Luận văn Khảo sát phông nền và tối ƣu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma hpge trong phép đo mẫu môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU KHẢO SÁT PHÔNG NỀN VÀ TỐI ƢU HÓA HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU KHẢO SÁT PHÔNG NỀN VÀ TỐI ƢU HÓA HIỆU SUẤT CHO HỆ PHỔ KẾ GAMMA HPGE TRONG PHÉP ĐO MẪU MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƢỢNG CAO MÃ SỐ: 60-44-05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN NHƠN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LỜI CẢM ƠN Hai năm học cao học và một năm làm đề tài luận văn, một thời gian thử thách đối với tôi khi cuộc sống quanh tôi còn bộn bề công việc cần phải lo lắng. May mắn là tôi đã gặp một môi trường rất thuận lợi cho công việc nghiên cứu, đó là nhóm NMTP của bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh. Nơi đây, các ý tưởng nghiên cứu đã nảy sinh, tôi đã trưởng thành từ môi trường này. Khi việc thực hiện đề tài hoàn tất, việc đầu tiên tôi nghĩ đến là gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong nhóm. Tôi cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn, cũng là người thầy đã sáng lập ra nhóm, đã gợi ý, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa luận văn cho tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn GVC. TS Trương Thị Hồng Loan đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho tôi những lúc tôi gặp khó khăn. Cô cũng là người đồng hành với tôi trong việc làm mẫu đo và đo phổ của mẫu. Một thành viên rất đặc biệt khác của nhóm là bạn Th.S Đặng Nguyên Phương, một người rất nhiệt tình và tâm huyết, đã giúp tôi trưởng thành rất nhiều trong công tác nghiên cứu. Cảm ơn các bạn trong nhóm NMTP đã giúp đỡ, chia sẻ với tôi trong quá trình thực luận văn này. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô đã giảng dạy chúng tôi trong suốt quá trình học tập. Chân thành cảm ơn đến thầy TS.Châu Văn Tạo, người đã động viên tôi rất chân thành lúc đầu khóa học, giúp tôi vững tin bước tiếp con đường mà tôi đã chọn. Tôi chân thành cảm ơn ThS. Thái Mỹ Phê và Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân Tp-HCM trong việc cho mượn một số mẫu chuẩn và mẫu phân tích. Xin được phép gửi lời biết ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp những ý kiến quý báu cho luận văn này. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo của trường THPT Trí Đức, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn tất khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đỗ Văn Hào, người đã miệt mài chế tạo những chiếc hộp cho quá trình nghiên cứu của tôi. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh tôi đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt khóa học. Nguyễn Thị Cẩm Thu MỤC LỤC Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt ................................................................... 1 Danh mục các bảng ................................................................................................... 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị..................................................................................... 4 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1. PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÍ PHỔ GAMMA .................................................................................................................11 1.1 Phổ gamma .........................................................................................................11 1.1.1 Ghi nhận phổ gamma ............................................................................11 1.1.2 Các tương tác ảnh hưởng lên sự hình thành phổ gamma ........................12 1.1.2.1 Hấp thụ quang điện..................................................................12 1.1.2.2 Tán xạ Compton ......................................................................16 1.1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp .....................................................................20 1.1.2.4 Bức xạ hãm .............................................................................22 1.2 Hiệu suất của detector ghi nhận phổ gamma .......................................................22 1.3 Các phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị có trong mẫu .......24 1.3.1 Phương pháp WA..................................................................................24 1.3.1.1 Phương pháp tuyệt đối .............................................................25 1.3.1.2 Phương pháp tương đối ...........................................................25 1.3.1.3 Phương pháp WA trong phân tích mẫu môi trường ..................26 1.3.2 Phương pháp FSA .................................................................................29 1.3.2.1 Sơ lược lịch sử ........................................................................29 1.3.2.2 Phương pháp ...........................................................................30 CHƢƠNG 2. PHÔNG NỀN PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG ..................................32 2.