MỞ ĐẦU
Nghiên cứu mẫu môi trường là một trong những lĩnh vực đang được quan tâm trong nghiên cứu hạt nhân ngày nay. Có rất nhiều phương pháp được sửdụng để nghiên cứu mẫu môi trường chẳng hạn như phương pháp đo đạc phân rã alpha, beta, gamma, các phương pháp huỳnh quang tia X, phương pháp phân tích kích hoạt neutron, … Trong đó, các phương pháp đo đạc bằng hệ phổ kế gamma được ứng dụng rất rộng rãi nhờ vào ưu điểm của nó như khả năng phân tích đa nguyên tố, việc xử lý mẫu không quá phức tạp như khi đo alpha hay beta. Sự phát triển của các kỹ thuật chế tạo tinh thể cũng như kỹ thuật điện tử ngày càng phát triển cũng đã góp phần làm cho việc ứng dụng phổ kế gamma vào nghiên cứu môi trường ngày càng rộng rãi.
Trong quá trình khảo sát mẫu môi trường bằng hệ phổ kế gamma, do hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong mẫu tương đối thấp (cỡ ppm), để số đếm ghi nhận đủ thống kê cần phải đo với lượng mẫu lớn và thời gian đo phải dài. Việc chuẩn hiệu suất cho hệ phổ kế với các mẫu môi trường có hình học mẫu lớn như vậy là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. Có rất nhiều phương pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề này. Phương pháp thông thường nhất là xây dựng đường cong hiệu suất bằng thực nghiệm, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi mẫu chuẩn phải tương tự với mẫu đo về thành phần hoá học, hình học mẫu cũng như cần thời gian đo khá dài để xây dựng được đường cong hiệu suất. Ngoài ra, khi thay đổi cấu hình đo thì phải xây dựng đường cong hiệu suất lại từ đầu. Để làm điều đó một phương pháp được sử dụng là thiết lập các biểu thức giải tích tính hiệu suất theo các tham số hình học và mật độ mẫu dựa vào các số liệu thực nghiệm để cung cấp cho người dùng công cụ tính hiệu suất tổng quát theo cấu hình đo và mật độ mẫu bất kỳ. Các công trình tiêu biểu có thể kể đến như Freeman và Jenkin (1966) [6] (sau này là Sudarshan và Singh (1991)) với công thức giải tích có tính đến tiết diện tương tác, Moens và cộng sự (1983) [8] với phương pháp góc khối hiệu dụng, Noguchi và cộng sự (1981) [13] với phương pháp hiệu suất đỉnh riêng phần, Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính, các phương pháp mô phỏng, đặc biệt là mô phỏng Monte Carlo ngày càng trở nên hữu dụng trong việc tính toán hiệu suất nguồn thể tích. Do vậy, nó cũng được ứng dụng trong việc xây dựng công thức giải tích tính hiệu suất cho mẫu có thể tích, các công trình có thể kể đến như công trình của Korun và cộng sự (1993) [12], Garcia-Talavera và Pena (2004) [10], …
Tại Việt Nam, một mặt do các điều kiện Phòng thí nghiệm ở nhiều nơi khó khăn, mặt khác việc xác lập đường cong hiệu suất chuẩn thực nghiệm cho các mẫu rất tốn kém. Do vậy, việc thiết lập công thức giải tích là một trong những cách tốt nhất để giải quyết vấn đề tính toán hiệu suất, đó cũng chính là mục tiêu lớn nhất của luận văn này. Tuy nhiên, việc xây dựng công thức giải tích đòi hỏi phải có một bộ dữ liệu hiệu suất theo cấu hình đo rất lớn, khó có thể thu được bằng phương pháp thực nghiệm thông thường. Do đó, chúng tôi đã sử dụng phương pháp Monte Carlo để tạo ra bộ dữ liệu đủ để cho phép xây dựng công thức giải tích.
Trong luận văn này, chương trình mô phỏng MCNP được dùng để mô phỏng hệ phổ kế gamma với detector HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân cho các mẫu khối hình trụ và Marinelli. Đối với hình học dạng trụ, các ảnh hưởng của sự tự hấp thụ đến hiệu suất của mẫu đã được nghiên cứu dựa trên khảo sát bề dày bão hòa của mẫu đo có thành phần dạng đất.
Trên cơ sở các số liệu thu được về giá trị của hiệu suất phụ thuộc hình học, kích thước và mật độ mẫu trong dải năng lượng quan tâm (60 – 1600 keV) bằng chương trình MCNP, chúng tôi đã tiến hành xây dựng công thức giải tích cho các mẫu hình học dạng trụ và Marinelli cho hệ phổ kế này. Đây là hai loại hình học được sử dụng phổ biến nhất trong khảo sát mẫu môi trường. Thực sự việc xây dựng công thức bán thực nghiệm tính hiệu suất cho các mẫu thể tích đã được khảo sát bởi nhiều tác giả trước đó. Tuy nhiên, các thông số được khảo sát là chiều cao, bán kính mẫu. Chẳng hạn như Noguchi (1981) [13] khảo sát theo chiều cao và bán kính hình trụ, Zikovsky (1997) [9] chỉ khảo sát theo chiều cao mẫu Marinelli, Selim và Abbas (2000) [16] khảo sát theo bề dày, bán kính và mật độ hình trụ, Mostajaboddavati (2006) [11] khảo sát theo mật độ hình học Marinelli, Luận văn này hy vọng mang đến một công thức tổng quát để tính hiệu suất của hệ phổ kế gamma detector HPGe của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Tp.HCM cho cả hai loại hình học dạng trụ và Marinelli.
Bên cạnh đó, để giúp cho việc ứng dụng công thức giải tích được dễ dàng và nhanh chóng, một chương trình tính toán đã được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ Builder. Các kết quả hiệu suất thu được từ chương trình được áp dụng để tính hoạt độ có trong mẫu do Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân TPHCM, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt cung cấp.
Với mục đích nêu trên, nội dung luận văn được bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu sơ lược về phương pháp Monte Carlo và chương trình
MCNP phiên bản 4C2.
Chương 2: Phương pháp xác định hiệu suất và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.
Chương 3: Sử dụng chương trình MCNP để mô hình hoá hệ phổ kế gamma HPGe tại Bô môn Vật lý Hạt nhân.
Chương 4: Xác định bề dày bão hòa của mẫu đo hình học dạng trụ. Thiết lập các biểu thức giải tích tính hiệu suất của mẫu đo có hình học dạng trụ và Marinelli từ bộ dữ liệu có được bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo sửdụng chương trình MCNP.
Chương 5: Một chương trình tính toán hiệu suất mang tên CalEff
(Calculating Efficiency) được viết dựa trên các công thức giải tích cho hình học
dạng trụ và Marinelli đã trình bày trong chương 4. Sau đó thực hiện việc kiểm
định các công thức giải tích thông qua việc sử dụng chương trình CalEff để tính
toán hiệu suất và suy ra hoạt độ của các đồng vị phóng xạ đối với một số mẫu
chuẩn của IAEA, của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà lạt, các mẫu môi trường do
Trung Tâm Hạt nhân cung cấp, . . . với nhiều hình học khác nhau. Kết quả được
so sánh với giá trị của chuẩn hay giá trị tính từ mô phỏng MCNP.
