BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Trịnh Văn Danh
TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT
CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) KÍCH THƯỚC 3" × 3"
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Thành Phố Hồ Chí Minh - 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Trịnh Văn Danh
TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT
CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl) KÍCH THƯỚC 3" × 3"
Chuyên Ngành: Vật Lí Nguyên Tử
Mã Số: 60 44 01 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS-TS. Châu Văn Tạo
Thành Phố Hồ Chí Minh – 2013
i
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ...................................................................................................... i
Mục lục ..........................................................................................................ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................... v
Danh mục các bảng ....................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...................................................................vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ..................................................... 5
1. 1. Tổng quan về đầu dò NaI(Tl) .......................................................... 5
1.1.1. Cấu tạo của đầu dò NaI (Tl) ................................................. 5
1.1.1.1. Chất nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) ................... 6
1.1.1.2. Ống nhân quang điện .................................................. 6
1.1.1.3. Lớp vỏ bao bọc đầu dò................................................ 9
1.1.2. Nguyên tắc hoạt động đầu dò NaI(Tl) ................................ 10
1.1.3. Ứng dụng của đầu dò NaI(Tl) ............................................ 11
1.2. Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo ....................................... 14
1.2.1. Phương pháp Monte Carlo ................................................. 14
1.2.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo .......................... 14
1.2.3. Ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong vật lý hạt
nhân ................................................................................... 18
CHƯƠNG 2. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ NaI (Tl)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HYBRID MONTE CARLO .... 19
iii
2.1. Tổng quan về các loại hiệu suất ..................................................... 19
2.1.1. Khái niệm hiệu suất ............................................................ 19
2.6.1. Bố trí thực nghiệm .............................................................. 40
2.6.2. Xử lý phổ thực nghiệm ....................................................... 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 42
3.1. Viết giao diện Visual Basic Studio 2012 để tính toán hiệu suất
tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) cho nguồn điểm và
nguồn đĩa ...................................................................................... 42
3.2. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) kích thước 3"×3" đối với
nguồn dạng điểm được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình
Fortran .......................................................................................... 46
3.3. Hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng đĩa
được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Fortran........................... 47
3.4. Hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng điểm ......... 49
3.5. Hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn dạng đĩa ............. 50
3.6. Hiệu suất của đầu dò NaI (Tl) kích thước 3"×3" xác định từ lý
thuyết và từ thực nghiệm .............................................................. 51
KẾT LUẬN.................................................................................................. 54
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 56
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ............................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 58
PHỤ LỤC .................................................................................................... 61
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các kí hiệu:
ε t ( E ) : hiệu suất tổng của đầu dò.
ε i ( E ) : hiệu suất nội của đầu dò.
ε p ( E ) : hiệu suất đỉnh năng lượng
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.
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
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
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
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
U
T
6
nguồn dạng đĩa đặt đồng trục với đầu dò ......................................................... 38
T
6
U
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hiệu suất tổng với nguồn điểm
U
T
6
đặt đồng trục với đầu dò NaI(Tl) ..................................................................... 39
T
6
U
viii
Hình 3.1. Giao diện Visual Basic 2012 để tính toán hiệu suất của đầu dò
U
T
6
NaI(Tl) .............................................................................................................. 43
6T
U
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
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
ngôn ngữ lập trình Fortran (CalcTotEff) chạy trên nền tảng Plato của hãng
Silverfrost sử dụng phương pháp hybrid Monte Carlo của Yalcin để tính toán
hiệu suất tổng và hiệu suất nội của detector NaI(Tl) theo các khoảng cách khác
nhau. Dựa trên hiệu suất tổng tính được này, chúng tôi cũng sẽ tính hiệu suất
nội của detector NaI(Tl), kết quả thu được có sự phù hợp rất tốt với các tác giả
khác.
Trong luận văn này, với mục đích hướng đến đối tượng người sử dụng
không đi sâu vào tìm hiểu phương pháp xác định hiệu suất tổng và hiệu suất
nội mà chỉ quan tâm đến kết quả tính toán hiệu suất, chúng tôi đã xây dựng
giao diện tính toán hiệu suất nội và hiệu suất tổng của đầu dò NaI(Tl) bằng
3
ngôn ngữ lập trình Visual Basic. Khi sử dụng giao diện, người dùng chỉ cần
nhập các thông số đầu vào như: hệ số suy giảm tuyến tính, số hạt photon phát
ra từ nguồn, khoảng cách từ nguồn đến đầu dò là có thể thu được kết quả tính
toán hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl), điều đó sẽ giúp cho
người dùng quan tâm đến hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) tiết kiệm rất nhiều thời
gian và công sức. Kết quả thu được từ giao diện Visual Basic 2012, được so
sánh với kết quả tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Fortran và của các tác giả
tính toán bằng các phương pháp khác là hoàn toàn phù hợp.
