Đề tài Xây dựng chương trình hiệu chỉnh trùng phùng cho hệ phổ kế gamma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN ------------------------------ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH HIỆU CHỈNH TRÙNG PHÙNG CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA SVTH : Nguyễn Võ Hoài Thơ CBHD : ThS. Trƣơng Thị Hồng Loan CN. Đặng Nguyên Phƣơng CBPB : ThS. Huỳnh Trúc Phƣơng TP HỒ CHÍ MINH – 2008 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia TPHCM, tác giả xin chân thành cảm ơn : Lời cảm ơn chân thành nhất tác giả xin gửi đến ThS. Trương Thị Hồng Loan đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình làm khóa luận, và còn những chia sẻ khó khăn trong cuộc sống Cô đã giúp tác giả có nghị lực vượt qua để có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến nhóm NMTP của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, đặc biệt là anh Đặng Nguyên Phương đã chỉ bảo, hỗ trợ, giúp đỡ và cùng giải quyết những khó khăn gặp phải trong khóa luận một cách rất nhiệt tình. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Huỳnh Trúc Phương đã dành thời gian xem và nhận xét khóa luận này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn Hải, Sang, Cúc, Trang, Hiền, và tất cả các bạn khóa 2004 đặc biệt là 04VL Hạt nhân đã chia sẻ và giúp đỡ nhau cùng học tập. Tác giả xin gửi một lời cảm ơn đến: Bố, Dì Cháu, Cậu, các chị đã trợ giúp tác giả được đi học. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn thầm kính sâu xa nhất cho người mẹ đã mất của tác giả. Tất cả đã giúp tác giả hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Tháng 6-2008 Nguyễn Võ Hoài Thơ 1 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 3 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU DÒ GERMANIUM SIÊU TINH KHIẾT (HPGe) ........................................................................................................................ 6 1.1 Giới thiệu về đầu dò HPGe ............................................................................... 6 1.2 Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma ............................................ 6 1.3 Phổ biên độ xung ............................................................................................... 6 1.4 Độ phân giải năng lượng ................................................................................... 8 1.5 Hiệu suất đo ....................................................................................................... 9 1.5.1 Hiệu suất tuyệt đối (εabs) ........................................................................... 10 1.5.2 Hiệu suất nội (εint) ..................................................................................... 10 1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất detector ......................................... 11 1.5.4 Đường cong hiệu suất ............................................................................... 11 1.6 Thời gian chết .................................................................................................. 12 1.7 Mô tả detector germanium siêu tinh khiết (HPGe) ......................................... 13 1.7.1 Cấu tạo của detector .................................................................................. 13 1.7.2 Buồng chì .................................................................................................. 14 1.7.3 Bình làm lạnh ............................................................................................ 15 CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT .................. 16 2.1 Giới thiệu về bức xạ gamma............................................................................ 16 2.2 Hiệu ứng quang điện ....................................................................................... 17 2.3 Hiệu ứng Compton .......................................................................................... 18 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ 2.4 Hiệu ứng tạo cặp .............................................................................................. 21 2.5 Hệ số suy giảm ................................................................................................ 22 2.5.1 Hệ số suy giảm toàn phần ......................................................................... 22 2.5.2 Hệ số suy giảm khối ................................................................................ 23 CHƯƠNG 3: TRÙNG PHÙNG VÀ CÁC CÁCH HIỆU CHỈNH TRÙNG PHÙNG .................................................................................................................... 24 3.1 Trùng phùng .................................................................................................... 24 3.1.1 Định nghĩa................................................................................................. 