu dò nhấp nháy ..................................................................... 42
Nguồn cao thế ....................................................................................... 43
Đánh giá khả năng ghi nhận bức xạ vũ trụ của đầu dò nhấp nháy Plastic
............................................................................................................................ 44
2.3.3. Xây dựng hệ thống trùng phùng trigger và lập trình nhúng FPGA ............. 49
Hệ thống trùng phùng trigger đánh dấu bức xạ vũ trụ .......................... 50
Mô-đun trùng phùng trigger FPGA ...................................................... 51
Đánh giá hệ trùng phùng trigger bằng máy phát xung chuẩn ............... 54
2.3.4. Kết quả đo đáp ứng phổ thực nghiệm của bức xạ vũ trụ lên hệ phổ kế
gamma HPGe ......................................................................................................... 58
2.4. Kết luận Chương 2 .............................................................................................. 61
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH MƠ PHỎNG GEANT4 TRÊN HỆ PHỔ KẾ HPGe ............. 62
3.1. Mô phỏng hệ phổ kế gamma HPGe bằng chương trình GEANT4 ..................... 63
3.1.1. Cấu trúc chương trình mơ phỏng GEANT4 hệ phổ kế gamma HPGe ........ 63


v

Khai báo các thành phần hệ phổ kế gamma HPGe trong chương trình
mơ phỏng ............................................................................................................ 66
Mơ tả các tương tác vật lý (Physics list) ............................................... 72
Khai báo bức xạ vũ trụ bằng chương trình CRY .................................. 74
3.1.2. Cấu trúc dữ liệu mô phỏng ........................................................................... 77
3.2. Kết quả mô phỏng các thành phần phổ phông vũ trụ trên hệ phổ kế HPGe ....... 79
3.2.1. Mô phỏng đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên đầu dị HPGe...................... 79

3.2.2. Mơ phỏng đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe .... 81
3.2.3. Mô phỏng đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ trùng phùng đầu dò HPGe
và đầu dò nhấp nháy plastic ................................................................................... 82
3.3. Kết luận Chương 3 .............................................................................................. 85
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................. 86
4.1. Nghiên cứu dạng đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế HPGe sử dụng kỹ
thuật trùng phùng giữa đầu dò HPGe và đầu dò nhấp nháy plastic ........................... 86
4.1.1. So sánh số liệu thực nghiệm và mô phỏng................................................... 86
4.1.2. Kết quả mô phỏng đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế HPGe theo
diện tích đầu dị nhấp nháy plastic. ........................................................................ 90
4.2. Phân tích thành phần bức xạ vũ trụ trong phổ phông thực nghiệm của hệ phổ kế
gamma HPGe ............................................................................................................. 93
4.2.1. Xác định thành phần phông bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe dựa
vào mơ phỏng GEANT4 ........................................................................................ 93
4.2.2. Phân tích các thành phần bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế HPGe ..................... 94
4.2.3. Mối tương quan giữa năng lượng bức xạ vũ trụ tới và năng lượng hấp thụ
ghi nhận trên đầu dò HPGe .................................................................................... 97
4.2.4. Đáp ứng phổ của muon và thành phần thứ cấp của muon ........................... 99
4.2.5. Đáp ứng phổ của neutron và các thành phần thứ cấp của neutron............. 101
4.3. Giảm phông bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế HPGe trong thí nghiệm đối trùng phùng
cho cấu hình plastic 80x80 cm2 ................................................................................ 103


vi

4.4. Đánh giá tỉ lệ ghi nhận bức xạ vũ trụ theo diện tích đầu dị nhấp nháy plastic dựa
vào mô phỏng GEANT4 .......................................................................................... 106
4.4.1. Mối tương quan của năng lượng hấp thụ của bức xạ vũ trụ theo góc tới θ106
4.4.2. Đánh giá thông lượng của bức xạ vũ trụ theo diện tích đầu dị nhấp nháy
plastic ................................................................................................................... 108

4.5. Phân tích tỉ số P/B cho các đỉnh phổ của phơng phóng xạ mơi trường khi có loại
trừ phơng nền bức xạ vũ trụ ..................................................................................... 110
4.6. Kết luận Chương 4 ............................................................................................ 112
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 114
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 118


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Nội dung
ADC

Tiếng Anh
Analog Digital Convert

CFD
CRY

Constant Fraction Discriminator
Cosmic-ray Shower Library

FPGA

Field Programming Gate Array

Ge
GEANT4

Germanium
Geometry ANd Tracking

HPGe
HV
ICR
LVDS
MCA
MCNP,
MCNPX
MDA
m.w.e

High purity Germanium
High voltage
Incoming Count Rate
Low-voltage differential signaling
Muti-Channel Analyser
Monte Carlo N-Particle Transport
Code
Minimum Detectable Activity
Meter water equivalent

NIM
PMT
QGSP

Nuclear Instrument Module
Photomultipler Tube
The Quark-Gluon String

Precompound
Time-to-Amplitude Converter
Timing Filter Amplifier
Transistor – Transistor Logic
(VHSIC (Very High Speed
Integrated Circuit) Hardware
Description Language).

