Đánh giá hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần sử dụng chương trình Deteff

Năm học 2009– 2010 103 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH DETEFF Trương Nhật Huy (Sinh viên năm 4, Khoa Vật lý) GVHD: ThS. Trần Thiện Thanh 1. Lí do chọn đề tài Ngày nay hệ phổ kế gamma được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong việc xác định hoạt độ của các nguyên tố quan tâm trong các mẫu môi trường. Khi sử dụng hệ phổ kế gamma thì hai yếu tố cần được quan tâm là hiệu suất của đầu dò và độ nhạy của hệ phổ kế. Về độ nhạy của hệ phổ kế đã được tối ưu bởi các đặc trưng của buồng chì và các yếu tố khác trong quá trình thiết kế. Vấn đề còn lại là việc xác định hiệu suất của đầu dò tại thời điểm đo mẫu, vì trong quá trình sử dụng thì bề dày lớp chết sẽ dày lên so với bề dày mà nhà sản xuất cung cấp lúc ban đầu và làm giảm hiệu suất của đầu dò. Xác định lại hiệu suất tại thời điểm đo là việc rất cần thiết. Theo công thức tính hoạt độ của nguyên tố cần đo như sau:       p P N EE AI E t   (1) với  P E là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tương ứng với năng lượng E,  pN E là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần, A là hoạt độ của nguyên tố cần tìm,  I E là xác suất phát gamma, t là thời gian đo (s). Phổ được thu nhận và xử lý trên chương trình Meastro-32 của hãng ORTEC đi kèm theo hệ phổ kế gamma. Trong phương pháp thực nghiệm để xác định đường cong hiệu suất theo năng lượng, người ta thường dùng bộ nguồn chuẩn đã biết trước hoạt độ. So sánh đường cong hiệu suất thực nghiệm với đường cong hiệu suất mô phỏng, nếu độ sai lệch giữa hai đường cong là trong giới hạn cho phép thì sự thay đổi của lớp chết không làm ảnh hưởng đến hiệu suất. Còn nếu lớp chết đã tăng lên làm ảnh hưởng đến hiệu suất thì cần tối ưu lớp chết và xác định bề dày lớp chết tại thời điểm đo. Để xác định đường cong hiệu suất có nhiều phương pháp được dùng như thực nghiệm, bán thực nghiệm hay mô phỏng. Trong đó chương trình DETEFF được viết dựa trên phương pháp mô phỏng áp dụng phương pháp Monte Carlo để tính toán hiệu suất và so sánh với thực nghiệm. 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 104 2.1. Mô tả đầu dò Đầu dò được sử dụng ở đây là loại đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe- GEM15P4 của Phòng thí nghiệm hạt nhân thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân - Khoa Vật Lý - Trường Đại học Sư phạm TPHCM có dạng như hình 1. Đầu dò này có dạng đồng trục với đường kính 51,2mm, chiều cao 45mm, đường kính lõi 11mm, chiều cao lõi 33,5mm. Tỉ số đỉnh/ Compton: 54:1. Độ rộng một nửa chiều cao cực đại (FWHM) tại năng lượng 1332,5keV của 60Co: 1,71keV. Hiệu suất tương đối của 60Co tại năng lượng 1332,5keV: 18,3%. Các thông số kỹ thuật chi tiết của đầu dò do nhà sản xuất cung cấp (bảng 1). Bảng 1: Thông số kỹ thuật của đầu dò HPGe – GEM15P4 Hình 1: Đầu dò HPGe – GEM15P4 được mô phỏng bằng chương trình DETEFF Thông số kỹ thuật của đầu dò được cung cấp bởi nhà sản xuất Mô tả Kích thước (mm) Vật chất Chiều dài vỏ 94 Nhôm Khoảng cách từ cửa sổ đến tinh thể 3 Đế vỏ 3,2 Nhôm