hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò nai(tl) bằng phương pháp monte carlo

Z Số hiệu nguyên tử  Độ lệch chuẩn của phân bố đỉnh Danh mục các chữ viết tắt và thuật ngữ Chữ HPGe High pure Germanium Germanium siêu tinh khiết FWHM Full width at half maximum Bề r

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

gỡ bỏ những khó khăn, giúp tôi chỉnh sửa và hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp cho tôi những kiến thức trong quá trình học để tôi

có khả năng hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn ba mẹ của tôi đã hi sinh cả cuộc đời nuôi nấng và cho các con được học hành, ba mẹ là chỗ dựa tinh thần vững chắc, là nguồn động viên mạnh mẽ nhất đối với tôi

Tôi xin cảm ơn những người bạn của tôi, những người luôn cổ vũ, giúp đỡ tôi những lúc khó khăn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân thành đến tất

cả mọi người

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 1 năm 2016

Nguyễn Thị Tiên

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ i

Danh mục các bảng iii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị iv

MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất 1

1.1.1 Một số tính chất của bức xạ gamma 1

1.1.2 Các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất 1

1.1.3 Các đặc trưng của phổ gamma 10

1.2 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy 11

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ phổ kế gamma 11

1.2.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các bộ phận của đầu dò nhấp nháy 13

1.2.3 Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy 16

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP 19

2.1 Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP 19

2.2 Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP 21

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT VÀ HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY 29

3.1 Xây dựng bộ số liệu đầu vào 29

3.1.1 Mô tả hệ đo 29

3.1.2 Kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào 32

3.2 Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò 35

KẾT LUẬN 46

Tài liệu tham khảo 47

Phụ lục 49

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và thuật ngữ

 Tiết diện toàn phần

σC Tiết diện Compton

m Khối lượng nghỉ của electron (me=9,110-31 hay m c =0,511MeV ) e 2

 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

Z Số hiệu nguyên tử

 Độ lệch chuẩn của phân bố đỉnh

Danh mục các chữ viết tắt và thuật ngữ Chữ

HPGe High pure Germanium Germanium siêu tinh khiết

FWHM Full width at half maximum Bề rộng toàn phần ở nửa chiều cao đỉnh

năng lượng toàn phần FWTM Full width at tenth maximum Độ phân giải ở 1/10 chiều cao cực đại FEPE Full- energy peak efficiency Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình mô phỏng Monte Carlo NPS Number of particle histories Số lịch sử hạt

PMT Photomultiplier tube Ống nhân quang điện

R Relative error Sai số tương đối

RD Relative deviation Độ lệch tương đối

Anode Là bản điện cực dương đóng vai trò thu góp

Là màn cảm quang âm cực đóng vai trò

một điện cực tích điện âm có phủ một lớp

hợp chất cảm quang, khi có một một lượng

tử ánh sáng có năng lượng đủ lớn đập vào thì năng lượng hấp thụ gây ra phát xạ điện

tử theo hiệu ứng quang điện

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Một số loại mặt cơ bản được định nghĩa trong MCNP 23 Bảng 2.2 Một số hàm dựng sẵn cho phân bố xác suất nguồn 25 Bảng 2.3 Chú giải sai số tương đối R 28 Bảng 3.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng và thực nghiệm với các thông số của nhà sản xuất và lớp Al2O3 dày 1mm 34 Bảng 3.2 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày PMT khác nhau của đầu dò 35 Bảng 3.3 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT 36 Bảng 3.4 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò chỉ với khối tinh thể NaI(Tl) 38 Bảng 3.5 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dòvới khối tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 dày 1mm 39 Bảng 3.6 So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với khối tinh thể NaI(Tl), lớp Al2O3 và lớp silicon dày 2mm 40 Bảng 3.7 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò 41 Bảng 3.8 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò 42 Bảng 3.9 Hiệu suất mô phỏng đầu dò với các giá trị bề dày lớp silicon 43 Bảng 3.10 Độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi bề dày lớp silicon 44

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện 2

Hình 1.2 Minh họa sự phát tia X và electron Auger 3

Hình 1.3 Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [2] 4

Hình 1.4 Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do 5

Hình 1.5 Phân bố tiết diện tán xạ Compton theo góc tán xạ tính theo công thức Klein-Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ 1keV đến 10MeV [7] 6

Hình 1.6 Minh họa hiệu ứng tạo cặp electron-positron 8

Hình 1.7 Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [14] 9

Hình 1.8 Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng theo năng lượng gamma và số nguyên tử Z [7] 9

Hình 1.9 Minh họa các đỉnh đặc trưng của phổ gamma 10

Hình 1.10 Minh họa quá trình hoạt động của hệ đo dùng đầu dò nhấp nháy 13

Hình 1.11 Nguyên tắc nhấp nháy [5] 15

Hình 1.12 Các đại lượng độ phân giải đỉnh FWHM và FWTM [7] 16

Hình 1.13 Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần trong phổ gamma phân bố độ cao xung [7] 17

Hình 2.1 Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo 19

Hình 3.1 Cấu tạo về mặt kĩ thuật của Gamma-Rad5 76 76mm [14] 29

Hình 3.2 Cấu tạo chi tiết của đầu dò [8] 30

Hình 3.3 Bộ nguồn chuẩn 30

Hình 3.4 Minh họa các mặt cắt của đầu dò và nguồn được vẽ bằng MCNP5 31

Hình 3.5 So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 22Na, 137Cs, 60Co, 152Eu 33