Để kiểm chứng lại kết quả tính toán từ ngôn ngữ lập trình Fortran và giao
diện Visual Basic, chúng tôi cũng đã tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác
định hiệu suất tổng và hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) đối với nguồn điểm
Cs-137 ở các khoảng cách khác nhau. Quá trình đo đạc thực nghiệm được tiến
hành ở Phòng thí nghiệm Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học Sư Phạm TP Hồ
Chí Minh, kết quả thu được có sự phù hợp tốt giữa hiệu suất tổng và hiệu suất
nội từ Code CalcTotEff và thực nghiệm.
Trong luận văn này, ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của
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
chuyển đổi ánh sáng cao nhất trong tất cả các chất nhấp nháy vô cơ. Tuy
nhiên, tinh thể NaI(Tl) cũng có một số nhược điểm. Nó giòn, dễ vỡ và nhạy
cảm với sự thay đổi nhiệt độ và các sốc nhiệt. Nó cũng dễ hút ẩm nên được
bao bọc kỹ. NaI cũng chứa một lượng nhỏ kali, sẽ tạo ra phông nhất định do
tính phóng xạ của 40K.
P
P
1.1.1.2. Ống nhân quang điện
Ống nhân quang (photomultiplier tube) hay ống quang
(phototube) là thành phần của một ống đếm nhấp nháy. Không có sự khuếch
đại của ống nhân quang, chất nhấp nháy cũng trở nên vô dụng. Ống nhân
quang cơ bản là một bộ khuếch đại nhanh, trong thời gian 10−9 giây có khả
P
P
năng khuếch đại một xung tới của ánh sáng nhìn thấy lên một hệ số bằng 106
P
hoặc lớn hơn.
P
7
Ống nhân quang là một ống thủy tinh chân không chứa phô-tô-ca-tốt
(photocathode) ở đầu vào và một loạt các đi-nốt (dynode) ở bên trong (như
tối (dark current). Dòng tối bao gồm chủ yếu là các electron phát ra từ ca-tốt
sau khi năng lượng nhiệt bị hấp thụ. Quá trình này gọi là phát xạ ion nhiệt
(thermionic emission), và một phô-tô-ca-tốt đường kính 50 mm có thể giải
phóng trong bóng tối 105 electron/s ở nhiệt độ phòng. Làm lạnh ca-tốt
P
P
(cathode) làm giảm nguồn tạp âm này với một hệ số là khoảng 2 lần cho mỗi
lần giảm từ 10 đến 15°C. Quá trình phát xạ ion nhiệt có thể xảy ra từ các đinốt hoặc từ thành thủy tinh của ống nhân quang, nhưng đóng góp này là nhỏ.
Electron có thể được giải phóng khỏi phô-tô-ca-tốt do các ion dương sinh ra từ
sự ion hóa khí còn dư trong ống đập vào. Cuối cùng, ánh sáng phát ra là kết
quả của sự tái hợp ion có thể phóng thích electron đập vào ca-tốt hoặc các đinốt. Rõ ràng, độ lớn của dòng tối là quan trọng trong các trường hợp nguồn
bức xạ yếu. Cả hai yếu tố độ lớn dòng tối và sự đáp ứng phổ cần được xem xét
khi mua một ống nhân quang nào đó.
Electron chuyển động từ đi-nốt này đến đi-nốt kế tiếp là nhờ tác dụng
của điện trường. Khi có từ trường, nó sẽ làm lệch quỹ đạo chuyển động của
electron, khiến cho không phải tất cả electron đều đến được đi-nốt tiếp theo,
và do dó độ khuếch đại sẽ giảm. Thậm chí từ trường yếu của trái đất thỉnh
thoảng cũng gây ra hiệu ứng không mong muốn này. Ảnh hưởng của từ trường
có thể làm giảm bằng cách bao quanh ống nhân quang một tấm kim loại hình
trụ, gọi là kim loại-µ (µ-metal). Kim loại µ có đủ mọi hình dạng và kích
thước.
9
Ống nhân quang được chế tạo với nhiều bố trí hình học khác nhau của
phô-tô-ca-tốt và các đi-nốt. Nhìn chung, phô-tô-ca-tốt được phủ một lớp nửa
trong suốt trên mặt trong của cửa sổ ống nhân quang (như hình 1.3). Mặt ngoài
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
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
12
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].
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
14
• Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) còn được sử dụng trong lĩnh vực giảng dạy
T
0
T
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
Copyright: Tài liệu đại học ©