Thạc Sĩ Khảo sát phông nền và tối ưu hóa hiệu suất cho hệ phổ kế gamma HPGe trong phép đo mẫu môi trường

MỞ ĐẦU

Vấn đề xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ có hoạt độ thấp một cách chính xác và nhanh chóng là một trong những hướng nghiên cứu đã và đang được phát triển. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thiết bị đo đạc bức xạ ngày càng được cải tiến về khả năng phát hiện sự tồn tại và xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong mẫu đo. Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần phải cải thiện quy trình đo từ khâu đầu tiên là chuẩn bị mẫu đo đến khâu cuối cùng là xử lí phổ đo được. Với những mục đích như vậy, luận văn này được thực hiện tập trung vào hai khâu quan
trọng là cải thiện quy trình chuẩn bị mẫu đo và xử lí phổ đo được. Trong việc xác định hoạt độ của các mẫu phóng xạ, phương pháp phổ biến nhất là phương pháp Window Analysis (WA) truyền thống. Trong phương pháp này, trước tiên diện tích các đỉnh gamma được xác định bởi người dùng hoặc bằng các chương trình có sẵn như Genie-2000 của hãng Canberra. Sau đó, hoạt độ của mẫu sẽ được xác định dựa trên các diện tích đỉnh tính được kết hợp với các thông số như xác suất phát gamma, thời gian đo, hiệu suất ghi nhận của detector, Việc xác định hoạt độ bằng phương pháp này đòi hỏi sự công phu và tốn nhiều thời gian trong việc xử lý. Bên cạnh đó, các hiệu ứng trong quá trình đo đạc như sự trùng phùng thực, tự hấp thụ hay các sai số trong số liệu từ các thư viện hạt nhân sẽ dẫn
đến sự tăng thêm hay giảm bớt diện tích đỉnh và gây sai lệch đáng kể cho kết quả đo bằng phương pháp WA. Để hạn chế điều này, thay vì xác định hoạt độ dựa trên các đỉnh gamma riêng rẽ, chúng ta sẽ sử dụng một phương pháp mới nhằm xác định hoạt độ dựa trên toàn phổ gamma ghi nhận, phương pháp này được gọi là phương
pháp Full Spectrum Analysis (FSA). Do phương pháp FSA lên quan đến việc tính toán trên toàn phổ nên có một số ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống chẳng hạn như loại bỏ phần lớn các sai số do trùng phùng, do trừ phông nền Compton, do thống kê và những sai số về mặt kĩ thuật do hệ đo gây ra. Một ưu điểm nổi bật khác là có thể rút gọn được thời gian tính toán. Trong phương pháp FSA, hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy tồn tại trong mẫu đo được tính dựa trên kĩ thuật làm khớp giữa phổ mẫu đo và các phổ chuẩn thực nghiệm của các đồng vị phóng xạ hiện diện trong mẫu. Một trong những công trình đầu tiên áp dụng phương pháp FSA vào phân tích phổ gamma thu được từ hệ phổ kế HPGe là công trình của Katse Piet Maphoto (2004) [25]. Tác giả đã xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nguyên thủy 238U, 232Th và 40K trong các mẫu cát, đất và quặng. Kết quả cho thấy sự phù hợp khá tốt giữa hai phương pháp WA và FSA. Công trình gần đây nhất về phương pháp FSA là của R.T. Newman và các cộng sự (2008) [29]. Với các mẫu đo khảo sát được, nhóm tác giả cũng đã đạt được sự phù hợp của hai phương pháp này là dưới 10%. Ở trong nước, phương pháp FSA cũng đã lần đầu tiên được tìm hiểu trong khóa luận tốt nghiệp của Lê Thị Hổ (2008) [2]. Tuy nhiên, sai số đạt được trong khóa luận vẫn còn khá cao, khoảng dưới 30%. Do đó, trong luận văn này, tác giả đã tiếp tục nghiên cứu vấn đề này với mục tiêu nhằm đạt được sự phù hợp tốt hơn giữa hai phương pháp.
