Nghiên cứu hàm đáp ứng của đầu dò nai(tl) trong phân tích thùng thải phóng xạ bằng mô phỏng monte carlo

LỜI MỞ ĐẦU Sự hoạt động thường ngày và công tác bảo trì của các cơ sở hạt nhân tạo ra một lượng vật liệu phóng xạ với nhiều thành phần khác nhau, mà chúng phải được chứa đựng trong các t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

- -

Đềtài:

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU HÀM ĐÁP ỨNG CỦA ĐẦU DÕ NaI(Tl) TRONG PHÂN TÍCH THÙNG THẢI PHÓNG XẠ BẰNG MÔ PHỎNG MONTE

CARLO

TRẦN VĂN PHÖC

-

TP HỒ CHÍ MINH - 2015

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên thành phố Hồ Chí Minh, với sự hướng dẫn, dạy dỗ và sự giúp đỡ nhiệt tình của tất cả quý thầy cô đã truyền đạt cho em rất nhiều bài học quý báu, những nhận thức quan trọng trong học tập cũng như trong cuộc sống, giúp em hoàn thành khóa học và là nền tảng để em hoàn thành khóa luận này Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:

ThS Huỳnh Đình Chương – người thầy cũng là người anh luôn quan tâm, chỉ bảo tận tình, đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức, giúp em giải quyết các vấn đề khó khăn và hướng dẫn em từng bước trong quá trình thực hiện đề tài

TS Trần Thiện Thanh – thầy đã giúp em và các thành viên trong nhóm có điều kiện để học hỏi , trao đổi kiến thức và kỹ năng với nhau Thầy cũng là người giúp chạy các tệp mô phỏng MCNP, cung cấp số liệu cho khóa luận

ThS Huỳnh Nguyễn Phong Thu và quý thầy cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian đọc và cho ý kiến đánh giá giúp khóa luận hoàn thiện hơn

Xin cảm ơn quý thầy cô, các cán bộ trẻ đang công tác tại Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân – trường Đại học Khoa Học Tự nhiên – những người tâm huyết giảng dạy và luôn sẵn sàng giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập

Cảm ơn tất cả các bạn cùng lớp 11VLHN, luôn cùng nhau đoàn kết, hỗ trợ nhau trong học tập, hết mình trong các hoạt động của trường, lớp, tạo cho em thêm tinh thần học tập và những kỷ niệm đẹp về thời sinh viên

Cảm ơn gia đình đã luôn ở bên quan tâm, chia sẻ và ủng hộ, đây là nguồn động viên lớn cho con trong quá trình học tập cũng như quá trình hoàn thành khóa luận này

Tp Hồ Chí Minh tháng 6 năm 2015

Trần Văn Phúc

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 10

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.2 Hiệu suất ghi nhận của đầu dò 13

1.2.1 Khái niệm hiệu suất 13

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đầu dò 15

1.2.3 Đường cong hiệu suất 16

1.3 Chương trình MCNP 17

1.3.1 Giới thiệu 17

1.3.2 Thư viện số liệu và phản ứng hạt nhân trong MCNP 17

1.3.3 Tương tác của photon lên vật chất trong MCNP 18

1.3.3.1 Mô hình tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) 18

1.3.3.2 Mô hình tán xạ Thomson (tán xạ kết hợp) 19

1.3.3.3 Hấp thụ quang điện 20

1.3.3.4 Hiệu ứng tạo cặp 21

1.3.4 Các bước thực hiện quá trình mô phỏng trong MCNP 21

1.3.5 Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 23

1.3.6 Đánh giá các sai số Monte - Carlo 25

1.4 Tổng kết chương 1 26

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 27

2.1 Mô hình hệ đo nguồn điểm 27

2.1.1 Nguồn chuẩn 28

2.1.2 Giá đỡ nguồn 29

2.1.3 Cấu hình đầu dò NaI(Tl) 29

2.2 Mô hình tính toán cho hệ đo thùng thải 30

2.2.1 Thùng thải 31

2.2.2 Chất độn 32

2.2.3 Đầu dò và ống chuẩn trực 33

2.3 Khảo sát khả năng mô phỏng của chương trình MCNP5 34

2.4 Tổng kết chương 2 39

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Khảo sát hàm đáp ứng hệ đo thùng thải bằng chương trình mô phỏng MCNP5 40

3.1.1 Đặc trưng phổ 40

3.1.1.1 Khảo sát theo vật liệu 40

3.1.1.2 Khảo sát theo vòng 41

3.1.2 Kết quả khảo sát hiệu suất đỉnh 42

3.1.2.1 Khảo sát sự biến thiên của hiệu suất theo vòng 42

3.1.2.2 Khảo sát hiệu suất theo hệ số suy giảm tuyến tính 46

3.2 Tổng kết chương 3 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ACTL AC Tivation Library Thư viện kích hoạt từ

ENDF Evaluated Nuclear Data File Số liệu hạt nhân ENDF

FWHM Full Width at Half Maximum Bề rộng ở một nửa giá trị cực đại GEB Gaussian Energy Broadening Giãn nở năng lượng dạng Gauss MCNP Monte Carlo N Particles Chương trình mô phỏng MCNP

nhân trong MCNP

PMMA Polymethylmethacrylate Một chất liệu tổng hợp

PVDC Polyvinylidene chloride Một loại vật liệu

SGS Segmented Gamma Scanning Kỹ thuật quét gamma phân đoạn

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 2.1 Đặc trưng phát bức xạ gamma của các nguồn chuẩn

2 Bảng 2.2 Đặc điểm của các nguồn chuẩn được sử dụng 29

4 Bảng 2.4 Giá trị FWHM theo năng lượng có từ thực nghiệm 35

5 Bảng 2.5 Kết quả hiệu suất mô phỏng và hiệu suất thực nghiệm 38

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1 Hình 1.5 Sơ đồ các bước trong quá trình mô phỏng bằng MCNP 22

2 Hình 2.1 Mô hình hệ đo nguồn điểm được xây dựng bằng chương

trình MCNP5

27

3 Hình 2.2 Mô hình đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng MCNP5 30

4 Hình 2.3 Mặt cắt thẳng đứng (a) và mặt cắt ngang (b) mô hình hệ

đo thùng thải

31

5 Hình 2.4 Mặt cắt đứng và mặt cắt ngang mô hình thùng hải 32

7 Hình 2.6 Phổ mô phỏng và thực nghiệm của 22Na (a) và 54Mn (b) 36

8 Hình 2.7 Phổ mô phỏng và thực nghiệm của 60Co (a) và 133Ba (b) 36

9 Hình 2.8 Phổ mô phỏng và thực nghiệm của 137Cs (a) và 154Eu (b) 37

10 Hình 3.1 So sánh phổ xác suất ghi nhận của nguồn 54Mn (a) và

137

Cs (b) với các vật liệu chân không, cao su, nylon, bê tông tại vòng 9

40

11 Hình 3.2 So sánh phổ xác suất ghi nhận của nguồn 54Mn tại các

vòng 1; 4; 5; 6; 7; 8; 9 với vật liệu là chân không (a), cao

su (b), nylon (c) và bê tông (d)