TAC
TFA
TTL
VHDL

Tiếng Việt
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự
thành số
Bộ phân biệt khơng đổi
Thư viện chương trình tạo bức
xạ vũ trụ
Mảng phần tử logic lập trình
được
Tinh thể Germanium
Chương trình mơ phỏng Monte
Carlo GEANT4
Siêu tinh khiết Germanium
Cao thế
Đếm tốc độ xung vào
Chuẩn logic LVDS
Bộ phân tích đa kênh
Chương trình mô phỏng Monte

Carlo MCNP
Giới hạn phát hiện hoạt độ
Bề dày che chắn bức xạ vũ trụ
tương đương một mét nước
Chuẩn logic NIM
Ống nhân quang điện
Mơ hình tương tác QGSP
Bộ chuyển đổi thời gian biên độ
Bộ khuếch đại thời gian
Một chuẩn xung logic
Ngơn ngữ lập trình nhúng cho
chip FPGA


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên đóng góp vào phổ phơng của hệ phổ kế
gamma HPGe. ................................................................................................................ 36
Bảng 2.2. Thông số của ống nhân quang điện R329-02 [35]. ....................................... 42
Bảng 2.3. Tốc độ đếm (số đếm/giây) của đầu dò HPGe đối với bức xạ vũ trụ trong các
vùng năng lượng theo cấu hình đo có diện tích đầu dị nhấp nháy 80x80 cm2 và 80x40
cm2. ................................................................................................................................. 60
Bảng 3.1. Bảng thông số vật liệu dùng trong mơ phỏng. .............................................. 71
Bảng 3.2. Mơ hình tương tác vật lý cho các loại hạt bức xạ vũ trụ trong mô phỏng. ... 73
Bảng 3.3. Dữ liệu bức xạ vũ trụ tạo ra bởi chương trình CRY. .................................... 74
Bảng 3.4. Tỉ lệ thành phần bức xạ vũ trụ tạo ra từ chương trình CRY dùng cho mơ
phỏng [29]. ..................................................................................................................... 76
Bảng 3.5. Thông tin lưu dữ liệu của một sự kiện mô phỏng. ........................................ 78
Bảng 3.6. Cấu trúc lưu dữ liệu của các sự kiện mô phỏng. ........................................... 79

Bảng 4.1. So sánh tốc độ đếm phổ thực nghiệm và mô phỏng ghi nhận bởi đầu dò
HPGe đối với bức xạ vũ trụ trong các vùng năng lượng. .............................................. 89
Bảng 4.2. Số đếm (được tính theo số đếm/ngày) của bức xạ vũ trụ ghi nhận trên đầu dò
HPGe tương ứng với các vùng năng lượng cho các cấu hình đầu dị nhấp nháy. ......... 92
Bảng 4.3. Tỉ lệ phần trăm phân bố của các thành phần bức xạ vũ trụ trên đầu dị HPGe.
........................................................................................................................................ 96
Bảng 4.4. Tỉ lệ giảm phơng vũ trụ cho đầu dị HPGe với cấu hình đầu dị plastic che
chắn 80x80 cm2. ........................................................................................................... 105
Bảng 4.5. Tỉ lệ % thông lượng bức xạ vũ trụ ghi nhận trên đầu dò HPGe.................. 108
Bảng 4.6. So sánh tỉ số P/B giữa phổ phông thực nghiệm và phổ phông đã trừ thành
phần bức xạ vũ trụ. ....................................................................................................... 111


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thơng lượng của hạt nhân trong bức xạ vũ trụ sơ cấp [57]. ........................... 8
Hình 1.2. Quá trình hình thành của bức xạ vũ trụ [48]. .................................................. 9
Hình 1.3. Thơng lượng của bức xạ vũ trụ trong khí quyển với năng lượng E > 1 GeV
ước tính từ phương trình (1.1). Điểm thực nghiệm đo với muon âm có năng lượng Eµ >
1 GeV [57]...................................................................................................................... 10
Hình 1.4. Phổ muon tại mực nước biển theo hướng thiên đỉnh được làm khớp từ dữ
liệu của Allkofer [8]. ...................................................................................................... 11
Hình 1.5. Độ mất năng lượng của muon trong Ge. Đồ thị được vẽ từ bộ số liệu của [28,
59]................................................................................................................................... 12
Hình 1.6. Phổ năng lượng hấp thụ của muon trên đầu dò Ge trong vùng năng lượng (0
– 70) MeV [39]............................................................................................................... 16
Hình 1.7. Đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên đầu dò HPGe trong vùng năng lượng (a)
(0 – 3000) keV và (b) (0 – 100) MeV [46] .................................................................... 19
Hình 1.8. Phổ thực nghiệm và mô phỏng MCNP của bức xạ vũ trụ trên đầu dị HPGe

[65]. ................................................................................................................................ 20
Hình 1.9. Sơ đồ của các khối điện tử thiết lập hệ đối trùng cho đầu dị HPGe [62]. .... 28
Hình 2.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma HPGe...................................................................... 30
Hình 2.2. Cấu trúc của đầu dị bán dẫn siêu tinh khiết Germanium (HPGe-GC2018)
đồng trục loại p [18]. ...................................................................................................... 31
Hình 2.3. Buồng chì Canberra 747E và mặt cắt dọc (đơn vị tính mm) [17]. ................ 32
Hình 2.4. Thiết lập thí nghiệm đo phổ phơng của hệ phổ kế gamma HPGe trong vùng
năng lượng (0,05 – 50) MeV. ......................................................................................... 34
Hình 2.5. Phổ phơng trong vùng năng lượng (0,05– 2,0) MeV của hệ phổ kế HPGe. . 35
Hình 2.6. Phổ phông vùng năng lượng cao đến 50 MeV của phổ kế gamma HPGe. ... 35
Hình 2.7. Hai cấu hình đầu dò nhấp nháy đo bức xạ vũ trụ trên HPGe: 80x40 cm2 và
80x80 cm2, cách phía trên nắp buồng chì 10 cm. .......................................................... 37
Hình 2.8. Thiết lập hệ đo trùng phùng đo đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế
gamma HPGe trong vùng năng lượng (0,05 – 50) MeV................................................ 38
Hình 2.9. Một sự kiện bức xạ vũ trụ được ghi nhận trên đầu dò HPGe sử dụng hệ trùng
phùng trigger đánh dấu bức xạ vũ trụ. ........................................................................... 39
Hình 2.10. Dạng và kích thước đầu dị nhấp nháy plastic. ............................................ 41
Hình 2.11. Ống nhân quang điện R329-02 [35]. ........................................................... 42
Hình 2.12. Lắp ráp đầu dị nhấp nháy plastic. ............................................................... 43
Hình 2.13. Bộ cao thế âm Matsusada Opton-2NC. ....................................................... 44


