Luận văn Nghiên cứu đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ lên đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm bằng mô phỏng Geant4

........................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ...................................................................................... 36 PHỤ LỤC. ................................................................................................................ 37 i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CERN European Organization for Nuclear Research Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu. CRY Cosmic-ray Shower Library Thư viện bức xạ vũ trụ. GEANT4 Geometry ANd Tracking Hình học và vết. Rapid Object Oriented Technology Kỹ thuật lập trình hướng đối tượng. MCNP Monte Carlo N Particle Chương trình Monte-Carlo mô phỏng vận chuyển hạt N của nhóm J.F. Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA- 12625-M. MCNPX Monte-Carlo N-Particle eXtended Chương trình Monte-Carlo mô phỏng vận chuyển hạt mở rộng của MCNP. VATLY Vietnam Auger Training Laboratory Phòng thí nghiệm Đào tạo Việt Nam Auger. BM VLHN trường ĐH KHTN TP HCM Bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh. ii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Bảng Tên gọi Trang 1 1.1 Năng lượng để lại của muon trong một số vật liệu 10 2 2.1 Khai báo tương tác vật lý của các hạt tới 21 3 2.2 Một số dữ liệu xuất ra sau khi mô phỏng 24 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Hình Tên gọi Trang 1 1.1 Thông lượng bức xạ vũ trụ của các hạt theo năng lượng 6 2 1.2 Sơ đồ tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với lớp khí quyển Trái đất 7 3 1.3 Thời gian sống của các hạt 8 4 1.4 Cấu trúc chương trình GEANT4 12 5 2.1 Mô hình mô phỏng hệ đo theo thực nghiệm 18 6 2.2 Hệ đo thực nghiệm đáp ứng của bức xạ vũ trụ lên đầu dò NaI(Tl), tại BM. VLHN, trường ĐH. KHTN, TP Hồ Chí Minh. 18 7 2.3 Thông số về kích thước của các thành phần trong đầu dò NaI(Tl) 20 8 2.4 Hệ đo được xây dựng trong mô phỏng GEANT4 và hệ đo tại Bộ Môn Vật lý hạt nhân – trường Đại học Khoa học tự nhiên – TPHCM. 21 9 2.5 Phân bố thông lượng theo năng lượng của bức xạ vũ 24 iv trụ tới được tạo từ CRY. 10 3.1 Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trên plastic thứ nhất kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm 26 11 3.2 Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trên plastic thứ hai kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm. 27 12 3.3 Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trên đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng (0.2 – 70) MeV 29 13 3.4 Phổ năng lượng so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trong vùng năng lượng (0.2 – 3) MeV 30 14 3.5 Phổ năng lượng so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trong vùng năng lượng (3 – 70) MeV 31 1 MỞ ĐẦU Bức xạ vũ trụ luôn là đề tài hấp dẫn các nhà khoa học trên thế giới bởi sự bí ẩn của nó. Những khám phá về nó giúp con người hiểu rõ hơn về vũ trụ và cách vận hành cả vũ trụ. Năm 1912, Victor Hess chứng minh sự tồn tại của bức xạ vũ trụ để giải thích sự tăng lên của sự phóng điện của điện nghiệm khi lên cao trên khinh khí cầu. Bức xạ vũ trụ có năng lượng rất lớn đến Trái đất theo mọi phương đã mở ra chặng đường mới cho ngành vật lý năng lượng cao trong việc tìm ra các hạt hạ nguyên tử. Bức xạ vũ trụ được sinh ra trực tiếp từ các vụ nổ siêu tân tinh, bão Mặt trời, hay do hoạt động của thiên hà được gọi là bức xạ vũ trụ sơ cấp, có năng lượng cao cỡ vài tỷ GeV. Những bức xạ vũ trụ sơ cấp này khi đến khí quyển Trái đất sẽ tương tác với các nguyên tử, phân tử tạo nên các bức xạ thứ cấp như bức xạ điện từ, electron, muon, pion, proton, neutron, gamma. Các bức xạ thứ cấp này khi đến bề mặt Trái đất đóng góp đáng kể vào phông nền của các đầu dò hạt nhân. Vì thế, nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành xây dựng các hệ đo nghiên cứu đáp ứng của bức xạ vũ trụ lên các đầu dò với nhiều mục đích khác nhau như khảo sát sự đóng góp của bức xạ vũ trụ vào phông nền bức xạ, từ đó đề xuất giải pháp giảm phông cho đầu dò khi đo các mẫu môi trường [13], Tại Việt Nam, nghiên cứu về bức xạ vũ trụ, hạt cơ bản, vật lý năng lượng cao cũng bắt đầu vào những năm đầu của thập niên sáu mươi do cố Giáo sư Hoàng Hữu Thư thực hiện với thí nghiệm đầu tiên là nghiên cứu phân rã muon. Năm 1974, khoa Vật lý trường Đại học Tổng hợp thực hiện khảo sát các thông số đặc trưng của bức xạ vũ trụ thứ cấp tại Sapa và Hà Nội. Hiện nay, một số phòng thí nghiệm nghiên cứu về bức xạ vũ trụ cũng được thành lập như phòng thí nghiệm VATLY (Vietnam Auger Training Laboratory) do giáo sư Pierre Darriulat dẫn đầu được thành lập năm 2001. Ngoài ra, Bộ môn Vật lý hạt nhân trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG – TPHCM đã và đang xây dựng, phát triển các hệ đo nghiên cứu về các tính chất của bức xạ vũ trụ như: thời gian sống, thông lượng, bằng các đầu dò nhấp nháy plastic. Hiện 2 tại, nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm về đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ lên đầu dò bán dẫn siêu tinh khiết HPGe và đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước 7.62 cm x 7.62 cm trong đó vùng năng lượng ghi nhận được là từ 0.2 MeV đến 70 MeV. Kết quả thí nghiệm này được trình bày trong phụ lục 1. Trong luận văn này, chúng tôi thực hiện mô phỏng nghiên cứu đáp ứng phổ của bức xạ vũ trụ lên đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm. Để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng, chúng tôi tiến hành so sánh với thực nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Vật lý hạt nhân thuộc ĐH KHTN TPHCM. Trong thí nghiệm được trình bày ở tài liệu [14] hệ đo đáp ứng bức xạ vũ trụ gồm hai đầu dò nhấp nháy plastic có kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm dùng để “đánh dấu” bức xạ vũ trụ đặt song song phía trên đầu dò NaI(Tl) kích thước 7.62 cm x 7.62 cm model 802 Canberra [19]. Chúng tôi sử dụng phần mềm GEANT4 (Geometry ANd Tracking) để mô phỏng lại thí nghiệm này, với các số liệu đưa vào mô phỏng trùng khớp với thông số được đề xuất bởi nhóm thực nghiệm [14]. Bằng phần mềm mô phỏng GEANT4, chúng tôi xây dựng hình học hệ đo (đầu dò plastic, đầu dò NaI(Tl) được đặt trong buồng chì), thiết lập các quá trình tương tác vật lý cho các hạt, sau đó nguồn vũ trụ tại mực nước biển với các thông số như năng lượng tới, vị trí, hướng bắn được tạo ra từ phần mềm CRY (Cosmic – ray Shower Library) và đưa vào trong GEANT4 để hoàn thành bộ dữ liệu đầu vào cho bài toán mô phỏng. Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này là bức xạ vũ trụ, trong đó các hạt được xét đến là muon, proton, electron, neutron, gamma và đầu dò NaI(Tl) kích thước 7.62 cm x 7.62 cm. Dựa vào mục đích, hướng nghiên cứu trên luận văn trình bày gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan về bức xạ vũ trụ và hạt muon, trình bày các đặc trưng của bức xạ vũ trụ và muon, tương tác của muon với môi trường vật chất. Khái quát về phần mềm mô phỏng GEANT4, cấu trúc một chương trình GEANT4 và giới thiệu về phần mềm CRY, cách tạo nguồn bức xạ vũ trụ từ CRY. 3 Chương 2: Trình bày bố trí thí nghiệm trong mô phỏng từ thực nghiệm, từ đó thiết lập mô hình mô phỏng trong GEANT4 (xây dựng mô hình hình học của hệ đo, khai báo các quá trình tương tác vật lý, tạo nguồn vũ trụ từ CRY đưa vào GEANT4). Chương 3: Thảo luận kết quả mô phỏng nghiên cứu đáp ứng bức xạ vũ trụ trên đầu dò plastic và đầu dò NaI(Tl). So sánh, đánh giá kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm xét cho hai vùng năng lượng (0.2 – 3) MeV và vùng (3 – 70) MeV. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ VŨ TRỤ VÀ PHẦN MỀM GEANT4 1.1. Tổng quan về bức xạ vũ trụ. Từ khi hiện tượng phóng xạ được phát hiện bởi Henri Becquerel và Marie Curie vào năm 1896, các nhà khoa học đã tin rằng nguồn gốc sự phóng xạ tự nhiên là từ đất đá, hoặc từ bên ngoài vũ trụ mang đến Trái đất. Trong thập niên 1900, các nhà khoa học vẫn miệt mài chứng minh sự tồn tại của bức xạ vũ trụ. Đến năm 1912, nhà bác học người Áo Victor Hess đã chính thức chứng tỏ sự tồn tại của bức xạ vũ trụ xâm nhập vào Trái đất. Từ khi được tìm ra cho đến nay, bức xạ vũ trụ luôn là đề tài hấp dẫn các nhà khoa học trên thế giới bởi tính tự nhiên mà bí ẩn của nó, cũng như những ảnh hưởng của nó đến Trái đất. Con người vẫn đang tiếp tục nghiên cứu về bức xạ vũ trụ - một máy gia tốc tự nhiên có năng lượng cực lớn với tham vọng tìm ra cơ chế vận hành của thế giới từ những hạt hạ nguyên tử mới, là những loại hạt mà chỉ có những máy gia tốc có năng lượng ngưỡng rất lớn mới có thể phát hiện được từ đó mở ra cho thế giới khoa học một chặng đường mới. Bức xạ vũ trụ có năng lượng rất lớn từ vài trăm MeV đến cỡ vài tỷ GeV (1010 – 1020 eV) [1] có nguồn gốc từ bên ngoài vũ trụ, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng đi vào Trái đất theo mọi hướng. Năng lượng của bức xạ vũ trụ lớn nhất hiện nay đo được là 1020 eV [7]. Bức xạ vũ trụ gồm các hạt mang điện năng lượng cao trong đó chủ yếu là proton được sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh, hay bão Mặt trời, đồng thời có bằng chứng cho thấy hoạt động của thiên hà cũng sinh ra bức xạ vũ trụ. Thông lượng chùm bức xạ vũ trụ với năng lượng 1 GeV là khoảng 1000 hạt sơ cấp/1 m2, trong một số trường hợp thông lượng bức xạ vũ trụ có thể lên đến là 10 tỷ hạt sơ cấp đến Trái đất. [20]. Chùm bức xạ vũ trụ khi đi vào Trái đất tạo ra “shower” hay còn gọi là mưa rào các hạt thứ cấp có nghĩa là tạo ra một chuỗi phân rã khi bức xạ vũ trụ có năng lượng cực lớn va chạm với bầu khí quyển. Năm 1938, nhà vật lý người Pháp Pierre 5 Auger lần đầu tiên phát hiện hiện tượng mưa rào bức xạ. Các đài thiên văn Pierre Auger hiện nay đo hiện tượng mưa rào đó bằng một mạng lưới với 1600 trạm đo rải đều trên diện tích 3000 km vuông. Dự án mang tên ông – Pierre Auger với 17 nước tham gia trong đó có Việt Nam (phòng thí nghiệm VATLY) đã xây dựng được đài thiên văn tia vũ trụ lớn nhất thế giới ở Argentina và có những phát hiện mới về nguồn gốc tia vũ trụ. Kết quả của họ cho thấy bức xạ vũ trụ này có mối liên kết với các thiên hà có tâm hoạt động mạnh, tương đối gần với dải ngân hà của chúng ta. 1.1.1. Bức xạ vũ trụ sơ cấp. Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo ra từ các vụ nổ siêu tân tinh hay từ các nguồn gốc khác, và chưa tương tác với bầu khí quyển của Trái đất. Bức xạ vũ trụ sơ cấp gồm 86% là proton, 11% là heli, 1% các nguyên tố nặng khác (C, O, Mg, Si, Fe) có độ phổ cập giống với các nguyên tố được tìm thấy trong hệ Mặt trời, khoảng 2% là electron [2]. Nguồn gốc rõ ràng của chúng trong thiên hà rất khó để xác định được từ Trái đất do đa số chúng đều là các hạt mang điện nên sẽ bị lệch hướng trong từ trường của Trái đất tuy nhiên chúng ta vẫn có thể xác định được vùng chúng được sinh ra trong thiên hà do bức xạ điện từ mà chúng phát ra. 1.1.2. Bức xạ vũ trụ thứ cấp Bức xạ vũ trụ sơ cấp đến Trái đất sẽ tương tác với các nguyên tử của lớp khí quyển, chủ yếu là oxi và nitơ tạo ra bức xạ vũ trụ thứ cấp như các pion (0, +, -), neutron và proton thứ cấp có năng lượng nhỏ hơn các neutron, proton sơ cấp. Các pion trung hoà 0 có thời gian sống ngắn phân rã tức thời tạo ra hai gamma, các pion dương và âm +, - phân rã ra các muon và neutrino. 0π → γ + γ (1.1) − − µπ →µ + ν (1.2) + + µπ →µ + ν (1.3) 6 Muon lại tiếp tục phân rã ra các electron, positron và các neutrino. μ+  e+ + 𝜈𝜈𝑒𝑒 + �̅�𝜈𝜇𝜇 (1.4) μ-  e- + 𝜈𝜈𝜇𝜇 + �̅�𝜈𝑒𝑒 (1.5) Ở vị trí mực nước biển bức xạ vũ trụ thứ cấp đến Trái đất là muon khoảng 60%, neutron chiếm 23%, electron chiếm 16%, proton chiếm 0.5%, các hạt pion dưới 0.5% [1], thông lượng trung bình của muon ở mực nước biển khoảng 1 muon/cm2/phút với động năng trung bình khoảng 4 GeV [2]. Hình 1.1 trình bày thông lượng của bức xạ vũ trụ cho từng loại hạt này ở mực nước biển theo năng lượng. Hình 1.2 trình bày sơ đồ tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với các nguyên tử, phân tử trong lớp khí quyển Trái đất. Hình 1.1. Thông lượng bức xạ vũ trụ của các hạt theo năng lượng [12] T hô ng lư ợn g (h ạt /c m 2 .s .M eV ) Năng lượng (MeV) 7 Hình 1.2. Sơ đồ tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với lớp khí quyển Trái đất 1.1.3. Tổng quan về hạt muon. Do thành phần chính của bức xạ vũ trụ ở mực nước biển là muon nên chúng tôi sẽ tìm hiểu về muon để hiểu rõ cơ chế tương