42

12 Hình 3.3 Sự biến thiên của hiệu suất theo vòng ứng với mức năng

lượng 81,3 keV của hai vật liệu là cao su (a) và nylon (b)

43

13 Hình 3.4 Sự biến thiên của hiệu suất theo vòng ứng với mức năng

lượng 661,7 keV của các vật liệu là cao su, nylon, PVDC và bê tông

44

14 Hình 3.5 Sự biến thiên của hiệu suất theo vòng ứng với mức năng

lượng 511; 661,7; 834,8; 1173 keV của vật liệu nylon

45

15 Hình 3.6 Sự biến thiên của hiệu suất theo ring ứng với mức năng

lượng 511; 661,7; 834,8; 1173 keV của vật liệu PVDC

45

16 Hình 3.7 Sự biến thiên của hiệu suất theo vòng ứng với mức các

năng lượng 661; 356; 834,8; 1332 keV của môi trường chân không

46

17 Hình 3.8 Sự biến thiên của hiệu suất theo hệ số suy giảm tuyến

tính tại các vòng 1,6,8 và 9 của các năng lượng có giá trị

511 (a); 661,7 (b); 1173 (c); 1332 (d) keV

47

18 Hình 3.9 Làm khớp dữ liệu theo hệ số suy giảm tuyến tính tại

vòng 6 với năng lượng 511 keV

48

19 Hình 3.10 Làm khớp dữ liệu theo hệ số suy giảm tuyến tính tại

vòng 6 với năng lượng 1173 keV

49

LỜI MỞ ĐẦU

Sự hoạt động thường ngày và công tác bảo trì của các cơ sở hạt nhân tạo ra một lượng vật liệu phóng xạ với nhiều thành phần khác nhau, mà chúng phải được chứa đựng trong các thùng đóng kín và tuân theo quy trình quản lý nghiêm ngặt Thông thường, quy trình quản lý chất thải phóng xạ yêu cầu rằng thành phần đồng vị phóng xạ

và hoạt độ của chúng trong thùng thải phải được xác định để kiểm tra cho sự phù hợp với các quy tắc quốc gia trước khi vận chuyển, lưu trữ trung gian hoặc loại bỏ cuối cùng (chôn lấp) Tuy nhiên, trong mục đích tái chế rác thải thì yêu cầu về việc xác định

sự phân bố hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bên trong thùng thải cũng trở nên quan trọng

Quét gamma phân đoạn là phương pháp phân tích không phá hủy được ứng dụng rộng rãi nhất cho sự kiểm tra của các thùng thải phóng xạ Năm 1998, Trần Quốc Dũng

đã đề nghị một kỹ thuật đo cho phép phân tích các vật liệu phóng xạ bên trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn Trong nghiên cứu này, một mô hình tính toán được đưa ra với các giả thuyết như sau: trong một phân đoạn thì matrix của thùng thải là đồng nhất, đồng thời phân đoạn được chia thành nhiều vòng nhỏ hơn và

sự phân bố của các đồng vị phóng xạ trong mỗi vòng là đồng nhất Để xác định được hoạt độ của đồng vị phóng xạ bên trong phân đoạn, một trong những thông số quan trọng cần phải biết là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò đối với hình học

đo (hay còn gọi là hàm đáp ứng của đầu dò) Tuy nhiên, việc xác định hiệu suất bằng thực nghiệm đòi hỏi phải chuẩn bị các mẫu chuẩn giống với mẫu phân tích về hình học

và matrix Với điều kiện của Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật Lý – Kỹ Thuật Hạt Nhân thì điều này rất khó thực hiện

Với sự phát triển của máy tính điện tử và phương pháp Monte Carlo, việc mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt bức xạ bên trong mô hình giả lập tương tự với

hệ đo thực nghiệm là có thể thực hiện được Từ đó đưa ra phương án để giải quyết bài toán xác định hiệu suất cho cấu hình đo bất kỳ mà không cần phải đo thực nghiệm Trong đề tài này, mục tiêu đặt ra là nghiên cứu phương pháp mô phỏng Monte Carlo, sử dụng chương trình MCNP, để xác định hàm đáp ứng của đầu dò NaI(Tl) trong hệ đo thùng thải phóng xạ Cụ thể, đề tài tập trung vào việc khảo sát sự biến thiên của hiệu suất đỉnh theo năng lượng, theo vị trí không gian của nguồn phóng xạ và theo

hệ số suy giảm của loại vật liệu chất độn Kết quả đạt được từ đề tài sẽ giải quyết các vấn đề khó khăn trong việc thực hiện công tác thực nghiệm như: chuẩn bị nguồn dạng thể tích với kích thước lớn; mẫu chuẩn với vật liệu có mật độ đồng đều; quá trình thực nghiệm mất nhiều thời gian và nhiều công đoạn thực hiện

Nội dung của khóa luận được trình bày chủ yếu trong ba chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ đo thùng thải phóng xạ; khái niệm hiệu suất ghi; phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5

Chương 2: Trình bày mô hình hệ đo thùng thải phóng xạ được xây dựng bằng chương trình MCNP5, kết quả so sánh giữa hiệu suất thực nghiệm và hiệu suất mô phỏng cho phép đo nguồn điểm

Chương 3: Trình bày kết quả khảo sát sự biến thiên của hiệu suất đỉnh theo năng lượng, theo vị trí không gian của nguồn tại các vòng và theo hệ số suy giảm tuyến tính

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 1998, Trần Quốc Dũng đã đề nghị một kỹ thuật đo cho phép phân tích các vật liệu phóng xạ bên trong thùng thải bằng phương pháp quét gamma phân đoạn [10] Trong nghiên cứu này, một mô hình tính toán được đưa ra với các giả thuyết như sau: trong một phân đoạn thì matrix của thùng thải là đồng nhất, đồng thời phân đoạn được chia thành nhiều vòng nhỏ hơn và sự phân bố của các đồng vị phóng xạ trong mỗi vòng

là đồng nhất Khi đó, tốc độ đếm ứng với một mức năng lượng gamma cho nguồn phóng xạ phân bố đều trong mỗi vòng tỉ lệ với hoạt độ nguồn (chưa biết) và hiệu suất ghi nhận bức xạ (đã biết) Như vậy, tốc độ đếm cho toàn bộ phân đoạn ứng với một hình học đo được tính bằng tổng tốc độ đếm của tất cả các vòng trong phân đoạn đó,