x

Hình 2.14. Sơ đồ bố trí các đầu dị ghi nhận dạng xung tín hiệu từ bức xạ vũ trụ khi đi
qua bảng dẫn sáng (a) và bảng nhấp nháy (b) của đầu dị nhấp nháy plastic. ............... 45
Hình 2.15. Dạng xung tín hiệu của đầu dị nhấp nháy plastic đối với một sự kiện bức
xạ vũ trụ ghi nhận cho hai đầu dò nhấp nháy plastic. (a) Ghi nhận ở bảng dẫn sáng. (b)
Ghi nhận ở bảng nhấp nháy............................................................................................ 46
Hình 2.16. Xác định độ rộng xung theo biên độ 10% của đỉnh xung. .......................... 46

Hình 2.17. Sơ đồ khối thí nghiệm đo bức xạ vũ trụ trên 2 đầu dị nhấp nháy plastic. .. 47
Hình 2.18. Đáp ứng phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò nhấp nháy plastic.
........................................................................................................................................ 48
Hình 2.19. Phổ độ rộng thời gian của xung ghi nhận trên đầu dò nhấp nháy plastic. ... 48
Hình 2.20. Phổ năng lượng (diện tích xung) theo độ rộng 10% xung. ......................... 49
Hình 2.21. Phổ bức xạ vũ trụ được phân biệt theo hai vùng tương tác của đầu dò: vùng
dẫn sáng và vùng nhấp nháy. ......................................................................................... 49
Hình 2.22. Sơ đồ khối hệ thống trigger đánh dấu bức xạ vũ trụ và dạng tín hiệu ra của
các khối điện tử .............................................................................................................. 51
Hình 2.23. Mơ-đun lập trình nhúng phần cứng FPGA. 16 cổng vào và 8 cổng ra theo
chuẩn NIM; 16 cổng ra theo chuẩn LVDS; và 8 cổng vào/ra theo chuẩn TTL. ............ 52
Hình 2.24. Sơ đồ khối chức năng của mơ-đun Gate/Delay. .......................................... 52
Hình 2.25. Kiểm tra mơ-đun Gate/Delay bằng máy pháy xung chuẩn. ........................ 53
Hình 2.26. Sơ đồ chức năng của mơ-đun COIN. .......................................................... 53
Hình 2.27. Kiểm tra mô-đun COIN bằng máy phát xung chuẩn. ................................. 54
Hình 2.28. Sơ đồ thiết lập đánh giá hoạt động của mô-đun trùng phùng trigger FPGA
sử dụng máy phát xung. ................................................................................................. 55
Hình 2.29. Kiểm tra mơ-đun trigger FPGA bằng máy phát xung. ................................ 56
Hình 2.30. Sơ đồ thiết lập đánh giá hoạt động của hệ điện tử trùng phùng sử dụng máy
phát xung. ....................................................................................................................... 57
Hình 2.31. Tín hiệu trùng phùng của tín hiệu A và tín hiệu B. ..................................... 57
Hình 2.32. So sánh phổ ghi nhận bởi MCA của tín hiệu tạo bởi máy phát xung khi (a)
khơng và (b) có hệ điện tử trùng phùng. ........................................................................ 58
Hình 2.33. Đáp ứng phổ đối với bức xạ vũ trụ và phổ phông của hệ phổ kế gamma
HPGe trong vùng năng lượng (0,05 – 2) MeV. ............................................................. 59
Hình 2.34. Đáp ứng phổ đối với bức xạ vũ trụ và phổ phông của hệ phổ kế gamma
HPGe trong vùng năng lượng đến 50 MeV. .................................................................. 59
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ phổ kế HPGe ghi nhận bức xạ vũ trụ được xây dựng trong
mơ hình mơ phỏng GEANT4. ........................................................................................ 62

xi

Hình 3.2. Sơ đồ khối của chương trình mơ phỏng GEANT4. ....................................... 63
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc chương trình mơ phỏng GEANT4 cho hệ phổ kế gamma .... 64
Hình 3.4. Q trình GEANT4 khởi tạo các thơng số mơ phỏng [60]. .......................... 65
Hình 3.5. Quá trình GEANT4 tạo ra các sự kiện chạy mô phỏng (beam on) [60]. ...... 65
Hình 3.6. Q trình GEANT4 xử lý thơng tin của một sự kiện mơ phỏng [60]. .......... 66
Hình 3.7. Hình học mô phỏng hệ phổ kế gamma HPGe và đầu dị nhấp nháy plastic
(đơn vị tính mm). ........................................................................................................... 67
Hình 3.8. Sơ đồ khối các lớp định nghĩa hình học mơ phỏng hệ phổ kế HPGe và đầu
dò nhấp nháy plastic. ...................................................................................................... 67
Hình 3.9. Mặt cắt dọc của đầu dị bán dẫn Germanium GC2018 và thơng tin về kích
thước (đơn vị tính mm) [5, 18]....................................................................................... 68
Hình 3.10. Mặt cắt dọc của buồng chì Canberra 747E (đơn vị tính mm). .................... 69
Hình 3.11. Mơ hình hệ phổ kế HPGe được xây dựng bằng mơ phỏng GEANT4. ....... 70
Hình 3.12. Kích thước của đầu dị nhấp nháy plastic 80x40x3 cm3. ............................ 70
Hình 3.13. Cấu trúc chương trình GEANT4 tạo các hiệu ứng tương tác vật lý. ........... 72
Hình 3.14. Khởi tạo bức xạ vũ trụ tới với vị trí bắn A(x,y,z) và phương bắn (u,v,w). . 74
Hình 3.15. Sơ đồ chương trình mơ phỏng GEANT4 – nguồn CRY. ............................ 75
Hình 3.16. Phổ năng lượng của các thành phần bức xạ vũ trụ tạo ra từ CRY [29]....... 76
Hình 3.17. Mơ hình mơ phỏng GEANT4 của đầu dò HPGe và đường đi của một sự
kiện bức xạ vũ trụ (muon, gamma). ............................................................................... 80
Hình 3.18. Đáp ứng phổ của đầu dò HPGe đối với bức xạ vũ trụ trong trường hợp
khơng có buồng chì che chắn. ........................................................................................ 80
Hình 3.19. Mơ hình mơ phỏng hệ phổ kế gamma HPGe và đường đi của một sự bức xạ
vũ trụ (muon).................................................................................................................. 81
Hình 3.20. Đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe (có buồng chì
che chắn) và khơng có buồng chì. .................................................................................. 82
Hình 3.21. Hình học của hệ trùng phùng đầu dị HPGe – Đầu dò nhấp nháy plastic và

