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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: VẬT LÍ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Năm – 2011

MỤC LỤC ( Luận văn dài 77 trang)
Trang
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


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số của chất nhấp nháy plastic 18
Bảng 4.1: Tỉ lệ phần trăm số hạt bỏ lại toàn bộ năng lượng trong khối vật liệu nhấp nháy . 43
Bảng 4.2: Độ lệch chuẩn tương ứng với các giá trị năng lượng khác nhau của hạt tới . 45
Bảng 4.3: Độ phân giải năng lượng tương ứng với các giá trị năng lượng khác nhau của hạt tới . 47
Bảng 4.4: Hiệu suất phát photon không tuyến tính của detector nhấp nháy plastic theo năng lượng 51
Bảng 4.5: Độ lệch chuẩn tương ứng với các giá trị năng lượng khác nhau của hạt tới 59
Bảng 4.6: Độ phân giải năng lượng tương ứng với các giá trị năng lượng khác nhau của hạt tới 61
Bảng 4.7: So sánh giá trị R-int mô phỏng với thành phần R-intrinsic thực nghiệm . 63



DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


Hình 1.1: Tỉ lệ mất mát năng lượng của electron và positron theo năng lượng . 4
Hình 1.2: Mô tả quá trình ion hóa của electron tới. 5
Hình 2.1: Sơ đồ mức năng lượng singlet S1 của chất nhấp nháy hữu cơ 15
Hình 2.2: Phổ hấp thụ và phát xạ của một loại chất nhấp nháy hữu cơ 16
Hình 2.3: Sơ đồ mức năng lượng triplet T1 của chất nhấp nháy hữu cơ . 17
Hình 3.1: Cấu trúc hình học của detector nhấp nháy plastic kích thước 15× 20× 20 cm3 được mô phỏng 34
Hình 3.2: Hình ảnh tương tác của electron năng lượng 1,5MeV khi qua chất nhấp nháy plastic . 35
Hình 4.1: Lưu đồ chương trình tính số photon sinh ra mỗi bước . 37
Hình 4.2: Phổ ứng với năng lượng electron tới 1,0MeV 40
Hình 4.3: Phổ năng lượng của electron được biễu diễn theo số photon sinh ra
tương ứng với các năng lượng 0,2MeV; 0,3MeV; 0,4MeV; 0,6MeV; 0,8MeV 41
Hình 4.4: Phổ năng lượng của electron được biễu diễn theo số photon sinh ra tương ứng với các năng lượng 1,0MeV; 1,5MeV; 2,0MeV; 3,0MeV . 42
Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ số sự kiện bỏ lại toàn bộ năng lượng 44
Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn các thành phần độ lệch chuẩn theo năng lượng . 46
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn các thành phần độ phân giải năng lượng 48
Hình 4.8: Đường cong đáp ứng không tuyến tính tương đối 52
Hình 4.9: Lưu đồ chương trình tính số photon sinh ra mỗi bước . 54
Hình 4.10: Phổ ứng với năng lượng electron tới 1,0MeV 56
Hình 4.11: Phổ của electron được biễu diễn theo số photon sinh ra có năng lượng lần lượt là 0,2MeV; 0,3MeV; 0,4MeV; 0,6MeV; 0,8MeV
Hình 4.12: Phổ của electron được biễu diễn theo số photon sinh ra có năng lượng từ 1,0MeV; 1,5MeV; 2,0MeV; 3,0MeV . 58
Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn các thành phần độ lệch chuẩn theo năng lượng . 60
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn các thành phần độ phân giải năng lượng 62
Hình 4.15: So sánh độ phân giải năng lượng do thành phần không tuyến tính
đóng góp và độ phân giải nội R-intrinsic thực nghiệm . 64



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.