mà nó có thể được biểu diễn như một phương trình n biến, với n là số vòng được chia trong phân đoạn và biến là hoạt độ của nguồn phóng xạ trong mỗi vòng Đồng thời, với các mức năng lượng khác của gamma phát ra từ cùng một đồng vị phóng xạ thì các phương trình tương tự cũng được biểu diễn Về mặt nguyên lý hoạt động, thùng thải phóng xạ quay liên tục trong suốt quá trình đo và ở mỗi phân đoạn phổ gamma được ghi nhận với nhiều hình học đo khác nhau bằng việc thay đổi khoảng cách từ đầu dò đến tâm thùng thải Do đó, một hệ phương trình (số phương trình bằng với số biến) có thể được thiết lập với các cấu hình đo và các mức năng lượng gamma khác nhau để thu được lời giải cho hoạt độ của nguồn phóng xạ trong từng vòng Phương pháp này cho kết quả tính toán hoạt độ tốt hơn phương pháp quét gamma phân đoạn truyền thống, bởi vì nó xem xét đến sự phân bố không đồng nhất của vật liệu phóng xạ Hơn nữa, nó cho phép ước lượng sự phân bố xuyên tâm của hoạt độ phóng xạ trong mỗi phân đoạn

Năm 2002, L Dinescu và các cộng sự đã công bố một phương pháp chuẩn hiệu suất thực nghiệm cho cấu hình phân bố đồng nhất của các đồng vị phóng xạ và matrix bên trong thùng thải bằng kỹ thuật quét gamma [8] Trong nghiên cứu này, một thùng thải (220 lít) dùng cho việc chuẩn hiệu suất chứa đựng 7 ống rỗng (đường kính 20 mm) được đặt song song tại các vị trí khác nhau, phần còn lại được lấp đầy bằng xi măng Portland Một chuỗi gồm 6 nguồn chuẩn 152Eu có hoạt độ bằng nhau được đặt liên tiếp trong một ống nhựa để tạo thành một nguồn dạng dây (linear) có hoạt độ tổng 91,02 MBq Một đầu dò HPGe được chuẩn trực, với ống chuẩn trực có đường kính 78 mm và chiều dài 110 mm, được đặt tại vị trí cách thùng thải 30 cm để ghi nhận phổ gamma từ thùng thải phóng xạ Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: thùng thải quay và tịnh tiến một cách liên tục sao cho trường chiếu của đầu dò có thể quét qua tất cả các điểm dọc theo chiều dài của thùng, đồng thời đầu dò HPGe sẽ ghi nhận phổ gamma trong suốt quá trình này Để chuẩn hiệu suất, nguồn 152Eu được đặt vào một trong 7 ống bên trong thùng thải (khi đó 6 ống còn lại là trống rỗng) và tiến hành phép đo Sau

đó nguồn sẽ được đặt vào một ống khác và tiến hành phép đo, quá trình này lặp lại cho đến khi 7 ống đều được đo Khi đó, số đếm ứng với một mức năng lượng gamma ghi nhận trong suốt quá trình đo cho các vị trí đặt nguồn được xác định Các giá trị số đếm được làm khớp theo một hàm của tọa độ xuyên tâm của vị trí đo Bằng cách nội suy từ hàm làm khớp này, giá trị số đếm ứng với các tọa độ xuyên tâm bên trong thùng thải được xác định Tại mỗi vị trí đặt nguồn, do thùng thải quay một cách liên tục nên có thể xem như nguồn phân bố đồng nhất bên trong một vòng tròn có bán kính tương ứng với tọa độ xuyên tâm của vị trí đó Như vậy, hiệu suất ghi nhận cho cấu hình phân bố đồng nhất của các đồng vị phóng xạ bên trong thùng thải được xác định như tổng hiệu suất của các tọa độ xuyên tâm Ngoài ra, sự tính toán giới hạn phát hiện và của sai số của phép đo cũng được đề cập trong nghiên cứu

Năm 2007, M.Toma và các cộng sự đã sử dụng phương pháp Monte Carlo, mà cụ

xạ [9] Tác giả đã tiến hành tính hiệu suất theo năng lượng tại các vị trí khác nhau cho hai dạng nguồn điểm và nguồn thẳng Đồng thời, tác giả cũng khảo sát hiệu suất tại một vị trí với các chất độn có mật độ khác nhau (ρ =1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,3 và 2,4 g/cm3), sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm Kết quả cho thấy giá trị tính toán từ cấu hình mô phỏng là phù hợp với thực nghiệm Tác giả cũng chỉ ra rằng, các yếu tố như: mật độ chất độn trong thùng, sự phân bố nguồn bên trong thùng, bán kính ống chuẩn trực có ảnh hưởng quan trọng đến giá trị của hiệu suất thu nhận được

Năm 2012, D Gurau và O Sima đã công bố nghiên cứu về hàm đáp ứng của hệ thống phân tích chất thải phóng xạ bằng mô phỏng Monte Carlo [7] Trong nghiên cứu này, một chương trình mô phỏng Monte Carlo dựa trên GEANT 3.21 đã được phát triển để mô phỏng hàm đáp ứng của hệ phổ kế gamma ISOCART (Ortec) cho một vài

sự phân bố không đồng nhất của nguồn bên trong thùng thải phóng xạ Thể tích của thùng thải phóng xạ được chia làm nhiều vùng không gian theo hai cách khác nhau Thứ nhất, thùng thải được chia thành 8 phân đoạn hình trụ đều nhau bởi các mặt phẳng cách đều vuông góc với trục của thùng thải Thứ hai, thùng thải được chia thành 1 hình trụ bên trong và 4 ống liên tiếp bởi các mặt trụ cách đều nhau và đồng trục với trục của thùng thải Khi đó, chương trình sẽ lần lượt mô phỏng cho các cấu hình tương ứng với nguồn phóng xạ phân bố trong mỗi vùng không gian để ghi nhận phổ gamma Trong các mô phỏng Monte Carlo thì độ phân giải năng lượng của hệ phổ kế cũng được đưa vào để cung cấp phổ tương tự với thực nghiệm Từ đó, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và hiệu suất tổng cho các mức năng lượng photon từ 50 - 2000 keV được đánh giá

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2012, Trần Quốc Dũng và Trương Trường Sơn đã chỉ ra những mặt hạn chế của phương pháp quét gamma phân đoạn, đồng thời đề xuất một kỹ thuật mới để xác định hoạt độ của thùng chứa chất thải phóng xạ [12] Giả thuyết của kỹ thuật được đưa

ra là hoạt độ của chất thải tập trung như một nguồn điểm trong chất độn đồng nhất đối với một phân đoạn của thùng Các kết quả tính toán cho thấy rằng độ chính xác của kỹ thuật này tốt hơn so với kỹ thuật SGS truyền thống, trong hầu hết các trường hợp khi hỗn hợp chất phóng xạ và chất độn là không đồng nhất