đường đi của một sự kiện bức xạ vũ trụ (muon) tương tác với hệ phổ kế HPGe. ......... 83
Hình 3.22. Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò nhấp nháy plastic. .............. 84
Hình 3.23. Phổ đáp ứng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò HPGe trong điều kiện trùng
phùng với đầu dị nhấp nháy plastic. .............................................................................. 84
Hình 4.1. So sánh thực nghiệm và mô phỏng phổ đáp ứng của bức xạ vũ trụ trên hệ
phổ kế HPGe với diện tích đầu dị nhấp nháy plastic 80x80 cm2. ................................. 87
Hình 4.2. So sánh thực nghiệm và mô phỏng phổ đáp ứng của bức xạ vũ trụ trên hệ
phổ kế HPGe với diện tích đầu dị nhấp nháy plastic 80x40 cm2. ................................. 87


xii

Hình 4.3. Phổ năng lượng tới của gamma thứ cấp đến đầu dò HPGe khi bức xạ vũ trụ
tương tác với buồng chì được trích xuất trong mơ phỏng Geant4. ................................ 88
Hình 4.4. Đồ thị số đếm ghi nhận trên đầu dò HPGe trong các vùng năng lượng khác
nhau theo diện tích đầu dị nhấp nháy plastic. ............................................................... 90
Hình 4.5. Đáp ứng phổ mô phỏng của bức xạ vũ trụ lên đầu dò HPGe trùng phùng với
đầu dò plastic cho các cấu hình diện tích đầu dị nhấp nháy. ........................................ 91
Hình 4.6. Tỉ số số đếm ghi nhận của các cấu hình diện tích đầu dị nhấp nháy plastic so
sánh với cấu hình 80x80 cm2 theo các vùng năng lượng. .............................................. 92
Hình 4.7. Phổ thực nghiệm (đường màu đen) và thành phần bức xạ vũ trụ dựa vào mô
phỏng GEANT4 (đường màu đỏ) của phông môi trường cho hệ phổ kế HPGe. .......... 93
Hình 4.8. Phổ mơ phỏng năng lượng của các thành phần bức xạ vũ trụ hấp thụ lên đầu
dị HPGe. ........................................................................................................................ 95
Hình 4.9. Mối tương quan giữa năng lượng muon tới và năng lượng hấp thụ trên đầu
dị HPGe. ........................................................................................................................ 97
Hình 4.10. Mối tương quan giữa năng lượng neutron tới và năng lượng hấp thụ trên
đầu dò HPGe. ................................................................................................................. 98
Hình 4.11. Mối tương quan giữa năng lượng gamma tới và năng lượng hấp thụ trên
đầu dò HPGe. ................................................................................................................. 98

Hình 4.12. Phổ mơ phỏng năng lượng của muon hấp thụ trên đầu dò HPGe bao gồm
tương tác trực tiếp và tương tác của các hạt thứ cấp có nguồn gốc từ muon. .............. 100
Hình 4.13. Mối tương quan của loại hạt thứ cấp của muon tới đầu dò HPGe và năng
lượng hấp thụ................................................................................................................ 101
Hình 4.14. Phổ mơ phỏng năng lượng hấp thụ của hạt tới neutron trên đầu dò HPGe
bao gồm thành phần tương tác trực tiếp và thành phần hạt thứ cấp. ........................... 102
Hình 4.15. Mối tương quan của loại hạt tới đầu dò HPGe và năng lượng hấp thụ. .... 102
Hình 4.16. So sánh phơng thực nghiệm, thành phần bức xạ vũ trụ và phổ trùng phùng
thực nghiệm (plastic 80x80 cm2). ................................................................................ 103
Hình 4.17. Phổ phơng thực nghiệm và phổ phông đã triệt bức xạ vũ trụ tương ứng với
diện tích che chắn của đầu dị nhấp nháy plastic 80x80 cm2. ...................................... 104
Hình 4.18. Mối tương quan giữa cos(θ) và năng lượng ghi nhận trên đầu dị HPGe với
các cấu hình diện tích plastic. ...................................................................................... 107
Hình 4.19. Thơng lượng ghi nhận theo diện tích đầu dị nhấp nháy plastic (hay góc tới
θ) tính theo tỉ lệ %. ....................................................................................................... 109
Hình 4.20. Phổ phơng thực nghiệm và phổ phông đã trừ thành phần bức xạ vũ trụ... 110


