BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ BẢO NGỌC

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA
HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN
VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ
CỦA MẪU MƠI TRƯỜNG

Chun ngành: Vật Lý Học

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA
HIỆU SUẤT GHI ĐỈNH NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN
VÀO THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ
CỦA MẪU MÔI TRƯỜNG

Người thực hiện: Trần Thị Bảo Ngọc
Người hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Quang Vương

Chuyên ngành: Vật Lý Học

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


i

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện khóa luận, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các
Thầy Cô, bạn bè và gia đình. Đặc biệt em xin gửi đến ThS. Lê Quang Vương, giảng
viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, thành phố Hồ
Chí Minh lời cảm ơn chân thành. Thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều
trong suốt q trình làm khóa luận. Q trình được thầy hướng dẫn, em đã học hỏi
được nhiều kiến thức mới, phương pháp làm việc khoa học và có những định hướng
cho tương lai.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm
Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu để em có đủ nền tảng
kiến thức để thực hiện đề tài này. Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận đã dành
thời gian để đọc, phát hiện sai sót và có những góp ý quý giá giúp khóa luận hồn
thành tốt hơn.
Em cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Cử nhân Vật lý A K42; các anh chị,
bạn bè tại phịng thí nghiệm Vật lý Hạt Nhân, trường Đại học Sư Phạm Thành phố
Hồ Chí Minh đã ln đồng hành, giúp đỡ và động viên để em có thể hồn thành tốt
khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và các thành viên trong gia
đình đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung làm việc và hồn
thành khóa luận.


Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

HPGe

IAEA

Tiếng Anh

High Purity Germanium

Tiếng Việt
Đầu dò bán dẫn Germanium siêu
tinh khiết

International Atomic Energy

Cơ quan năng lượng nguyên tử

Agency

quốc tế

MCNP


Monte Carlo N Particles

FEPE

Full Energy Peak Efficiency

Chương trình mơ phỏng Monte
Carlo
Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng
tồn phần (hiệu suất đỉnh)

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


iii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................................4
Hình 1.2. Hiệu ứng Compton ......................................................................................4
Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp .........................................................................................6
Hình 1.4. Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U ...................................................................7
Hình 1.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị 232Th .................................................................8
Hình 2.1. Cấu trúc thẻ khai báo ơ mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào .............13
Hình 2.2. Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào...................15
Hình 2.3. Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào ..........16
Hình 2.4. Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào ......17
Hình 2.5. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dị HPGe .................................................18
Hình 3.1. Mơ hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6 ...........21
Hình 3.2. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEARGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV) ......................................................................................22

Hình 3.3. Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEARGU-1 (0,5 MeV – 3 MeV) ......................................................................................23

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 ..............................12
Bảng 2.2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 ...........................................14
Bảng 2.3. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 .....................................................16
Bảng 2.4. Thơng số hình học của đầu dò GEMP4-83 do nhà sản suất cung cấp......18
Bảng 2.5. Thông số của mẫu chuẩn ..........................................................................19
Bảng 2.6. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn .................19
Bảng 2.7. Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn ................20
Bảng 3.1. Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn...........................................22
Bảng 3.2. Hoạt độ các mẫu chuẩn .............................................................................24
Bảng 3.3. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGU-1 .................25
Bảng 3.4. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-1 ...............26
Bảng 3.5. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-434.......................26
Bảng 3.6. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447.......................27
Bảng 3.7. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính tốn bằng mơ phỏng
của mẫu IAEA-RGU-1 ..............................................................................................28
Bảng 3.8. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính tốn bằng mơ phỏng
của mẫu IAEA-RGTh-1 ............................................................................................29
Bảng 3.9. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính tốn bằng mơ phỏng
của mẫu IAEA-434 ...................................................................................................29
Bảng 3.10. Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính tốn bằng mơ phỏng
của mẫu IAEA-447 ...................................................................................................30


Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. iv
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................3
1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất ..........................................................3
1.1.1. Hiệu ứng quang điện ...............................................................................3
1.1.2. Hiệu ứng Compton ..................................................................................4
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp .....................................................................................5
1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ .......................................................................................7
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U ..............................................................7
1.2.2. Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th .............................................................7
1.3. Hiệu suất ghi đầu dị .............................................................................................8
1.3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng tồn phần ...............................................8
1.3.2. Đường cong hiệu suất .............................................................................9
1.4. Tóm tắt Chương 1 ..............................................................................................10
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................11
2.1. Chương trình MCNP6 ........................................................................................11
2.1.1. Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 ..............................11
2.1.1.1. Khai báo ơ mạng (Cell Cards) ........................................................13
2.1.1.2. Khai báo mặt (Surface Cards) ........................................................14
2.1.1.3. Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards) ..................................................15
2.2. Hệ phổ kế sử dụng đầu dị HPGe .......................................................................17


Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


vi
2.3. Mẫu chuẩn ..........................................................................................................18
2.4. Tóm tắt Chương 2 ..............................................................................................20
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................21
3.1. Bố trí thí nghiệm ................................................................................................21
3.2. Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần cho các mẫu chuẩn ............23
3.3. Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mơ
phỏng .........................................................................................................................28
3.4. Tóm tắt Chương 3 ..............................................................................................31
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 32
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 34
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 36

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


1

LỜI MỞ ĐẦU
Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe)
được sử dụng phổ biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát
gamma trong mẫu mơi trường nhờ vào những ưu điểm của nó như: khả năng phân tích
nhiều đồng vị, độ chính xác cao. Điều cần thiết ở kỹ thuật đo phổ gamma là phải xác
định hiệu suất đỉnh năng lượng tồn phần của đầu dị. Hiệu suất đỉnh năng lượng tồn
phần phụ thuộc vào hình dạng, thành phần, mật độ của mẫu đo và năng lượng bức xạ

gamma phát ra. Các phịng thí nghiệm phân tích mơi trường thường sử dụng các mẫu
chuẩn đã biết trước hoạt độ được cung cấp từ IAEA để đánh giá đường cong hiệu suất
cho mẫu đo có dạng hình học nhất định [9,10,11]. Một trong những mẫu môi trường
phổ biến cho phép đo phổ gamma là mẫu đất, nó rất quan trọng đối với nghiên cứu địa
chất và phân tích mối nguy hiểm phóng xạ mơi trường.
Một số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến đề tài khóa luận như:
năm 2012, S. Baccouche cùng cộng sự [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn
hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) và CsI(Tl) cho phép đo gamma từ các mẫu đất. Năng
lượng được chọn là các đỉnh 1460 keV ( 40 K ), 1764 keV ( 214 Bi ) và 2614 keV ( 208 Tl
). Độ lệch của hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm cho hai đầu dị CsI(Tl) và
NaI(Tl) đều khơng vượt q 4%, ngoại trừ hiệu suất đối với năng lượng 2614 keV là
9%. Năm 2018, S. Mohammad và S. Farhad Masoudi [10] nghiên cứu về sự thay đổi
hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tố trong các mẫu môi trường bằng cách
so sánh sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 mẫu chuẩn IAEARGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất. Trong nghiên cứu này, nhóm tác
giả dùng chương trình MCNP để mơ phỏng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe
GEM80P4-95 do hãng ORTEC cung cấp. Các đỉnh năng lượng được chọn để khảo sát
là 63,3 keV ( 234 Th ), 92,78 keV ( 234 Th ), 143,76 keV ( 235 U ) trong mẫu IAEA-RGU1; 238,6 ( 212 Pb ), 583,2 keV ( 208 Tl ), 911,2 keV ( 228 Ac ) đối với mẫu IAEA-RGTH-1
và 1460,8 keV ( 40 K ) trong mẫu IAEA-RGK-1. Mẫu chuẩn có dạng hình học Marinelli
và được đặt tại vị trí sát mặt đầu dị. Thành phần ngun tố chứa trong các mẫu được
xác định bằng phương pháp huỳnh quang tia X. Nhóm tác giả sử dụng các thành phần
nguyên tố này để tính tốn hiệu suất đỉnh cho các mẫu trong mơ phỏng. Kết quả độ sai