Hình 3.6 Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực nghiệm 34

Hình 3.7 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày PMT khác nhau của đầu dò 36

Hình 3.8 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT của đầu dò 37

Hình 3.9 Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tình theo mô phỏng đẩu dò chỉ với khối tinh thể và thực nghiệm [8] 37 Hình 3.10 Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 và thực nghiệm [8] 38 Hình 3.11 Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 , lớp silicon và thực nghiệm [8] 39 Hình 3.12 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò 40 Hình 3.13 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò 41 Hình 3.14 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi lớp silicon trước tinh thể 42 Hình 3.15 Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp silicon trước tinh thể đầu dò 45

Trong đề tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu tập trung vào đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) bởi nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Đại lượng được dùng cho công việc tính toán này là hiệu suất ghi của đầu dò bởi đây là đại lượng rất nhạy với sự thay đổi của các thông số kỹ thuật của đầu dò, mà cụ thể là xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần Kết quả tính toán sẽ được so sánh với thực nghiệm [8] về hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và khả năng đáp ứng phổ Bộ nguồn 22Na, 54Mn, 60Co, 65Zn,

109Cd, 137Cs, 152Eu sẽ được sử dụng trong mô phỏng MCNP5 Đối với nguồn 152Eu là nguồn đa năng sẽ được sử dụng để so sánh khả năng đáp ứng phổ và không sử dụng cho việc tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kĩ thuật của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) để kết quả mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm từ đó có thể sử dụng kết quả hiệu chỉnh này phục vụ cho công việc

mô phỏng và tính toán sau này

Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi dựa vào phương pháp Monte Carlo và sử dụng chương trình mô phỏng MCNP5 để tính toán và khảo sát hiệu suất ghi nhận bức xạ

của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Dựa trên kết quả thu được sẽ hiệu chỉnh các thông số kĩ

thuật của đầu dò Có thể nói hiện nay, các loại đầu dò nhấp nháy được sử dụng rộng rãi

nhờ những ưu điểm riêng của nó, sau khoảng thời gian hoạt động có sự thay đổi các thông số kỹ thuật của đầu dò Vì vậy, yêu cầu phải tiến hành khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kĩ thuật do nhà sản xuất cung cấp là vấn đề rất cần thiết Trong công trình [8] nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp phản xạ Al2O3 đã được khảo sát và bề dày lớp Al2O3 được đề nghị là 1,0 mm Trên cơ sở đó, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát thêm các thông số kĩ thuật khác của đầu dò bao gồm khối nhôm hình trụ đặc đóng vai trò là ống nhân quang điện (PMT), lớp silicon, lớp vỏ nhôm, khảo sát đầu dò nhưng chỉ giữ lại tinh thể NaI(Tl) và sau đó thêm từng lớp vật liệu bao quanh tinh thể lần lượt là Al2O3, silicon,

lớp vỏ nhôm

Nội dung đề tài được trình bày thành ba chương:

- Chương 1: Tổng quan trình bày những cơ sở lý thuyết về hiệu ứng quang điện, tán

xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Tìm hiểu một số đặc trưng của phổ gamma, khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl)

- Chương 2: Trình bày về phương pháp Monte Carlo và một số kiến thức cơ bản về chương trình mô phỏng MCNP

- Chương 3: Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kĩ thuật của đầu dò NaI(Tl)

Mô phỏng đầu dò nhấp nháy với các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất so sánh với

dữ liệu thực nghiệm [8] để kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào Mô phỏng đầu dò với sự thay đổi các thông số kỹ thuật, tìm ra các thông số cho kết quả mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm

ra va chạm với các electron và hạt nhân là thấp hơn so với các hạt tích điện Nguyên nhân có sự khác nhau này là do lượng tử gamma không mang điện nên không chịu tác dụng của lực Coulomb tương tác xa, tương tác với electron trong miền với bán kính cỡ

10-13 m Các hạt tích điện va chạm nhiều với các electron nguyên tử nên dễ dàng bị làm chậm trong môi trường, có quãng chạy hữu hạn trong vật chất nên có thể bị hấp thụ hoàn toàn Khi tăng bề dày vật chất thì chùm tia gamma chỉ suy giảm về cường độ mà không

bị hấp thụ hoàn toàn nên không có khái niệm quãng chạy

1.1.2 Các cơ chế tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma tương tác với nguyên tử vật chất thông qua nhiều cơ chế khác nhau, các tương tác này không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện nhưng có khả năng làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử Các electron tự do này

bị làm chậm trong vật chất và gây ion hóa tạo ra các cặp electron-ion, electron-lỗ trống

và các tia gamma thứ cấp Đối với hệ đo gamma, các cặp mang điện tạo ra do quá trình ion hóa được dùng để đo lượng điện tích do tương tác tạo ra nhằm xác định năng lượng của gamma tới