1

MỞ ĐẦU
Mơi trường chúng ta đang sống có chứa nhiều chất phóng xạ, bao gồm phóng
xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo. Phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc nguyên thủy từ
khi hình thành Trái Đất, và và bức xạ vũ trụ đến từ khơng gian ngồi trái đất tương
tác với bầu khí quyển hình thành “chùm” bức xạ vũ trụ tại vị trí mặt đất. Phóng xạ
nhân tạo sinh ra từ các tai nạn hạt nhân, từ sản phẩm của ứng dụng các đồng vị phóng
xạ vào các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y học, sinh học,… Vấn đề nhận biết
và kiểm sốt ảnh hưởng của phóng xạ đến chất lượng cuộc sống là cần thiết và càng
trở nên cấp thiết hơn khi con người đang dần sử dụng nguồn năng lượng từ nguyên
liệu hạt nhân thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, cũng như sự

phổ biến của các ứng dụng đồng vị phóng xạ trong khoa học kỹ thuật và đời sống,
càng làm tăng mức độ phóng xạ mơi trường. Hiện nay để xác định đồng vị phóng xạ
và hoạt độ của các mẫu phóng xạ mơi trường, các hệ phổ kế gamma được sử dụng.
Trong đó, hệ phổ kế gamma dùng đầu dị HPGe được sử dụng cho các mẫu phóng xạ
mơi trường có hoạt độ thấp.
Hệ phổ kế gamma HPGe sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết là
một hệ đo giữ vai trò quan trọng trong phân tích các đồng vị phóng xạ mơi trường và
các mẫu thực phẩm do có hiệu suất cao, độ phân giải năng lượng tốt và có phơng nền
phóng xạ thấp (do đầu dị đặt trong buồng chì). Giới hạn phát hiện của hệ phổ kế ảnh
hưởng lớn bởi phông nền của hệ phổ kế, độ phân giải năng lượng và hiệu suất ghi.
Phông nền của hệ phổ kế thường bị ảnh hưởng rất nhiều từ các chuỗi đồng vị phóng
xạ tự nhiên có mặt hầu hết ở tất cả mọi nơi như: các cơng trình xây dựng, khơng khí,
vật liệu cấu thành nên các đầu dò, cũng như từ bức xạ vũ trụ (muon, neutron) hay các
thành phần thứ cấp (photon, neutron, electron,…) do chính bức xạ vũ trụ tương tác
với các thành phần che chắn đầu dị (có số Z cao) tạo ra. Phóng xạ đến từ phơng nền
là những thành phần khơng mong muốn và có thể được hạn chế bằng cách sử dụng
chì hoạt độ phóng xạ thấp làm vật liệu che chắn thụ động cũng như lựa chọn các vật
liệu sạch phóng xạ trong cấu trúc đầu dò. Tuy nhiên thành phần bức xạ vũ trụ do có
năng lượng cao nên dễ dàng xuyên qua lớp che chắn đến đầu dị và gây ra phổ phơng


2

do bức xạ vũ trụ. Trong nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ có thể thực hiện
bằng phương pháp trùng phùng đo đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ lên đầu dò HPGe.
Phương pháp trùng phùng sử dụng buồng tỉ lệ lớn hoặc các đầu dò nhấp nháy plastic
đánh dấu bức xạ vũ trụ đến đầu dò HPGe [12, 34, 65]. Tuy nhiên, để đánh giá các
thành phần bức xạ vũ trụ như: muon, neutron, gamma, electron,… phương pháp thực
nghiệm là rất khó. Một phương pháp hiệu quả để đánh giá ảnh hưởng của bức xạ vũ
trụ lên đầu dị HPGe là sử dụng mơ phỏng Monte Carlo [13, 46, 49, 65, 70, 71].

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ lên hệ phổ kế
gamma HPGe. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là thực nghiệm và kết hợp với
mô phỏng Monte Carlo. Vùng năng lượng được xem xét bao gồm vùng năng lượng
thấp (<3 MeV) và vùng năng lượng cao (lên đến 50 MeV). Đối với vùng năng lượng
thấp, phân tích thành phần bức xạ thứ cấp do bức xạ vũ trụ tương tác với buồng chì
cũng như khả năng giảm phông; đối với vùng năng lượng cao sẽ phân tích khả năng
hấp thụ năng lượng của đầu dị Ge đối với các bức xạ vũ trụ năng lượng cao.
Phương pháp thực nghiệm thực hiện ghi nhận phổ đáp ứng của bức xạ vũ trụ
lên đầu dò HPGe sử dụng kỹ thuật trùng phùng giữa đầu dò HPGe và đầu dò nhấp
nháy plastic. Vùng năng lượng đo thực nghiệm trên đầu dò HPGe từ 0,05 MeV đến
50 MeV. Trong kỹ thuật trùng phùng, một hệ thống trùng phùng trigger đánh dấu bức
xạ vũ trụ sử dụng đầu dò nhấp nháy plastic và lập trình nhúng FPGA được phát triển.
Phương pháp mơ phỏng sử dụng chương trình GEANT4 để thực hiện việc mơ
hình hóa hệ phổ kế gamma HPGe và sử dụng chương trình CRY để tạo ra nguồn bức
xạ vũ trụ tới hệ phổ kế HPGe. Vùng năng lượng mơ phỏng trên đầu dị Ge từ 0,05
MeV lên đến 100 MeV.
Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
(1) Xây dựng hệ thực nghiệm đo phổ phông và phổ phông vũ trụ trên hệ phổ kế
gamma HPGe sử dụng kỹ thuật trùng phùng.
(2) Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ phổ kế gamma HPGe sử dụng phần mềm
GEANT4 để nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ lên đầu dò HPGe.