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


2
biệt của hiệu suất đỉnh giữa ba mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK1 và 5 mẫu đất không vượt quá 8%, ngoại trừ tại đỉnh năng lượng 63,3 keV có độ sai
biệt là 8,32%.
Từ các cơng trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đề tài là "Nghiên cứu sự
phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần ngun tố của

mẫu mơi trường". Mục đích của khóa luận này là xác định hiệu suất đỉnh năng lượng
toàn phần của các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp. Bên cạnh đó, khóa luận cịn thực
hiện đánh giá hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp dụng phương pháp
Monte Carlo. Đánh giá sự ảnh hưởng của thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu
chuẩn lên hiệu suất đỉnh. Dựa theo các nội dung trên, khóa luận được chia thành ba
chương:
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ gamma với vật chất; chuỗi
phân rã phóng xạ của các đồng vị

238

U,

232

Th ; các khái niệm về hiệu suất ghi đỉnh

năng lượng toàn phần.
Chương 2 giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu bao gồm: cấu trúc
tệp đầu vào của chương trình MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và các
mẫu chuẩn.
Chương 3 kết quả và thảo luận. Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố
trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và đánh giá kết quả hiệu
suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


3
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thơng
qua các q trình hấp thụ và tán xạ. Đối với q trình hấp thụ, bức xạ gamma truyền
tồn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mất. Đối với quá trình tán xạ, bức xạ
gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và bị tán xạ (sau quá trình
tán xạ, bức xạ gamma bị lệch đi một góc so với phương chuyển động ban đầu). Tùy
theo năng lượng của photon tới, bức xạ gamma có thể tương tác với vật chất theo nhiều
cơ chế. Tuy nhiên, trong ghi đo bức xạ chỉ có hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton
và hiệu ứng tạo cặp là ba cơ chế tương tác chính tham gia vào việc tạo thành tín hiệu
xung trong đầu dị.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của
nguyên tử và truyền tồn bộ năng lượng cho các electron đó để nó thốt ra khỏi ngun
tử. Theo định luật bảo tồn năng lượng thì động năng cực đại của quang electron bằng
hiệu năng lượng bức xạ gamma tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân:
E e = E  − E lk

(1.1)

trong đó:

E e là động năng cực đại của electron.
E  là năng lượng của photon tới.

Elk là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử.
Từ biểu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ gamma tới
lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Năng lượng liên kết của
electron giảm dần theo các lớp K, L, M,…Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới nhỏ
hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện xảy ra đối với
các electron ở lớp xa hạt nhân hơn.


Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


4

Hình 1.1. Hiệu ứng quang điện
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Khi năng lượng gamma tới tăng lên đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng
liên kết của các electron lớp K trong ngun tử thì vai trị của hiệu ứng quang điện
khơng cịn đáng kể và bắt đầu chuyển sang hiệu ứng Compton. Khi đó, có thể bỏ qua
năng lượng liên kết của electron và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được
xem như tán xạ với electron tự do.
Sự va chạm giữa bức xạ gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử
(xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton. Sau quá trình tán xạ, bức xạ
gamma thay đổi hướng bay so với ban đầu và bị mất một phần năng lượng, electron
được giải phóng ra khỏi ngun tử. Q trình tán xạ Compton được mơ tả qua Hình
1.2.

Hình 1.2. Hiệu ứng Compton
Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ
gamma và electron sau tán xạ được thể hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]:

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


5

E ' =


E
1+

E
me c2

(1 − cos)

 E

E    2 (1 − cos ) 
mc

E e = E  − E ' =  e
E
1+
(1 − cos )
mec2

(1.2)

(1.3)

trong đó:
E  là năng lượng của bức xạ gamma tới.
E  ' là năng lượng của bức xạ gamma sau tán xạ.

E e là động năng cực đại của electron.

 là góc bay của gamma sau tán xạ.

