Luận Văn Luận Án TS vật lý Áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để nâng cao chất lượng hệ phổ kế Gamma sử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ PHỔ KẾ GAMMA
SỬ DỤNG ĐẦU DÒ BÁN DẪN HPGe
Chuyên ngành: Vật lý Hạt nhân
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NĂM - 2009

MỤC LỤC ( Luận văn dài 168 trang)
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Bảng các chữ viết tắt ix
Danh mục các bảng . xiii
Danh mục các hình vẽ .xvii
Mở đầu .1


Chương 1. Tổng quan . 6
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu đặc trưng của hệ phổ kế gamma 6
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8
1.1.2. Tình hình ứng dụng phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng vận chuyển bức xạ tại Việt Nam 22
1.1.3. Những vấn đề liên quan đến luận án .24
1.2. Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe – các đặc trưng về năng lượng, đáp ứng phổ và hiệu suất. .28.
1.2.1. Đầu dò germanium siêu tinh khiết 29
1.2.2. Dạng đáp ứng của đầu dò đối với bức xạ gamma đơn năng .32
1.2.3. Hiệu suất 37
1.3. Chương trình MCNP .39
1.3.1. Giới thiệu 39
1.3.2. Các đặc trưng của phần mềm mô phỏng vận chuyển bức xạ đa năng MCNP 41
1.4. Kết luận chương 1 .44


Chương 2. Mô phỏng hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP 45
2.1. Mô tả hệ phổ kế gamma HPGe dùng trong thực nghiệm và mô phỏng 45
2.1.1. Đầu dò .46
2.1.2. Buồng chì 47
2.1.3. Nguồn chuẩn .48
2.2. Mô hình hóa hệ phổ kế gamma .51
2.2.1. Đánh giá độ cao xung và hiệu suất đầu dò – Tally F8 .51
2.2.2. Mô phỏng Monte Carlo hệ phổ kế gamma HPGe dùng MCNP .52
2.2.3. Kiểm tra độ tin cậy bước đầu của mô hình .55
2.3. Khảo sát hàm đáp ứng của hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP. .58
2.3.1. Giới thiệu 58
2.3.2. Mô phỏng hàm đáp ứng của đầu dò HPGe đối với nguồn 60Co đặt ở khoảng cách 10,6 cm so với mặt đầu dò .58
2.3.3. Khảo sát sự hấp thụ tia X đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì .63
2.3.4. So sánh phổ mô phỏng khi có và khi không có buồng chì 65
2.3.5. So sánh phổ mô phỏng nguồn 60Co khi đặt trong buồng chì ở khoảng
cách gần 2,4 cm và khoảng cách xa 10,6 cm .67
2.3.6. Nghiên cứu đáp ứng của đầu dò HPGe với gamma năng lượng thấp
dưới 100 keV bằng MCNP5 với kỹ thuật SSW-SSR 68
2.4. Kết luận chương 2 .77


Chương 3. Hiệu chuẩn hiệu suất ghi hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe sử dụng chương trình MCNP .78
3.1. Hiệu chỉnh trùng phùng tổng trong hệ phổ kế gamma đối với nguồn 60Co dạng điểm bằng chương trình MCNP 78
3.1.1. Thuật toán kết hợp phổ mô phỏng đỉnh đơn thành phổ mô phỏng có trùng phùng .79
3.1.2 Các phương pháp xác định hệ số trùng phùng 80
3.1.3. Mô phỏng phổ đỉnh đơn và phổ trùng phùng đối với nguồn 60Co .81
3.1.4. Xác định hệ số trùng phùng đối với nguồn 60Co .83
3.2. Khảo sát hiệu suất của hệ phổ kế gamma HPGe đối với hình học mẫu thể
tích bằng MCNP - Đánh giá ảnh hưởng của matrix và mật độ lên hiệu suất 84
3.2.1. Giới thiệu 85
3.2.2. Hình học mẫu khảo sát .85
3.2.3. Mô phỏng đường cong hiệu suất đỉnh theo matrix và theo mật độ 85
3.2.4. Áp dụng xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ trong một số mẫu
chuẩn của IAEA 95
3.3. Kết luận chương 3 .101