tác của chúng với vật chất. Năm 1936, khi nghiên cứu về bức xạ vũ trụ Carl D.Anderson phát hiện ra hạt muon. Hạt này mang điện tích âm do nó bị lệch phương trong từ trường giống như electron. Đường cong quỹ đạo của các hạt này nhỏ hơn của các electron nhưng lớn hơn các proton do đó khối lượng của hạt này nhỏ hơn khối lượng của proton và lớn hơn khối lượng của electron. Từ đó, Yukawa gọi nó là các mesontron (meson có nghĩa là ở giữa), là một loại của hạt meson, và để phân biệt với các meson khác ông gọi nó là mu meson. Tuy nhiên, sau khi thực hiện vài thí nghiệm các nhà vật lý thấy rằng mu meson Bầu khí quyển Bức xạ vũ trụ sơ cấp P π+ n π0 ν π+ μ+ γ e+ e- π - μ- ν e- e+ γ 8 này không tham gia tương tác mạnh như các meson khác mà chỉ tham gia tương tác yếu và không có cấu trúc quark. Những tính chất này giúp khẳng định đây không phải là một meson, mà phải là lepton. Ngày nay, hạt này được biết đến rộng rãi với tên gọi là muon. 1.1.3.1. Một số đặc trưng của muon. Hạt muon là hạt cơ bản thuộc nhóm lepton (gồm electron, muon, tauon và ba neutrino (𝜈𝜈𝜇𝜇, 𝜈𝜈𝑒𝑒 , 𝜈𝜈𝜏𝜏). Muon có hai điện tích μ+, μ-, có spin ½, có khối lượng nằm giữa khối lượng proton và electron vào cỡ 105.659 MeV/c2 (~ 207 me, ~ 1/9 mp), thời gian sống của muon 𝜏𝜏 = 2.1969811 ± 0.0000022 μs [15]. Thời gian sống của muon dài thứ hai sau neutron (trừ các hạt bền như proton, electron, neutrino). Hình 1.3 so sánh thời gian sống của muon, pion, kaon, electron, proton, Hình 1.3. Thời gian sống của các hạt [4]. 1.1.3.2. Tương tác của muon với vật chất. Muon tương tác với vật chất thông qua quá trình ion hoá, phát bức xạ hãm, tạo cặp electron – positron trước khi bị phân rã. Muon vũ trụ có năng lượng cao và là hạt nặng mang điện với quá trình ion hoá là quá trình quan trọng nhất, tạo ra các delta electron. Phổ năng lượng của các electron ion hoá rất rộng, tạo thành dãy phổ liên tục. Muon có năng lượng E di chuyển trong trường của hạt nhân có số Z có thể tạo ra cặp electron – positron. Do muon có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên nó ít bị mất năng lượng do bức xạ hãm. Tương tác 9 trong sự phân rã của muon là tương tác yếu, xảy ra khi một muon dừng lại trong vật liệu, khi đó muon dương rã thành một positron, một neutrino và một phản neutrino của muon dương theo lý thuyết Fermi, trong khi đó muon âm thì rã thành electron, phản neutrino của electron, và neutrino của muon âm theo tương tác yếu. [9] μ+  e+ + 𝜈𝜈𝑒𝑒 + �̅�𝜈𝜇𝜇 μ-  e- + 𝜈𝜈𝜇𝜇 + �̅�𝜈𝑒𝑒 Ta có công thức Bethe – Bloch về sự mất năng lượng do tương tác của các hạt mang điện với vật chất [6]: − d𝐸𝐸 d𝑥𝑥 = 2𝜋𝜋𝑁𝑁𝐴𝐴𝑟𝑟𝑒𝑒2𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐2𝜌𝜌 𝑍𝑍𝐴𝐴 𝑧𝑧2𝛽𝛽2 �ln �2𝑚𝑚𝑒𝑒𝛾𝛾2𝑊𝑊𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝐼𝐼2 � − 2𝛽𝛽2 − 𝛿𝛿 − 2 𝐶𝐶𝑍𝑍� (1.6) Trong đó: 2𝜋𝜋𝑁𝑁𝐴𝐴𝑟𝑟𝑒𝑒2𝑚𝑚𝑒𝑒𝑐𝑐2 = 0.1535 MeV.cm2/g re = 2.817 × 10-13 cm : bán kính electron cổ điển me: khối lượng electron NA: số Avogadro I: năng lượng kích thích (ion hoá) trung bình Z: nguyên tử số của chất trong môi trường A: khối lượng nguyên tử của chất trong môi trường ρ: mật độ khối chất trong môi trường 𝛽𝛽 = 𝑣𝑣 𝑐𝑐⁄ ; 𝛾𝛾 = 1 �1− 𝛽𝛽2� Wmax: năng lượng lớn nhất truyền qua trong một va chạm C: hệ số hiệu chỉnh 𝛿𝛿: hệ số hiệu chỉnh mật độ 10 Bảng 1.1. Năng lượng để lại của muon trong một số vật liệu [5]. Vật liệu Kí hiệu Z/A Mật độ ρ [g/cm3] (-dE/dx)min [MeV.cm2/g] Sodium iodide NaI 0.42697 3.667 1.305 Germanium Ge 0.44071 5.323 1.370 Water (liquid) H2O 0.55509 1.000 1.992 Lithium iodide LiI 0.41939 3.494 1.272 Polyvinyltoluene [2- CH3C6H4CHCH2]n 0.54141 1.032 1.956 Air (dry, 1 atm) 0.49919 1.205×10-3 1.815 Bảng 1.1 trình bày giá trị thực nghiệm năng lượng để lại khi đi qua các môi trường vật chất khác nhau. Xét một ví dụ cụ thể cho NaI kích thước 7.62 cm × 7.62 cm có mật độ 3.667 g/cm3 và độ mất năng lượng trên một đơn vị chiều dài dE/dx = 1.305 MeV.cm2/g thì có độ mất năng lượng khi đi qua tinh thể NaI là: ∆𝐸𝐸 = d𝐸𝐸 d𝑥𝑥 × 𝜌𝜌 × 𝑑𝑑 = 1.305 × 3.667 × 7.62 = 36.465 MeV. Như vậy, phổ năng lượng bức xạ vũ trụ để lại trên đầu dò NaI(Tl) sẽ có đỉnh nằm trong vùng 36 MeV. 1.2. Giới thiệu phần mềm mô phỏng GEANT4 và phần mềm CRY. 1.2.1. Phần mềm mô phỏng GEANT4. GEANT4 (GEometry ANd Tracking) [17] là bộ công cụ được dùng để mô phỏng tương tác các bức xạ với môi trường vật chất bằng phương pháp Monte Carlo. Phần mềm GEANT4 được nghiên cứu và phát triển bởi trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN (European Organization for Nuclear Research). 11 GEANT4 được viết bằng ngôn ngữ C++, được xây dựng dựa trên phương pháp lập trình hướng đối tượng, có thể chạy trên các hệ điều hành như Linux, Window. GEANT4 là mã nguồn mở, cung cấp một tập hợp quá trình vật lý đa dạng để mô phỏng, được nhiều chuyên gia phát triển, và có độ tin cậy cao nên chương trình này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như vật lý hạt nhân, vật lý năng lượng cao, vật lý máy gia tốc, khoa học không gian, y học hạt nhân, xạ trị, GEANT4 cung cấp cho những hình ảnh mô phỏng của các hệ đo, quan sát các quá trình tương tác của các hạt với môi trường vật chất, tạo ra các hạt mới sau tương tác cho phép truy cập tất cả thông tin trong mỗi tương tác, tổng hợp các thông tin và cho kết quả đầu ra ghi nhận bởi detector. Chúng ta có thể sử dụng GEANT4, để thiết lập cấu trúc hình học, vật liệu, các loại tương tác vật lý cho các loại hạt, loại hạt tới. Để làm việc với GEANT4 người viết chương trình phải thiết lập vật liệu trong hệ đo, các quá trình tương tác vật lý, loại hạt tương tác; nắm được cấu trúc của GEANT4, các lớp (class), và hàm chính (main). Trong một chương trình mô phỏng GEANT4, người dùng phải thiết lập ba tập tin quan trọng định nghĩa về thiết lập detector (DetectorContruction.cc), định nghĩa về các tương tác vật lý của bức xạ được sử dụng (PhysicsList.cc), và định nghĩa về nguồn phát bức xạ (PrimaryGeneratorAction.cc). Bên cạnh đó người dùng có thể viết thêm các tập tin EventAction.cc hay SteppingAction.cc để trích xuất dữ liệu mô phỏng. Và người dùng cũng phải thiết lập các tập tin thư viện DetectorContruction.hh, PhysicsList.hh, PrimaryGeneratorAction.hh hay EventAction.hh, SteppingAction.hh, để có thể sử dụng các tài nguyên có sẵn được cung cấp bởi