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường ........................................................................32 2.2 Các hạt nhân phóng xạ do bức xạ vũ trụ .............................................................33 2.2.1 Tritium ( 3 T)...........................................................................................33 2.2.2 Cacbon-14 ( 14 C) ...................................................................................33 2.2.3 Beryllium-7 ( 7 Be)..................................................................................34 2.3 Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy....................................................................34 2.4 Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo..........................................................................39 2.5 Các đồng vị phóng xạ thường hiện diện trong phông nền phổ kế gamma ............40 2.6 Khảo sát phông nền của hệ phổ kế HPGE tại bộ môn vật lý hạt nhân ..................42 CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP FULL SPECTRUM ANALYSIS VÀ THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ...................45 3.1 Thuật toán di truyền ............................................................................................45 3.1.1 Biểu diễn di truyền ................................................................................47 3.1.2 Tạo quần thể ban đầu ............................................................................48 3.1.3 Tính độ thích nghi cho mỗi cá thể .........................................................48 3.1.4 Quá trình chọn lọc tự nhiên ...................................................................48 3.1.5 Quá trình sinh sản .................................................................................49 3.1.5.1 Quá trình sinh sản ....................................................................49 3.1.5.2 Lai bố mẹ ................................................................................50 3.1.5.3 Đột biến cá thể con ..................................................................51 3.1.6 Tạo quần thể mới ..................................................................................52 3.1.7 Điều kiện dừng......................................................................................52 3.1.8 Ưu điểm và hạn chế của thuật toán di truyền .........................................52 3.1.8.1 Ưu điểm ..................................................................................52 3.1.8.2 Hạn chế ...................................................................................53 3.2 Áp dụng thuật toán di truyền trong phương pháp FSA ........................................53 3.2.1 Chi bình phương ( 2) trong phương pháp FSA .....................................53 3.2.2 Áp dụng thuật toán di truyền để tìm hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên ........................................................................................54 3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trường bằng phương pháp FSA..................55 3.3.1 Chuẩn bị mẫu đo ...................................................................................55 3.3.2 Hiệu chỉnh các phổ ................................................................................58 3.4 Kết quả tính toán và nhận xét ..............................................................................59 3.4.1 Kết quả tính toán ...................................................................................59 3.4.2 Nhận xét ...............................................................................................60 CHƢƠNG 4. TỐI ƢU HÓA HÌNH HỌC ĐO CỦA MẪU THỂ TÍCH ...............62 4.1 Tính toán giá trị hiệu suất ...................................................................................62 4.2 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng trụ ...........................................................64 4.2.1 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và chiều cao mẫu tối ưu ......65 4.2.2 Khảo sát tương quan giữa bán kính tối ưu và mật độ mẫu .....................69 4.2.3 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính mẫu ..........................................70 4.3 Tối ưu hóa hình học đo của mẫu dạng Marinelli .................................................72 4.3.1 Khảo sát cấu hình tối ưu theo bán kính R và chiều cao h1 ......................73 4.3.2 Khảo sát cấu hình tối ưu của hộp Marinelli với thể tích mẫu 450ml ......75 4.4 Lựa chọn cấu hình tối ưu trong đo đạc mẫu phóng xạ môi trường .......................78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu A: hoạt độ riêng của đồng vị phóng xạ tại thời