Chương 4. Khử miền liên tục phổ gamma sử dụng thuật toán ML-EM và chương trình mô phỏng MCNP 103
4.1. Giới thiệu .103
4.2. Các phương pháp thực hiện .105
4.2.1. Phương pháp giải cuộn dùng thuật toán ML-EM .105
4.2.2. Mô phỏng ma trận đáp ứng bằng chương trình MCNP 107
4.2.3. Nội suy đáp ứng .108
4.2.4. Xây dựng chương trình giải cuộn phổ gamma .113
4.3. Khử miền liên tục phổ gamma của một số nguồn gamma dạng điểm bằng thuật toán ML-EM và chương trình MCNP – Đánh giá hiệu quả của việc giải cuộn. .114
4.3.1. Xây dựng ma trận đáp ứng .114
4.3.2. Giải cuộn phổ đo 115
4.4. Thử nghiệm khử miền liên tục phổ gamma trong phân tích mẫu môi trường hình học mẫu Marinelli bằng thuật toán ML-EM và chương trình MCNP .119
4.4.1. Mẫu môi trường - Mẫu chuẩn – Hình học mẫu .119
4.4.2. Kết quả và thảo luận .120


4.5. Kết luận chương 4 .124
Kết luận chung .126
Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo .130
Danh mục các công trình .131
Tài liệu tham khảo .134
Phụ lục .146
Phụ lục 1: Các đặc trưng của nguồn phóng xạ dạng điểm .146
Phụ lục 2: Thông tin về đầu dò HPGe GC2018 .148

DANH MỤC CÁC BẢNG
Chương 1
2.1.Hoạt độ theo Bq/kg của các đồng vị phóng xạ có trong chuẩn IAEA – 375
2.2. Thông tin về hoạt độ phóng xạ (Bq/kg) của các mẫu RGU1, RGTh1, RGK1
2.3. Thông tin về mật độ mẫu
2.4. Dữ liệu đo phổ nguồn 137Cs và 22Na theo khoảng cách
2.5.So sánh hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm đối với 137Cs
2.6. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm đối với 22Na (1274 keV)
2.7. Đánh giá tỷ lệ diện tích đỉnh tán xạ, đỉnh toàn phần của phổ thực nghiệm so với phổ mô phỏng của nguồn 60Co
2.8.So sánh các diện tích đỉnh tán xạ, đỉnh toàn phần của phổ mô phỏng nguồn 60Co khi buồng chì có và không có hai lớp thiếc (Sn) và đồng (Cu)
2.9. Đánh giá tỷ lệ hấp thụ trung bình các tia X đặc trưng của chì từ lớp thiếc 1mm và đồng 1,5mm
2.10. Đánh giá tỷ lệ tham gia các đỉnh trong phổ nguồn 60Co khi có và không có buồng chì với khoảng cách nguồn - đầu dò 10,6cm
2.11. Đánh giá tỷ lệ tham gia các đỉnh trong phổ mô phỏng nguồn 60Co ở hai khoảng cách 2,4cm và 10,6cm
2.12. Đánh giá hiệu suất đỉnh, hiệu suất toàn phần và tỷ số P/T của phổ mô phỏng nguồn 241Am với các trường hợp khác nhau
2.13. Đánh giá sự sai biệt % tỷ số P/T của phổ mô phỏng nguồn 241Am với các trường hợp khác nhau
2.14. Đánh giá hiệu suất đỉnh, hiệu suất toàn phần và tỷ số P/T của phổ mô phỏng nguồn 109Cd với các trường hợp khác nhau
2.15. Đánh giá sự sai biệt % tỷ số P/T của phổ mô phỏng nguồn 109Cd với các trường hợp khác nhau
2.16. Đánh giá ảnh hưởng của mode P E so với mode P lên việc xác định tỷ số P/T của các đỉnh năng lượng trong phổ hỗn hợp đa năng năng lượng thấp
3.1. Xác định hiệu suất đỉnh và hiệu suất toàn phần từ phổ mô phỏng đơn năng của hai nguồn 60Co theo các vị trí nguồn khác nhau so với mặt đầu dò
3.2. So sánh hiệu suất đỉnh của phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng 60Co kết hợp
3.3. So sánh hệ số trùng phùng tính từ công thức (3.2) và công thức (3.3)
3.4. Thành phần hóa học của các matrix cần khảo sát
3.5. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng với matrix không khí ( ε0 )
3.6. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các matrix khác nhau tại mật độ 0,5 g/cm3
3.7. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các matrix khác nhau tại mật độ 1,0 g/cm3
3.8. Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng theo năng lượng với các matrix khác nhau tại mật độ 2,0 g/cm3
3.9. Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 0,5 g/cm3với năng lượng gamma tới khác nhau
3.10. Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 1,0 g/cm3với năng lượng gamma tới khác nhau
3.11. Sự thay đổi hiệu suất theo matrix mẫu tại mật độ 2,0 g/cm3với năng lượng gamma tới khác nhau
3.12. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu đất
3.13. Giá trị a, b và hệ số tương quan r từ việc khớp f theo ρ dạng
3.14. Các giá trị a,b theo năng lượng đối với mẫu IAEA-375
3.15. Kết quả tính f, ε0 và ε ở một vài năng lượng đối với mẫu chuẩn IAEA-375 hình học Marinelli đang khảo sát
3.16. Số liệu diện tích đỉnh lấy từ phổ IAEA-375 với một số năng lượng đặc trưng
3.17. Hoạt độ tính toán được của các đồng vị trong mẫu IAEA-375
3.18. So sánh hoạt độ của các đồng vị khảo sát trong mẫu chuẩn IAEA-375 với thông tin từ nhà sản xuất.
3.19. Kết quả tính a, b của RGU1, RGTh1 và RGK1
3.20. Kết quả tính f, ε0 và ε ở một vài năng lượng khảo sát đối với mẫu chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1 hình học Marinelli
3.21. Thông tin về diện tích đỉnh S, độ lệch chuẩn tương đối của S, thời gian chết tc trong phổ RGU1, RGTh1 và RGK1
3.22. Kết quả tính toán hoạt độ đồng vị trong RGU1, RGTh1 và RGK1
3.23. So sánh hoạt độ tính toán và hoạt độ cung cấp của nhà sản xuất đối với chuẩn RGU1, RGTh1, RGK1