Năm 2012, Trần Quốc Dũng và các cộng sự đã đưa ra phương pháp để làm giảm sai số hệ thống cho việc xác định hoạt độ nguồn phóng xạ trong thùng thải bằng kỹ thuật gamma [11] Tác giả đã kết hợp hai kỹ thuật đo là quét gamma phân đoạn (SGS)

và hai đầu dò đồng nhất Đầu dò 1 và 2 được đặt cố định và đồng trục với thùng thải ở một khoảng cách nhất định, đầu dò thứ 3 sẽ quét qua các phân đoạn của thùng khi thùng quay Trong thí nghiệm tác giả sử dụng thùng thải có thể tích 210 lít, bán kính 29

cm, chiều cao 86 cm, kích thước từ đầu dò đến thùng là 150 cm và với hệ số suy giảm tuyến tính nằm trong khoảng 0,01 cm-1 đến 0,12 cm-1 Kết quả thu được là sai số của phương pháp kết hợp nhỏ hơn kỹ thuật sử dụng một đầu dò và thấp hơn sai số lớn nhất của kỹ thuật sử dụng hai đầu dò Ngoài ra, phương pháp kết hợp còn đáp ứng tốt việc xác định hoạt độ của các chất thải phóng xạ trong các thùng chứa các chất độn có mật

độ thấp như túi, giày, găng tay, quần áo bảo hộ,…

Năm 2013, Trương Nhật Huy nghiên cứu và xây dựng hệ đo thùng thải chất phóng

xạ nhằm khắc phục sai số hệ thống do tình trạng nguồn phóng xạ và chất độn không đồng nhất [3] Trong đề tài, tác giả tập trung vào việc xây dựng hệ đo thùng thải phóng

xạ từ các thiết bị đơn giản dựa trên kỹ thuật SGS để khảo sát sự thay đổi số đếm của nguồn theo các khoảng cách khác nhau giữa nguồn và đầu dò, xác định vị tri phân bố nguồn, đánh giá việc xác định vị trí của nhiều nguồn trong thùng

1.2.1 Khái niệm hiệu suất

Trong các phép đo phân tích, đại lượng cần biết là năng lượng tia gamma và hoạt

độ của nguồn Trong khi đó, dữ liệu mà ta thu được chỉ là các số đếm của các tia bức

xạ được ghi nhận trong đầu dò ở những kênh khác nhau Để có thể xác định hoạt độ nguồn phóng xạ từ các số đếm này, ta cần phải biết hiệu suất ghi nhận của đầu dò Hiệu suất ghi nhận của đầu dò có thể phân loại như sau: hiệu suất tuyệt đối và hiệu suất nội; hiệu suất tổng và hiệu suất đỉnh Cụ thể:

- Hiệu suất tuyệt đối (absolute efficiency) được định nghĩa là tỉ số giữa số xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ phát ra bởi nguồn Hiệu suất này phụ thuộc vào tính chất của đầu dò và bố trí hình học đo

- Hiệu suất nội (intrinsic efficiency) được định nghĩa là tỉ số giữa số xung ghi nhận được và số các lượng tử bức xạ đến được đầu dò Hiệu suất nội chỉ phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đầu dò, năng lượng bức xạ, độ dày vật lý của đầu dò theo chiều của bức xạ tới

Đối với nguồn đẳng hướng, hai loại hiệu suất này liên hệ với nhau theo công thức như sau:

(1.9) Với là góc khối của đầu dò được nhìn từ vị trí của nguồn

Ta thường sử dụng hiệu suất nội hơn là hiệu suất tuyệt đối vì nó ít phụ thuộc hình học đo hơn

- Hiệu suất tổng (total efficiency) là xác suất một bức xạ phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng lượng nào khác không trong vùng thể tích hoạt động của đầu dò Hiệu suất tổng tương ứng khi xét cho toàn bộ tương tác của bức xạ, bất chấp năng lượng của nó có được chuyển đổi toàn bộ hay không

- Hiệu suất đỉnh (peak efficiency) là xác suất của một bức xạ phát ra từ nguồn để lại toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt động của đầu

dò Hiệu suất đỉnh tương ứng khi xét cho các tương tác của bức xạ có thể chyển đổi toàn bộ năng lượng của nó trong đầu dò

Hiệu suất tổng và hiệu suất đỉnh được liên hệ với nhau qua tỉ số đỉnh – tổng (peak- total ratio)

r = (1.10) Hiệu suất đỉnh thường được sử dụng hơn vì nó sẽ loại bỏ được các hiện tượng gây

ra do các hiệu ứng nhiễu chẳng hạn như tán xạ từ các vật thể xung quanh hay nhiễu loạn điện tử

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đầu dò

Sử dụng các nguồn chuẩn (đã biết hoạt độ), chúng ta xây dựng được đường cong hiệu suất, tuy nhiên hiệu suất của đầu dò phụ thuộc vào những yếu tố sau:

- Kích thước và hình dạng đầu dò (hình học đầu dò)

- Kích thước và hình dạng của vật liệu phóng xạ (nguồn, mẫu đo)

- Khoảng cách từ vật liệu phóng xạ đến đầu dò

- Loại bức xạ và năng lượng của bức xạ cần đo

- Tán xạ ngược của bức xạ từ môi trường xung quanh đến đầu dò

- Sự hấp thụ bức xạ trước khi nó đến được đầu dò (bởi không khí, chất liệu bao quanh vùng nhạy của đầu dò, vật liệu phóng xạ bao gồm matrix và mật độ)

- Trùng phùng số đếm các gamma nối tầng trong nguồn phân rã đa năng dẫn đến

sự thêm hoặc mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần

Các hạt bức xạ mang điện cơ bản, chẳng hạn như alpha và beta, tương tác bằng cách ion hóa hay kích thích sẽ diễn ra một cách tức thời ngay khi hạt vào trong vùng thể tích hoạt động Sau khi đi một phần nhỏ trong tầm quãng chạy, các hạt này sẽ hình thành đủ các cặp ion dọc theo quãng đường đi, để chắc chắn rằng các xung kết quả đủ lớn để được ghi nhận Do vậy, rất dễ dàng để đầu dò ghi nhận được mỗi hạt alpha hay beta vào trong vùng thể tích hoạt động Với những điều kiện này, đầu dò xem như là có hiệu suất 100% Mặt khác, các hạt không mang điện chẳng hạn như tia gamma hay neutron,

đầu tiên phải trải qua các tương tác vật lý trong đầu dò trước khi việc ghi nhận có thể được tiến hành Bởi vì các bức xạ này có thể đi qua một quãng đường lớn trước khi tương tác, hiệu suất ghi nhận của đầu dò thường nhỏ hơn 100% Do đó cần thiết phải

có được cấu hình dự đoán cho hiệu suất của đầu dò để có thể liên hệ được giữa số đếm xung với số photon hoặc neutron đến đầu dò