Trong luận văn này đề cập đến việc ghi nhận các bức xạ gamma có năng lượng nằm trong dãy từ vài chục keV đến dưới 2 MeV chủ yếu xảy ra ba loại tương tác cơ bản

là hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma bị mất năng lượng do hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton bởi sự va chạm với electron trở nên vượt trội ở vùng năng lượng thấp và trung bình, vùng năng lượng cao là chiếm ưu thế khi đó bức xạ có thể tương tác với trường hạt nhân gây ra hiệu ứng tạo cặp Ngoài ra, các quá trình khác ít xảy ra hoặc không quan trọng trong vùng năng lượng được đề cập như tán xạ Thomson xảy ra với electron tự do, tán xạ Rayleigh xảy ra với electron các lớp ngoài cùng, cả hai quá trình đều làm thay đổi hướng bay của photon nhưng không làm mất năng lượng, một số trường hợp photon tương tác với hạt nhân cũng sẽ không được quan tâm

 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình gamma tương tác với electron các lớp trong của nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng E = h cho các electron này Một phần năng lượng giúp electron thắng lực liên kết trên lớp thứ i (i = K, L, M, ) với năng lượng liên kết là εi (εK εL εM ) và một phần năng lượng trở thành động năng Ee của electron bay ra khỏi lớp vỏ nguyên tử, các electron này gọi là các quang electron

Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện

Electron quang điện



Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, một phần nhỏ năng lượng cũng được truyền cho nguyên tử giật lùi và xem như không đáng kể nên electron thoát

ra khỏi nguyên tử với năng lượng xấp xỉ theo công thức:

Từ công thức (1.2) thì động năng của electron là xác định và được hệ phổ kế ghi nhận hình thành đỉnh năng lượng toàn phần trong phổ gamma

Các electron trong nguyên tử hấp thụ hoàn toàn năng lượng gamma tới để thoát

ra ngoài đồng thời để lại các lỗ trống Các electron từ các lớp khác trong nguyên tử sẽ chuyển về lấp đầy các lỗ trống và phát ra tia X đặc trưng Ngoài ra, hiệu ứng Auger có thể xảy ra khi năng lượng tia X chuyển cho một electron khác trong cùng nguyên tử, làm bứt electron này ra khỏi lớp vỏ nguyên tử và được gọi là electron Auger

Hình 1.2 Minh họa sự phát electron Auger

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện σP không những phụ thuộc vào năng lượng gamma tới mà còn phụ thuộc vào số Z của vật liệu theo công thức [1]:

Theo hai công thức (1.7) và (1.8), đối với những vật liệu có Z lớn thì xác xuất xảy

ra hiệu ứng quang điện là lớn ngay cả đối với những tia gamma có năng lượng cao Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán khả năng che chắn và hấp thụ các tia gamma năng lượng cao Đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chủ yếu chỉ xảy ra với những gamma có năng lượng thấp đồng thời sự suy giảm mạnh tiết diện quang điện theo năng lượng gamma là lí do vì sao hiệu ứng quang điện là kênh trội của tương tác giữa gamma với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp

Hình 1.3 Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma [1]

Từ hình 1.3 cho ta thấy ở miền năng lượng gamma lớn tiết diện quang điện rất bé bởi khi đó gamma tới coi electron có liên kết rất yếu trong nguyên tử Khi năng lượng gamma bắt đầu giảm thì tiết diện tăng theo quy luật E-1 và khi E giảm dần đến εK thì tiết diện tăng theo hàm E-3,5 và đạt cực đại tại EεK Nếu năng lượng gamma giảm xuống dưới giá trị εKthì hiệu ứng quang điện không thể xảy ra với các electron lớp K nên tiết diện giảm đột ngột Tiết diện tăng trở lại khi năng lượng gamma tiếp tục giảm bởi lúc này xảy ra hiệu ứng quang điện đối với electron lớp L và đạt cực đại tại EεL, tiết diện lại giảm đột ngột khi E giảm xuống thấp hơn εL Và nếu năng lượng gamma tiếp tục giảm thì hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra với các electron lớp M,…

 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là quá trình tán xạ giữa gamma với các electron liên kết yếu trong nguyên tử trong đó gamma truyền một phần năng lượng cho electron và sau tán xạ

phương bay của gamma bị lệch so với ban đầu, tán xạ này gọi là tán xạ Compton

Hình 1.4 Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do

Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta tính được năng lượng gamma sau tán xạ, động năng giật lùi của electron và tìm được mối liên hệ giữa các góc tán xạ sau va chạm được trình bày theo các công thức (1.9) đến (1.12)

Năng lượng gamma sau tán xạ [12]:

(1 α) tan φ 1

 

θcot φ = (1+α) tan

Từ công thức (1.9) cho thấy Ee phụ thuộc vào góc tán xạ  nên trong phổ gamma thu được nền liên tục với các xung mang năng lượng trải dài từ 0 đến năng lượng cực đại Ee Ngoài ra E E và phần năng lượng chênh lệch Ee được truyền cho electron giật lùi Nói cách khác thì năng lượng gamma tới có thể không được hấp thụ hoàn toàn trong lần tương tác đầu tiên vì vậy để theo dõi toàn bộ quá trình mất năng lượng của gamma cần xem xét các gamma thứ cấp và tương tác của chúng