GEANT4. Như vậy, để hoàn tất một chương trình GEANT4 người viết phải xây dựng các tập tin “.cc”, “.hh” và lưu lần lượt vào file src (source), file include đã được quy định; và tập tin điều khiển chính sử dụng hàm main. 1.2.1.1. Cấu trúc chương trình GEANT4 12 GEANT4 áp dụng kĩ thuật lập trình hướng đối tượng do đó chương trình sẽ được chia nhỏ thành nhiều lớp. Trong mỗi lớp có các đối tượng riêng biệt được kết hợp với nhau. Mọi thông tin được khai báo ở các lớp trong các đối tượng đều được chương trình chính điều khiển và thực thi mô phỏng vừa thiết lập, sau đó sẽ xuất ra thông tin cần quan tâm. Cấu trúc cơ bản của một chương trình GEANT4 có ba lớp [10]: lớp GEANT4 có sẵn trong phần mềm gồm các đối tượng như hình học, vật liệu, các loại hạt, quá trình vật lý và các điều kiện ban đầu; lớp chương trình người dùng xây dựng các đối tượng theo mô hình mô phỏng cần quan tâm; lớp mô phỏng là lớp GEANT4 đã biên dịch mã nguồn, khởi tạo sự kiện, xuất dữ liệu ra giao diện người dùng. Hình 1.4. Cấu trúc chương trình GEANT4 1.2.1.2. Các lớp khởi tạo và thực thi. Lớp mô phỏng Lớp chương trình người dùng Lớp GEANT4 Khởi tạo sự kiện Giao diện người dùng (Visualization) Cấu trúc “detector” Danh sách vật lý (Physics list) Điều kiện ban đầu (Initial condition) Hình học (Geometry) Vật liệu (Materials) Loại hạt (Particles) Quá trình vật lý (Physics processes Thiết lập điều kiện (condition setup 13 a) Cấu trúc hình học – DetectorConstruction: Mô tả cấu trúc hình học gồm vật liệu và dạng hình học của detector gồm ba thành phần chính: - SolidVolume: xây dựng các khối hình đơn giản cấu thành nên detector như hình hộp, hình trụ, hình cầu. - LogicalVolume: khai báo vật liệu cho vật thể đã mô tả ở SolidVolume và các thuộc tính như màu sắc, độ đậm nhạt, - PhysicalVolume: mô tả vị trí của vật thể trong không gian. b) Quá trình vật lý – PhysicsList: các loại hạt và tương tác với môi trường Khai báo về các loại hạt sẽ tham gia trong mô phỏng cùng với tương tác của chúng với môi trường vật chất lớp này gồm ba thành phần: - ConstructionParticle: định nghĩa các hạt, bức xạ cần quan tâm. Chúng ta cần lưu ý rằng các bức xạ thứ cấp cũng phải được khai báo. Trong GEANT4 người ta chia thành ba nhóm: hadrons (neutron, proton), leptons (electron/positron, muon, neutrino), bosons (gamma). - ConstructProcess: khai báo các quá trình tương tác + Khai báo vùng năng lượng của các hạt đã định nghĩa. Trong GEANT4 có ba nhóm: nhóm tiêu chuẩn (Standard) có năng lượng trong khoảng: 250 eV – 100 TeV; nhóm năng lượng thấp (Low Energy) bao gồm Livermore có năng lượng từ 250 eV – 100 GeV, Penelope thì từ 250 eV – 1 GeV; nhóm năng lượng rất thấp (Very Low Energy) có năng lượng trong khoảng eV – 100 MeV. + Khai báo các quá trình tương tác vật lý của các hạt trên trong hàm này. Có hai thành phần:  AddTransportation(): khai báo các quá trình truyền qua của hạt  ConstructEM(): các quá trình tương tác vật lý giữa bức xạ với môi trường vật chất như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, tạo – huỷ cặp. 14 - SetCuts(): thiết lập giá trị ngưỡng (độ dài vi phân của các quá trình tương tác của hạt trong môi trường vật chất) cho tất cả các hạt. Giá trị ngưỡng này là giá trị năng lượng tối thiểu mà hạt phải có để vượt qua một lát cắt vật chất. Nếu hạt có giá trị năng lượng bé hơn giá trị ngưỡng thì sẽ bị hấp thụ trong lát cắt đó. Qua nhiều phép thử, các nhà nghiên cứu đã đưa ra độ dài vi phân thích hợp nhất cho nhiều loại hạt là 1 mm. c) Điều kiện ban đầu của nguồn – PrimaryGeneratorAction Khai báo những điều kiện ban đầu của nguồn phát như loại hạt, hướng bắn, vị trí bắn, năng lượng phát ra, nguồn đơn năng hay đa năng, nguồn phát đẳng hướng hay theo góc khối. - ParticleGun: hàm báo các loại hạt, bức xạ của nguồn như: electron, positron, proton, neutron, muon, pion, kaon, gamma, - SetParticleMomentumDirection: hàm chỉ định hướng bắn - SetParticlePosition: hàm chỉ định vị trí bắn - SetParticleEnergy: hàm chỉ định năng lượng nguồn phát d) Các lớp tuỳ chọn: EventAction, SteppingAction, RunAction Với mục đích thu được năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trong đầu dò và mô hình hình học, ta sẽ sử dụng các lớp sau đây để truy xuất dữ liệu cần quan tâm: - SteppingAction: thiết lập thông tin cần xuất ra. - EventAction: xuất các thông tin đã được đề cập ở SteppingAction. 1.2.2. Phần mềm CRY. 1.2.2.1. Sơ lược về CRY. Thư viện phần mềm CRY (Cosmic-ray Shower Library) [3], là một chương trình phần mềm tạo ra phân bố chùm bức xạ vũ trụ ở một trong ba độ cao là: mực nước biển, 2100 m, và 11300 m. Các bức xạ vũ trụ tạo ra bao gồm muon, neutron, proton, electron, gamma và pion. Năng lượng của bức xạ vũ trụ sơ cấp chủ yếu là proton (trước khi vào bầu khí quyển) có năng lượng tới từ 1 GeV – 100 TeV. Năng lượng của 15 bức xạ vũ trụ thứ cấp ở các vị trí này có dãy rộng năng lượng từ 1 MeV – 100 TeV. Chi tiết về tạo ra bức xạ vũ trụ sơ cấp và thứ cấp được trình bày trong tài liệu [8]. Phần mềm CRY tạo ra bức xạ vũ trụ cung cấp vị trí, hướng bắn, năng lượng tới của mỗi hạt tới. CRY có thể chạy như một chương trình độc lập, hoặc kết hợp chạy trực tiếp với GEANT4, MCNP, MCNPX. Thư viện phần mềm có thể được tải về từ trang web [16] 1.2.2.2. Tạo nguồn phát bức xạ vũ trụ từ CRY. Trong luận văn này, chúng tôi thiết lập tạo nguồn bức xạ vũ trụ thứ cấp bao gồm muon, electron, neutron, gamma, proton ở vị trí mực nước biển (0 m). Chúng tôi thiết lập các thông số cho bức xạ vũ trụ như: loại hạt, số lượng, độ cao, vùng diện tích hạt. - Thiết lập các loại hạt vũ trụ thứ cấp: returnMuons n returnElectrons n returnGammas n returnProtons n returnNeutrons n returnPions n Với n = 1 theo mặc định cho tất cả các hạt vũ trụ được tạo ra. - Thiết lập độ cao (m) Altitude n Với n = 0 là giá trị tương ứng với độ cao tại mực nước biển, n = 2100 và 11300 tương ứng độ cao 2100 m, 11300 m. - Thiết lập số lượng của hạt vũ trụ. nParticlesMin n nParticlesMax n Với n là số hạt do ta kiểm soát. - Thiết lập diện tích quan tâm. 16 subboxLength n Các hạt được tạo ra bên trong của một bề mặt phẳng vuông có chiều dài là n (mét). Với n có thể là 1, 3, 10, 30, 100, 300 mét. - Thiết lập dữ liệu đầu vào. Dữ liệu đầu vào gồm danh sách các loại hạt, năng