1.2.3 Đường cong hiệu suất

Trong các phép đo bức xạ gamma, đại lượng thường xuyên được quan tâm là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tuyệt đối, được xác định bằng tỉ số của số đếm trong đỉnh năng lượng toàn phần chia cho số tia gamma phát ra từ nguồn Khi hiệu suất của đầu dò được đo ở nhiều năng lượng bằng cách sử dụng nguồn chuẩn, ta nhận thấy cần thiết phải làm khớp nó thành một đường cong từ các điểm này để có thể miêu tả hiệu suất toàn vùng năng lượng mà ta quan tâm Đối với một hệ phổ kế gamma, bố trí hình học đo nguồn phóng xạ - đầu dò xác định và tại mức năng lượng gamma quan tâm, hiệu suất của đầu dò được xác định bằng thực nghiệm theo công thức (1.11)

(1.11) Trong đó: là hiệu suất đỉnh của đầu dò,

S là số đếm đóng góp trong đỉnh của phổ gamma thực nghiệm,

t là thời gian đo (giây),

I là cường độ phát xạ của tia gamma có năng lượng quan tâm,

A là hoạt độ của nguồn phóng xạ tại thời điểm đo (Bq)

1.3 Chương trình MCNP [4]

1.3.1 Giới thiệu

MCNP là phần mềm vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Carlo được nhóm X-5 phát triển hơn 50 năm qua ở phòng thí nghiệm quốc gia Los-Alamos, Mỹ Đây là một công cụ tính toán rất mạnh, có thể mô phỏng số vận chuyển neutron, photon và electron riêng biệt hoặc kết hợp trong môi trường vật chất, và giải quyết các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các lĩnh vực khoa học hạt nhân Hiện nay, chương trình được áp dụng rộng rãi: che chắn, đánh giá an toàn, thiết kế đầu dò, phân tích và thăm dò dầu khí, y học hạt nhân,…

Monte-Trong khóa luận này, phiên bản MCNP5 được sử dụng để mô phỏng bài toán vận chuyển của photon trong mô hình hệ đo thùng thải phóng xạ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất đầu dò vào năng lượng và hệ số hấp thụ

1.3.2 Thư viện số liệu và phản ứng hạt nhân trong MCNP

MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên tử năng lượng liên tục Các nguồn số liệu hạt nhân chủ yếu là các đánh giá từ hệ các số liệu hạt nhân ENDF, thư viện các số liệu hạt nhân ENDL và các thu thập thư viện kích hoạt ACTL tại Livemore, các đánh giá từ nhóm khoa học hạt nhân ứng dụng ở Los-Alamos Các số liệu đánh giá được xử lý theo định dạng thích hợp đối với MCNP bằng mã NJOY Các bảng số liệu hạt nhân bao gồm đối với các tương tác neutron, tương tác nơtron tạo photon, tương tác photon, liều nơtron, kích hoạt và tán xạ,

Có hơn 500 bảng dữ liệu tương tác neutron khả dĩ cho khoảng 100 đồng vị và nguyên tố khác nhau Về photon, dữ liệu cung cấp cho các quá trình tương tác với vật chất, nguyên tố có bậc số Z từ 1 đến 94 như tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp, hấp thụ quang điện với khả năng phát bức xạ huỳnh quang và quá trình tạo cặp Các tiết

diện của gần 2000 phản ứng kích hoạt và liều lượng học cho hơn 400 hạt nhân bia ở các mức kích thích và cơ bản, các tiết diện này có thể sử dụng như hàm phụ thuộc năng lượng trong MCNP để xác định tốc độ phản ứng nhưng không dùng như tiết diện vận chuyển

1.3.3 Tương tác của photon lên vật chất trong MCNP

MCNP tạo ra số hạt phù hợp hợp nhất, sau đó giải quyết vấn đề va chạm của hạt qua hai mô hình: xử lý theo vật lý đơn giản và xử lý theo vật lý chi tiết dựa trên bốn loại tương tác: tán xạ Compton, tán xạ Thomson, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo

cặp

Xử lý vật lý đơn giản là không quan tâm đến tán xạ kết hợp (tán xạ Thomson)

và các photon huỳnh quang từ sự hấp thụ quang điện Nó chỉ xét đến các photon có năng lượng cao và các electron tự do và điều quan trọng là dự đoán các hiện tượng tiếp sau như là: vị trí đặt đầu dò nơi mà tán xạ kết hợp gần như đi thẳng Xử lý vật lý chi tiết bao gồm tán xạ kết hợp Thomson và tính đến các photon huỳnh quang từ sự hấp thụ quang điện Các thừa số hiệu chỉnh và các mô tả Compton được dùng để tính cho

ảnh hưởng của electron liên kết

1.3.3.1 Mô hình tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp)

Để mô hình quá trình tán xạ Compton, điều cần thiết là phải xác định góc tán xạ θ (góc giữa phương chuyển động của photon tới và photon thứ cấp), năng lượng của photon thứ cấp E’ và động năng giật lùi của electron E - E’ Trong MCNP5, tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức (1.17)

( ) I(Z,ν).K( )d (1.17) Trong đó K tính theo công thức (1.18)

K( )d = ( ) [ (1.18)

K là tiết diện tán xạ vi phân tính theo công thức Klein – Nishina Với:

r0 = 2,817938 là bán kính electron cổ điển; μ = cosθ

α, α’ lần lượt là năng lượng của photon tới và thứ cấp được tính bằng đơn vị 0,511MeV (α = E/me ) và α/[1+ (1- )

I(Z,ν) là thừa số hiệu chỉnh (thừa số này có mặt trong quá trình xử lý chi tiết) Thừa

số hiệu chỉnh I(Z,ν) sẽ làm giảm tiết diện tán xạ vi phân Klein - Nishina (tính cho một electron) theo hướng về phía trước đối với photon có năng lượng thấp và vật liệu có Z cao Đối với vật liệu có Z bất kỳ, thừa số hiệu chỉnh I(Z,ν) sẽ tăng từ I(Z,0) = 0 đến I(Z,∞) = Z Trong đó:

ν = ( ) = k √ và k = √ (cm-1 ) Với giá trị cực đại của ν là νmax = kα√ = 41,2166α khi μ = -1

Đối với các photon có năng lượng nhỏ hơn 1,5 MeV, công thức Klein – Nishina được lấy mẫu theo phương pháp Kahn; còn với photon có năng lượng lớn hơn 1,5 MeV thì lấy mẫu theo phương pháp Koblinger

1.3.3.2 Mô hình tán xạ Thomson (tán xạ kết hợp)

Trong tán xạ Thomson, chỉ có hướng của photon tới thay đổi, còn năng lượng của

nó không thay đổi Để mô hình tán xạ Thomson người ta chỉ tính góc tán xạ θ và quá trình vận chuyển tiếp theo của photon tán xạ Trong MCNP5, tiết diện tán xạ vi phân