Hiệu ứng Compton xảy ra mạnh ở vùng năng lượng trung bình từ vài chục keV đến vài MeV và phụ thuộc vào năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Quá trình bắt đầu xảy ra khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp trong nguyên tử khi đó có thể xem các electron này

là các electron tự do và hiệu ứng quang điện không còn đáng kể

Công thức tiết diện tán xạ Compton toàn phần theo Klein-Nishina [12]:

m c

 = 2,8210-15 m là bán kính electron cổ điển

Hình 1.5 Phân bố tiết diện tán xạ Compton theo góc tán xạ tính theo công thức

Klein-Nishina với các giá trị năng lượng gamma tới từ 1keV đến 10MeV [7]

Xét 2 trường hợp giới hạn của tiết diện tán xạ Compton:

Đối với các gamma có năng lượng thấp ( 2

e

E m c ) tiết diện tán xạ Compton σCtăng tuyến tính khi năng lượng gamma giảm và đạt xấp xỉ tiết diện tán xạ Thomson được xác định theo công thức [1]:

 e là tiết diện tán xạ Thomson

Đối với gamma có năng lượng cao ( α 1 hay 2

e

E m c ) thì σC được xác định theo công thức [1]:

2 e C

Do năng lượng giật lùi là không đáng kể nên theo định luật bảo toàn năng lượng

ta có tổng động năng của electron và positron được xác định theo công thức:

electron khác gần đó xảy ra hiện tượng hủy cặp electron-positron và hai lượng tử gamma được phát ra gần như ngược chiều nhau và mỗi lượng tử mang phần năng lượng là 0,511 MeV

Hình 1.6 Minh họa hiệu ứng tạo cặp electron-positron

Hiệu ứng tạo cặp là kênh trội ở vùng năng lượng cao nên khi xét trong miền năng

Bảng 1.1 Các quá trình tương tác giữa tia gamma với vật chất

Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng Compton Hiệu ứng tạo cặp Tương

tác

Electron lớp trong của nguyên tử

Electron lớp ngoài của

Tia gamma truyền một phần năng lượng cho electron lớp ngoài nguyên từ và bị lệch hướng khỏi bay ban đầu

Tạo cặp positron Positron mất năng lượng gặp electron

electron-và bị hủy cặp, tạo 2 photon có năng lượng 0,511MeV

-

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì quá trình gamma tương tác với vật chất xảy ra ba hiệu ứng chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp Vậy tiết diện tương tác tổng cộng của ba quá trình:

P C Pair

Hình 1.7 Xác suất tương tác xảy ra trên nguyên tử theo năng lượng gamma tới [14]

Hình 1.8 Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng theo năng lượng gamma và số

nguyên tử Z [7]

Từ hình 1.7 và 1.8 cho thấy sự phụ thuộc tiết diện tương tác vào năng lượng của gamma tới và điện tích của vật chất Tại miền năng lượng thấp tiết diện quang điện lớn, hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế và khi năng lượng càng lớn thì tiết diện quang điện

Hiệu ứng tạo cặp

Tán xạ Compton

càng giảm Với khoảng năng lượng trung bình thì hiệu ứng Compton trở thành kênh trội Tiết diện tương tác của hiệu ứng quang điện và Compton rất nhỏ khi năng lượng gamma tới E 2m ce 2và sự hấp thụ gamma trong vùng năng lượng này xảy ra chủ yếu do quá trình tạo cặp

1.1.3 Các đặc trưng của phổ gamma

Phổ gamma là tập hợp những vạch rời rạc được ghi nhận thông qua các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hoặc hiệu ứng tạo cặp

Hình 1.9 Minh họa các đỉnh đặc trưng của phổ gamma

Các đỉnh đặc trưng của phổ gamma bao gồm:

- Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần hay đỉnh quang điện được hình thành bởi năng lượng gamma tới bị mất toàn bộ năng lượng trong đầu dò thông qua hấp thụ quang điện hoặc một chuỗi tán xạ Compton và kết thúc bằng hiệu ứng quang điện

- Vùng Compton là chuỗi các sự kiện nằm trước đỉnh năng lượng toàn phần được hình thành bởi các tán xạ Compton Cạnh Compton là vị trí ứng với góc tán xạ

180o Khu vực nằm giữ cạnh Compton và đỉnh quang điện là vùng tán xạ nhiều lần được hình thành do các sự kiện tán xạ nhiều lần trong đầu dò và mất toàn bộ năng lượng trong đầu dò

- Đỉnh tán xạ ngược xuất hiện trong phổ do sau khi gamma tán xạ với những góc

Nền Compton

Đỉnh tán xạ ngược

Cạnh Compton

Đỉnh thoát đôi

Đỉnh thoát đơn

Đỉnh quang điện Đỉnh hủy

dN/dE

E

lớn trong đầu dò và sau đó bị hấp thụ Sự đóng góp cho đỉnh tán xạ ngược là khi tia gamma mất năng lượng trong đầu dò Tổng năng lượng của đỉnh tán xạ ngược

và cạnh Compton sẽ bằng với năng lượng của đỉnh quang điện

- Đỉnh thoát đơn và đỉnh thoát đôi được hình thành bởi sau quá trình tạo cặp phát

ra hai tia gamma với cùng năng lượng, các gamma này có thể tiếp tục tương tác với vật chất trong đầu dò hoặc thoát ra ngoài Trường hợp một trong hai tia gamma hủy thoát ra sẽ tạo nên đỉnh thoát đơn nằm cách đỉnh quang điện một khoảng đúng bằng 0,511MeV Trường hợp cả hai tia gamma hủy thoát ra ngoài tạo nên đỉnh thoát đôi, đỉnh này nằm cách đỉnh quang điện khoảng 1,022MeV