Khi tán xạ Compton, năng lượng bức xạ gamma giảm và phần năng lượng đó truyền
cho electron. Như vậy, động năng electron càng lớn khi gamma tán xạ với góc  càng
lớn. Dựa theo biểu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đối với động năng
electron E e sau tán xạ phụ thuộc vào góc θ:
Khi  = 0o thì ( E e )min = 0 , bức xạ gamma sau tán xạ mang năng lượng gần bằng
năng lượng gamma tới E  = E  ' .
Khi  = 1800 thì ( E e )max =

2E  
1 + 2

electron tức là khi tán xạ giật lùi với  =
1.1.3.

, gamma truyền năng lượng lớn nhất cho

E
me c2

.

Hiệu ứng tạo cặp

Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng E   1,02 MeV thì khi đi qua điện
trường của hạt nhân nó tạo ra một cặp electron – positron. Đây gọi là hiệu ứng tạo cặp

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


6

electron – positron. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng của electron
và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E  − 2m ec 2 [1]:
E e+ + E e− = E  − 2m ec 2

(1.4)

trong đó:
E  là năng lượng của bức xạ gamma tới.

E e+ , E e− lần lượt là động năng của positron và electron.

Hình 1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Electron và positron thường di chuyển vài milimet trong vật liệu trước khi bị môi
trường hấp thụ năng lượng. Do hai hạt có khối lượng như nhau nên có xác suất lớn để
hai hạt có năng lượng bằng nhau. Electron sẽ mất dần năng lượng của mình để ion hóa
các ngun tử mơi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của
ngun tử, điện tích của chúng bị trung hịa và hủy lẫn nhau, đây là hiệu ứng hủy cặp.
Quá trình hủy cặp electron – positron tạo ra hai bức xạ gamma bay ngược chiều nhau,
mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV. Hai bức xạ này có thể bị hấp thụ hoặc thốt
ra khỏi đầu dị và tạo thành các đỉnh thoát trong phổ gamma. Nếu một bức xạ thốt ra

(

)

khỏi đầu dị thì đỉnh quan sát được có năng lượng E  − mec2 gọi là đỉnh thoát đơn.
Nếu cả hai bức xạ đều thốt ra ngồi thì xuất hiện đỉnh thốt có năng lượng

(E




)

− 2m ec 2 gọi là đỉnh thốt đơi.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


7
1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ
Uranium và thorium là các đồng vị phóng xạ khơng bền. Chúng tự phân rã bằng
cách phát ra các hạt alpha, beta và bức xạ gamma thành các đồng vị con, quá trình phân
rã tạo thành chuỗi cho đến khi chuỗi kết thúc bằng một đồng vị bền. Trong tự nhiên
uranium có ba đồng vị 238U, 235U, 234U; đồng vị 238U chiếm tỷ lệ nhiều nhất (99,25%).
Thorium trong tự nhiên chỉ có một đồng vị duy nhất là 232Th. Để đo phổ gamma của
các đồng vị này, cần hiểu rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tính chất
của các đồng vị con có mặt trong chuỗi. Trong khóa luận này quan tâm nghiên cứu đến
các đồng vị phóng xạ phát bức xạ gamma trong chuỗi 238U và 232Th
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị

238

U

Hình 1.4 mơ tả chuỗi phân rã của đồng vị

238

U. Trong tự nhiên,


238

U chiếm

99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm. Đồng vị 238U
phân rã alpha thành đồng vị 234Th. Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị
cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bền 206Pb.

Hình 1.4. Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U [7]
1.2.2.

Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th

Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th được đưa ra trong Hình 1.5. Chuỗi phân rã này
có 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma. Có thể dùng phổ kế gamma để đo đỉnh năng lượng
của các đồng vị 228Ac (911,2 keV, 968,9 keV), 212Pb (238,6 keV), và 208Tl (583,2 keV,
2614,5 keV) một cách dễ dàng.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


8

Hình 1.5. Sơ đồ phân rã của đồng vị

232

Th [7]


Trong Hình 1.5, đồng vị 212Bi bị phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po.
Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi trở thành đồng vị 208Tl bằng cách phát ra hạt alpha với
xác suất phân nhánh là 35,96%. Nhánh thứ hai, 212Bi phân rã beta về đồng vị 212Po với
xác suất 64,06% nhưng lại không đo được bằng phép đo phổ gamma. Vì vậy, nếu sử
dụng 208Tl để xác định hoạt độ của 232Th thì cần phải lấy hoạt độ của 208Tl chia cho xác
suất phân nhánh là 35,96%.
1.3. Hiệu suất ghi đầu dò
1.3.1. Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE - full energy peak efficiency) là xác
suất của một photon phát ra từ nguồn mất tồn bộ năng lượng của nó trong thể tích
vùng hoạt của đầu dị. Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được
xác định bằng biểu thức (1.5) [8]:

p =

N p (E)
AtI  (E)m

trong đó:
N p ( E ) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần.

A là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg).

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE

(1.5)


9


t là thời gian đo (s).
I  (E ) là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%).

m là khối lượng mẫu đo (kg).
Sai số hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo công thức truyền
sai số [2]. Do sai số của cân điện tử là 0,001g và đo trong khoảng thời gian lớn nên sai
2

2

 t 
 m 
số thời gian và sai số khối lượng có thể được bỏ qua 
 = 0,   = 0 . Vậy hiệu
m
 t 
suất đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo biểu thức (1.6):

 p =  p

2
2
 A    N   I 

  +   + 
 A   N   I  

2

(1.6)


trong đó:

A là sai số hoạt độ của nguồn.
 N là sai số diện tích đỉnh năng lượng tồn phần.
I là sai số xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng.
1.3.2. Đường cong hiệu suất
Đường cong hiệu suất được ứng dụng để tiến hành phân tích xác định hoạt độ
phóng xạ riêng của mẫu đo [4] hoặc dùng để khảo sát sự phụ thuộc của đường cong
hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò [3]. Đối với mỗi loại đầu dị lại có
những dạng đường cong hiệu suất khác nhau. Đối với đầu dò dạng đồng trục, có nhiều
hàm khớp trong khoảng năng lượng từ 46,5 KeV đến 2641,5 KeV. Để thể hiện mối
liên hệ giữa hiệu suất  và năng lượng E theo thang logarit, ta thường sử dụng biểu
thức (1.7) [5]:

log  =  a i ( log E )

i

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE

(1.7)


10
trong đó,  , E và a i lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng đỉnh và các
hệ số có được từ việc làm khớp hàm.
Hiệu suất ghi nhận của đầu dò bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: khoảng cách từ
mẫu đo tới đầu dị, yếu tố hình học của mẫu đo, kích thước vật liệu của mẫu đo, hiệu
ứng trùng phùng tổng, sự tự hấp thụ của mẫu [7].

1.4. Tóm tắt Chương 1
Trong Chương 1, khóa luận đã trình bày về tương tác giữa bức xạ gamma với vật
chất; chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ

238

U , 232 Th và các khái niệm liên quan

đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng tồn phần của đầu dị. Các vấn đề trên là nền tảng
cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh
năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của các mẫu chuẩn được đề cập tới
trong Chương 3.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


11
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Chương trình MCNP6
Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là một trong số các phiên bản
của MCNP với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm quang
hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler. MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt
ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mơ tả hình học ba chiều do
đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học. Thơng qua phần mềm Visual Editor, sử
dụng chương trình MCNP6 cần phải mơ tả chi tiết về cấu hình, vật liệu và nguồn. Cấu
hình đầu dị và nguồn được định nghĩa trong khơng gian ba chiều. Vật liệu cần xác
định được khối lượng riêng, thành phần các đồng vị có mặt trong đó. MCNP6 có thể
mơ tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguồn trụ...) cũng như các thông số
nguồn như năng lượng, vị trí, loại bức xạ. Bên cạnh đó, người dùng có thể điều chỉnh
dạng hạt, thơng lượng hạt, năng lượng mất mát theo các mục đích khác nhau. Một ưu

điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ, giúp
người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý trong q trình chạy mơ phỏng. Chính
vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt
nhân.
2.1.1. Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6
Để chạy mơ phỏng từ nguồn đến đầu dị, một bài tốn sử dụng chương trình
MCNP cần có đủ ba Cards tương ứng với ba phần dữ liệu:
• Khai báo ơ mạng (Cell Cards).
• Khai báo mặt (Surface Cards).
• Khai báo dữ liệu (Data Cards).
Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau:

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


12
Bảng 2.1. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6
Mơ tả
Thẻ tiêu đề

Cấu trúc
C HPGe GEM50P4-83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM
C 24-April-2019
C ****************** BLOCK 1: CELL CARDS ********

Cell Cards

C ----------------------Cell HPGe---------------1

2 -5.3230 (-26 5 -27):(27 -24 5):(-5 6 29 -16):(-6 7 15 -16)


IMP:P,E=1

$Ge

<Dòng trống> Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards.
C *************BLOCK 2: SURFACE CARDS*******
C -----------------------HPGe----------------Surface Cards
C ----------------------PLANE----------------1

PZ 0.0

<Dòng trống> Phân cách giữa Surface Cards và Surface Cards.
C *************BLOCK 3: DATA CARDS*********
MODE P
Data Cards

C -----------------MATERIAL CARDS---------M1 13000 -1.000000

$Al

density 2.6989
Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào:
• Khơng sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào,
chỉ sử dụng phím [Spacebar].
• Kí tự ‘C’ đặt ở đầu dịng và kí tự ‘$’ ở cuối dịng cho phép người dùng ghi chú
những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa. MCNP sẽ khơng thực hiện
các dịng ghi chú này trong khi chạy chương trình.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE



13
• Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối
lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm3), tiết diện (barn).
2.1.1.1. Khai báo ô mạng (Cell Cards)
Cell là một vùng khơng gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa
trong phần Surface Cards). Nó được hình thành bằng cách thực hiện các tốn tử giao,
hội và bù các vùng khơng gian tạo bởi các mặt. Mỗi mặt chia không gian thành hai
vùng với các giá trị dương và âm tương ứng. Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell
number), số vật chất (material number), mật độ vật chất (material density) và một dãy
các mặt (surfaces) có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thơng qua các tốn tử giao
(khoảng trắng), hội (:), bù (#) để tạo thành cell.
Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]:
j

m

d

geom

params

Trong đó:
• j là chỉ số Cell.
• m là chỉ số vật chất trong Cell.
• d là mật độ của vật liệu trong Cell, mang dấu “+” nếu tính theo đơn vị nguyên
tử/cm3 và dấu “-“ nếu tính theo đơn vị g/cm3.
• geom mơ tả các mặt giới hạn Cell.

• params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp đầy, hệ số chuyển trục
tọa độ…
Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mơ tả qua Hình 2.1:

Hình 2.1. Cấu trúc thẻ khai báo ơ mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


14
2.1.1.2. Khai báo mặt (Surface Cards)
Để tạo ra các vùng khơng gian hình học phục vụ cho việc mơ phỏng, MCNP cung
cấp một số các dạng mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ...(có tất cả gần 30
loại mặt cơ bản). Các khối hình học mơ phỏng được tạo thành bằng cách kết hợp các
vùng không gian giữa các mặt với nhau thơng qua các tốn tử giao, hội và bù. Cú pháp
khai báo một mặt trong Suface Cards như sau:
j

n

a

list

Trong đó:
• j là chỉ số mặt.
• n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu khơng chuyển toạ độ.
• a là kí hiệu loại mặt. Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vng góc với trục Ox.
• list là các tham số định nghĩa mặt.
Trong mơ phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng,

mặt cầu và mặt elip. Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thể hiện ở
Bảng 2.1:
Bảng 2.2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6]
Ký
hiệu