Chương 4
4.1. So sánh diện tích đỉnh phổ trước và sau khi giải cuộn
4.2. Thông tin về mẫu đo và thời gian đo
4.3. So sánh diện tích đỉnh của phổ đo S1(E) và phổ sau khi giải cuộn S2(E) của mẫu B1 và B2
4.4. So sánh diện tích đỉnh của phổ đo S1(E) và phổ sau khi giải cuộn S2(E) của mẫu RGU1= >vị phóng xạ có trong chuẩn IAEA – 375
4.5.So sánh tỷ số diện tích giữa phổ thực nghiệm và sau khi giải cuộn của các mẫu B1và B2
4.6. So sánh tỷ số diện tích giữa phổ RGU1 và B2 của thựcnghiệm và sau khi giải cuộn

DANH MỤC HÌNH
Chương 1
1.1. 1.1. Sơ đồ khối mô tả ý nghĩa và mối liên hệ giữa các bài toánđược thực hiện trong luận án
1.2. 1.2.Các đặc trưng về năng lượng của các loại đầu dò Ge khác nhau
1.3. Mặt cắt ngang đầu dò Ge đồng trục
1.4. Sơ đồ những bức xạ từ vật liệu che chắn vào đầu dò
1.5. Dạng đáp ứng của đầu dò HPGe đối với nguồn 60Co
Chương 2
2.1. Hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe 2018
2.2. Cấu trúc đầu dò GC2018 ( kích thước theo mm)
2.3. Mặt cắt dọc hệ đầu dò - buồng chì (kích thước theo cm)
2.4. Mặt cắt dọc của nguồn137Cs (kích thước tính theo mm)
2.5.Mặt cắt ngang của nguồn 137Cs (kích thước tính theo mm)
2.6.Mặt cắt dọc của nguồn152Eu (kích thước tính theo mm)
2.7.Mặt cắt ngang của nguồn 152Eu (kích thước tính theo mm)
2.8.Cấu hình nguồn chuẩn giả điểm 60Co mã số GF-060-D
2.9.Hình học mẫu Marinelli (kích thước theo cm)
2.10.Mặt cắt dọc của hệ nguồn - đầu dò - buồng chì vẽ bằng MCNP
2.11. So sánh phổ 60Co mô phỏng dạng vạch và GEB bằng MCNP4C2
2.12. So sánh phổ mô phỏng 60Co dạng GEB sử dụng MCNP4C2 và MCNP5
2.13.a So sánh phổ 60Co thực nghiệm và mô phỏng ở d = 10,6cm theo thang đo thường
2.13.b. So sánh phổ 60Co thực nghiệm và mô phỏng ở d = 10,6cm theo thang đo logarithm
2.14.a. Phổ mô phỏng 60Co khi buồng chì không lót thiếc và đồng
2.14.b.Phổ mô phỏng 60Co khi buồng chì có lót thiếc và đồng
2.15.So sánh vùng năng lượng thấp của phổ mô phỏng 60Co khi có buồng chì và khi không có buồng chì
2.16. So sánh phổ mô phỏng nguồn 60Co khi đặt ở khoảng cách gần 2,4 cm và xa 10,6 cm so với mặt đầu dò
2.17.So sánh phổ gamma 59,5keV của 241Am khi có bổ sung giãn nở Doppler (DB) và khi không bổ sung giãn nở Doppler (NDB) trong trường hợp dùng mode P
2.18. So sánh phổ gamma 59,5 keV của 241Am khi có bổ sung giãn nở Doppler (DB) và khi không bổ sung giãn nở Doppler (NDB) trong trường hợp dùng mode P E
2.19. So sánh phổ mô phỏng gamma năng lượng 59,5 keV trong bốn trường hợp: NDB mode P, NDB mode PE, DB mode P, DB mode P E
2.20. So sánh phổ mô phỏng của 109Cd với năng lượng 88,04 keV trong bốn trường hợp: NDB mode P, NDB mode PE, DB mode P, DB mode P E.