Bề dày của của sổ 1,3 Nhôm Chất cách điện/lớp bảo vệ 0,03/0,03 Mylar Lớp tiếp xúc bên ngoài 0,7 Li Lớp tiếp xúc lõi 0,0003 Bo Lớp bảo vệ bên trong 0,76 Nhôm Lớp vỏ đầu dò 1,3 Nhôm Bán kính góc bo 8 Năm học 2009– 2010 105 2.2. Buồng chì và bộ nguồn chuẩn Buồng chì nhằm giảm phông môi trường ảnh hưởng lên đỉnh phổ mà ta đang khảo sát. Buồng chì ở đây gồm nhiều tấm chì ghép lại với nhau thành hình trụ tròn có đường kính ngoài 602mm, chiều dài 519,3mm và được lót một lớp đồng dày 1,5mm nhằm hấp thụ tia X do các gamma tương tác với lớp chì gây nhiễu trên phổ đo. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã sử dụng 6 nguồn chuẩn là 133Ba, 109Cd, 57Co, 60Co, 22Na, 65Zn, với hoạt độ ban đầu 1μCi , phát ra các đỉnh năng lượng từ 53,16keV-1332,5keV. 2.3. Chương trình DETEFF Phương pháp Monte Carlo được sử dụng khá phổ biến để mô phỏng các thiết bị, hệ đo, đặc biệt là các quá trình vật lý hạt nhân. Trong công trình này để đánh giá hiệu suất chương trình DETEFF được dùng để mô phỏng tương tác của gamma với vật chất thông qua các hiệu ứng như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Đây là một chương trình được viết dựa trên nền tảng phương pháp Monte Carlo dùng để tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. Bằng việc cung cấp đầy đủ và chính xác các dữ liệu về thông số kỹ thuật của đầu dò, của nguồn và thông số mô phỏng, chương trình DETEFF sẽ cho ra giá trị hiệu suất theo công thức (2) và sai số tương đối kèm theo. Để sai số hiệu suất dưới 1% như trên số hạt cần mô phỏng là 108 hạt. Hình 2: Sơ đồ khối của chương trình DETEFF Hiệu suất mô phỏng được tính theo công thức sau: p P source N N   (2) với Np là số gamma tại đỉnh năng lượng toàn phần, Nsource là số gamma phát ra từ nguồn. 3. Kết quả nghiên cứu 3.1. Kết quả thực nghiệm Tệp số liệu đầu ra Dữ liệu của detector Dữ liệu về nguồn Thông số mô phỏng Hiệu suất Sai số của phép tính DETEFF Tệp số liệu đầu vào Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 106 Sử dụng công thức (1) hiệu suất đỉnh thực nghiệm sẽ được tính và sai số tương ứng của hiệu suất. Tuy nhiên do không được cung cấp sai số của hoạt độ nguồn nên chúng tôi xem như sai số nguồn khoảng 2% là sai số hệ thống. Áp dụng công thức truyền sai số để xác định sai số của giá trị hiệu suất thực nghiệm. Giá trị hiệu suất của đầu dò được đo ở nhiều năng lượng bằng cách sử dụng nguồn chuẩn, người ta nhận thấy cần phải làm khớp nó thành một đường cong từ các điểm này để có thể mô tả hiệu suất toàn vùng năng lượng mà ta quan tâm. Trong công trình này, chúng tôi đã tiến hành đánh giá các dạng hàm làm khớp khác nhau trên bộ số liệu hiệu suất thực nghiệm theo hàm  ip i i lnε = a ln E theo dạng hàm liên tục bậc 4 bằng chương trình Origin6.0 [7], dạng hàm kép bằng chương trình DSFF được đề nghị bởi tác giả Noguchi [4] với điểm cắt năng lượng là 200keV và dạng hàm kép được đề nghị trong chương trình Genie [3], hình cho thấy dạng hàm liên tục cho giá trị nội suy với độ sai biệt thấp nhất. Vì vậy, trong công trình này dạng hàm làm khớp liên tục được chọn trong quá trình làm khớp. 30 100 1000 2000 5E-4 1E-3 0.01 