3

(3) Phân tích đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe dựa vào
phổ trùng phùng thực nghiệm và mơ phỏng.
(4) Phân tích thành phần bức xạ vũ trụ đóng góp vào phổ phơng của hệ phổ kế
gamma HPGe dựa vào phổ phông thực nghiệm và phổ mơ phỏng bức xạ vũ
trụ lên đầu dị HPGe. Phân tích đáp ứng phổ của các thành phần bức xạ vũ trụ

và thành phần thứ cấp trên hệ phổ kế gamma HPGe. Đánh giá mối tương quan
giữa năng lượng bức xạ vũ trụ tới và năng lượng ghi nhận trên đầu dò HPGe.
(5) Đánh giá tỉ lệ ghi nhận bức xạ vũ trụ trên đầu dò HPGe theo góc tới của bức
xạ vũ trụ (góc nhìn của đầu dò HPGe đối với bức xạ vũ trụ) dựa vào diện tích
che chắn của đầu dị nhấp nháy Plastic.
(6) Thực nghiệm thí nghiệm giảm phơng vũ trụ trong thí nghiệm đối trùng, cũng
như đánh giá phổ phông thực nghiệm đã loại trừ thành phần bức xạ vũ trụ.
Luận án được trình bày trong 4 chương với nội dung như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ phổ kế gamma HPGe và đặc trưng các
thành phần phổ phông, bao gồm tổng quan về thành phần bức xạ vũ trụ. Trình bày
tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về hệ phổ kế gamma HPGe và các nghiên
cứu về thành phần phổ phơng.
Chương 2 trình bày thiết lập thí nghiệm đo phổ phông và đáp ứng phổ của bức
xạ vũ trụ lên đầu dò HPGe sử dụng kỹ thuật trùng phùng. Xây dựng và đánh giá hệ
thống trùng phùng trigger cho đầu dò HPGe trong ghi nhận bức xạ vũ trụ.
Chương 3 trình bày mơ hình mơ phỏng GEANT4 trên hệ phổ kế HPGe bao gồm
xây dựng hình học, vật liệu cho hệ phổ kế HPGe, xây dựng nguồn phát bức xạ vũ trụ
tới dựa vào chương trình CRY, cũng như khai báo quá trình tương tác vật lý và ghi
nhận số liệu mơ phỏng.
Chương 4 trình bày kết quả phân tích và đánh giá về đáp ứng phổ của bức xạ vũ
trụ trên hệ phổ kế gamma HPGe; xác định thành phần bức xạ vũ trụ trong phổ phông
thực nghiệm; phân tích thành phần tương tác trực tiếp và thành phần thứ cấp của
muon, neutron; đánh giá tỉ lệ ghi nhận bức xạ vũ trụ theo diện tích che chắn của đầu


4

dị nhấp nháy plastic và đánh giá phổ phơng thực nghiệm trước và sau khi loại trừ
thành phần bức xạ vũ trụ dựa vào kết quả mô phỏng.
Phần kết luận nêu lên các kết quả nghiên cứu của luận án, những điểm mới của

luận án, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án và các vấn đề cần tiếp tục
nghiên cứu.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hệ phổ kế gamma HPGe sử dụng đầu dị bán dẫn siêu tinh khiết Germanium
đóng vai trị quan trọng trong các phịng thí nghiệm phân tích phóng xạ nhờ vào kỹ
thuật phân tích khơng phá mẫu và khả năng phân giải cao, thích hợp cho việc khảo
sát các mẫu phóng xạ mơi trường. Phổ phơng của hệ phổ kế ảnh hưởng bởi các đồng
vị phóng xạ phát gamma trong mơi trường xung quanh đầu dị (vật liệu che chắn, vật
liệu cấu trúc nên đầu dò, Radon và đồng vị con cháu), bức xạ vũ trụ. Thành phần bức
xạ vũ trụ có năng lượng cao có khả năng năng xuyên qua vật liệu che chắn đến đầu
dò và gây ra phổ phông vũ trụ.
1.1. Các đặc trưng phổ phơng của hệ phổ kế gamma HPGe
Phơng phóng xạ có trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến phổ phông của hệ phổ
kế gamma HPGe. Phơng phóng xạ đến từ:


Vật liệu xung quanh có chứa các đồng vị phát phóng xạ đến từ các chuỗi đồng
vị phóng xạ có trong tự nhiên.



Dạng khí Radon và các đồng vị con cháu của Radon.



Các đồng vị phát phóng xạ có trong vật liệu che chắn cũng như có trong vật liệu

làm đầu dị.



Bức xạ vũ trụ.
Đối với hệ phổ kế gamma HPGe, thành phần đầu tiên có thể được giảm thiểu

đáng kể bằng một hệ che chắn thụ động thích hợp làm bằng chì sạch và sự lựa chọn
kỹ lưỡng vật liệu xung quanh [42]. Có thể che chắn bằng chì và thép như trong nghiên
cứu của G. Heusser [37]. Do đó, phổ phơng của hệ phổ kế gamma là đóng góp từ các
thành phần cịn lại. Thành phần phóng xạ Radon ở dạng khí do đó sẽ đi vào buồng
chì và gây ra phổ phơng cho đầu dị Ge. Thành phần phóng xạ có trong vật liệu che
chắn và vật liệu làm nên đầu dị thì phụ thuộc vào độ sạch, độ tinh khiết. Đối với
phông nền đến từ bức xạ vũ trụ, phổ phông do thành phần bức xạ vũ trụ đóng góp
phụ thuộc vào cấu trúc hình học, vật liệu buồng chì che chắn của hệ phổ kế HPGe.