- Đỉnh hủy là trường hợp positron được tạo ra và hủy cặp ở môi trường ngoài đầu

dò, một trong hai tia gamma hủy lọt vào đầu dò nằm ở vị trí tương ứng với năng lượng 0,511MeV

Ngoài ra trong thực nghiệm còn thu được đỉnh tia X đặc trưng khi tia gamma từ nguồn có thể thoát ra khỏi đầu dò đến tương tác với vật liệu che chắn xung quanh và kết quả là ở vùng năng lượng thấp xuất hiện một đỉnh tia X đặc trưng cho vật liệu mà nó tương tác Trong phổ gamma, đỉnh năng lượng toàn phần mang lại nhiều thông tin hữu ích và do tính chất của đề tài sẽ sử dụng thông tin từ đỉnh quang điện, phần còn lại của phổ có thể coi như phông Trong những tính toán đơn giản thì đỉnh phổ gamma xấp xỉ theo dạng phân bố Gauss:

trong đó A là độ cao đỉnh, x là vị trí của đỉnh và 0  là độ lệch chuẩn của phân bố đỉnh

1.2 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò nhấp nháy

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ phổ kế gamma

 Quá trình phát triển của đầu dò ghi bức xạ tia gamma và tia X

Trong vật lý hạt nhân thực nghiệm, các đầu dò ghi bức xạ đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định năng lượng và cường độ gamma Ngày nay, nhiều loại đầu dò

đã ra đời chẳng hạn ống đếm khí, đầu dò nhấp nháy, đầu dò bán dẫn,… có thể dùng để

đo gamma, electron, các hạt nặng mang điện

Nhìn lại các giai đoạn phát triển của thiết bị ghi nhận trong vật lý hạt nhân và hạt

cơ bản thì vào giai đoạn đầu chỉ có thể xác định sự hiện diện của bức xạ, sau đó là đo được cường độ nhưng vẫn chưa biết thông tin về năng lượng Các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và phát triển các hệ đo cho đến ngày nay phép đo phổ đã có những bước tiến mới với sự ra đời của các đầu dò có độ phân giải tốt, hiệu suất ghi cao cho phép xác định chính xác cường độ cũng như năng lượng của bức xạ Một số mốc thời gian đánh dấu từng bước phát triển của đầu dò ghi nhận bức xạ gamma và tia X:

- Năm 1895, Roentgen bắt đầu đo các tia X với những phép đo đầu tiên sử dụng các phương pháp huỳnh quang, chụp ảnh và buồng ion hóa

- Năm 1908, Rutherford và Geiger phát triển đa dạng các loại ống đếm chứa khí cho phép đo và xác định nhanh chóng sự hiện điện của bức xạ nhưng vẫn chưa định được năng lượng của chùm bức xạ

- Năm 1948, Hofstadter chế tạo đầu dò NaI(Tl) có khả năng đo phổ năng lượng trên một dải rộng có độ phân giải tốt hơn so với ống đếm chứa khí, hiệu suất ghi cao, hoạt độ ổn định, tinh thể bền vững về mặt vật lý và hóa học Để hấp thụ được tia gamma năng lượng cao yêu cầu tinh thể nhấp nháy với kích thước lớn đã được sản xuất

- Năm 1962, Pell và các nhà nghiên cứu khác cho ra đời detector được chế tạo từ vật liệu đơn tinh thể có tỉ trọng lớn, đầu dò bán dẫn Ge(Li) Việc nuôi cấy đơn tinh thể với thể tích lớn là rất khó nên chỉ có đơn tinh thể Si và Ge được sử dụng Trong đó, đầu dò Ge đo được miền rộng năng lượng còn Si chủ yếu đo photon năng lượng thấp Đầu dò bán dẫn có độ phân giải cao hơn so với đầu dò NaI

- Vào những năm 1980, đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh khiết HPGe (High purity germanium) có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng đã được chế tạo nhằm khắc phục hạn chế của đầu dò Ge(Li) yêu cầu bảo quản thường xuyên ở nhiệt độ nitơ lỏng (-196oC)

Ngày nay, HPGe và NaI(Tl) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghiên cứu bởi những ưu điểm riêng của nó Sau chặng đường dài nghiên cứu và phát triển các hệ

đo bức xạ, các nhà khoa học đã đạt được những thành công vượt bậc mang lại những

bước tiến mới trong phép ghi đo phổ bức xạ

 Nguyên tắc làm việc chung của đầu dò nhấp nháy

Như đã trình bày ngày nay có nhiều loại đầu dò được ra đời Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ sử dụng loại đầu dò NaI(Tl) Đây là loại đầu dò nhấp nháy có độ nhạy cao và đáp ứng nhanh, sử dụng tốt trong việc ghi nhận các gamma năng lượng lên đến vài MeV

