Thạc Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của đáp ứng không tuyến tính lên độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy

MỞ ĐẦU

Đối với các detector hạt nhân, độ phân giải năng lượng là thông số quan trọng trong việc ghi nhận các tia bức xạ, đặc biệt là việc phân biệt các đỉnh phổ sát gần nhau. Trong nghiên cứu về phân rã hai beta để xác định khối lượng hạt neutrino, một số phòng thí nghiệm (như dự án superNEMO-Pháp [23]) sử dụng detector nhấp nháy plastic để ghi nhận phổ phân rã hai beta không neutrino (0ν-ββ) và phổ phân rã hai beta kèm theo hai neutrino (2ν-ββ), độ phân giải của detector là yếu tố quyết định trong việc phân tách hai phân rã này. Chính vì vậy việc nghiên cứu nguyên nhân gây nên độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy là rất cần thiết.
Các nghiên cứu thực nghiệm của [14], [15], [16], đối với detector nhấp nháy cho thấy độ phân giải năng lượng bao gồm hai thành phần, thành phần thống kê và thành phần nội “R-intrinsic” do chính vật liệu đó gây ra. Có ý kiến cho rằng, thành phần R-intrinsic của detector phụ thuộc vào các nguyên nhân như hàm đáp ứng không tuyến tính của detector, sự phân bố phân tử chất nhấp nháy, sự không đồng đều trong vật liệu, chất dẫn sáng, .
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng của đáp ứng không tuyến tính vào độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy plastic bằng phương pháp mô phỏng. Ở đó, số liệu thực nghiệm về hiệu suất phát photon không tuyến tính của vật liệu nhấp nháy plastic được trích từ thực nghiệm [14]. Thông số của chất nhấp nháy plastic được lấy từ hãng BICRON [21]. Chúng tôi khảo sát cho electron tới có năng lượng gián đoạn từ 0,2MeV đến 3,0MeV. Sự ảnh hưởng tuyến tính của detector cũng được thực hiện trong luận văn này với mục đích so sánh với trường hợp đáp ứng của detector không tuyến tính. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm của [16].
Chương trình mô phỏng GEANT4 (GEometry ANd Tracking) [18] được sử dụng trong nghiên cứu này. Chương trình mô phỏng Geant4 là phần mềm mô phỏng về tương tác của hạt tới với vật chất, có mã nguồn mở, độ tin cậy cao được nghiên cứu và phát triển bởi đội ngũ các nhà nghiên cứu tại CERN (European Organization for Nuclear Research).
Bố cục luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1: Trình bày cơ sở lí thuyết tương tác của electron với vật chất.
Chương 2: Trình bày cơ chế tương tác cũng như các đặc tính cơ bản của chất nhấp nháy plastic.
Chương 3: Giới thiệu tổng quan về cấu trúc, nguyên lí và các thông số cài đặt cho việc chạy một chương trình mô phỏng Geant4.
Chương 4: Trình bày các kết quả mô phỏng, so sánh với số liệu thực nghiệm.

MỤC LỤC

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt i
Danh mục bảng . ii
Danh mục hình vẽ, đồ thị iii
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT . 3
1.1. Các kiểu tương tác 3
1.1.1. Ion hóa . 4
1.1.2. Tán xạ Moller - tán xạ Bhabha 5
1.1.3. Phát bức xạ hãm . 5
1.1.4. Phát bức xạ Cherenkov 6
1.2. Sự mất mát năng lượng của electron khi qua môi trường 7
1.2.1. Mất mát năng lượng do ion hóa . 7
1.2.2. Mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm 8
1.2.3. Mất mát năng lượng do phát bức xạ Cherenkov . 12
1.2.4. Năng lượng tới hạn 13
Chương 2: CHẤT NHẤP NHÁY PLASTIC . 14
2.1. Cơ chế phát sáng của chất nhấp nháy hữu cơ plastic . 14
2.1.1. Chuyển dời vùng singlet S . 14
2.1.2. Chuyển dời vùng triplet T1 16
2.2. Các đặc tính của detector nhấp nháy plastic . 17
2.2.1. Hiệu suất phát sáng không tuyến tính 17
2.2.2. Lân quang 18
2.2.3. Các thông số của chất nhấp nháy plastic sử dụng mô phỏng 18
Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG GEANT4 20
3.1. Giới thiệu về chương trình mô phỏng Geant4 20
3.2. Phương pháp Monte Carlo sử dụng trong Geant4 21
3.3. Lõi tính toán . 21
3.3.1. Quá trình ion hóa . 21
3.3.2. Phát bức xạ hãm . 26
3.4. Chương trình mô phỏng . 31
3.4.1. Cấu trúc chương trình 31
3.4.2. Bố trí mô phỏng . 33
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 36
4.1. Khảo sát sự nở rộng phổ do ảnh hưởng thành phần thống kê 36
4.1.1. Tính số photon sinh ra trong mỗi bước 36
4.1.2. Kết quả . 39
4.1.3. Nhận xét . 49
4.2. Khảo sát sự nở rộng phổ do ảnh hưởng của hiệu suất phát sáng không
tuyến tính . 50
4.2.1. Đường cong đáp ứng của chất nhấp nháy 50
4.2.2. Tính số photon sinh ra trong mỗi bước 53
4.2.3. Kết quả . 55
4.2.4. Nhận xét . 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
PHỤ LỤC . 69