lượng (MeV), vị trí (mét), hướng bắn, thời gian (giây) được khai báo trong CRYParticle.h Bảng dữ liệu đầu vào file./data được thiết lập đưa vào trong mô phỏng theo đường dẫn đến thư mục chứa nó, để khai báo vị trí đường dẫn bằng cách thiết lập hàm sau: CRYSetup* setup=new CRYSetup(setupString, “./data”); CRYGenerator gen(setup); 17 CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH HỆ ĐO TRONG GEANT4 2.1. Bố trí mô hình mô phỏng hệ đo theo thực nghiệm. Thí nghiệm đo đáp ứng của bức xạ vũ trụ trên hệ đo NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm đã được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh. Hình hệ đo được trình bày như hình 2.1. Trong thí nghiệm này, đầu dò NaI(Tl) được đặt trong buồng chì. Hai đầu dò nhấp nháy plastic 80 cm x 40 cm x 3 cm, đặt song song với nhau và phía trên đầu dò NaI(Tl), được sử dụng trong việc “đánh dấu” bức xạ vũ trụ. Kết quả phổ ghi nhận trên đầu dò NaI(Tl) được trình bày chi tiết trong phụ lục 1. Để đánh giá kết quả thực nghiệm [14], trong luận văn này chúng tôi thực hiện mô phỏng dựa theo đúng các thông số của thực nghiệm. Mô hình mô phỏng được thiết lập tương tự như thực nghiệm và được trình bày như hình 2.2. Hệ mô phỏng gồm hai đầu dò nhấp nháy plastic có dạng hình hộp chữ nhật kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm đặt song song phía trên đầu dò NaI(Tl) hình trụ kích thước 7.62 cm x 7.62 cm. Khoảng cách giữa hai đầu dò plastic 20 cm, và plastic bên dưới (thứ hai) cách đầu dò NaI(Tl) 15 cm. Đầu dò NaI(Tl) được bọc một lớp chì dày 1 cm. Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm GEANT4. Trong mô hình mô phỏng GEANT4, chúng tôi tiến hành xây dựng những nội dung như sau: xây dựng hình học cho các đầu dò (đầu dò plastic và đầu dò NaI(Tl)), xây dựng vật lý tương tác cho các hạt. Đối với việc xây dựng chùm hạt bức xạ vũ trụ (muon, electron, proton, neutron, gamma) tới detector, chúng tôi dựa vào phần mềm CRY. Chi tiết về việc xây dựng mô hình mô phỏng như xây dựng hình học, khai báo vật lý tương tác và phần mềm CRY sẽ được trình bày tại mục 2.2. 18 Hình 2.1. Hệ đo thực nghiệm đáp ứng của bức xạ vũ trụ lên đầu dò NaI(Tl), tại BM. VLHN, trường ĐH. KHTN, TP Hồ Chí Minh. Hình 2.2 Mô hình mô phỏng hệ đo theo thực nghiệm hình 2.1 19 2.2. Thiết lập mô hình hệ đo trong GEANT4. 2.2.1. Thiết kế hình học hệ đo (DetectorConstruction). Dựa vào chi tiết về các thành phần vật liệu, thông số kích thước của đầu dò plastic và đầu dò NaI(Tl) được trình bày ở phụ lục 2, chúng tôi thiết lập hình học hệ đo trong file DetectorContruction.cc. Vật liệu của hệ đo được định nghĩa theo thành phần nguyên tố hóa học, hợp chất. Các vật liệu được khai báo gồm: - Đầu dò plastic với thành phần chính là vinyltoluen (C10H11) có 91.5% cacbon, 8.5% hydrogen với mật độ là 1.032 g/cm3. Hai đầu dò plastic có dạng hình hộp chữ nhật kích thước 80 cm (dài) x 40 cm (rộng) x 3 cm (dày). - Đầu dò NaI(Tl) có 99.6% NaI, 0.04% Thalium (Tl) với mật độ 3.67 g/cm3 với lớp ngoài bao bọc bởi nhôm oxit, silic, silic oxit và ống nhân quang điện PMT được thay thế tương đương lớp nhôm với bề dày 3 cm. Chi tiết về các thông số khai báo kích thước của đầu dò NaI(Tl): NaI(Tl) (ρ = 3.67 g/cm3) dạng trụ, đường kính ngoài 7.62 cm, bề dày 7.62 cm. Si (ρ = 2.329 g/cm3) dạng trụ, đường kính ngoài 8 cm, bề dày 0.11 cm. SiO2 (ρ = 2.648 g/cm3) dạng trụ, đường kính ngoài 8 cm, bề dày 0.3 cm. Al (PMT) dạng trụ, đường kính ngoài 8.62 cm, bề dày 3.0 cm. 20 Hình 2.3. Thông số về kích thước của các thành phần trong đầu dò NaI(Tl) Vị trí tâm của đầu dò NaI(Tl) được đặt ở gốc toạ độ (0,0,0) trong hệ trục tọa độ, như trình bày trong hình 2.2. Đầu dò NaI(Tl) với các thông số kích thước của các thành phần như NaI(Tl), Al, Si được trình bày chi tiết trong hình 2.3. - Buồng chì bao bên ngoài đầu dò NaI(Tl) với mật độ 11.34 g/cm3. Buồng chì có dạng trụ rỗng, gồm thân và nắp buồng chì có đường kính trong 8.35 cm, đường kính ngoài 16.5 cm và cao 15.5 cm. Nắp buồng chì là trụ đặc cao 2 cm, đường kính ngoài bằng đường kính ngoài của thân buồng chì. Tâm của thân chì, nắp chì cách tâm NaI lần lượt là 0.64 cm và 9.39 cm. - Không khí xung quanh chứa 80% là nitrogen và 20% oxygen với mật độ là 1.29 mg/cm3. Hình 2.4 trình bày kết quả hình học của hệ đo trong mô phỏng GEANT4 và mặt cắt của đầu dò NaI(Tl) với tinh thể NaI, ống nhân quang điện – Al, chì gồm thân chì và nắp chì và hai tấm plastic đặt song song phía trên đầu dò NaI(Tl). Các thông số vị trí, kích thước, vật liệu được thiết kế đúng theo các thông số thực nghiệm. 21 Hình 2.4. Hệ đo được xây dựng trong mô phỏng GEANT4 và hệ đo tại Bộ Môn Vật lý hạt nhân – trường Đại học Khoa học tự nhiên – TPHCM. 2.2.2. Khai báo tương tác vật lý (PhysicsList). Trong chương trình mô phỏng này, chúng tôi sử dụng các hiệu ứng đặc trưng của muon, electron, gamma, neutron, proton, positron. Bảng 2.1 trình bày các khai báo tương tác vật lý cho từng loại hạt. [11] Bảng 2.1. Khai báo tương tác vật lý của các hạt tới Loại hạt tới Loại tương tác và hàm khai báo trong GEANT4 Muon + Ion hoá (G4MuIonisation.hh). + Bức xạ hãm (G4MuBremsstrahlung). + Tán xạ nhiều lần (G4MuMultipleScattering). + Tạo cặp electron, positron (G4MuPairProduction). Electron + Ion hoá (G4eIonisation) + Bức xạ hãm (G4eBremsstrahlung) + Huỷ positron phát hai gamma (G4eplusAnnihilation). + Tán xạ nhiều lần (G4eMultipleScattering) Positron + Ion hoá (G4MuIonisation.hh). + Bức xạ hãm (G4MuBremsstrahlung). + Tán xạ nhiều lần (G4MuMultipleScattering). + Huỷ cặp (G4eplusAnnihilation). Proton + Tán xạ đàn hồi (G4LElastic) + Tán xạ không đàn hồi (G4LENeutronInelastic) Gamma + Hiệu ứng quang điện (G4PhotoElectricEffect) + Tán xạ Compton (G4ComptonScattering) + Tán xạ Rayleigh (G4RayleighScattering) 22 + Tạo cặp (G4GammaConversion) Neutron + Tán xạ đàn hồi (G4LElastic) + Tán xạ không đàn hồi (G4LENeutronInelastic) + Quá trình bắt (G4LCapture) + Phản ứng hạt nhân (G4LFission) Các hiệu ứng đặc trưng của từng loại bức xạ được khai báo thông qua việc gọi hàm: ConstructEM() từ ConstructProcess() trong GEANT4. Vì một số loại các hạt như neutron và proton được tạo ra trong CRY có phân bố năng lượng rất rộng từ 0 lên đến vài TeV nên phải sử dụng mô hình năng lượng trong quá trình tương tác thông qua lớp G4ProcessManager. Ngoài ra, sự phân rã của muon trong quá trình tương tác cũng được khảo sát thông qua hàm ConstructDecay(). 