2.21. So sánh phổ mô phỏng của 137Cs với năng lượng 660 keV trong các trường hợp: NDB mode P, NDB mode P E và thực nghiệm Exp
2.22. So sánh phổ mô phỏng hỗn hợp 210Pb và 109Cd dùng mode P và mode PE bằng MCNP5 có bổ sung giãn nở Doppler
3.4. Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ 0,5 g/cm3
3.5. Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ 1,0 g/cm3
3.6. Đường cong hiệu suất với matrix khác nhau tại mật độ 2,0 g/cm3
3.7. Sự phụ thuộc của hệ số f theo ln(E) với ρ khác nhau đối với matrix đất.
3.8. Sự phụ thuộc của hệ số f theo ρ với E khác nhau đối với matrix đất
3.9. Sự phụ thuộc của hệ số a theo Ln(E)
3.10. Sự phụ thuộc của hệ số b theo Ln(E)
4.1. Dạng đáp ứng mô phỏng đối với nguồn 137Cs với năng lượng 662 keV
4.2. Các đỉnh năng lượng nội suy
4.3. Đáp ứng mô phỏng 1055 keV
4.4. Đáp ứng mô phỏng 1405 keV
4.5.a Đáp ứng nội suy 1280 keV từ hai đáp ứng mô phỏng 1055 và 1405keV
4.5.b So sánh đáp ứng mô phỏng và nội suy đối với gamma tới 1280 keV
4.6. Sơ đồ khối các bước thực hiện việc giải cuộn phổ gamma
4.7. Một số đáp ứng của đầu dò HPGe được mô phỏng bởi MCNP
4.8. Các đáp ứng nội suy trong khoảng từ 1000 – 1400 keV
4.9. Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 137Cs
4.10. Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 60Co
4.11. Phổ đo và phổ sau khi giải cuộn của nguồn 152Eu
4.12. So sánh một vài đỉnh đo và đỉnh sau khi giải cuộn của phổ nguồn 152Eu
4.13. So sánh tỷ số S1/S2 theo năng lượng với đường cong P/T
4.14. Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu B1
4.15. Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu B2
4.16. Phổ đo và phổ giải cuộn của mẫu RGU1


MỞ ĐẦU
Các kỹ thuật đo bức xạ đã được phát triển không ngừng kể từ khi người ta khám phá ra hiện tượng phóng xạ. Đặc biệt, cùng với sự ra đời của đầu dò germanium siêu tinh khiết (HPGe) và Silicon (Si) trong suốt thập kỉ 1960, lĩnh vực đo phổ gamma đã được cách mạng hóa, đo phổ gamma trở thành công nghệ tiên tiến. Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, những tính chất của bức xạ được sử dụng để đo nồng độ phóng xạ, chẳng hạn như xác định hàm lượng của các hạt nhân phóng xạ phát gamma trong các mẫu môi trường. Những đầu dò như vậy đã được đặt ở những vị trí chính yếu trong các phòng thí nghiệm phân tích phóng xạ. Việc sử dụng các đầu dò bán dẫn đã giúp tạo nên các kết quả chính xác hơn cho việc ghi nhận các bức xạ gamma của đầu dò với các năng lượng khác nhau.
Ở Việt Nam từ lâu nhiều cơ sở của Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam như: Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM với sự trợ giúp của IAEA đã trang bị các hệ phổ kế gamma loại này trong nghiên cứu và ứng dụng phân tích mẫu môi trường hoạt độ thấp.