H iÖ u su Êt N¨ng l­îng (keV) Thùc nghiÖm Lµm khíp hµm liªn tôc Lµm khíp 2 hµm (bËc 2 vµ bËc 1) c¾t t¹i 200keV Lµm khíp 2 hµm (bËc 2 vµ bËc 2) c¾t t¹i 122keV Hình 3: So sánh các dạng hàm làm khớp từ hiệu suất thực nghiệm 3.2. Kết quả mô phỏng Sau khi xây dựng xong tệp đầu vào của chương trình, trước khi sử dụng nó để khảo sát các đặc trưng của hệ phổ kế, ta phải xác định độ tin cậy bước đầu của chương trình mô phỏng cũng như độ tin cậy thông tin của nhà sản xuất về cấu trúc của đầu dò. Ở đây chúng tôi so sánh kết quả tính toán hiệu suất của đầu dò HPGe trong mô phỏng bằng DETEFF với hiệu suất thu được trong thực nghiệm. Đặc biệt tại năng lượng 1332,5 keV của 60Co khi khoảng cách nguồn – đầu dò Năm học 2009– 2010 107 25cm. Kết quả tính toán hiệu suất tuyệt đối mô phỏng bằng DETEFF tại năng lượng 1332,5 keV ở khoảng cách nguồn - đầu dò là 25cm cho giá trị 2,40.10-4 tương đương với hiệu suất tương đối 20,0% mà độ sai biệt 9,3% so với hiệu suất danh định của nhà sản xuất (18,3%). Bảng 2: So sánh các dạng làm khớp Mô phỏng được tiến hành tại vị trí 132mm tương ứng với các mức năng lượng của các đồng vị trong thực nghiệm kết quả được trình bày trong bảng 3. Bảng 3: Giá trị hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng tại khoảng cách từ nguồn tới đầu dò là 132mm E(keV) Hiệu suất thực nghiệm Làm khớp hiệu suất thực nghiệm Hiệu suất mô phỏng Độ sai biệt giữa làm khớp thực nghiệm và mô phỏng 53,16 1,29E-03 (4,88%) 1,30E-03 2,37E-03 (0,12%) 43,24% 81,00 4,31E-03 (2,02%) 4,11E-03 4,78E-03 (0,17%) 12,39% 88,03 4,40E-03 (7,45%) 4,62E-03 5,04E-03 (0,13%) 6,65% E(keV) HSTN làm khớp hàm liên tục Làm khớp theo chương trình DSFF Làm khớp theo Genie SS HSTN và làm khớp 1 hàm (%) SS HSTN và DSFF (%) SS HSTN và Genie (%) 53,16 1,30E-03 1,35E-03 1,28E-03 0,50 4,82 0,79 81,00 4,11E-03 3,79E-03 4,23E-03 4,72 12,01 1,85 88,03 4,62E-03 4,33E-03 4,80E-03 4,94 1,56 9,10 122,06 5,65E-03 5,80E-03 5,53E-03 0,80 3,40 1,27 136,47 5,62E-03 5,89E-03 5,40E-03 2,47 7,37 1,64 160,61 5,31E-03 5,59E-03 4,86E-03 2,96 2,12 11,27 276,40 3,41E-03 3,42E-03 3,25E-03 1,14 1,45 3,67 302,85 3,11E-03 3,10E-03 3,01E-03 0,83 0,69 2,23 356,01 2,62E-03 2,61E-03 2,62E-03 0,02 0,64 0,17 383,85 2,43E-03 2,41E-03 2,45E-03 0,22 1,03 0,78 511,00 1,81E-03 1,77E-03 1,87E-03 1,91 0,20 5,48 1115,54 8,17E-04 7,67E-04 8,03E-04 3,33 9,22 5,03 1173,20 7,70E-04 7,27E-04 7,56E-04 8,06 2,05 6,09 1274,54 6,94E-04 6,65E-04 6,84E-04 3,99 7,97 5,46 1332,50 6,54E-04 6,34E-04 6,47E-04 3,90 0,72 2,74 Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 108 122,06 5,61E-03 (2,00%) 5,65E-03 5,42E-03 (0,14%) 4,55% 136,47 5,49E-03 (2,45%) 5,62E-03 5,33E-03 (0,24%) 6,04% 160,61 5,47E-03 (7,27%) 5,31E-03 5,04E-03 (0,23%) 4,72% 276,40 3,37E-03 (2,15%) 3,41E-03 3,30E-03 (0,27%) 2,49% 302,85 3,08E-03 (2,13%) 3,11E-03 2,99E-03 (0,19%) 2,47% 356,01 2,62E-03 (2,03%) 2,62E-03 2,54E-03 (0,12%) 2,56% 383,85 2,43E-03 (2,13%) 2,43E-03 2,54E-03 (0,16%) 1,78% 511,00 1,77E-03 (2,02%) 1,81E-03 1,76E-03 (0,36%) 2,04% 1115,54 8,45E-04 (2,13%) 8,17E-04 8,57E-04 (0,65%) 6,11% 1173,20 7,12E-04 (2,04%) 7,70E-04 8,29E-04 (0,66%) 6,43% 1274,54 7,23E-04 (2,06%) 6,94E-04 7,66E-04 (0,94%) 11,20% 1332,50 6,30E-04 (2,04%) 6,54E-04 7,35E-04 (0,22%) 12,83% Với 1,29E-03 (4,88%) = 1,29E-3 ± 4,88% (giá trị trong ngoặc là sai số tương đối). Trong bảng 3 đường cong hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng là rất phù hợp ở vùng năng lượng từ 88,03keV-1173,20keV với độ sai biệt giữa hiệu suất làm khớp thực nghiệm và mô phỏng là khoảng 6%. Hai vùng năng lượng còn lại thi ít phù hợp hơn với độ sai biệt lên đến 13%. Đặc biệt là ở năng lượng 53,16keV thì hiệu suất thực nghiệm làm khớp và mô phỏng khác nhau rất nhiều có độ sai biệt lên đến 43,24%. Trên hình 4 chúng tôi nhận thấy, các giá trị nhận được khi nội suy trong vùng năng lượng thực nghiệm từ 53,16keV đến 1332,5keV là khá tốt. Tuy nhiên, vùng năng lượng trên 1332,5keV đường cong hiệu suất bị gãy đột ngột, làm cho việc ngoại suy giá trị trong vùng năng lượng này dẫn đến sai số lớn. Hiện tượng này là do giá trị thực nghiệm không đủ để khớp hàm cho vùng năng lượng này. 30 100 1000 2000 5E-4 1E-3 0.01 H iÖ u su Êt N¨ng l­îng (keV) HiÖu suÊt néi suy HiÖu suÊt m« pháng Khíp hµm liªn tôc Hình 4: So sánh hiệu suất làm khớp và mô phỏng tại khoảng cách 132mm từ nguồn tới đầu dò Năm học 2009– 2010 109 3.3. Kết quả thực nghiệm và tối ưu Do những khác biệt giữa hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất mô phỏng vì vậy việc xác định lại các thông số của đầu dò là cần thiết. Phương pháp mô phỏng được sử dụng để hiệu suất làm khớp thực nghiệm và mô phỏng là phù hợp cho toàn dãy năng lượng. Quá trình mô phỏng được tiến hành bằng cách tăng dần giá trị lớp chết bên trên tinh thể và bên hông tinh thể với nhiều bề dày khác nhau. Kết quả thu được cho thấy với bề dày lớp chết tăng thêm 0,1mm và khoảng cách từ tinh thể đến cửa sổ tăng 1mm so với thông số được cung cấp của nhà sản xuất thu được sự phù hợp tốt cho vùng năng lượng đang quan tâm. Ngoài trừ đỉnh 53,16keV có sai biệt là 35,14%, sự sai biệt này là do sự kém tập hợp điện tích tới hai góc của tinh thể. Quá trình mô phỏng được tiến hành với các thông số mới của đầu dò cho hai khoảng cách 132mm và 60mm kết quả thu được là độ sai biệt phù hợp cho toàn dãy năng lượng. 30 100 1000 2000 2E-4 1E-3 0.01 3E-1 60mm 132mm H iÖ u su Êt N¨ng l­îng (keV) Thùc nghiÖm Thùc nghiÖm vµ m« pháng Lµm khíp thùc nghiÖm Lµm khíp thùc nghiÖm vµ m« pháng Hình 5: So sánh hiệu suất thực nghiệm và tối ưu tại khoảng cách 132mm và khoảng cách 60mm Trong công trình này chúng tôi tiến hành mô phỏng thêm đỉnh năng lượng 1836,06keV của đồng vị 88Y. Kết quả cho thấy khi giá thị thực nghiệm nhận thêm giá trị mô phỏng thì dạng hàm lúc này đã trở nên liên tục và không còn bị gãy khúc cho hàm làm khớp tại 2 khoảng cách 132mm và 60mm và được trình bày trong hình 5. 