2.2.3. Tạo nguồn bức xạ vũ trụ từ CRY (PrimaryGeneratorAction) Để tạo nguồn bức xạ vũ trụ từ CRY ta tiến hành thiết lập các thông số trong tập tin setup.file thể hiện ở code 1. Nguồn bức xạ vũ trụ được tạo ra từ phần mềm CRY được khai báo trong tập tin PrimaryGeneratorAction của GEANT4. Bức xạ vũ trụ được tạo ra bao gồm neutron, proton, gamma, muon, electron tuân theo phân bố năng lượng và phân bố góc, tập trung trên một bề mặt có diện tích 1 m2 ở mực nước biển. Tất cả các thông tin như loại hạt, năng lượng (MeV), vị trí (m), hướng bắn sẽ được truyền vào GEANT4 từ CRY thông qua lớp particleGun. Trong đó, vị trí (x, y) của hạt tới sẽ tạo ra một bề mặt có diện tích 1 m2 (1 m x 1 m) để đảm bảo rằng bức xạ vũ trụ tạo ra phủ hết tấm plastic kích thước 0.8 m (0.8 m x 0.8 m), độ cao z là Code 1 //setup.file returnNeutrons 1 date 26-01-2016 returnProtons 1 latitude 90.0 returnPions 1 altitude 0 returnKaons 0 subboxLength 1 returnMuons 1 /CRY/update returnElectrons 1 returnGammas 1 23 0.45 m tính từ gốc toạ độ O – tâm của tinh thể NaI cách plastic trên cùng vài milimet để chắc chắn rằng bức xạ vũ trụ sẽ đến được plastic. Với mục đích đánh giá sự đóng góp của từng loại hạt trong bức xạ vũ trụ trong tương tác với đầu dò NaI(Tl), chúng tôi trích xuất thông tin bức xạ vũ trụ CRY được tạo ra trước khi truyền vào mô phỏng GEANT4. Hình 2.5 trình bày phân bố thông lượng theo năng lượng của từng loại hạt vũ trụ bao gồm muon (màu hồng), neutron (màu xanh lá cây), gamma (màu xanh da trời), electron (màu tím), proton (màu xanh dương đậm), được tạo ra từ phần mềm CRY tại vị trí mực nước biển. Từ hình 2.5, ta nhận thấy phân bố thông lượng của các hạt vũ trụ có giải phổ rất rộng từ năng lượng thấp keV đến hơn 500 GeV. Đối với muon (màu hồng), phân bố thông lượng theo năng lượng ở vùng năng lượng cao (từ vài trăm MeV trở đi) chiếm đa số với thông lượng muon cực đại vào khoảng 400 MeV. Sau đó, chúng tôi tiến hành đưa những thông tin vừa thiết lập trên vào mô phỏng, trước khi chạy lệnh runbeamOn – số sự kiện bằng hai cách sau: gọi lệnh FileCmd với cú pháp /CRY/file được định nghĩa và quản lý trong lớp PrimaryGeneratorMessenger hoặc có thể truyền lệnh trực tiếp vào cửa sổ terminal khai báo thông tin các loại hạt, vị trí, năng lượng, hướng bắn cho biết trong tập tin setup.file và lệnh /CRY/update việc đưa thông tin chùm hạt vũ trụ cần phải được chạy trước khi chạy lệnh runbeamOn theo cú pháp runbeamOn – số sự kiện. Trong bài luận này chúng tôi chạy 70 triệu sự kiện với lệnh runbeamOn 70 triệu. 24 Hình 2.5. Phân bố thông lượng theo năng lượng của bức xạ vũ trụ tới được tạo từ CRY. Sau khi kết thúc quá trình mô phỏng, kết quả mô phỏng sẽ được lưu lại theo đường dẫn trong EventAction ở mục 2.3.4. Với những thông tin đã thiết lập thì file kết quả sẽ chứa các thông tin sau: loại hạt (0 – neutron, 1 - proton, 4 – muon, 5 – electron, 6 - gamma), điện tích, vị trí (x,y,z), hướng tới (u,v,w), năng lượng tới (MeV), năng lượng để lại trên hai đầu dò plastic và trên đầu dò NaI(Tl). Thông tin về kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết trong bảng 2.2. Bảng 2.2 Một số kết quả dữ liệu được xuất ra sau khi mô phỏng Dữ liệu tạo bức xạ vũ trụ từ CRY Kết quả Lo ại hạt Đ iệ n tí ch Năng lượng tới (MeV) Vị trí (x,y,z) (m) Hướng tới (u,v,w) (m) Năng lượng để lại trên hai plastic và đầu dò NaI(Tl) x y z u v w Plastic1 Plastic 2 NaI(Tl) Ga mm a 0 11.252 0.18 -0.12 0 -0.27 0.24 -0.92 0 0 10.35 25 2.2.4. Trích xuất dữ liệu mô phỏng Trong Geant4 để xuất dữ liệu mô phỏng người sử dụng phải khai báo các hàm nhập, hàm xuất dữ liệu bằng cách xây dựng hai tập tin là SteppingAction – thiết lập thông tin cần ghi nhận và EventAction – xuất các thông tin ghi nhận ở SteppingAction. • SteppingAction – thiết lập thông tin cần ghi nhận Thông tin cần ghi nhận ở đây là năng lượng bức xạ để lại trên đầu dò NaI(Tl) và đầu dò nhấp nháy plastic. Để ghi nhận thông tin trên ta dùng hàm GetTotalEnergyDeposit(). Năng lượng để lại của từng sự kiện từ khi bắt đầu đi vào đầu dò cho đến khi ra khỏi sẽ được lưu trữ. Để lấy đầu dò từ tập tin DetectorContruction vào trong tập tin này ta dùng hàm GetVolume(). • EventAction – xuất các thông tin cần ghi nhận. Công việc cuối cùng của mô phỏng là trích xuất các thông tin cần thiết ra tập tin dữ liệu để xử lý bằng nhiều phần mềm chuyên dụng như ROOT [18], Excel, Origin người sử dụng cần phải thiết lập đường dẫn để lưu file thông tin mô phỏng trên. Mu on 1 441.947 -0.26 0.20 0 0.04 -0.29 -0.83 7.71 6.09 24.31 Mu on 1 5721.66 -0.31 -0.1 0 0.49 0.22 -0.83 6.84 14.36 48.93 Mu on -1 33670.1 -0.01 0.10 0 0.02 -0.06 -0.99 5.78 5.58 0.45 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI THỰC NGHIỆM 3.1. Kết quả mô phỏng Trong chương này, chúng tôi thảo luận các kết quả đạt được sau khi mô phỏng GEANT4 từ mô hình đã xây dựng ở chương 2. Chúng tôi tiến hành phân tích, đánh giá phổ mô phỏng năng lượng để lại của bức xạ vũ trụ trên hai đầu dò plastic (mục 3.1.1) và trên đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng từ (0.2 – 70) MeV (mục 3.1.2). Các hạt bức xạ vũ trụ tác động lên các đầu dò được đánh giá bao gồm muon, neutron, proton, electron, gamma. Từ kết quả mô phỏng, chúng tôi thực hiện so sánh với kết quả thực nghiệm để từ đó đánh giá đáp ứng của bức xạ vũ trụ lên đầu dò NaI(Tl) (mục 3.2). 3.1.1 Phổ mô phỏng năng lượng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò nhấp nháy plastic. 27 Hình 3.1 Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trên plastic thứ nhất kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm. Hình 3.2. Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ để lại trên plastic thứ hai kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm. Các đầu dò nhấp nháy plastic kích thước lớn được dùng để đánh dấu bức xạ vũ trụ. Hình 3.1 và hình 3.2 là kết quả mô phỏng phổ năng lượng để lại của bức xạ vũ trụ trên hai đầu dò nhấp nháy plastic. Kết quả phổ năng lượng bức xạ vũ trụ để lại trên đầu dò plastic là phổ liên tục, có đỉnh năng lượng ở vùng 6 MeV. Dựa vào phổ ta nhận thấy bức xạ vũ trụ đi qua vật liệu nhấp nháy dày 3 cm có đỉnh năng lượng ở vùng năng lượng 6 MeV. Đỉnh này có thể được giải thích như sau: khi bức xạ vũ trụ có hướng thẳng đứng đi qua vật liệu nhấp nháy plastic dày 3 cm với mật độ khối ρ = 1 g/cm3. Đỉnh 6 MeV này hoàn toàn phù hợp với các số liệu thực nghiệm cho bức xạ vũ trụ đi qua vật liệu nhấp nháy plastic này. Đối với muon năng lượng lớn, độ mất mát năng lượng trên vật liệu với ρ = 1 g/cm3 tuân theo quy luật dE/dx ~ 2 MeV/g/cm3 [5]. Do đó, 28 đối với plastic với bề dày 3 cm (mật độ khối ~ 1 g/cm3), năng lượng để lại được tính khoảng 6 MeV. Như vậy, kết quả mô phỏng trên hình 3.1 và 3.2 cho các đầu dò plastic với đỉnh năng lượng 6 MeV cho kết quả như được tính toán ở trên. Dựa vào phổ năng lượng để lại của bức xạ vũ trụ trên đầu dò nhấp nháy plastic, ta có thể biết quy luật của bức xạ vũ trụ tác động lên đầu dò nhấp nháy, từ đó việc đánh dấu bức xạ vũ trụ bằng đầu dò plastic có thể dựa vào chọn vùng năng lượng, tức là thiết lập ngưỡng năng lượng khoảng 4.5 MeV trở lên. Điều này rất quan trọng trong thực nghiệm, vì khi sử dụng đầu dò nhấp nháy plastic, gamma môi trường dễ dàng được ghi nhận, gây nên nhiễu cho phổ năng lượng. Do đó để ghi nhận (đánh dấu) bức xạ vũ trụ, ta có thể dựa vào vùng năng lượng cụ thể, với năng lượng 4.5 MeV trở lên, gamma do môi trường xung quanh sẽ được loại bỏ do vùng năng lượng này chủ yếu do bức xạ vũ trụ. 3.1.2. Phổ mô phỏng năng lượng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò NaI(Tl) Hình 3.3 là kết quả mô phỏng phổ năng lượng để lại của bức xạ vũ trụ ghi nhận bởi đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng khảo sát từ 0.2 MeV đến 70 MeV. Ở đây, hình 3.3 được được vẽ với điều kiện ngưỡng trên hai đầu dò plastic là 4.5 MeV. Đường màu xanh dương là phổ năng lượng tổng của bức xạ vũ trụ (muon, gamma, neutron, electron, proton) ghi nhận bởi NaI(Tl). Phổ tổng thể hiện dạng phổ liên tục và có đỉnh năng lượng 0.511 MeV (ở vùng năng lượng thấp) và đỉnh năng lượng ~ 40 MeV (ở vùng năng lượng cao). Đối với từng loại bức xạ vũ trụ, hình 3.3 cho thấy sự đóng góp của muon (cam), electron (hồng), gamma (xanh lá cây), neutron (xanh cyan), proton (vàng). Kết quả cho thấy, thành phần bức xạ vũ trụ muon đóng góp (màu cam) đóng góp vào phổ tổng là chủ yếu. Ở vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 3 MeV), có sự đóng góp của thành phần electron cũng như các thành phần khác. Các thành phần bức xạ vũ trụ như proton, neutron, gamma chiếm một phần nhỏ. 29 Đối với muon, dạng phổ thể hiện hầu như dạng phổ tổng. Đỉnh 0.511 MeV có thể giải thích là do bức xạ vũ trụ tương tác với các vật liệu xung quanh (như buồng chì) tạo ra bức xạ hãm, bức xạ hãm tương tác trong NaI(Tl) theo cơ chế tạo cặp và đỉnh 0.511 MeV được hình thành. Đối với đỉnh ~ 40 MeV được giải thích như sau: với muon năng lượng lớn, độ mất mát năng lượng trên vật liệu với ρ = 3.667 g/cm3 tuân theo quy luật dE/dx ~ 1.305 MeV/g/cm3 [5]. Do vậy, đối với tinh thể NaI(Tl) với bề dày 7.62 cm (mật độ khối ~ 3.667 g/cm3), năng lượng để lại ~ 37 MeV. Như vậy, kết quả mô phỏng trên hình 3.3 cho đầu dò NaI(Tl) với vùng đỉnh năng lượng (36 – 40) MeV, kết quả tính toán nằm trong vùng năng lượng của mô phỏng. 30 Hình 3.3. Phổ mô phỏng năng lượng của bức xạ vũ trụ trên đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng (0.2 – 70) MeV 3.2. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng. Trong mục này, chúng tôi thực hiện so sánh phổ mô phỏng (phổ tổng) như trình bày trên mục 3.1, so với kết quả đo thực nghiệm [14]. Chúng tôi xét cho hai vùng năng lượng, vùng năng lượng thấp (0.2 – 3) MeV và vùng năng lượng cao (3 – 70) MeV. 3.2.1. Phổ ở vùng năng lượng thấp (0.2 – 3) MeV. Hình 3.4. Phổ năng lượng so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trong vùng năng lượng (0.2 – 3) MeV. 31 Hình 3.4 trình bày kết quả so sánh giữa phổ mô phỏng (màu xanh) và phổ thực nghiệm (màu đỏ) [14] của bức xạ vũ trụ ghi nhận bởi đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng thấp (0.2 – 3) MeV. Kết quả cho thấy, phổ mô phỏng có sự phù hợp tốt so với thực nghiệm. Với kết quả từ mô phỏng cũng như đo được trong thực nghiệm, đối với hệ đo gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được đặt trong buồng chì, thì bức xạ vũ trụ tác động lên đầu dò NaI(Tl) có dạng phổ liên tục và có đỉnh năng lượng 0.511 MeV. Ở vùng năng lượng thấp (nhỏ hơn 3 MeV), mô hình mô phỏng (từ việc xây dựng các đầu dò, vật lý tương tác, cũng như nguồn tạo bức xạ vũ trụ tới từ CRY) trong luận văn này cho kết quả tốt; cũng dựa vào mô phỏng ta có thể phân tích các thành phần đóng góp của từng loại hạt, mà thực nghiệm không thể đo đạt được. 3.2.2. Phổ ở vùng năng lượng cao (3 – 70) MeV. 32 Hình 3.5. Phổ năng lượng so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trong vùng năng lượng (3 – 70) MeV. Hình 3.5 trình bày kết quả so sánh giữa phổ năng lượng mô phỏng (màu xanh) và phổ năng lượng thực nghiệm (màu đỏ) của bức xạ vũ trụ trên đầu dò NaI(Tl) trong vùng năng lượng từ (3 – 70) MeV. Kết quả cho thấy, phổ mô phỏng có sự phù hợp tốt so với thực nghiệm, đều là phổ có dạng liên tục, có đỉnh năng lượng nằm ở vùng (36 – 40) MeV. Với kết quả từ mô phỏng cũng như đo được trong thực nghiệm, đối với hệ đo gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được đặt trong buồng chì, thì bức xạ vũ trụ tác động lên đầu dò NaI(Tl) có dạng phổ liên tục và có đỉnh năng lượng ở vùng (36 – 40) MeV. Ở vùng năng lượng cao (lớn hơn 3 MeV), mô hình mô phỏng (từ việc xây dựng các đầu dò, vật lý tương tác, cũng như nguồn tạo bức xạ vũ trụ tới từ CRY) trong luận văn 33 này cho kết quả tốt; cũng dựa vào mô phỏng ta có thể phân tích các thành phần đóng góp của từng loại hạt, mà thực nghiệm không thể đo đạt được. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết luận: Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng nghiên cứu đáp ứng bức xạ vũ trụ lên hệ đo NaI(Tl) model 802 của hãng Canberra dựa trên nền tảng GEANT4 để xây dựng hệ đo, tương tác vật lý, kết hợp sử dụng phần mềm CRY để tạo nguồn bức xạ vũ trụ tới hệ đo. Từ đó, đánh giá lại sự đúng đắn của quá trình thực nghiệm. Cụ thể các kết quả đạt được như sau: 34 1. Xây dựng chi tiết hình học hệ đo trên code GEANT4 gồm: đầu dò nhấp nháy plastic, đầu dò NaI(Tl), buồng chì, bố trí thí nghiệm mô phỏng đúng với thực nghiệm. 