được tính theo công thức:

( ) ( ) ( ) (1.19) Trong đó:

- T( ) ( ) là tiết diện tán xạ vi phân Thomson, độc lập với năng lượng photon tới

- Thừa số hiệu chỉnh ( ) sẽ làm giảm tiết diện tán xạ vi phân Thomson theo hướng tán xạ ngược đối với photon có năng lượng E cao và vật liệu có Z thấp Đối với vật liệu có Z bất kỳ, thừa số hiệu chỉnh C(Z, ν) sẽ giảm từ C(Z,0 ) = Z đến C(Z,∞) = 0

Giá trị của C(Z,v) tại ν = k √ được nội suy từ bảng các giá trị có trong thư viện tiết diện tương tác của chương trình MCNP5

1.3.3.3 Hấp thụ quang điện

Trong hiệu ứng quang điện, năng lượng E của photon tới bị hấp thụ, phát ra một vài photon huỳnh quang và làm bật ra một electron quỹ đạo có năng lượng liên kết e < E

và truyền cho electron động năng E − e Trong MCNP5, hiệu ứng quang điện được mô

tả theo một trong ba trường hợp như sau:

(1) Không có photon huỳnh quang nào năng lượng lớn hơn 1 keV được phát ra Trong trường hợp này chỉ có hiện tượng các electron chuyển mức liên tiếp (cascade) để lấp đầy lỗ trống do electron quỹ đạo bị bật ra từ hiệu ứng quang điện hoặc hiệu ứng Auger Vì không có photon huỳnh quang phát ra cho nên quá trình vận chuyển của photon được xem như kết thúc

(2) Có một photon huỳnh quang năng lượng lớn hơn 1 keV được phát ra Ở đây năng lượng photon huỳnh quang E’ = E − (E − e)− e’= e − e’ , E là năng lượng photon tới, E − e là động năng electron thoát, e’ là phần năng lượng kích thích dư sẽ bị tiêu tán bởi các quá trình Auger tiếp theo và được mô hình hoá bằng mode p e của chương trình MCNP5 Các chuyển đổi trạng thái sơ cấp nhờ năng lượng kích thích dư e’ sẽ đóng góp vào hiệu suất huỳnh quang toàn phần và phát ra các tia X như Kα1, (L3->K); Kα2, (L3->K); K , (M->K); K , (N->K)

(3) Có hai photon huỳnh quang có thể được phát ra nếu năng lượng kích thích dư e’ trong trường hợp (2) lớn hơn 1 keV Electron có năng lượng liên kết e’’ có thể lấp đầy

lỗ trống trên quỹ đạo của electron có năng lượng liên kết e’ và làm phát ra photon huỳnh quang thứ hai với năng lượng E” = e’ − e” Đến lượt mình, năng lượng kích thích dư e’’ cũng sẽ bị tiêu tán bởi các quá trình Auger tiếp theo và được mô hình hoá bằng mode p e hoặc xấp xỉ TTB của chương trình MCNP5 Các chuyển đổi trạng thái thứ cấp này xảy ra khi các electron ở những lớp cao hơn chuyển về lớp L Do đó, các chuyển đổi trạng thái sơ cấp Kα1 hoặc Kα2 sẽ để lại một lỗ trống ở lớp L

Mỗi photon huỳnh quang phát ra trong các trường hợp (2) và (3) được giả thiết là đẳng hướng và tiếp tục vận chuyển nếu E’, E’’ > 1 keV Các năng lượng liên kết E, E’

và E’’ phải rất gần với mép hấp thụ tia X bởi vì tiết diện hấp thụ tia X thay đổi đột ngột tại các mép này

1.3.3.4 Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi photon có năng lượng E > 1,022 MeV đi ngang qua trường lực hạt nhân Trong MCNP5, hiệu ứng tạo cặp được mô tả theo một trong ba trường hợp như sau:

(1) Cặp electron - positron tạo thành sẽ tiếp tục di chuyển và mất dần năng lượng nhưng không phát ra các photon huỷ

(2) Cặp electron - positron tạo thành với positron có động năng nhỏ hơn năng lượng kết thúc của electron sẽ không di chuyển và phát ra các photon huỷ

(3) Cặp electron - positron tạo thành và phần năng lượng còn lại E − 2mec2 biến thành động năng cặp electron - positron được giữ lại tại điểm tương tác Positron huỷ với electron tại điểm tương tác và tạo ra hai photon có cùng năng lượng 0,511 MeV nhưng có hướng ngược nhau

1.3.4 Các bước thực hiện quá trình mô phỏng trong MCNP

Hình 1.5 thể hiện một cách giản lược quá trình mô phỏng một hiện tượng vật lý trong MCNP

- Xuất kết quả

TỆP ĐẦU RA

- Các bản tóm tắt kết quả chuẩn

- Các bản số liệu yêu cầu truy suất

- Các đánh giá thống kê

Hình 1.5: Sơ đồ các bước trong quá trình mô phỏng bằng MCNP

Phần quan trọng trong MCNP là xây dựng tệp số liệu đầu vào Trong tệp số liệu đầu vào này các thông tin về cấu trúc hình học và vật liệu hệ đo, các thông số nguồn, loại hạt quan tâm, số hạt cần gieo được khai báo tỉ mỉ Từ các thông số nhận được, MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, theo dõi sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn cho đến hết thời gian sống của nó và ghi nhận lại

Trong tệp số liệu đầu vào chuẩn được chia làm 3 khối: khối định nghĩa ô mạng, khối định nghĩa mặt và khối dữ liệu:

- Khối định nghĩa ô mạng dựa trên các mặt biên, liên kết lại với nhau tạo thành và được lấp đầy bởi vật chất đồng nhất tương ứng

- Định nghĩa mặt là các dạng toàn phương liên kết tạo thành các ô mạng

- Trong định nghĩa dữ liệu cần phải khai báo: nguồn, vật liệu cấu tạo các ô mạng, loại đánh giá cần tính toán, số hạt gieo, độ quan trọng của các ô mạng

Sau đây là cấu trúc của một tệp đầu vào:

 Khối thông tin (Tùy chọn)

 Tiêu đề của bài toán ( Tùy chọn)

 Định nghĩa ô mạng (Cell cards)

Giới hạn bằng dòng trống

 Định nghĩa mặt (Surface card)

Giới hạn bằng dòng trống

 Định nghĩa dữ liệu

Ngoài ra còn sử dụng $ (ghi chú sau câu lệnh) hoặc c (đầu dòng) để ghi chú

1.3.5 Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8

Trong khóa luận này, đối tượng được quan tâm khảo sát là hiệu suất ghi của detector Vì vậy, cần đánh giá phân bố độ cao xung được quan tâm Khi các hạt đập vào mặt đầu dò và đi vào bên trong, chúng sẽ tương tác với các nguyên tử của các vật liệu đầu dò và được ghi nhận vào các kênh tương ứng với năng lượng tổng mà chúng