Năm 2002 Bộ môn Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiênTp.HCM kết hợp với Vinagamma xây dựng dự án trang bị cho Phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân chuyên đề một hệ đo gamma phông thấp đầu dò HPGe. Luận án này được thực hiện trong khuôn khổ dự án trên với mục đích nghiên cứu ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế này, đặc biệt với sự hỗ trợ của phương pháp Monte Carlo. Các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc sử dụng hệ phổ kế thường tập trung vào các vấn đề về hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng đến nó như hiệu ứng trùng phùng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu suất theo năng lượng, theo khoảng cách, theo hình học của mẫu, theo bề dày lớp chết. Từ đó hiệu chuẩn hiệu suất cho cấu hình đo cần quan tâm; nghiên cứu về đáp ứng của đầu dò, đánh giá các đặc trưng của phổ gamma đo được như độ phân giải, giới hạn phát hiện, phông nền tự nhiên, miền liên tục của phổ, tỷ số P/C, tỷ số P/T; nghiên cứu các phương pháp xử lý phổ tinh tế để đạt được độ chính xác ngày càng cao, đặc biệt trong phân tích hoạt độ thấp


Có nhiều phương pháp để tiếp cận và giải quyết các vấn đề này như: thực nghiệm, giải tích, bán thực nghiệm và mô phỏng. Các thuật toán được sử dụng để xử lý phổ như phương pháp truyền thống làm khớp bình phương tối thiểu phi tuyến (phương pháp gradient, phương pháp Grid search, phương pháp Marquardt), hay hiện nay với việc phát triển ngành công nghệ thông tin, nhiều thuật toán khác ra đời
với các kỹ thuật dò tìm và tối ưu thông minh như thuật toán di truyền, wavelet, heuristic Ngoài ra người ta còn tìm cách để cải tiến phổ, hạ thấp giới hạn phát hiện hay nâng cao tỷ số P/T của đầu dò như sử dụng thiết bị triệt Compton, sử dụng kỹ thuật giải cuộn phổ đo .
Mục tiêu của luận án này là nghiên cứu ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế gamma trong phân tích hoạt độ thấp của mẫu môi trường. Để hỗ trợ việc nghiên cứu một cách nhanh chóng tiện lợi, các thử nghiệm mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP được áp dụng. Nó bao gồm các phần chính như sau:


Thứ nhất, để sử dụng hệ phổ kế gamma trong phân tích hoạt độ thấp cần hiệu chuẩn hiệu suất của đầu dò theo hình học mẫu cần đo. Khi đó cần đánh giá hiệu suất của đầu dò HPGe, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như hiệu ứng trùng phùng tổng, hiệu ứng tự hấp thụ, sự thay đổi của hiệu suất theo năng lượng, theo khoảng cách và theo hình học mẫu. Thứ hai, để hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu suất đạt được độ chính xác cao, đặc biệt trong phép đo mẫu môi trường hoạt độ thấp, cần nghiên cứu về đáp ứng của đầu dò, các ảnh hưởng của hình học đo lên miền liên tục của phổ đặc biệt là vùng năng lượng thấp.