2. Khai báo được các quá trình tương tác vật lý của nguồn vũ trụ với vật chất trong hệ đo trong GEANT4. 3. Tạo nguồn bức xạ vũ trụ tới (bao gồm neutron, proton, electron, muon, gamma) với các thông tin năng lượng tới, vị trí, hướng bắn, điện tích từ phần mềm CRY. 4. Thực hiện mô phỏng ghi nhận đáp ứng phổ bức xạ vũ trụ trên hai đầu dò nhấp nháy plastic và đầu dò NaI(Tl). Kết quả cho thấy, phổ năng lượng được hấp thụ khi bức xạ vũ trụ đi qua đầu dò nhấp nháy plastic có đỉnh nằm ở vùng 6 MeV. Đối với đầu dò NaI(Tl), chúng tôi ghi nhận được giải năng lượng từ 0.2 MeV đến 70 MeV. Ở vùng năng lượng thấp (0.2 – 3 MeV) phổ năng lượng xuất hiện đỉnh 0.511 MeV do bức xạ hãm thứ cấp gây ra khi bức xạ vũ trụ tương tác với vật liệu che chắn xung quanh (buồng chì), ở vùng năng lượng cao (3 – 70 ) MeV có đỉnh phổ khoảng 40 MeV do cơ chế tương tác trực tiếp của bức xạ vũ trụ với tinh thể NaI(Tl) bề dày 7.62 cm. Còn nền phổ liên tục được biết do các bức xạ thứ cấp sinh ra từ bức xạ vũ trụ tới tương tác với buồng chì và NaI(Tl). 5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm thấy rằng dạng phổ phù hợp tốt. Kiến nghị: Trong luận văn đã xây dựng hệ đo trong mô phỏng so sánh kết quả với thực nghiệm cho kết quả tốt. Tuy nhiên, cần phải xét đến yếu tố thời gian tương quan giữa ghi nhận bởi nhấp nháy plastic và NaI(Tl) để tính toán đến thời gian phân rã của muon trong việc mô phỏng. Việc mô phỏng cần xét đến các yếu tố gần hơn với thực tế hơn như vị trí tương đối của hệ đo trong phòng thí nghiệm so với tường, bao bê tông (nếu có). 35 Có thể tiếp tục nghiên cứu để loại bỏ bức xạ vũ trụ trên hệ đo NaI(Tl), hoặc các thành phần không cần thiết của bức xạ vũ trụ. 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Tiếng Việt: [1] Phạm Quốc Hùng (2007), Vật lý hạt nhân và ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh: [2] T.E Coan, J.Ye (2003), Muon Physics, v051110.0 [3] C.Hagmann, D. Lange, J.Verbeke, D. Wright, “Cosmic-ray shower generator (CRY) for Monte Carlo transport codes”, 2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 2, pp.1143- 1146. [4] P.K.F Greider (2001), Cosmic Rays at Earth, Elsevier, Amsterdam [5] D.E. Groom, N.V. Mokhov, S. Striganov (2001), “Muon stopping power 39 and range tables 10 MeV – 100 TeV”, Atomic Data and Nuclear Data Tables 76 (2). [6] W.R. Leo (1994), Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork, pp.24-30 [7] R.A. Mewaldt (1996), Cosmic Rays, Macmillan Encyclopedia of Physics [8] “Monte Carlo Simulation of Proton-induced Cosmic-ray Cascades in the Atmosphere”, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-TR (2007). [9] MIT Department of Physics (2010), The Speed and Decay of Cosmic-Ray Muons: Experiment in Relativistic Kinematics – The Universal Speed Limit and Time Dilation. [10] Geant4 User's Guide for Application Developers by Geant4 Collaboration Version: geant4 9.6.0 Publication date 30 November 2012 [11] Physics Reference Manual, Version: geant4 9.6.0 (30th November, 2012) [12] R.A. Schumacher (2010), Cosmic Ray Muons, v3.1, 33.340 Modern Physics Laboratory, Carnegie Mellon University. [13] E. Tanaka, S. Itoh, T. Hiramoto, T.A. Jinuma (1965), “Cosmic ray contribution to the background of NaI Scintillation spectrometers”, Japanese Journal of Applied Physics 4 (10). [14] Vo Hong Hai, Nguyen Quoc Hung, Ho Lai Tuan, Masaharu Nomachi và Tran Kim Tuyet (2015) “Detection Response to Cosmic Rays of The Background Spectrum 37 For NaI(Tl) Detector of 3 inch x 3 inch in Energy Region of 0.2 MeV – 80 MeV”, Hội nghị khoa học và công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 11, 8/2015 Website: [15] Particle Data Group - Update 12:31 PM - 10/06/2015 – [16] CRY, [17] GEANT4, [18] ROOT, [19] Model 802 Scintillation detectors: www.canberra.com [20] Cosmic rays 38 Phụ lục 1: Hình PL1.1 là phổ đo được trong vùng năng lượng đến 70 MeV và hình PL1.2 phổ ghi nhận trong vùng năng lượng (0.2 – 3) MeV. Dựa vào phổ thực nghiệm ta thấy, dạng phổ do bức xạ vũ trụ tác động liên đầu dò NaI(Tl) có nền phổ liên tục, có đỉnh 0.511 MeV và vùng đỉnh năng lượng khoảng (36 – 40) MeV. Hình PL1.1. Phổ năng lượng để lại trên đầu dò trong vùng năng lượng thấp (0.2 – 70) MeV từ thực nghiệm. Hình PL1.2. Phổ năng lượng để lại trên đầu dò trong vùng năng lượng cao (0.2 – 3) MeV từ thực nghiệm. 39 Phụ lục 2: Đầu dò nhấp nháy plastic – đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm model 802 Canberra Hình PL2.1. Cấu tạo của đầu dò nhấp nháy plastic. Hình PL2.2. Đầu dò nhấp nháy plastic 80 cm x 40 cm x 3 cm. Hình PL2.1 và hình PL2.2 là ảnh chụp đầu dò nhấp nháy plastic kích thước 80 cm x 40 cm x 3 cm và mô hình cấu tạo đầu dò nhấp nháy plastic. Đầu dò nhấp nháy plastic được dùng trong việc đánh dấu bức xạ vũ trụ, được làm bằng polyvinyltoluen với mật độ 1.032 g/cm3, gồm ba phần: bản nhấp nháy, bản dẫn sáng và ống dẫn sáng. Ống dẫn sáng được dùng để phối hợp kích thước giữa bản dẫn sáng với ống nhân quang điện (PMT). Ống nhân quang điện biến đổi xung ánh sáng thành xung điện tương ứng. Hai PMT sử dụng là RS329-02 được sản xuất bởi công ty Hamamatsu. 80 cm PMT Bản nhấp nháy Bản dẫn sáng 40 cm 40 c m 40 Hình PL2.3. Đầu dò NaI(Tl) 7.62 cm x 7.62 cm hiệu Canberra model 802 Hình PL2.4. Bảng vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3 Hình PL2.3 là đầu dò NaI(Tl) 3x3 (7.62 cm x 7.62 cm) model 802 của hãng Canberra. Đầu dò NaI(Tl) sử dụng trong thí nghiệm có model 802 3x3 có độ phân giải 7.5% tại đỉnh 662 keV của nguồn 137Cs. Đầu dò có dạng trụ, bên trong là tinh thể NaI(Tl) hình trụ kích thước 7.62 cm (đường kính) x 7.62 cm (chiều cao), được bao bọc xung quanh bởi lớp vỏ nhôm. Một mặt tinh thể kết nối với ống nhân quang điện với 14 đầu nối dynode. Hình PL2.4 thể hiện bản vẽ kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3 Canberra. Về thành phần và vật chất cấu tạo đầu dò NaI(Tl) được trình bày trong bảng PL2.1. Bảng PL2.1. Thành phần vật liệu của đầu dò NaI(Tl) model 802 3x3 Vật liệu Mật độ (g/cm3) NaI(Tl) 3.67 Cửa sổ nhôm 2.94 Lớp phản xạ nhôm oxit 0.55 Silic 2.329 SiO2 2.648