Download miễn phí Luận án Nghiên cứu hiệu suất ghi nhận của detector bán dẫn siêu tinh khiết (HPGe) trong phổ kế gamma bằng phương pháp Monte Carlo và thuật toán di truyền
MỤC LỤC
Lời cam đoan . i
Lời Thank . ii
Mục lục . iv
Bảng các chữ viết tắt và đơn vị đo . vi
Danh mục các bảng . x
Danh mục các hình vẽ . xii
Mở đầu . 1 11 1
Chương 1.Tổng quan . 7 77 7
1.1. Những tiến bộ trong lĩnh vực chế tạo detector . 7
1.2. Phương pháp Monte Carlo . 10
1.3. Thuật toán di truyền . 27
Chương 2.Áp dụng chương trình MCNP4C2 để nghiên cứu các đặc trưng
của detector . 32 3232 32
2.1. Mở đầu . 32
2.2. Chương trình MCNP4C2 . 33
2.3. Xây dựng bộ số liệu đầu vào . 36
2.3.1. Hệ phổ kế gamma . 36
2.3.2. Cấu trúc buồng chì và detector HPGe GC1518 . 37
2.3.3. Cấu trúc của các nguồn phóng xạ . 44
2.3.4. Mô phỏng phổ gamma của các nguồn phóng xạ . 53
2.3.5. Kết quả và thảo luận . 62
2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến thiên cácthông số vật lý . 63
2.4.1. Phân tích các thông số vật lý của detector . 64
2.4.2. Hiệu suất detector . 65
2.4.3. Ảnh hưởng của sự biến thiên các thông số vật lý lên hiệu
suất detector . 66
2.4.4. Kết quả và thảo luận . 74
2.5. Nghiên cứu sự tăng bề dày lớp germanium bấthoạt . 75
2.5.1. Xác định thực nghiệm sự giảm hiệu suất detector . 75
2.5.2. Tính toán bề dày lớp germanium bất hoạt . 78
2.6. Kiểm chứng thực nghiệm . 82
2.7. Kết luận . 93
Chương 3.Xây dựng phương pháp tính toán kích thước tối ưu của hộp chứa
mẫu dạng Marinelli . 95 9595 95
3.1. Mở đầu . 95
3.2. Bố trí thực nghiệm và xây dựng bài toán . 98
3.3. Mô hình bài toán . 99
3.4. Phương pháp tính toán . 101
3.5. Ảnh hưởng của năng lượng tia gamma, thành phần hoá học . 112
3.6. Kiểm chứng thực nghiệm . 117
3.7. Sự phụ thuộc của tốc độ đếm vào thể tích hộp chứa mẫu . 122
3.8. Kết luận . 125
Chương 4.Kết luận chung . 126
Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo . 1 11 129 2929 29
Danh mục các công trình . 130
Tài liệu tham khảo . 133
Phụ lục . 146
MỞ ĐẦU
Việc chế tạo thành công các loại detector bán dẫn germanium siêu tinh
khiết (high purity germanium - HPGe) với độ phân giải và hiệu suất đếm cao vào
những năm 1980 là một bước ngoặc trong lịch sử phát triển các thiết bị ghi nhận
bức xạ tia X và tia gamma vì nó đã cải thiện đáng kể độ chính xác của các phép
phân tích bằng phương pháp hạt nhân [46]. Phần chính của detector HPGe là tinh
thể germanium siêu tinh khiết với mật độ tạp chất chỉ vào khoảng 1010 nguyên
tử/cm3 và giống như một diode lớn có cấu trúc gồm 3 vùng P (positive), I
(intrinsic) và N (negative) làm việc ở chế độ phân cực nghịch. Trong đó thể tích
vùng I rất lớn so với vùng P và N, còn gọi là thể tích hoạt động của detector và
tương tự như một buồng ion hoá thể rắn, đây là nơi hình thành các cặp electron-
lỗ trống hay electron-ion khi có chùm tia gamma xuyên qua và chúng được tập
hợp về phía các điện cực. tuỳ từng trường hợp vào mục đích sử dụng và miền năng lượng
tia gamma quan tâm, người ta chế tạo detector HPGe ở một số cấu hình* khác
nhau như Ultra LEGe, LEGe, BEGe, Coaxial Ge hay HPGe, XtRa, REGe và
Well [39]. Hiện nay trên thế giới detector HPGe ngày càng được ứng dụng rộng
rãi trong các phép đo phổ gamma của các mẫu phóng xạ [46]. Ở nước ta nhiều
nơi như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Hà Nội, Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên TP Hồ Chí Minh ... đã trang bị và ứng dụng hệ phổ kế gamma dùng
detector HPGe trong nghiên cứu khoa học và triển khai ứng dụng. Để sử dụng hệ
phổ kế gamma dùng detector HPGe một cách có hiệu quả, có hai vấn đề quan
trọng cần nghiên cứu đó là hiệu suất detector và độ nhạy của hệ phổ kế
gamma [17]. Ở khía cạnh người sử dụng, độ nhạy của hệ phổ kế gamma phụ
* Dựa theo cách viết tắt của hãng Canberra Industries, Inc.