Khi bức xạ gamma vào tương tác với tinh thể nhấp nháy, chúng bị hấp thụ và được chuyển hóa thành ánh sáng nhấp nháy Ánh sáng này có cường độ rất thấp được dẫn qua photocathode nhằm chuyển đổi ánh sáng thành các quang electron và được khuếch đại trong ống nhân quang điện thông qua các dynode Đến cuối quá trình khuếch đại thành phần anode đóng vai trò chuyển hóa các quang electron thành các xung điện Các xung điện được khuếch đại qua mạch khuếch đại, sau đó sẽ được phân tích và hiển thị qua bộ phân tích độ cao xung Nếu xung nằm trong phạm vi cửa sổ đã chọn chúng sẽ được ghi lại trong bộ nhớ máy tính

Hình 1.10 Minh họa quá trình hoạt động của hệ đo dùng đầu dò nhấp nháy 1.2.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các bộ phận của đầu dò nhấp nháy

Đầu dò nhấp nháy là tổ hợp hai thành phần chính gồm tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện Nếu trong điều kiện hai thành phần này phải đặt cách xa nhau chẳng hạn tinh thể đặt trong từ trường mà ống nhân quang điện không thể làm việc trong môi trường này thì cần dùng đến phần dẫn quang Phần dẫn quang được chế tạo từ thạch anh

hoặc thủy tinh hữu cơ Một lưu ý quan trọng là mặt kết nối với ống nhân quang phải được đánh bóng cẩn thận nhằm đảm bảo phản xạ ánh sáng toàn phần

Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng đầu dò NaI(Tl) hình trụ kích thước 3 3in

có phần dẫn quang rất mỏng chủ yếu đóng vai trò liên kết tinh thể và ống nhân quang

 Tinh thể nhấp nháy

Chất nhấp nháy sử dụng trong ghi bức xạ hạt nhân phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản Thứ nhất, chất nhấp nháy có hiệu suất phải cao, tức tỷ số năng lượng của các nháy sáng trên năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy phải lớn Thứ hai, một chất nhấp nháy tốt phải không hấp thụ ánh sáng phát ra bên trong nó Ngoài ra để đảm bảo khả năng phân giải thời gian cao thì thời gian phát sáng của bản nhấp nháy cần phải nhỏ

Có hai loại chất nhấp nháy được sử dụng phổ biến là chất nhấp nháy vô cơ và hữu

cơ Chất nhấp nháy vô cơ có thành phần cơ bản là muối halogen của kim loại kiềm được chế tạo ở dạng đơn tinh thể, pha thêm một lượng nhỏ chất hoạt tính (~0,1%) làm xuất hiện các mức tạp chất gọi là tâm bắt nhằm kích hoạt quá trình phát huỳnh quang

Trong giới hạn của đề tài chỉ trình bày tinh thể NaI(Tl) thuộc chất nhấp nháy vô

cơ Tinh thể nhấp nháy sử dụng phổ biến nhất là NaI được kích hoạt bởi Thallium (0,1%)

có cường độ sáng rất cao, sử dụng tốt trong hệ phổ kế gamma Vì tinh thể này dễ hút ẩm nên nó được đặt trong vỏ nhôm kín về ba phía, mặt còn lại nối với ống nhân quang điện

Cơ chế hình thành nháy sáng sẽ được giải thích trên cơ sở lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn Các electron trong nguyên tử phân bố trên các mức năng lượng, khi không bị kích thích các electron chiếm đầy vùng hóa trị Các trạng thái kích thích cao hơn thì các electron sẽ nằm trong vùng dẫn

Khi bức xạ đi vào tinh thể nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chất nhấp nháy trong vùng hóa trị tạo ra lượng lớn các cặp electron-lỗ trống Các lỗ trống mang điện tích dương bắt các electron trong nguyên tử trở thành nguyên tử trung hòa Các electron được tạo ra nhận được năng lượng tối thiểu bằng với độ rộng năng lượng của vùng trống sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Sau đó nhảy xuống vùng cấm và

bị các tâm bắt giữ lại Electron tồn tại ở trạng thái kích thích với thời gian cỡ nano giây

tùy thuộc vào bản chất tinh thể sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra ánh sáng trong vùng nhìn thấy, đó là ánh sáng nhấp nháy

Hình 1.11 Nguyên tắc nhấp nháy [5]

 Ống nhân quang điện

Khi bức xạ bị hấp thụ thì sẽ phát ra ánh sáng nhấp nháy Ánh sáng này được dẫn qua cửa sổ quang có thể là thủy tinh hoặc thạch anh và đập vào bề mặt photocathode Những ánh sáng nhấp nháy sẽ làm bật các electron từ lớp màn cảm quang của photocathode giúp chuyển đổi ánh sáng thành các quang electron Cường độ ánh sáng càng lớn thì electron bật ra càng nhiều nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu trong ghi nhận Vì vậy, các electron này sẽ được gia tốc và hội tụ thông qua điện trường, gọi là lưới hội tụ hướng các electron này tới dynode Dynode này có nhiệm vụ làm tăng lượng electron lên bởi nó được chế tạo bằng vật liệu có công thoát điện tử nhỏ và khi bị các electron bắn phá sẽ bức xạ những electron thứ cấp Những electron thứ cấp này lại được gia tốc

và hội tụ tại dynode tiếp theo, quá trình này được lặp đi, lặp lại và điều này làm tăng lượng electron lên rất nhiều Cuối quá trình là bản anode đóng vai trò thu góp điện tích

và tạo xung lối ra Sau đó, xung này sẽ được khuếch đại qua mạch khuếch đại

Như vậy, ống nhân quang điện không những đóng vai trò biến tín hiệu quang học thành tín hiệu điện mà còn khuếch đại chúng lên rất nhiều lần so với ban đầu Trong thực nghiệm do hiện tượng bức xạ electron nhiệt từ những dynode có thể gây ra những tạp