24 3.1.2 Nguyên nhân của hiệu ứng trùng phùng ................................................... 24 3.2 Trùng phùng thực (True-coincidence summing)............................................. 27 3.3 Một số phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng thực ......................................... 27 3.3.1 Tỉ số theo khoảng cách ............................................................................. 29 3.3.2 Tỉ số P/T.................................................................................................... 31 3.3.3 Phương pháp hiệu chỉnh bằng ma trận ..................................................... 32 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ................................................... 40 4.1 Sơ đồ khối chương trình .................................................................................. 40 4.2 Cách sử dụng chương trình ............................................................................. 43 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 64 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 66 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố độ cao xung vi phân của nguồn 152Eu ............................................. 7 Hình 1.2: Hàm đáp ứng đối với detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải tương đối xấu ......................................................................................................... 8 Hình 1.3: Định nghĩa độ phân giải detector .................................................................. 9 Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma ..................................................................... 13 Hình 1.5: Cấu trúc đầu dò GC2018 ............................................................................ 14 Hình 1.6: Cấu trúc buồng chì ..................................................................................... 15 Hình 1.7: Bình làm lạnh ............................................................................................. 15 Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện .................................................................................. 18 Hình 2.2: Sơ đồ tán xạ Compton ................................................................................ 19 Hình 2.3: Sơ đồ vector xung lượng ............................................................................ 20 Hình 3.1: Trùng phùng thêm ...................................................................................... 25 Hình 3.2: Sơ đồ phân rã đơn giản mang tính lý thuyết ............................................... 26 Hình 3.3: Phổ năng lượng của Co60 ............................................................................ 28 Hình 3.4: Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của Co60 ........................................... 29 Hình 3.5: Tỉ số của của hiệu suất đỉnh được theo năng lượng được đo ở các khoảng cách khác nhau ............................................................................................................ 30 Hình 3.6: Sơ đồ phân rã tổng quát .............................................................................. 33 Hình 4.1: Sơ đồ tính hệ số hiệu chỉnh tổng quát ......................................................... 40 Hình 4.2: Sơ đồ của chương trình con “ Nhập dữ liệu” ............................................. 41 Hình 4.3: Sơ đồ “Tính hệ số hiệu chỉnh” .................................................................... 42 Hình 4.4: Sơ đồ “Hiển thị kết quả” ............................................................................. 43 Hình 4.5: Giao diện chương trình ............................................................................... 44 Hình 4.6: Giao diện lựa chọn ngôn ngữ ...................................................................... 45 Hình 4.7: Nhập file ma trận EP ................................................................................... 46 Hình 4.8: Nhập file hệ số hàm ln(P/T) ........................................................................ 47 Hình 4.9: Sơ đồ phân rã Xe)day0.8(I 13154 131 53  ................................................................ 47 4 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ Hình 4.10: Chọn dữ liệu từ file ensdf (131I-131Xe) .................................................. 48 Hình 4.11: Giao diện sau khi thực hiện của I133 .......................................................... 49 Hình 4.12: Sơ đồ phân rã 4921 49 20 Scmin)7.8(Ca  .......................................................... 49 Hình 4.13: Chọn dữ liệu liệu nhập từ file ensdf (49Ca-49Sc) .................................... 50 Hình 4.14: Giao diện sau khi thực hiện của Ca49 ........................................................ 