4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài 4.1. Kết luận Kỷ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 110 Trong nghiên cứu này chúng tôi đã so sánh đường cong hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thực nghiệm so với đường cong hiệu suất sử dụng chương trình mô phỏng DETEFF. Chương trình đã mô phỏng cấu trúc đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và nguồn chuẩn, so sánh sự khác biệt giữa 2 đường cong hiệu suất trên nhằm đưa ra một đánh giá chính xác về hiệu suất của đầu dò tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TPHCM sau 3 năm hoạt động. Đồng thời với việc rút ra kết luận về hiệu suất của đầu dò tại thời điểm này, chúng ta cũng đã xác định được ảnh hưởng của các thông số của đầu dò lên hiệu suất ghi nhờ vào phương pháp mô phỏng. Kết quả của nghiên cứu này đã xác định được bề dày lớp chết của đầu dò đã tăng thêm 0,1mm từ 0,7mm năm 2007 đã tăng lên 0,8mm năm 2010 do trong quá trình đưa vào vận hành hệ phổ kế gamma vẫn chưa hoạt động nhiều nên bề dày lớp chết tăng rất ít. Khoảng cách từ tinh thể đến của sổ đã được xác định bằng phương pháp mô phỏng là 4mm, do trong quá trình sản xuất ra đầu dò nhà sản xuất chỉ đưa ra giá trị danh định cho khoảng cách này là 3mm. Đây là một phương pháp phù hợp cho việc xác định hiệu suất đầu dò theo thời gian. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng còn thể hiện những ưu điểm như sau khi kiểm tra độ chính xác các kết quả của phương pháp mô phỏng bằng cách so sánh với kết quả đo được từ thực nghiệm, người ta có thể dùng nó để có thêm các giá trị của dữ liệu cho việc làm khớp đường cong hiệu suất mà thực nghiệm không có được. Các giá trị thêm vào này rất hữu dụng vì nó làm khít hơn so với dữ liệu thực nghiệm và đường cong hiệu suất theo năng lượng được hoàn chỉnh vùng năng lượng từ 50keV đến 2000keV. 4.2. Hướng phát triển của đề tài Trong tương lai sẽ tiếp tục nghiên cứu thêm một số vấn đề như: - Xác định sự thay đổi hiệu suất theo thời gian, từ đó xây dựng được bộ số liệu hiệu suất của đầu dò đang nghiên cứu. - Xây dựng đường cong hiệu suất cho các hình học đo khác nhau. - Xác định hoạt độ của mẫu môi trường và các hiệu chỉnh liên quan như tự hấp thụ, hiệu ứng trùng phùng TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1 ] N,Cornejo Diaz, M, Jurad Vargas, (2008), “DETEFF: An improved Monte Carlo computer program for evaluating the efficiency in coaxial gamma-ray detectors”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 586, 204–210. Năm học 2009– 2010 111 [2] MAESTRO-32 (2006), MCA Emulator for Microsoft Windows 98, 2000, NT and XP, Software Version 6. [3] Genie 2000 Tutorials Manual, (2004), Canberra Industries, Inc. [4] Masayasu Noguchi (2008), “Gamma – ray spectrometry for environmental sample”, The 3rd – JAEA - VAEC joint training course on “Application of nuclear technique in industry and environment” [5] M.Garcia-Talavera, H.Neder,M.J. Daza,B. Quintana (2007), “Toward a proper modeling of detector and source characteristics in Monte Carlo simulations”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 52, 777–783. [6] N.Q.Huy, D.Q.Binh, V.X.An (2007), “Study on the I ncrease of inactive germanium layer in a high-purity germanium detector after a long time operation applying MCNP code”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 537, 384-388. [7] www.physics.hmc.edu/howto/Origin50 [8] www.laraweb.free.fr