âm nhiệt hoặc có thể hệ thống điện áp không ổn định làm thăng giáng thống kê lớn thậm chí là bị dịch phổ Với những lí do này có thể làm xuất hiện biên độ tạp âm gây khó khăn

trong quá trình xử lý phổ Chẳng hạn, nếu biên độ xung lớn hơn biên độ tạp âm phải dùng bộ hạn chế biên độ Nếu tạp âm quá cao phải tìm cách giảm đến mức tối thiểu, thông thường cần hạ thấp nhiệt độ của photocathode để làm giảm tạp âm nhiệt vì xác xuất bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ

1.2.3 Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy

 Khả năng phân giải năng lượng của đầu dò

Là một đại lượng quan trọng được đánh giá qua độ rộng các đỉnh phổ Độ phân giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, giúp ghi nhận được các nguồn yếu khi nó nằm chồng lên miền liên tục Đại lượng FWHM được sử dụng đánh giá độ phân giải năng lượng là bề rộng toàn phần tại một nửa chiều cao đỉnh, ta có mối quan hệ giữa FWHM

và độ lệch chuẩn  của phân bố đỉnh [7]:

FWHM2 2 ln2 2,355 (1.21) Tùy thuộc vào loại đầu dò và năng lượng gamma tới mà FWHM có thể thay đổi và thường được làm khớp theo năng lượng có dạng [8]:

2

Trong phổ gamma dạng của đỉnh phổ không hoàn toàn tuân theo phân bố Gauss

và đại lượng dùng để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi của đỉnh là FWTM, bề rộng toàn phần ở một phần mười chiều cao của đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

Hình 1.12 Các đại lượng độ phân giải đỉnh FWHM và FWTM [7]

 Hiệu suất ghi của đầu dò

Một gamma tới tương tác với với vật liệu đầu dò chủ yếu theo 3 cơ chế là hấp thụ quang điện sẽ truyền toàn bộ năng lượng của gamma tới trong đầu dò, còn tán xạ Compton và tạo cặp chỉ truyền một phần năng lượng hoặc kết thúc của hai quá trình này bằng hấp thụ quang điện cũng sẽ đóng góp vào đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần Dựa trên đặc tính này về cơ bản có thể chia hiệu suất ghi (xác suất ghi nhận bức xạ) của đầu

dò thành hai loại là hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh

Hiệu suất toàn phần là xác suất các photon phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng lượng khác không trong thể tích vùng hoạt động của đầu dò

Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là xác suất một photon để lại toàn

bộ năng lượng của nó trong vùng thể tích hoạt động của đầu dò, được tính bằng tỉ số giữa tổng số các sự kiện để lại toàn bộ năng lượng trong đầu dò và tổng số các photon phát ra từ nguồn

Trong phổ phân bố độ cao xung vi phân, các sự kiện mất năng lượng toàn phần được thể hiện bởi đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tổng số các sự kiện này có thể thu được diện tích đỉnh năng lượng toàn phần bởi một tích phân đơn giản Phần còn lại trong phổ là những bức xạ chỉ mang một phần năng lượng của bức xạ tới

Hình 1.13 Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần trong phổ gamma phân bố độ

cao xung [7]

Từ định nghĩa về hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ta có:

Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

 

 

Số đếm đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần N

Hiệu suất đỉnh 



   

Số photon phát ra từ nguồn

Suy ra:

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

Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng tồn phần là một trong những đại lượng được nghiên cứu trong đề tài bởi nĩ khá nhạy với các thơng số kỹ thuật của đầu dị nên thường được dùng để hiệu chỉnh các thơng số này

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP

2.1 Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP

 Phương pháp Monte Carlo

Là phương pháp thử thống kê sử dụng một loạt các thuật toán lấy mẫu ngẫu nhiên

để thu được kết quả số, được đặt theo tên của một thành phố ở Monaco, nơi nổi tiếng với các sòng bạc Việc sử dụng phương pháp này để mô hình hóa các quá trình vật lý và cho phép đánh giá các hệ thống phức tạp đồng thời khắc phục nhiều hạn chế trong thực nghiệm, cho kết quả đáng tin cậy Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

đã có rất nhiều chương trình mô phỏng vận chuyển hạt bằng phương pháp Monte Carlo