51 Hình 4.15: Sơ đồ phân rã Co60 .................................................................................... 52 Hình 4.16: Nhập file ma trận x của phân rã Co60 ........................................................ 53 Hình 4.17: Nhập file ma trận c của phân rã Co60 ........................................................ 53 Hình 4.18: Nhập file các mức năng lượng của phân rã Co60 ...................................... 54 Hình 4.19: Nhập file vector f của phân rã Co60........................................................... 55 Hình 4.20: Giao diện sau khi thực hiện của Co60 ........................................................ 55 Hình 4.21: Sơ đồ phân rã 13355 133 56 Cs)year10(Ba  ......................................................... 56 Hình 4.22: Nhập file ma trận x của phân rã Ba133 ....................................................... 57 Hình 4.23: Nhập file ma trận c của phân rã Ba133 ....................................................... 57 Hình 4.24: Nhập file các mức năng lượng của phân rã Ba133 ..................................... 58 Hình 4.25: Nhập file vector f của phân rã Ba133 ......................................................... 59 Hình 4.26: Giao diện sau khi thực hiện của Ba133 ....................................................... 59 Hình 4.27: Giao diện sơ đồ phân rã của Ba133 ............................................................ 60 Hình 4.28: Giao diện sơ đồ phân rã của I131................................................................ 60 Hình 4.29: Ma trận x ................................................................................................... 61 5 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay thế giới khoa học công nghệ phát triển một cách chóng mặt đặc biệt là công nghệ thông tin là một trong những ngành mũi nhọn hàng đầu do những thiết yếu mà nó mang lại cho cuộc sống của con người, giúp chúng ta xử lý công việc nhanh hơn, với độ chính xác cao. Ví dụ như sự ra đời của các công cụ tính toán (Mathematica, Matlab) và những ngôn ngữ lập trình giúp các nhà khoa học có thể xây dựng những mô hình tính toán nhanh, dễ dàng và tiết kiệm thời gian hơn so với khi phải làm thực nghiệm. Dựa trên những yêu cầu của thực tế, nên việc ứng dụng công nghệ thông tin vào các hoạt động nghiên cứu khoa học đang được thực hiện một cách rộng rãi. Vấn đề hiệu chỉnh trùng phùng trong phổ gamma là một chủ đề nghiên cứu rất quan trọng. Năm 1990, Thomas M.Semkow và cộng sự [7] đã sử dụng công thức ma trận để tính toán trường hợp trùng phùng của các tia gamma dựa trên sơ đồ phân rã. Khóa luận này ứng dụng ngôn ngữ lập trình C# để xây dựng chương trình tính toán hệ số hiệu chỉnh trùng phùng theo phương pháp ma trận của Thomas M.Semkow. Mục đích là nhằm giúp cho việc tính toán nhanh và chính xác các hệ số hiệu chỉnh trùng phùng mà không cần phải qua thao tác thực nghiệm. Nội dung của khóa luận bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về đầu dò Germanium siêu tinh khiết gồm các đặc tính: sự hình thành xung, độ phân giải năng lượng, hiệu suất ghi, thời gian chết, đường cong hiệu suất. Tổng quan về hệ phổ kế gamma tại bộ môn Vật lý Hạt nhân. Chương 2: Cung cấp cho chúng ta lý thuyết cơ bản của tia gamma gồm cả tương tác của tia gamma với vật chất. Chương 3: Trình bày về hiệu ứng trùng phùng, và các phương pháp hiệu chỉnh trùng phùng và chủ yếu là phương pháp ma trận. Chương 4: Sơ đồ khối chương trình và cách sử dụng chương trình hiệu chỉnh trùng phùng mà tác giả xây dựng. 6 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẦU DÒ GERMANIUM SIÊU TINH KHIẾT (HPGe) 1.1. Giới thiệu về đầu dò HPGe Detector HPGe là một trong những detector dùng ghi nhận gamma phổ biến nhất hiện nay cho việc nghiên cứu cơ bản hay trong vật lý ứng dụng, vì chúng có ưu điểm là có độ phân giải cao (được xem là cao nhất hiện nay). Năng lượng của tia gamma hoặc beta có thể ghi nhận với độ phân giải lên tới 0.1%. Đây cũng chính là là hệ đo được đề cập đến trong đề tài này. 1.2. Cơ chế hoạt động của đầu dò để ghi nhận gamma [1, 2, 5] Khi đi qua môi trường vật chất, do bức xạ gamma không mang điện tích nên không gây hiệu ứng ion hóa hoặc kích thích trực tiếp vào đầu dò. Vì vậy, việc ghi nhận chúng được thực hiện thông qua các tương tác mà trong đó một phần hoặc toàn bộ năng lượng của chúng được truyền cho electron. Chính các electron này gây ion hóa tạo ra các xung điện ở lối ra của detector. Như vậy detector phải thực hiện hai chức năng: + Biến đổi năng lượng tia gamma thành năng lượng các electron. Do đó nó hoạt động như bộ chuyển đổi trung bình mà tại đó các tia gamma có xác suất tương tác trung bình sinh ra một hay nhiều electron nhanh. + Hoạt động như một thiết bị ghi nhận chuyển đổi electron nhanh thành những tín hiệu