- 2 -
thuộc vào các đặc trưng che chắn của buồng chì, độ nhiễm bẩn phóng xạ của
thiết bị. Còn hiệu suất detector phụ thuộc vào các đặc trưng của detector, nguồn
phóng xạ và hình học đo. Đối với hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe
GC1518 đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh, các đặc trưng che chắn của
buồng chì đã được nghiên cứu chi tiết [20] và độ nhiễm bẩn phóng xạ được kiểm
tra định kì bằng cách đo phông bên trong buồng chì. Vấn đề quan trọng còn lại là
nghiên cứu hiệu suất detector vì có hai khả năng như sau:
Thứ nhất, hiệu suất detector có xu hướng giảm dần theo thời gian, do đó cần
phải xác định nguyên nhân làm giảm hiệu suất detector và tìm kiếm biện pháp
khắc phục để hạn chế quá trình giảm hiệu suất detector này. Một trong những
nguyên nhân làm giảm hiệu suất detector đó là trong suốt quá trình hoạt động
của detector, các nguyên tử lithium của lớp n+ (lớp germanium bất hoạt hay lớp
chết) tiếp tục khuếch tán vào sâu bên trong tinh thể làm cho bề dày của lớp này
tăng lên đáng kể, thu hẹp thể tích hoạt động của detector và số lượng các cặp hạt
mang điện được hình thành sẽ giảm đi. Hiện tượng khuếch tán này có thể hạn
chế được bằng cách luôn giữ lạnh detector ở nhiệt độ nitrogen lỏng.
Thứ hai, trong phép đo phổ gamma của các mẫu phóng xạ, hiệu suất
detector còn phụ thuộc vào các đặc trưng của nguồn phóng xạ, đó là dạng hình
học, kích thước và thể tích của hộp chứa mẫu. Trong số các dạng hình học của
hộp chứa mẫu, hộp chứa mẫu dạng Marinelli có hiệu suất đếm cao hơn vì nó
được đặt áp sát vào cả mặt trên và mặt bên của detector, bao bọc gần kín thể tích
hoạt động của detector. Tuy nhiên, để hộp chứa mẫu dạng Marinelli với thể tích
cho trước đạt được hiệu suất đếm cao nhất cần tính toán kích thước tối ưu
của hộp chứa mẫu dạng Marinelli này.
Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài luận án này là xác định hiệu suất của
detector sau một thời gian dài hoạt động và xây dựng phương pháp tính toán kích
- 3 -
thước tối ưu của hộp chứa mẫu dạng Marinelli để nâng cao tối đa hiệu suất đếm
trong phép đo phổ gamma.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án này là detector HPGe GC1518 đặt
tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh và hộp chứa mẫu dạng Marinelli.
Detector HPGe GC1518 có dạng trụ đồng trục đáy kín (Coaxial Ge và cũng được
viết tắt là HPGe) gồm một tinh thể germanium siêu tinh khiết có đường kính
ngoài 54 mm, chiều cao 32 mm, ở giữa có một hốc hình trụ đường kính 7 mm và
chiều cao 17 mm. Mặt trên và mặt bên của tinh thể là lớp n+ được nối với cực
dương nguồn điện, còn gọi là lớp germanium bất hoạt. Mặt trong của hốc tinh thể
là lớp p+ được nối với cực âm của nguồn điện. Hộp chứa mẫu dạng Marinelli
được chế tạo bằng các vật liệu có sẵn trên thị trường như thành hộp làm bằng vật
liệu polyvinylchloride và các đáy hộp làm bằng vật liệu polyacrylic. Các tấm vật
liệu này được gia công bằng máy cắt laser và sau đó lắp ráp chúng với nhau
bằng chất kết dính cyanoacrylate với sai số tuyệt đối tổng cộng khoảng 0,5 mm.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án này là kết hợp thực nghiệm đo
phổ gamma với tính toán bằng phương pháp Monte Carlo và thuật toán di truyền.
Trong tính toán phổ gamma bằng phương pháp Monte Carlo, chương trình
MCNP4C2* được sử dụng. Đây là một trong những chương trình máy tính đáng
tin cậy [51, 110] ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận
chuyển của neutron, photon và electron trong môi trường vật chất. Trong tính
toán kích thước tối ưu hộp chứa mẫu dạng Marinelli, chương trình tính toán dựa
trên cơ sở thuật toán di truyền kết hợp với chương trình MCNP4C2 được soạn
thảo bằng ngôn ngữ lập trình Fortran 95 và chạy trên máy tính cá nhân HP4100.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án được trình bày cụ thể như sau:
* Phiên bản MNCP4C2 đã được Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt mua bản quyền và trong
suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án chương trình này đã được sử dụng.
- 4 -
Các kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây của nhiều tác giả [51, 59,
64, 65, 74, 86, 90, 96, 110] về các đặc trưng của detector HPGe cho thấy rằng
hiệu suất detector mô phỏng thường lớn hơn hiệu suất detector thực tế, do đó nảy
sinh một nhu cầu cấp thiết cho những người làm thực nghiệm là xác định một
cách chính xác hiệu suất detector. Để có sự phù hợp tốt hơn giữa kết quả tính
toán và số liệu thực nghiệm, các tác giả đã điều chỉnh tăng bề dày lớp
germanium bất hoạt lên khoảng gấp 2 lần số liệu do nhà sản xuất cung cấp
[110]. Tuy nhiên cơ sở vật lý cho việc điều chỉnh tăng này thì chưa có tác giả nào
lý giải một cách định lượng. Do đó mục tiêu nghiên cứu của vấn đề này là lý giải
một cách định lượng để làm rõ ý nghĩa vật lý của việc điều chỉnh tăng bề dày lớp
germanium bất hoạt của detector HPGe. Để giải quyết vấn đề này, trước tiên cần
phải xây dựng bộ số liệu đầu vào về cấu trúc hình học và thành phần vật liệu
của buồng chì, detector và các nguồn phóng xạ để mô hình hoá hệ phổ kế...
/file/d/0Bz7Zv9 ... sp=sharing