đã truyền cho đầu dò Hiệu suất ghi của đầu dò có thể được đánh giá dựa trên phổ năng lượng xung được chuẩn hóa trên một hạt nguồn (còn gọi là phân bố độ cao xung) Đánh giá F8 có chức năng cho kết quả về sự phân bố năng lượng của xung được tạo ra trong ô (cell) mô phỏng đầu dò vật lý Nó còn cho biết sự mất mát năng lượng trong ô

đó Đánh giá độ cao xung là tương tự với đầu dò vật lý Các khoảng năng lượng trong F8 tương ứng với tổng năng lượng mỗi hạt vật lý để lại trong đầu dò ở các kênh xác định Trong cấu hình thực nghiệm, giả sử nguồn phát ra 100 photon năng lượng 10 MeV và 10 trong số những photon này đến được đầu dò Tiếp theo, giả sử photon thứ nhất (và bất kỳ photon thứ cấp của nó được tạo ra trong đầu dò) để lại 1 keV trong đầu

dò trước khi rời khỏi, photon thứ hai để lại 2 keV, và v v cho đến photon thứ 10 để lại 10 keV Khi đó độ cao xung ở đầu dò sẽ là 1 xung trong khe năng lượng 1 keV, 1 xung trong khe năng lượng 2 keV, v v và 1 xung trong khe năng lượng 10 keV

Khi đánh giá độ cao xung tương tự bằng MCNP ô nguồn được cho một khoảng năng lượng nhân với trọng số của hạt nguồn Nếu hạt đi ngang qua một mặt thì năng lượng nhân với trọng số của hạt được trừ khỏi tài khoản của ô mà nó rời khỏi và được

bổ sung vào tài khoản của ô mà nó đi vào Năng lượng là động năng của hạt cộng với 2mc2 = 1,022 MeV nếu hạt là positron Ở cuối lịch sử, số đếm trong mỗi ô đánh giá được chia cho trọng số nguồn Năng lượng nhận được khi đó sẽ xác định số ghi được đặt vào khoảng năng lượng nào Giá trị của số ghi là trọng số nguồn đối với đánh giá F8 Giá trị này là 0 nếu không có hạt nào đi vào ô trong quá trình lịch sử của hạt Mặt khác đánh giá độ cao xung còn có đặc điểm khác với các đánh giá khác của MCNP Các đánh giá F8 : P, F8 : E, F8 : P, E là tương đương nhau Tất cả năng lượng từ các photon lẫn electron, nếu có mặt sẽ được tính trong ô và không ưu tiên việc đánh giá nào được sử dụng Khi đánh giá độ cao xung được sử dụng với các khe năng lượng thì chúng ta phải lưu ý vì các số ghi âm từ quá trình không tương tự và các số ghi 0 gây nên do hạt đi qua ô độ cao xung nhưng không để lại năng lượng MCNP xử lý vấn đề này bằng các đếm những sự kiện trên vào trong khoảng 0 và khoảng epsilon để những

số ghi này có thể được tách riêng ra

Trong thực nghiệm, do ảnh hưởng của 3 hiệu ứng là giãn nở thống kê số lượng hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp từ nhiễu tín hiệu của hệ điện tử làm cho các khoảng gamma thực nghiệm toàn phần có dạng đỉnh Gauss Trong MCNP,

để cho phổ mô phỏng phù hợp với thực nghiệm, tùy chọn GEB được đưa thêm vào đi kèm với đánh giá F8 Khi đưa thêm vào tùy chọn GEB phổ gamma mô phỏng phù hợp tốt hơn với phổ gamma thực nghiệm Với tùy chọn này, trong phổ gamma mô phỏng quang đỉnh được mở rộng bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo dạng hàm Gauss trong công thức (1.20)

f(E) =

√

( ) (1.20)

Với E là năng lượng thuộc phần mở rộng quang đỉnh,

E0 là năng lượng trung tâm quang đỉnh,

σ là độ lệch chuẩn

Đối với phổ gamma, thay cho độ lệch chuẩn độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại một nửa chiều cao cực đại, FWHM = 2√ ( ) FWHM là một đại lượng phụ thuộc vào E Trong MCNP, FWHM phụ thuộc vào E được mô tả bởi công thức (1.21)

FWHM = a + b√ (1.21) Các tham số a, b, c được xác định bằng thực nghiệm và chúng được đưa vào sử dụng trong thẻ tùy chọn GEB có dạng như sau: FT8 GEB a b c

1.3.6 Đánh giá các sai số Monte-Carlo

Hệ chương trình MCNP sử dụng kỹ thuật đánh giá độ chính xác Monte-Carlo và MCNP đánh giá sai số tương đối R theo công thức:

R = (1.22) Trong đó: đại lượng x = ∑ là giá trị trung bình của N quá trình mô phỏng và đại lượng S2 = ( ) là phương sai của x Do đó, R được tính theo công thức (1.23)

Sai số tương đối R sẽ được tính toán sau mỗi quá trình mô phỏng Monte Carlo và in

ra trong tệp đầu ra của quá trình mô phỏng Điều này cho phép người dùng đánh giá những đóng góp khác nhau vào kết quả truy xuất của một quá trình mô phỏng Đối với

kết quả truy xuất tốt thì R tỉ lệ với √ ⁄ , do đó để giảm R một nửa cần phải tăng số lịch sử lên gấp 4 lần Tuy nhiên đối với kết quả truy xuất có chiều hướng xấu thì R có thể tăng khi số lịch sử tăng Để theo dõi diễn biến của kết quả truy xuất, MCNP còn đưa ra tiêu chuẩn FOM sau mỗi lần truy xuất kết quả Giá trị của FOM được tính theo công thức (1.24)

FOM = (1.24) Trong đó: T là thời gian tính toán bằng phút

Giá trị FOM càng lớn thì quá trình mô phỏng Monte Carlo càng hiệu quả bởi vì chỉ cần ít thời gian tính toán cũng có thể đạt được giá trị R mong muốn Khi N tăng thì giá trị FOM tiến đến giá trị không đổi vì R2 tỉ lệ với 1/N và T tỉ lệ với N Vì vậy việc sử dụng tiêu chuẩn đánh giá FOM để kiểm tra diễn biến của kết quả truy xuất là rất cần thiết

- Trình bày khái niệm về hiệu suất ghi nhận của đầu dò,

- Trình bày kiến thức cơ bản về chương trình MCNP5 như: giới thiệu chương trình MCNP, mô hình tương tác của photon trong MCNP, đánh giá phân bố độ cao xung (tally F8), đánh giá sai số