6

Bức xạ vũ trụ có năng lượng lớn sẽ tương tác với vật liệu che chắn và tạo ra bức xạ
thứ cấp dẫn đến gây ra phổ phông cho đầu dị.
1.1.1. Phơng từ mơi trường, vật liệu che chắn và cấu trúc đầu dị
Đồng vị phóng xạ trong vật liệu xây dựng thơng thường phần lớn là các đồng vị
phóng xạ tự nhiên. Thành phần quan trọng nhất là Kali (40K) và các sản phẩm của
chuỗi phân rã Urani (238U, 235U), Thori (232Th). Kali là thành phần phổ biến trong bê
tông và các vật liệu xây dựng khác, Kali tự nhiên có chứa 0,012% 40K, phân rã với
chu kỳ bán rã là 1,26×109 năm. Phóng xạ phát ra là hạt beta với năng lượng 1314
keV (xác suất phát 89%), gamma có năng lượng 1460 keV (xác suất phát 11%), và
tia X đặc trưng. Các tia gamma được tạo ra đóng góp đáng kể vào phơng nền của đầu
dị.

232

Th, 235U và 238U thực hiện chuỗi phân rã dài tạo ra sản phẩm con cháu phát ra

hỗn hợp alpha, beta và gamma. Phổ gamma có sự đóng góp của con cháu của chuỗi
232

Th (228Ac, 224Ra, 212Bi, 212Pb và 208T1), chuỗi 235U (231Th), chuỗi 238U (234Th, 226Ra,

214

Pb, và 214Bi). Hoạt độ phóng xạ của 235U và 40K có thể tồn tại lâu trong tự nhiên.

Ngồi các đồng vị phóng xạ tự nhiên, phơng nền cũng bao gồm một số sản phẩm có
nguồn gốc từ bụi phóng xạ trong khí quyển từ các vụ thử nghiệm vũ khí và tai nạn
hạt nhân như 137Cs, 90Sr,…
Đối với hệ đo đầu dò Germanium, mức độ tinh khiết của đầu dò Germanium là
yếu tố đảm bảo rằng hoạt độ phóng xạ vốn có của đầu dị là thấp nhất có thể. Tuy
nhiên, vật liệu che chắn được đặt xung quanh đầu dị có thể phát ra một phơng nền
lớn từ hoạt độ phóng xạ vốn có của nó. Bề mặt của vật liệu che chắn cũng có thể đóng
góp hoạt độ vào phơng nền của đầu dị do bị nhiễm bẩn bề mặt. Do đó, bề mặt của
vật liệu che chắn của hệ phổ kế gamma phông thấp thường được làm sạch trước khi
lắp đặt [48].
1.1.2. Phông từ khí Radon và đồng vị con cháu của Radon
Khí Radon là sản phẩm phân rã của các chuỗi phóng xạ 232Th, 235U và 238U cùng
với các đồng vị con cháu của nó là thành phần đóng góp vào phơng nền của đầu dị.
Các thành phần đó bao gồm Radon 222Rn (T1/2 = 3,8 ngày) của chuỗi

238

U, Actinon


7

219

Rn (T1/2 = 4s) của chuỗi 235U và Thoron 220Rn (T1/2 = 56 s) của chuỗi 232Th. Hoạt

độ của Radon thay đổi theo gió và thời tiết, từ nhỏ hơn 0,037 Bq/l đến hơn 3,7 Bq/l
trong phịng thơng hơi kém nhưng chủ yếu là

222

Rn từ chuỗi

238

U. Thoron

220

Rn có

thời gian sống ngắn và Actinon 219Rn đóng góp ít vì khả năng phân rã lớn hơn trước
khi thoát ra khỏi vật liệu (chẳng hạn như tường nhà, sàn…). Phóng xạ gamma từ phân
rã của Radon

222

Rn chủ yếu đến từ đồng vị con cháu

214

Pb,

214

Bi và

210

Pb với thời

gian bán rã lần lượt là 0,45 giờ; 0,33 giờ và 22,3 năm. Để giảm ảnh hưởng của Radon,
chúng ta có thể bơm Nitơ vào buồng chì để khơng khí được lưu thơng, tránh sự tích
tụ Radon đồng thời cũng tạo áp suất đẩy Radon ra ngoài [52].
1.1.3. Bức xạ vũ trụ
Tổng quan về bức xạ vũ trụ
Bức xạ vũ trụ là các hạt mang điện năng lượng cao có nguồn gốc từ bên ngồi
vũ trụ, bao gồm 85% proton, 12% heli, 2% electron và 1% các nguyên tố nặng (C, O,
Fe, …). Cường độ bức xạ vũ trụ sơ cấp IN(E) trong khoảng năng lượng từ vài GeV
đến 100 TeV được tính xấp xỉ theo phương trình (1.1) [57]:

IN (E) ≈ 1,8.104 . (

E

1 GeV

-α

)

nucleon
m2 .s.sr.GeV

(1.1)

Trong đó E là năng lượng trên mỗi nucleon và hằng số α = 2,7. Hình 1.1 cho thấy
thành phần chính của bức xạ vũ trụ sơ cấp với năng lượng lớn hơn 2 GeV/nucleon là
proton.
Khi các bức xạ vũ trụ sơ cấp có năng lượng rất lớn (từ 1 GeV đến 1011 GeV) đi
vào bầu khí quyển trái đất, chúng sẽ tương tác với các hạt nhân của phân tử khí quyển
chủ yếu là Oxi và Nitơ tạo thành các pion (π0, π+, π-), proton và neutron với năng
lượng nhỏ hơn. Các pion trung hòa (π0) phân rã tức thời và sinh ra hai bức xạ gamma,
các pion mang điện (π+, π-) tiếp tục phân rã thành muon và neutrino. Muon sau đó
phân rã thành các hạt electron, positron và neutrino. Bức xạ vũ trụ sơ cấp sau khi đi
vào và tương tác với bầu khí quyển trái đất tạo ra bức xạ vũ trụ thứ cấp (Hình 1.2).
Phân bố thơng lượng bức xạ vũ trụ theo góc tại mực nước biển tuân theo quy luật
cosnθ (θ là góc thiên đỉnh) được cho bởi phương trình (1.2) [27]:


8

I(θ, Xh) = I(00).cosn(E,Xh)(θ)

(1.2)

Trong đó:

I: thơng lượng muon (m-2.s.sr.GeV).
θ: là góc thiên đỉnh (rad).
Xh: bề dày khối của lớp khí quyển (g/cm2).

dN/dE (1/(m2sr.s.GeV)

E: năng lượng muon (GeV).