Mơ tả

Phương trình

Tham số

PZ

Mặt phẳng
⊥ trục OZ

z−D =0

D

CZ

Mặt trụ trên
trục OZ

x 2 + y2 − R 2 = 0

R


SZ

Mặt cầu tâm
trên trục Oz

x 2 + y2 + ( z − z ) − R 2 = 0

zR

TZ

Mặt xuyến
ellipse hoặc
tròn
trục
song song
với trục OZ

2

(z − z )
B2

2



+

(x − x)


2

+ ( y − y)
C2

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE

2

2

− A 
 −1 = 0

x y z ABC


15
Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mơ tả qua Hình 2.2:

Hình 2.2. Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào
2.1.1.3. Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards)
Thẻ dữ liệu (Data Cards) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho
phép người dùng khai báo thơng tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo
trong những ơ mạng.
Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với
bài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt
(SSR/SSW). Để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính
chất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.

Trong mơ phỏng của khóa luận này sử dụng nguồn tổng quát (SDEF). Cú pháp khai
báo nguồn tổng quát trong Data Cards như sau:
SDEF

Thông số 1

Thông số 2

Thông số 3

…

Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2.3. Trong mơ phỏng của khóa
luận, ngồi những giá trị mặc định của các thơng số trong khai báo nguồn tổng quát
còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8. Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trị như
một đầu dị vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp thông tin về năng lượng bị mất
trong một cell. Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần
mất trong đầu dị. Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được mơ tả
qua Hình 2.3.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


16
Bảng 2.3. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 [6]
Ý nghĩa

Thông số
CELL


Số hiệu cell của nguồn

AXS

Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT

POS

Toạ độ vị trí nguồn, mặc định: (0,0,0)

RAD

Bán kính quét từ POS hoặc từ AXS, mặc định: 0

EXT

Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS

ERG

Năng lượng (MeV), mặc định 14 MeV

PAR

Loại hạt phát ra từ nguồn, 1: neutron, 2: photon, 3: electron

Hình 2.3. Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào
Khai báo vật liệu (Material Cards)
Material Cards mô tả loại vật liệu được lấp đầy trong cell trong q trình mơ phỏng.
Các thành phần trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố

thành phần và tỉ lệ phần trăm của nguyên tố đó trong vật chất. Cú pháp khai báo:
Mm

ZAID1

fraction1

ZAID2

fraction2

…

Trong đó:
m là chỉ số của vật liệu.
ZAID là số hiệu xác định đồng vị có dạng ZZZAAA (với ZZZ là số hiệu
nguyên tử, AAA là số khối). Trong khi khai báo đồng vị, số hiệu nguyên tử

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE


17
ZZZ không nhất thiết phải viết đủ 3 chữ số, đối với các đồng vị tự nhiên
AAA=000. Ví dụ để khai báo đồng vị

16
8

O có thể viết 8016 hoặc 8000.


fraction là tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu. Tỉ lệ đóng góp của đồng
vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số ngun tử có trong hợp chất nếu
mang giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu mang giá trị âm.
Ví dụ về Material Cards trong file input của khóa luận được mơ tả qua Hình 2.4:

Hình 2.4. Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào
Trong đó, các thơng số từ dịng M1 đến M8 là vật liệu tham khảo từ quy định về vật
liệu mô tả trong MCNP [8], M9 là vật liệu của mẫu chuẩn [9,11].
2.2. Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe
Hệ phổ kế được dùng trong khóa luận này là hệ phổ kế gamma phông thấp đặt tại
Viện y tế công cộng được đưa ra trong Hình 2.5. Hệ bao gồm: đầu dò HPGe GEMP483; bộ tiền khuếch đại; thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn ni cao thế, khối khuếch
đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, đầu dò được làm lạnh
bằng Ni-tơ lỏng; buồng chì che chắn. Các thơng số của đầu dị do nhà sản suất cung
cấp được đưa ra trong Bảng 2.4. Hệ phổ kế được kết nối với máy tính thơng qua cổng
cáp, việc ghi nhận và xử lí phổ được thực hiện bằng chương trình chun dụng Meastro.

Khóa luận tốt nghiệp HCMUE