Trong quá trình đo đạc phóng xạ, bên cạnh việc lựa chọn thiết bị đo và phương pháp xử lý phổ, còn một vấn đề khác đóng vai trò quyết định là phải lựa chọn cấu hình đo sao cho có thể ghi nhận số đếm đỉnh một cách tốt nhất. Do hoạt độ phóng xạ trong mẫu môi trường tương đối thấp nên để tăng số gamma được ghi nhận tại mỗi đỉnh thường phải đo mẫu trong thời gian tương đối dài. Thêm vào đó phải sử dụng lượng mẫu đủ lớn để tăng lượng tia gamma đến bề mặt của detector. Việc sử dụng lượng mẫu bao nhiêu với cấu hình như thế nào để vừa không bị lãng phí mẫu vừa ghi nhận được nhiều tia gamma nhất là một bài toán đã tốn khá nhiều giấy mực của các nhà nghiên cứu. Một trong những nhóm đầu tiên trên thế giới nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa mẫu đo là nhóm của Takashi Suzuki và cộng sự. Trong suốt 5 năm (1983 – 1988) với việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo, các tác giả đã nghiên cứu cấu hình tối ưu dạng Marinelli trên detector Ge(Li) đối với các thể tích từ 5–100l trên dải năng lượng từ 100keV đến 2MeV [27][33][34]. Sau đó, vào năm 1991, Chien Chung và cộng sự [11] đã làm thực nghiệm với mẫu đo dạng nước để tìm ra cấu hình tối ưu dạng Marinelli. Công trình này được thực hiện khá công phu và đã đưa ra được các cấu hình tối ưu cho thể tích từ 0,1–4l. Năm 1996, Seppo Klemola [23] sử dụng chương trình máy tính để khảo sát 3 dạng hình học trụ cố định với bán kính nhỏ hơn, lớn hơn và bằng bán kính của detector với thể tích từ 3ml đến 500ml đối với hai loại detector HPGe 99,8% và 39,5%. Trong công trình này, tác giả có so sánh các cấu hình tối ưu dạng trụ và cấu hình dạng Marinelli 500ml nhằm ước lượng cấu hình tối ưu. Tiếp đó, vào năm 1999, M.Barrera và cộng sự [9] đã khảo sát cấu hình tối ưu dạng trụ theo bán kính và chiều cao mẫu bằng mô phỏng Monte Carlo, đồng thời cũng xét đến sự phụ thuộc của cấu hình vào mật độ của mẫu đo trong khoảng từ 100keV đến 2000keV. Năm 2007, Z.B. Alfassi và F. Groppi [8] đã xây dựng công thức bán giải tích và từ đó tìm ra chiều cao tối ưu của mẫu hình trụ đối với một thể tích cho trước. Gần đây nhất, năm 2009, Asm Sabbir Ahmed và cộng sự [7] đã khảo sát cấu hình tối ưu mẫu dạng Marinelli đối với detector HPGe bằng mô phỏng Monte Carlo. Công trình này bị hạn chế do chiều cao của phần hốc được giữ không đổi do đó các cấu hình tìm được chỉ là gần tối ưu. Ở trong nước có thể kể đến luận án tiến sĩ của Võ Xuân Ân [1] năm 2008 về cấu hình tối ưu của mẫu dạng Marinelli thể tích 450ml, tác giả đã khảo sát trên khoảng mật độ mẫu từ 0,8 đến 1,6g/ml và năng lượng từ 255keV đến 1926keV.
Dù cho đã có không ít công trình nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa hình học đo, tuy nhiên chưa có công trình nào khảo sát cấu hình tối ưu của cả hai dạng hình học trụ và Marinelli cùng lúc để giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu hình tối ưu tốt và thuận tiện nhất. Do vậy, trong luận văn này, một sự khảo sát khá toàn diện đã được thực hiện nhằm đưa ra cấu hình tối ưu của mẫu dạng trụ và dạng Marinelli đối với hệ phổ kế HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường ĐHKHNTN TPHCM. Những kết quả thu được từ luận văn sẽ góp phần giúp cho các nhà thực nghiệm có thể lựa chọn cấu hình một cách tốt nhất cho mẫu đo.
Với những mục đích nêu trên, tác giả đã thực hiện luận văn với bố cục bao gồm 4 chương:
Chương 1 – Phổ gamma và các phương pháp xử lý phổ gamma: trình bày các khái niệm cơ bản về phổ gamma, nguyên tắc hình thành phổ gamma, giới thiệu khái quát về hai phương pháp đang được sử dụng để xử lý phổ gamma là phương pháp WA và FSA.
Chương 2 – Phông nền phóng xạ môi trường: trình bày về nguồn gốc hình thành phông nền phóng xạ môi trường, các loại phông nền phóng xạ, khảo sát các chuỗi và đồng vị phóng xạ có trong phông nền hệ phổ kế HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân.
Chương 3 – Xác định hoạt độ phóng xạ bằng phương pháp Full Spectrum Analysis và thuật toán di truyền: giới thiệu về thuật toán di truyền và ứng dụng của nó trong việc phân tích hoạt độ mẫu bằng phương pháp FSA.
Chương 4 – Tối ưu hóa hình học đo của mẫu thể tích: khảo sát cấu hình tối ưu của các mẫu dạng trụ và Marinelli theo thể tích và năng lượng tia gamma tới.
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
CHƯƠNG 1. PHỔ GAMMA VÀ CÁC PHƯƠNG 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
CHƯƠNG 2. PHÔNG NỀN PHÓNG XẠ MÔI TRƯỜNG 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 (3T) . 33
2.2.2 Cacbon-14 (14C) . 33
2.2.3 Beryllium-7 (7Be) 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
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
FSA SỬ DỤNG 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 (χ2) 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
CHƯƠNG 4. TỐI ƯU 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 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85