Động năng (GeV)

Hình 1.1. Thông lượng của hạt nhân trong bức xạ vũ trụ sơ cấp [57].
Bức xạ vũ trụ thứ cấp tới các hệ đo sẽ gây phổ phông vũ trụ lên hệ đo. Các
thành phần bức xạ vũ trụ electron và gamma có thể dễ dàng được che chắn bằng các
vật liệu nặng như chì, bê tơng, thép, đồng,… Proton từ thành phần hạt nhân của bức
xạ vũ trụ có cường độ thấp so với các neutron và, hơn thế nữa, proton chuyển đổi
thành neutron trong các phản ứng hạt nhân với các vật liệu che chắn. Vì vậy chỉ muon
và neutron là quan trọng đối với phổ phông, đặc biệt các hạt muon có thể dễ dàng
xuyên qua các vật liệu che chắn xung quanh đầu dị do có năng lượng cao.


9

p

Khí quyển
(~35 km)

µ
e+
eγ

κ
π
p
n
ν

muon
positron
electron
photon
kaon
pion
proton
neutron
neutrino

Vị trí mặt đất
Thành phần Thành phần
điện từ
Hadron

Thành phần
Meson

Hình 1.2. Quá trình hình thành của bức xạ vũ trụ [48].
Tính chất và thơng lượng của muon
Muon là hạt cơ bản thuộc nhóm lepton cùng với electron, tau  và ba neutrino
  ,  e ,   . Muon gồm hai loại là muon dương µ+ và muon âm µ, có spin là 1/2, khối

lượng khoảng 105,6583715 (35) MeV/c2 trung gian giữa khối lượng proton và khối

lượng electron (~1/9 mp, 207 me), tỉ số µ+/µ tại mặt nước biển xấp xỉ 1,2766 (32),
thời gian sống của muon tự do là μ = 2,1969811 (22) μs [54].
Phân bố của các thành phần bức xạ vũ trụ theo độ cao được thể hiện trong Hình
1.3. Muon là hạt mang điện có tỉ lệ cao nhất trong thành phần bức xạ vũ trụ thứ cấp
tại vị trí mực nước biển và chiếm khoảng 60%, neutron chiếm 23%, electron chiếm
16%, proton chiếm 0,5%, các hạt pion dưới 0,5%. Thông thường muon được hình
thành ở độ cao 15 km, do quá trình ion hóa muon mất năng lượng khoảng 2 GeV
trước khi tới được vị trí mực nước biển và phân rã thành positron và neutrino hoặc
electron và phản neutrino. Năng lượng trung bình của muon tại mực nước biển
khoảng 4 GeV.


10

Thơng lượng (m-2s-1sr-1)

Độ cao (km)

Bề dày khối của khí quyển (g/cm2)
Hình 1.3. Thơng lượng của bức xạ vũ trụ trong khí quyển với năng lượng
E > 1 GeV ước tính từ phương trình (1.1). Điểm thực nghiệm đo với muon âm có
năng lượng Eµ > 1 GeV [57].
Thơng lượng của muon đến mặt đất phụ thuộc vào độ cao, năng lượng và góc
thiên đỉnh với giá trị trung bình tại mực nước biển là 70 (hạt/m2.s.sr) [27, 56]. Phân
bố thông lượng muon theo góc tại mực nước biển cũng tuân theo quy luật cos2θ (θ là
góc thiên đỉnh) như bức xạ vũ trụ. Phân bố muon theo năng lượng và góc thiên đỉnh
được cho bởi phương trình (1.3) [25]:
dNμ
dEμ

0,14.E-2,7
μ

≈
.{
dΩ cm2 s sr GeV

1

1+

Trong đó: Nµ: số đếm muon.
Eµ: năng lượng muon (GeV).
dΩ: góc khối (sr).
θ: góc thiên đỉnh (rad).

1,1.Eμ cosθ +
115 GeV

0,054
1+

1,1.Eμ cosθ
850 GeV

}

(1.3)

11

Tại vị trí mực nước biển, muon có động lượng trong khoảng (0,5 – 10) GeV/c
chiếm ưu thế và thông lượng giảm dần với năng lượng cao hơn (Hình 1.4) [8]. Khi
góc thiên đỉnh lớn hơn thì muon năng lượng thấp phân rã trước khi đến mặt đất và
pion năng lượng cao phân rã tạo ra muon trước khi tương tác do đó năng lượng trung

Thơng lượng (m-2s-1sr-1(GeV/c)-1)

bình của muon ở góc lớn hơn sẽ lớn hơn.

Động lượng của muon (GeV/c)
Hình 1.4. Phổ muon tại mực nước biển theo hướng thiên đỉnh được làm khớp từ dữ
liệu của Allkofer [8].
Đối với muon có năng lượng cao khi tương tác với vật chất, độ mất năng lượng
trung bình (-dE/dx) được cho bởi phương trình (1.4) [28].
-dE/dx = a(E) + b(E).E

(1.4)

b ≡ bbrems + bpair + bnucl

(1.5)

Trong đó: E là năng lượng tổng của muon, a(E) là độ mất năng lượng do tương
tác điện từ và b(E) là độ mất năng lượng do bức xạ như bức xạ hãm (bbrems), quá trình
tạo cặp (bpair) và tương tác hạt nhân (bnucl) (phương trình 1.5). Thành phần a(E) hoàn