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 mô phỏng vận

đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt

trong buồng chì................................................................................ 63
2.3.4. So sánh phổ mô phỏng khi có và khi không có buồng chì .............. 65
2.3.5. So sánh phổ mô 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 toán kết hợp phổ mô phỏng đỉnh đơn thành phổ mô 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 toán ML-EM và chương
trình mô phỏng MCNP ............................................................................................ 103

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

ACTL

Thư viện kích hoạt từ Livemore

BEGe

Đầu dò 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

DETEFF

Chương trình mô phỏng Monte DETector EFFiciency

Double Escape

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

Đầu dò

EGS4

Chương trình mô 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-


GEANT

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

HPGe
IAEA




- 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 toán vận chuyển neutron

MCNP

Chương trình Monte-Carlo mô Monte Carlo N Particle


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

Chương trình mô 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 toán liều

Computation Tools for
DOSimetry

REGe

Đầu dò germanium điện cực ngược Reverse Electrode Coaxial

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


Thông 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


60

64

o khi uồng ch có và không 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



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


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


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

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

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 toán 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

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 mô tả ý nghĩa và mối liên hệ giữa các bài toán

28

STT Hình
1

1.1


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 dò - buồng chì (kích thước theo cm)

48

9


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 60Co thực nghiệm và mô phỏng
theo thang đo logarithm

d = 10,6cm

62


- xviii -

20

2.14.a Phổ mô 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 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

Phổ mô 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 mô 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


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



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

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


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 môi trường. Những đầu dò
như vậy đã được đặt ở những vị trí chính yếu trong các phòng 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 môi 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 Phòng thí

nghiệm Vật lý hạt nhân chuyên đề một hệ đo gamma phông thấp đầu dò 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 công 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 -



- 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 môi trường đầu dò và
các vật liệu xung quanh. Do đó tốc độ đếm trên đỉnh toàn phần không thể hiện đầy
đủ cường độ nguồn đi vào đầu dò. Vì vậy để đánh giá phẩm chất của đầu dò, 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 dò, 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 dò. 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 Phòng thí nghiệm chuyên 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.


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 mô 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 môi 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

Đề nghị đầu tiên được xem xét và công bố cho tất cả người sử dụng các chương
trình mô 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 toán được đặt ra trong đó bài toán 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 dò 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) ...
Thông qua đó người sử dụng có thể mô phỏng lại hệ đo của mình và từ đó
đánh giá các đặc trưng mong muốn. Đa số các công trình trên thế giới tập trung vào
các vấn đề về mô phỏng đáp ứng phổ, sử dụng mô phỏng trong việc hỗ trợ tính toán
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