điểm đo Am: hoạt độ riêng của mẫu đo tại thời điểm đo (Bq/kg) As: hoạt độ riêng của mẫu chuẩn tại thời điểm đo (Bq/kg) C: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng mà ta quan tâm c: tốc độ của ánh sáng trong chân không CB: phần đóng góp của phông nền vào trong phổ S CK: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 40 K Cm: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu đo Cs: tổng số đếm tại đỉnh năng lượng của mẫu chuẩn CTh: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 232 Th CU: hoạt độ của các hạt nhân phóng xạ 238 U Eb: năng lượng liên kết của electron. Ee: động năng của electron EK: năng lượng của tia X lớp K E : năng lượng của tia gamma tới h: chiều cao mẫu hình trụ h1: chiều cao phần trụ rỗng của hộp dạng Marinelli h2: chiều cao phần trụ đặc của hộp dạng Marinelli I: cường độ phát tia gamma Im: cường độ phát tia gamma của mẫu đo Is: cường độ phát tia gamma của mẫu chuẩn M: khối lượng mẫu m0: khối lượng nghỉ của electron P : xác suất phát tia gamma đang khảo sát R: tốc độ đếm tại đỉnh năng lượng toàn phần (số đếm/giây) R: bán kính mẫu dạng Marinelli 2 r: bán kính mẫu hình trụ S: số phân rã của nguồn trong một giây (Bq) S: phổ cần phân tích SB: phổ phông nền tự nhiên SK: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 40 K STh: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 232 Th SU: phổ chuẩn của đồng vị phóng xạ 238 U t: thời gian đo mẫu tm: thời gian đo mẫu đo (s) ts: thời gian đo mẫu chuẩn (s) Z: nguyên tử số hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối của tia gamma : góc tán xạ của tia gamma mật độ mẫu a: tiết diện hấp thụ c: tiết diện tán xạ Compton : góc tán xạ của electron Compton. 2: Chi bình phương Các chữ viết tắt ANSI: American National Standards Institute BMVLHN: Bộ môn Vật lý Hạt nhân CalEff: Calculating Efficiency FSA: Full Spectrum Analysis IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers TTKTHN: Trung tâm Kĩ thuật Hạt nhân WA: Windows Analysis 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các tia gamma thường được sử dụng trong phân tích mẫu môi trường .....27 Bảng 1.2. Những hiệu chỉnh đối với sự nhiễu đỉnh trong phép đo 226Ra và 235U .......29 Bảng 2.1. Hoạt độ trung bình của một số hạt nhân phóng xạ phổ biến được tạo ra do bức xạ vũ trụ ............................................................................................................34 Bảng 2.2. Hoạt độ phóng xạ của một số hạt nhân nguyên thủy .................................39 Bảng 2.3. Một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo phổ biến trong tự nhiên .....................40 Bảng 2.4. Diện tích đỉnh của những đồng vị đóng góp đáng kể vào phông nền phổ kế gamma HPGe được đo trong thời gian 3 ngày (259200s) .....................................44 Bảng 3.1. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng trụ được dùng trong thí nghiệm ................................................................................................................56 Bảng 3.2. Đặc điểm của các mẫu chuẩn và mẫu phân tích dạng Marinelli được dùng trong thí nghiệm .......................................................................................................56 Bảng 3.3. Hoạt độ của mẫu đá bazan được tính bằng hai phương pháp WA và FSA 59 Bảng 3.4. Hoạt độ của mẫu đá trắng được tính bằng hai phương pháp WA và FSA .59 Bảng 3.5. Hoạt độ của mẫu Zr-B được tính bằng hai phương pháp WA và FSA ......60 Bảng 3.6. Hoạt độ của mẫu Zr-Rv được tính bằng hai phương pháp WA và FSA.....60 Bảng 4.1. Một số cấu hình tối ưu dạng Marinelli ứng với các thể tích mẫu và năng lượng tia gamma khác nhau ......................................................................................75 Bảng 4.2. Cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli có thể tích 450ml với các giá trị năng lượng gamma khác nhau .................................................................................76 Bảng 4.3. Kết quả đo đạc mẫu chuẩn IAEA-RGTh-1 với cấu hình Marinelli quy ước và cấu hình tối ưu trong [1] ................................................................................77 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ hệ thiết bị ghi nhận phổ gamma ......................................................12 Hình 1.2. Cơ chế của hấp thụ quang điện .................................................................13 Hình 1.3. Hệ số suy giảm tuyến tính theo năng lượng của một số vật liệu ................14 Hình 1.4. Cơ chế phát tia X ......................................................................................15 Hình 1.5. Đỉnh thóat Iodine trong phổ của nguồn 57Co .............................................15 Hình 1.6. Tán xạ Compton .......................................................................................16 Hình 1.7. Đồ thị trên tọa độ cực của tiết diện tán xạ Compton ứng với một vài giá trị năng lượng tiêu biểu từ 1keV đến 