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Mô hình hệ đo nguồn điểm được xây dựng bằng chương trình MCNP5 gồm 3 thành phần chính: nguồn, giá đỡ nguồn và đầu dò NaI(Tl)

Hình 2.1 Mô hình hệ đo nguồn điểm được xây dựng bằng chương trình MCNP5

11,14 cm 2,54 cm

2.1.1 Nguồn chuẩn

Các nguồn chuẩn được sử dụng gồm: 22Na, 54Mn, 60Co, 133Ba, 137Cs, 154Eu thuộc Phòng thí nghiệm Kỹ Thuật Hạt Nhân, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Nguồn có dạng hình đĩa trụ đường kính 2,54 cm, dày 0,635 cm, bao gồm vỏ bọc ngoài làm bằng vật liệu plastic, trên vỏ có một hốc; hoạt chất phóng xạ được chế tạo dạng đĩa mỏng đặt trong hốc và hốc được lấp đầy bởi expoxy Bảng 2.1 trình bày các đặc trưng phát gamma của các nguồn chuẩn được sử dụng

Bảng 2.1 Đặc trưng phát bức xạ gamma của các nguồn chuẩn được sử dụng

60Co 1,3320 0,99980 0,49960

Bảng 2.2 Đặc điểm của các nguồn chuẩn được sử dụng

- Giá đỡ nguồn có dạng hộp được làm từ nhựa PMMA

- Hai mặt bên giá đỡ có 4 cặp đường rãnh song song với khoảng cách giữa các đường là bằng nhau

- Nguồn được đặt trên một tấm nhựa có kích thước phù hợp với giá đỡ, được đưa vào giá đỡ từ mặt trước và được cố định trên giá bằng các đường rãnh

- Mặt trên giá đỡ cũng có tác dụng như một tấm đỡ nguồn

2.1.3 Cấu hình đầu dò NaI(Tl)

Mô hình đầu dò được xây dựng dựa trên mẫu đầu dò 802 Na(Tl) của hãng Canberra, bao gồm các thành phần chính sau đây:

- Lớp tinh thể NaI(Tl) kích thước 7,62cm x 7,26cm,

- Lớp bên cạnh tinh thể từ trong ra ngoài là lớp phản xạ bằng nhôm oxit 0,16 cm

và lớp vỏ nhôm dày 0,05cm,

- Lớp phía trên tinh thể từ trong ra ngoài là một lớp silicon dày 0,16 cm và lớp vỏ nhôm dày 0,05 cm,

- Lớp dưới tinh thể là một cửa sổ bằng kính dẫn sáng 0,6 cm và tiếp theo là một ống nhân quang điện xem như làm hoàn toàn bằng nhôm

Hình 2.2 Mô hình đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng MCNP5

Mô hình hệ đo thùng thải được xây dựng bằng chương trình MCNP5 gồm 5 thành phần: thùng thải, nguồn phóng xạ, vật liệu (chất độn) trong thùng thải, đầu dò và ống chuẩn trực Khoảng cách giữa tâm của bề mặt đầu dò tới tâm thùng thải là 100 cm

(a)

(b)

Hình 2.3 Mặt cắt thẳng đứng (a) và mặt cắt ngang (b) mô hình hệ đo thùng thải 2.2.1 Thùng thải

Thùng thải có dạng trụ đứng, với đường kính 57,2 cm và chiều cao 85 cm Thùng

được chia thành 9 vòng – là các mặt trụ đồng tâm, được ký hiệu R1, R2, …, R9 R1 là vòng trong cùng có bán kính 4,65 cm, với các vòng tiếp theo, vòng bên ngoài có bán kính lớn hơn vòng trong 3 cm Mô hình thùng thải được mô tả ở hình 2.4

Đầu dò NaI(Tl)

Đầu dò NaI(Tl)

Thùng thải

Thùng thải 57,2 cm

57,2 cm

Hình 2.4 Mặt cắt đứng và mặt cắt ngang mô hình thùng thải 2.2.2 Chất độn

Vật liệu được giả thiết làm chất độn gồm 5 loại là: chân không, cao su, nylon,

PVDC và bê tông Hệ số suy giảm tuyến tính của các loại vật liệu trên được tính toán bằng chương trình XCOM [14]

Sau đây, các bước xác định hệ số suy giảm tuyến tính sẽ được trình bày:

- Tra cứu thành phần vật liệu để xác định được thành phần các nguyên tố có trong vật liệu và mật độ khối lượng của chúng

- Nhập thành phần nguyên tố có trong vật liệu vào chương trình XCOM, ta xác định được hệ số hấp thụ khối của vật liệu cần tìm ( bỏ qua tương tác Rayleigh)

- Nhân hệ số hấp thụ khối với mật độ khối lượng của vật liệu ta xác định được hệ

số hấp thụ tuyến tính tương ứng với vật liệu cần tìm

Bảng 2.3 Hệ số suy giảm của các vật liệu

E (MeV) Hệ số suy giảm tuyến tính μ (cm-1

)

0,0813 0,000199 0,163576 0,200640 0,367200 0,467130 0,1231 0,000174 0,146280 0,178524 0,263160 0,359720 0,2479 0,000138 0,117300 0,142842 0,193800 0,268870 0,2760 0,000133 0,112884 0,137484 0,185980 0,257830 0,3028 0,000128 0,109112 0,132924 0,179520 0,248630 0,3560 0,000120 0,102672 0,124944 0,168521 0,233220 0,5110 0,000104 0,088697 0,107958 0,145418 0,200629 0,5918 0,000098 0,083278 0,101357 0,136527 0,188209 0,6617 0,000093 0,079276 0,096490 0,129965 0,179055 0,7233 0,000089 0,076158 0,092693 0,124848 0,171971 0,8348 0,000084 0,071245 0,086720 0,116841 0,160862 1,1730 0,000071 0,060389 0,073496 0,099008 0,136183 1,2744 0,000068 0,057868 0,070429 0,094945 0,130571 1,2745 0,000068 0,057868 0,070429 0,094945 0,130571 1,3320 0,000066 0,056571 0,068845 0,092854 0,127650

2.2.3 Đầu dò và ống chuẩn trực

Mô hình đầu dò được xây dựng dựa trên mẫu đầu dò 802 Na(Tl) của hãng Canberra như đã giới thiệu ở phần trên Xung quanh đầu dò được che chắn bởi một ống hình trụ bằng chì đường kính 10,8 cm, dày 1,25 cm

Ống chuẩn trực là khối trụ bằng chì có đường kính 10,8 cm, dày 1cm Ở tâm có một khối rỗng kích thước 7,62x1 cm Ống chuẩn trực có chức năng giới hạn góc khối mà các bức xạ tới đi vào đầu dò, đồng thời chia thùng thải ra thành các phân đoạn như được mô tả ở hình 2.5