Thứ ba, khi đi qua môi trường của đầu dò với cấu hình cụ thể, tia gamma tới tương tác với đầu dò sẽ được ghi nhận thông qua các hiệu ứng trực tiếp (hiệu ứng quang điện) hoặc gián tiếp như tán xạ Compton, tạo cặp hoặc thoát khỏi đầu dò. Tùy theo hình học và cấu trúc cụ thể của đầu dò cũng như bố trí vật liệu xung quanh đầu dò mà ảnh hưởng tán xạ sơ cấp và thứ cấp lên phổ sẽ thay đổi khác nhau. Một
cách tổng quát phổ đo được là kết quả của sự tương tác của hệ đầu dò lên phổ tới, làm phân bố lại dạng của phổ tới, bao gồm đỉnh toàn phần do hiệu ứng quang điện và nền liên tục từ hiệu ứng tán xạ Compton nhiều lần trong môi trường đầu dò và các vật liệu xung quanh. Do đó tốc độ đếm trên đỉnh toàn phần không thể hiện đầy đủ cường độ nguồn đi vào đầu dò. Vì vậy để đánh giá phẩm chất của đầu dò, một trong nhiều đặc trưng cơ bản của nó là tỷ số P/T (Peak to Total) hay tỷ số P/C (Peak to Compton). Các tỷ số này càng cao thì khả năng phát hiện hoạt độ thấp của hệ phổ kế càng tốt. Có nhiều cách để cải tiến các đặc trưng này như tăng thể tích hoạt động của đầu dò, xây dựng các hệ thống triệt Compton. Việc giải cuộn phổ đo (spectra deconvolution) để có được phổ gốc ban đầu bằng phương pháp toán học là một cách để cải tiến tỷ số này. Về lý tưởng có thể sử dụng việc giải cuộn như một phương pháp để xác định hoạt độ một cách tuyệt đối thông qua một phép biến đổi ngược dựa vào ma trận đáp ứng của đầu dò. Nó cho ta phổ gốc ban đầu của tia tới mà sẽ không bị ảnh hưởng bởi cấu hình, vật liệu của hệ phát hiện khi nó đi qua. Trên thực tế khó có thể thực hiện việc giải cuộn hoàn toàn do sự khó khăn trong việc xây dựng ma trận đáp ứng một cách chính xác, cũng như việc chọn lựa các phương pháp lặp để giải tìm hàm ngược. Tuy nhiên với việc sử dụng các mẫu chuẩn trong việc xác định hoạt độ, phương pháp giải cuộn trong luận án này được dùng bước đầu như một cách để cải tiến tỷ số P/T từ việc khử miền liên tục. Bằng cách đó ta có được các phổ tương ứng sau khi giải cuộn với các đặc trưng tốt giúp nâng cao khả năng phân giải, giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích hoạt độ bằng hệ phổ kế gamma đang dùng.


Đối tượng nghiên cứu của luận án này là đầu dò HPGe ký hiệu GC2018 của hãng Canberra Industries, Inc. đặt tại Phòng thí nghiệm chuyên đề Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Tp.HCM. Nguồn và mẫu có dạng điểm, trụ và Marinelli. Đầu dò được đặt trong buồng chì được thiết kế bởi hãng Canberra cho hệ đo tương ứng.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án là sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP để nghiên cứu thử nghiệm các vấn đề liên quan đến việc ứng dụng hiệu quả hệ phổ kế gamma HPGe. Hiệu lực của mô hình được kiểm tra liên tục bởi thực nghiệm tương ứng. Từ đó khai thác khả năng mô hình hóa chính xác cao trong bài toán vận chuyển bức xạ của MCNP để nghiên cứu
sâu hơn trong vấn đề đánh giá và xử lý phổ gamma.


Nội dung của Luận án bao gồm bốn chương:
Chương 1 là phần tổng quan, trình bày tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam liên quan đến áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trong nghiên cứu đặc trưng của hệ phổ kế gamma môi trường có hoạt độ thấp sử dụng đầu dò HPGe; giới thiệu về hệ phổ kế gamma và các đặc trưng của nó về đáp ứng và hiệu suất – các đối tượng cần nghiên cứu trong luận án; giới thiệu về chương trình mô
phỏng vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte Carlo (MCNP) đã được xây dựng ở phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ.


Chương 2 sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng hệ phổ kế gamma HPGe có tại Phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. Kiểm tra tính hiệu lực của mô hình đã xây dựng bằng cách so sánh kết quả mô phỏng hiệu suất đỉnh với thực nghiệm tương ứng. Từ mô hình xây dựng được đánh giá đáp ứng phổ của hệ đầu dò HPGe, nghiên cứu ảnh hưởng của sự tán xạ nhiều lần lên dạng phổ từ các vật liệu của môi trường xung quanh, nghiên cứu vùng năng lượng thấp của phổ với sự bổ sung hiệu ứng nở Doppler trong phiên bản MCNP5 sử dụng kỹ thuật SSW-SSR.


Chương 3 áp dụng mô hình MCNP hệ phổ kế đã xây dựng để hiệu chuẩn hiệu suất ghi của đầu dò. Nó bao gồm việc xây dựng chương trình kết hợp phổ mô phỏng đỉnh đơn thành phổ mô phỏng có trùng phùng, từ đó xác định hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng cho nguồn 60Co dạng điểm, khảo sát hiệu suất của hệ phổ kế với hình học mẫu thể tích Marinelli, đánh giá ảnh hưởng của matrix và mật độ lên hiệu suất ghi nhận của đầu dò. Với kết quả có được từ mô phỏng khảo sát sự thay đổi của hiệu suất theo năng lượng và theo mật độ, mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ theo mật độ được thiết lập. Từ đó xây dựng quy trình đơn giản để cho người