Báo Cáo Nghiên cứu ảnh hưởng tán xạ nhiều lần từ vật liệu xung quanh đầu dò lên phổ năng lượng gamma của đầu

TÓM TẮT: Trong bài báo này chương trình MCNP4C2 của Phòng thí nghiệm Los Alamos, Mỹ được dùng để mô phỏng phổ năng lượng gamma của Co-60 với đầu dò HPGe và so sánh với phổ thực nghiệm, khảo sát sự hấp thụ tia X đặc trưng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì, khảo sát ảnh hưởng của buồng chì lên nền tán xạ của phổ, khảo sát sự thay đổi dạng phổ khi để nguồn gần và xa đầu dò, khảo sát ảnh hưởng của đế lót nguồn lên phổ đặc trưng. Kết quả so sánh phổ mô phỏng cho thấy ở vùng trên 250 keV phổ mô phỏng khá phù hợp với phổ thực nghiệm, nhưng ở vùng năng lượng dưới 250 keV thì có sự khác biệt nền tán xạ cở 12,7%. Sự hiện diện của buồng chì và đế tán xạ chỉ ảnh hưởng đến vùng tán xạ ngược và tia X đặc trưng nhưng không ảnh hưởng đến số đếm trên diện tích đỉnh năng lượng toàn phần. Các kết quả có được làm nền tảng cho việc nghiên cứu phổ gamma của hệ phổ kế HPGe đang có để nâng cao độ chính xác trong phân tích định lượng nguyên tố trong mẫu môi trường .
Từ khóa: Phổ gamma, Tán xạ nhiều lần, HPGe, MCNP, Đỉnh năng lượng toàn phần


1. GIỚI THIỆU


Khi tương tác với môi trường vật chất của đầu dò, một phần năng lượng của photon ban đầu chuyển thành động năng của các electron trong quá trình quang điện, Compton và tạo cặp. Phần năng lượng còn lại chuyển cho các photon thứ cấp. Trừ trường hợp electron mất do tương tác xảy ra ở gần bề mặt tinh thể, trong những trường hợp còn lại động năng electron chuyển hoàn toàn thành xung điện. Động năng càng lớn khả năng tương tác càng cao thì độ cao xung càng lớn . Xung điện này được ghi nhận ở lối ra bởi hệ điện tử tiếp sau. Đo và khảo sát tín hiệu xung ra từ đầu dò theo lối vi phân ta có thể thu được những thông tin về bức xạ đã ghi nhận dưới dạng phổ năng lượng và còn được gọi là hàm đáp ứng của đầu dò.
Dạng hàm đáp ứng của đầu dò mang những nét đặc trưng của mỗi quá trình tương tác xảy ra trong đầu dò. Nó bao gồm đỉnh năng lượng toàn phần, vùng lưng Compton, đỉnh thoát đơn (SE) có năng lượng hν - 0,511 MeV, đỉnh thoát đôi (DE) có năng lượng hν – 1,022 MeV, đỉnh tán xạ nền, tia X đặc trưng của vật liệu xung quanh đầu dò, bức xạ huỷ 0,511MeV, đỉnh tán xạ ngược (BS) và cuối cùng là đỉnh tổng [1]. Trong công trình [4] và [5] chúng tôi đã sử dụng chương trình MCNP phiên bản 4C2 để nghiên cứu hiệu suất ghi của hệ phổ kế, đánh giá hiệu ứng trùng phùng tổng trong khi đo phổ gamma của các nguồn đa năng. Trong công trình này chúng tôi tiếp tục áp dụng chương trình MCNP để nghiên cứu về các đặc trưng của phổ gamma, đặc biệt là vùng tán xạ nhiều lần mà nó tùy thuộc nhiều vào cấu hình của hệ đo và là đặc trưng cụ thể của mỗi hệ phổ kế được sử dụng. Cụ thể bao gồm các vấn đề sau: (1) Mô phỏng phổ năng lượng gamma của Co-60 với đầu dò HPGe và so sánh với phổ thực nghiệm tương ứng (2) Khảo sát ảnh hưởng tán xạ của buồng chì lên phổ cũng như lên hiệu suất ghi của đầu dò bằng cách khảo sát phổ tán xạ khi có buồng chì và không có buồng chì, cũng như khi có lớp thiếc và đồng (lót bên trong buồng chì dùng để hấp thụ các tia X đặc trưng có thể có do



tán xạ nhiều lần trong chì của tia gamma) và khi không có lớp thiếc và đồng (3) Khảo sát ảnh hưởng của tán xạ ngược từ đế nguồn lên phổ năng lượng gamma của Co-60, cụ thể là lên diện tích đỉnh tán xạ ngược. Các vật liệu đế giả định là nhôm, thiếc, đồng, chì được khảo sát và so sánh để đánh giá ảnh hưởng của nó lên dạng phổ, đặc biệt ở miền năng lượng thấp.
Để khảo sát phổ thực nghiệm và mô phỏng chúng tôi dung nguồn chuẩn giả điểm Co-60 [6]. Để chuẩn năng lượng và khảo sát FWHM theo năng lượng chúng tôi sử dụng nguồn Ra-
226. Các số liệu của hệ phổ kế được cung cấp bởi nhà sản xuất Canberra [7].


2. CẤU TRÚC CỦA HỆ NGUỒN - ĐẦU DÒ HPGE – BUỒNG CHÌ 2.1.Mô tả đầu dò HPGe [7]
Đầu dò HPGe ở Bộ môn Vật lý Hạt nhân, có ký hiệu GC2018, là loại đầu dò đồng trục có
dạng như Hình 1. bao gồm khối Ge hình trụ chữ U có đường kính ngoài 52mm, chiều cao 49,5mm. Bên trong tinh thể có một hốc hình trụ đường kính 7mm, độ sâu của hốc là 35mm. Mặt ngoài tinh thể là lớp tiếp xúc loại n (lớp Lithium) nối với điện cực dương. Mặt trong hốc tinh thể là lớp tiếp xúc loại p (lớp Boron) nối với điện cực âm. Đầu dò được đựng trong một hộp kín bằng nhôm với bề dày 1,5mm.



Cöûa soå IR

Cöûa soå tinh the



76.20


5.00





52.00

1.50

Tinh theå Ge



7.00

0.76

Ñieän cöïc ngoaøi








Loõi tieáp xuùc Chaân khoâng



0.86

2.70











3.20




1.50



Ñieän cöïc trong Giaù ñôõ tinh theå


Voû detector





Hình 1. Cấu trúc đầu dò HPGe ( kích thước theo mm)




2.2. ơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò và buồng chì [7]
Hình 2. là sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò và buồng chì. Các kích thước được cho như trên hình vẽ. Tương tác của tia gamma với chì tạo ra các tia X có năng lượng trong khoảng 75 – 85 keV. Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ gamma bị nhiễu. Để hạn chế điều này người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp đồng và thiếc có bề dày tương ứng là 1,5mm và 1mm.