10 MeV ...........................................................17 Hình 1.8. Phổ của nguồn 137Cs .................................................................................19 Hình 1.9. (a) Tán xạ Compton bởi lớp chì chắn xung quanh detector ....................19 (b) Năng lượng của photon tán xạ theo góc tán xạ .................................19 Hình 1.10. Phổ của tia gamma 1778,9 keV của 28Al .................................................21 Hình 1.11. Sự tạo đỉnh hủy 511 keV trên phổ gamma ..............................................21 Hình 1.12. Phổ bức xạ hãm của electron có năng lượng cực đại 2,8 MeV của 28Al ..22 Hình 1.13. Dạng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector đồng trục loại p trên thang logarit ...................................................................................................23 Hình 2.1. Sơ đồ phân rã Kali (40K)..........................................................................35 Hình 2.2. Chuỗi phân rã Uranium (238U) ..................................................................36 Hình 2.3. Chuỗi phân rã Actinium (235U) .................................................................37 Hình 2.4. Chuỗi phân rã Thorium (232Th) .................................................................38 Hình 2.5. Sơ đồ hệ detector – buồng chì...................................................................43 Hình 3.1. Cắt chuỗi bit của bố mẹ a và b để tạo con c và d .......................................46 Hình 3.2. Đột biến bằng cách đảo bit của ba mẹ a để tạo cá thể con b ......................46 Hình 3.3. Sơ đồ của thuật toán di truyền ..................................................................47 Hình 3.4. Sự biểu diễn di truyền của một nghiệm .....................................................48 Hình 3.5. Phép lai hai điểm ......................................................................................51 Hình 3.6. Các kích thước của hộp đựng mẫu hình học dạng trụ và Marinelli ............56 5 Hình 3.7. Đèn hồng ngoại và dụng cụ làm phẳng mẫu ............................................57 Hình 3.8. Các mẫu đo dạng trụ .................................................................................57 Hình 3.9. Các mẫu đo dạng Marinelli.......................................................................57 Hình 3.10. Sơ đồ khối hiệu chỉnh lệch phổ ...............................................................58 Hình 3.11. Biểu đồ phân tán giữa các hoạt độ tính bằng hai phương pháp ................61 Hình 4.1. Mặt cắt dọc của detector HPGe GC2018 ..................................................63 Hình 4.2. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng 63 keV ......................................................................................................................65 Hình 4.3. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu ở năng lượng 1000 keV ..................................................................................................................66 Hình 4.4. Sự thay đổi của hiệu suất theo chiều cao và bán kính mẫu với các năng lượng khác nhau ở thể tích 150 ml ............................................................................67 Hình 4.5. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng lượng 63 keV ............................................................................................................68 Hình 4.6. Sự thay đổi của hiệu suất theo tỉ số r/h với các thể tích khác nhau tại năng lượng 1000 keV ........................................................................................................69 Hình 4.7. Sự thay đổi của hiệu suất theo mật độ và bán kính mẫu đối với tia gamma năng lượng 63 keV, thể tích mẫu 150 ml ..................................................................70 Hình 4.8. Sự thay đổi của hiệu suất theo thể tích và bán kính mẫu đối với tia gamma năng lượng 63 keV, mật độ mẫu 1,5g/ml ......................................................71 Hình 4.9. Quy luật thay đổi bán kính tối ưu của mẫu đo theo thể tích.......................72 Hình 4.10. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1 và bán kính R tại năng lượng 63 keV khi thể tích mẫu đo bằng 200 ml; hiệu suất đạt giá trị cực đại ứng với R = 4,8cm và h1 = 6,2cm .......................................................73 Hình 4.11. Sự thay đổi của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo chiều cao h1 và bán kính R tại năng lượng 1000 keV khi thể tích mẫu đo bằng 450 ml; hiệu suất đạt giá trị cực đại ứng với R = 5,5cm và h1 = 6,7cm .................................................74 Hình 4.12. Hai hộp đựng mẫu với cấu hình quy ước và cấu hình tối ưu trong [1] .....77 6 Hình 4.13. Hiệu suất tối ưu của dạng trụ và Marinelli theo thể tích mẫu đo với tia gamma năng lượng 100 keV .....................................................................................79 Hì