điện. 1.3. Phổ biên độ xung [1, 5] Khi detector hoạt động theo kiểu xung, mỗi xung riêng rẽ mang thông tin quan trọng liên quan đến điện tích được tạo ra bởi tương tác của bức xạ trong detector. Những xung này được tập hợp và lưu trữ cho sự thể hiện phân bố biên độ xung của detector ở đầu ra. 7 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ Có hai cách thông thường để trình bày thông tin về phân bố biên độ xung là phổ vi phân và phổ tích phân. Phổ tích phân ít phổ biến hơn. Trong hệ trục tọa độ Descartes với trục hoành là vi phân biên độ xung dH, trục tung là số đếm vi phân của xung dN (được quan sát với biên độ bên trong vùng giới hạn dH), chia cho dH kí hiệu là dN/dH. Trục hoành có đơn vị là (volt) còn trục tung có đơn vị là (volt-1). Số xung có biên độ nằm giữa giá trị H1 và H2 có thể thu được bằng cách lấy tích phân trong khoảng giới hạn từ H1 đến H2, nghĩa là chúng ta tính diện tích trong miền giới hạn này, số xung có biên độ trong khoảng giữa H1 và H2 bằng:  2 1 H H dH dH dN N (1.1) Sự tỉ lệ giữa biên độ xung và năng lượng cho phép biến đổi đơn vị của trục hoành từ đơn vị của biên độ thành đơn vị của năng lượng (thường dùng là keV hoặc MeV), đơn vị của trục tung thành đơn vị của nghịch đảo năng lượng. Phương trình (1.1) lúc này được viết lại như sau:  2 1 E E dE dE dN N (1.2) Nó thể hiện số photon tương tác với năng lượng giữa E1 và E2. Phổ độ cao xung lúc này được gọi là phổ năng lượng gamma. Ví dụ hình 1.1. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 dN (E )/d E E(KeV) Hình 1.1: Phổ phân bố độ cao xung vi phân của gamma theo năng lượng của nguồn Eu152. 8 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ 1.4. Độ phân giải năng lượng [1, 3] Độ phân giải năng lượng là đặc trưng trọng của detector germanium siêu tinh khiết. Một hệ đo có thể được đánh giá cao khi mà độ phân giải của chúng được cho là rất tốt. Vậy thì độ phân giải năng lượng như thế nào là tốt ?. Trong nhiều ứng dụng thực tế, các detector thường được dùng để đo sự phân bố của các bức xạ theo năng lượng. Sự phân bố này được gọi là hàm đáp ứng của detector đối với năng lượng. Hình 1.2: Hàm đáp ứng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt và độ phân giải tương đối xấu Ta thấy trên hình 1.2 mặc dù số xung được ghi nhận trong cả hai trường hợp là như nhau, diện tích mỗi đỉnh là bằng nhau, cả hai đều có sự phân bố xung quanh giá trị trung bình H0, nhưng bề rộng của đường cong trong trường hợp rộng hơn thì xấu, vì thế bề rộng hàm đáp ứng càng nhỏ thì phép đo càng chính xác. Độ phân giải năng lượng của detector được định nghĩa là tỉ số giữa FWHM (bề rộng của phân bố tại tọa độ bằng nửa độ cao cực đại tại vị trí đỉnh H0) trên H0. Độ phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên và diễn tả theo %. 9 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ Hình 1.3: Định nghĩa của độ phân giải detector Detector có độ phân giải càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau. Độ phân giải năng lượng của detector không tốt có thể do một số nguyên nhân gây ra sự thăng giáng trong đáp ứng của detector: Thứ nhất do sự dịch chuyển đặc trưng hoạt đông của detector trong quá trình ghi nhận bức xạ.Thứ hai do những nguồn nhiễu bên trong bản thân detector và hệ thống dụng cụ đo.Thứ ba là do thăng giáng thống kê từ chính bản chất rời rạc của tín hiệu đo. Trong hầu hết các detector được sử dụng, thăng giáng thống kê là nguồn thăng giáng quan trọng trong tín hiệu và đưa đến giới hạn hoạt động của detector. Hiện nay detector germanium siêu tinh khiết có độ phân giải năng lượng cao nhất. Để đạt được độ phân giải như thế thì cấu tạo đầu dò phải có kích thước nhỏ và nguyên tử số thấp. Các detector germanium siêu tinh khiết có ưu điểm lớn nhất là phân tích các phổ gamma phức tạp có nhiều đỉnh. 1.5. Hiệu suất đo [1, 2, 3] Về nguyên tắc, tất cả các detector sẽ cho xung ra khi có bức xạ tương tác với đầu dò. Ở đây đối với bức xạ gamma, vì chúng không mang điện tích nên khi vào detector chúng phải trải qua nhiều quá trình tương tác thứ cấp trước khi được ghi nhận. Bởi vì bức xạ này có thể truyền qua những khoảng cách lớn giữa những lần 10 Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Võ Hoài Thơ tương tác và như thế chúng có thể thoát ra khỏi vùng làm việc của detector dẫn đến hiệu suất của detector nhỏ hơn 100%. Khi đó hiệu suất của detector thật sự cần thiết để liên hệ số xung đếm được và số photon tới detector . Người ta chia hiệu suất của detector thành hai loại là: hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency) và hiệu suất nội (intrinsic efficiency). 1.5.1. Hiệu suất tuyệt đối (εabs) Được định nghĩa là tỉ số giữa số xung ghi nhận được và số bức xạ được phát ra bởi nguồn. Hiệu suất này không những phụ thuộc vào tính chất của detector mà còn phụ thuộc vào bố trí hình học như khoảng cách g