đã ra đời và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu

Phương pháp Monte Carlo là một công cụ hữu hiệu trong tính toán và giải quyết các vấn đề trong nhiều ngành khoa học trong đó có vật lý hạt nhân Đây là phương pháp được xây dựng dựa trên các nền tảng cơ bản Thứ nhất, tạo ra dãy số ngẫu nhiên phân

bố đều trên khoảng (0, 1) Thứ hai, là luật số lớn nhằm đảm bảo cho sự ổn định của các giá trị trung bình càng gần với giá trị kì vọng của các biến ngẫu nhiên khi phép thử đủ lớn Cuối cùng là định lý giới hạn trung tâm mô tả cách ước lượng Monte Carlo tiến đến giá trị thực hay hội tụ về một biến ngẫu nhiên nào đó khi kích cỡ mẫu được tăng lên và điều kiện của định lý là cả giá trị trung bình và phương sai của phân bố phải hữu hạn.Một

số thành phần chính trong phương pháp Monte Carlo

Hình 2.1 Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo

Monte Carlo

Lấy mẫu Ghi nhận Ước lượng sai số Giảm phương sai

Số ngẫu

nhiên

Phân bố xác suất

Kết quả

Các bước cần thực hiện trong một bài toán mô phỏng là mô hình hóa, tìm phương thức để thể hiện các tính toán trên máy tính và cuối cùng là mô phỏng

 Giới thiệu chung về chương trình mô phỏng MCNP

MCNP là sản phẩm của việc ứng dụng phương pháp Monte Carlo tại trung tâm thí nghiệm Quốc gia Los-Alamos, Mỹ Chương trình mô phỏng đầu tiên mang tên MCS được viết năm 1963, sau đó là MCN có thể giải các bài toán neutron tương tác với vật chất trong hình học ba chiều thông qua việc sử dụng các thư viện số liệu vật lý để tính toán Năm 1973, MCN kết hợp với chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon năng lượng cao mang tên MCG cho ra MCNG (chương trình mô phỏng neutron- gamma) Sau đó nó hợp nhất với MCP (chương trình Monte Carlo photon tính toán chi tiết đến năng lượng của photon là 1 keV) để mô phỏng các tương tác neutron-photon và trở thành MCNP Ngày nay MCNP có nghĩa là Monte Carlo N hạt có thể là neutron, photon hoặc electron, chương trình được các nhà nghiên cứu hoàn thiện và phát triển mạnh mẽ qua nhiều phiên bản như MCNP3, MCNP4, MCNP4A, MCNP4B, MCNP4C, MCNP4C2 và gần đây nhất là MCNP5 có bổ sung thêm hiệu ứng giãn nở Doppler cùng với thư viện tiết diện được cập nhật Đây là công cụ tính toán rất mạnh để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân như các quá trình phân rã, tương tác bức xạ với vật chất, giải quyết các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian, Chương trình MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh viết bằng FORTRAN và 1000 dòng lệnh C với khoảng 400 chương trình con Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân chủ yếu được cung cấp từ các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới

Trong khoảng nhiều năm trở lại đây các tính toán bằng phần mềm mô phỏng MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ Tp HCM, Viện năng lượng Nguyên tử Việt Nam và các trường đại học,… Những nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phổ ghi nhận bức xạ, phân tích an toàn che chắn, nghiên cứu các loại đầu dò, phân bố trường liều bức xạ,…

Trong đề tài này, chương trình MCNP5 được sử dụng để mô phỏng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) để tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

2.2 Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP

Trong chương trình MCNP quá trình vận chuyển hạt được mô phỏng từng bước, đối với mỗi lịch sử hạt sẽ được tạo ra bởi dãy các số ngẫu nhiên với loại hạt phát ra từ nguồn khảo sát Sau đó, các thủ tục nguồn phát như loại nguồn sẽ được chương trình gọi

ra Các thông số của hạt như vị trí, năng lượng, hướng phát,… sẽ được tạo bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo như phân bố được khai báo trong tệp đầu vào

Trong đề tài này sẽ khảo sát các nguồn phát gamma với điểm giao các vết của hạt với mặt biên của cell sẽ được tính toán, các tiết diện tương tác dựa vào thư viện dữ liệu

để tìm khoảng cách dương nhỏ nhất từ vị trí hạt đến mặt biên của cell từ đó cho biết mặt

kế tiếp mà hạt hướng tới Nếu khoảng cách đến lần va chạm kế tiếp lớn hơn khoảng cách dương nhỏ nhất hạt sẽ ra khỏi cell đang ở Các tally ghi nhận vết sẽ được tính toán và cập nhật những thông tin mới của hạt Sau khi hạt qua mặt biên hoặc quá trình va chạm

đã kết thúc, hạt tiếp tục được tính toán xác định khoảng cách đến mặt biên kế tiếp, cứ như vậy cho đến khi hạt mất trong quá trình va chạm, chương trình sẽ kiểm tra xem có hạt thứ cấp nào được tạo ra, nếu không thì lịch sử hạt sẽ kết thúc Đồng thời chương trình

sẽ kiểm tra các điều kiện như số lịch sử hạt, thời gian chạy chương trình,… nếu thỏa thì thông tin sẽ được đưa vào tally kết quả, chương trình sẽ kết thúc và kết quả được in ra

Qui trình mô phỏng trong MCNP được thực hiện qua các bước sau:

Phần quan trọng trongMCNP là xây dựng tệp số liệu đầu vào cung cấp các thông tin về cấu trúc hình học, vật liệu đo, thông số nguồn, loại hạt quan tâm, số hạt cần gieo,…

Một tệp đầu vào chuẩn gồm có:

• Kết quả tally