KHẢO sát các đặc TRƯNG PHỔ của các ĐỒNG vị PHÓNG xạ BẰNG đầu dò nai(tl)

Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đo được trong thực nghiệm sử dụng đầu dò NaITl với nguồn 137Cs.. Các đặc trưng phổ: a Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần b Độ phân giải năng

KHOA VẬT LÍ

Nguyễn Thị Hải Yến

KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG PHỔ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

BẰNG ĐẦU DÒ NaI(Tl)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TP Hồ Chí Minh – Năm 2017

KHOA VẬT LÍ

Nguyễn Thị Hải Yến

KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG PHỔ CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ BẰNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin dành lời tri ân và lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn TS Hoàng Đức Tâm, người đã truyền cảm hứng, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô Lê Bảo Trân – giảng viên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, cung cấp cho tôi những kiến thức căn bản, nền tảng, làm cơ sở cho việc thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn chị Nguyễn Thị Mỹ Lệ - sinh viên khóa 37, chị Hồ Thị Tuyết Ngân – sinh viên khóa 38 và bạn Phạm Vũ Trân – sinh viên khóa 39 đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới ba mẹ, các thầy cô và bạn bè đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Toàn bộ dữ liệu mô phỏng GEANT4 được công bố trong luận văn này là của chính bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Hoàng Đức Tâm

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hải Yến

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1.Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất 4

1.1.1.Hiệu ứng quang điện 4

1.1.2.Hiệu ứng Compton 6

1.1.3.Hiệu ứng tạo cặp 7

1.2 Các đặc trưng phổ gamma 7

1.2.1.Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần 7

1.2.2.Tỉ số đỉnh trên Compton RPC 8

1.2.3.Độ phân giải đỉnh hấp thụ toàn phần R(E) 9

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 11

2.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo 11

2.2 Chương trình MCNP 11

2.2.1 Giới thiệu 11

2.2.2 Sơ lược về MCNP 12

2.2.3 Cấu trúc của một input file của MCNP 13

2.3 Chương trình GEANT4 22

2.3.1 Định nghĩa các thành phần liên quan đến việc thiết lập đầu dò 23

2.3.2 Định nghĩa các tương tác vật lý của hạt, bức xạ được sử dụng 24

2.3.4 Định nghĩa nguồn phát hạt, bức xạ 26

2.4.1 Giới thiệu về hệ đo nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) 26

2.4.2.Các thông số của hệ đo nhấp nháy sử dụng tinh thể NaI(Tl) dùng trong mô phỏng Monte Carlo 28

2.5 Các nguồn đồng vị phóng xạ 29

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Kỹ thuật xử lý phổ trong phân tích phổ gamma truyền qua 30

3.2 Khảo sát dạng đáp ứng phổ mô phỏng MCNP5, GEANT4 và phổ thực nghiệm của một số đồng vị 31

3.3 Khảo sát các đặc trưng phổ giữa phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm của các đồng vị 33

3.3.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần 33

3.3.2 Độ phân giải năng lượng 35

3.1.3 Tỉ số đỉnh trên Compton 36

KẾT LUẬN 40

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MCNP Chương trình mô phỏng

Monte Carlo Monte Carlo N – Partical

FWHM Bề rộng một nửa đỉnh phổ Full Width at Half

Maximum

HPGe Germanium siêu tinh khiết High Purity Germanium

GEANT4 Chương trình mô phỏng

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình tán xạ Compton 7

Hình 1.2 Vùng Compton và đỉnh quang điện trong phổ mô phỏng GEANT4 đối với

nguồn 60Co khi ghi nhận bằng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) có bề dày lớp Al2O3 bằng

1mm 9

Hình 1.3 Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đo được trong thực nghiệm sử dụng đầu

dò NaI(Tl) với nguồn 137Cs 10

Hình 2.1 Đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kích thước tinh thể 76 mm x 76 mm [11] 27

Hình 2.2 Các thông số kỹ thuật của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) dùng trong mô phỏng

Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 [6] 28

Hình 3.1 Phổ mô phỏng GEANT4 của 109Cd được làm khớp bằng Colegram 30

Hình 3.2 So sánh phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng GEANT4, MCNP5 của đồng vị

a) 54Mn b) 65Zn c) 137Cs d) 22Na e) 60Co 32

Hình 3.3 Các đặc trưng phổ: a) Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần b) Độ

phân giải năng lượng c) Tỉ số của trên Compton, tương ứng của các đồng vị đối với

phổ thực nghiệm, phổ mô phỏng GEANT4 và MCNP5 38

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Một số mặt thường được dùng trong MCNP5 14

Bảng 2.2 Một số biến nguồn thông dụng 17

Bảng 2.3 Các đánh giá sai số tương đối R 19

Bảng 2.4 Thông tin các nguồn phóng xạ [6] 29

Bảng 3.1 So sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đỉnh thực nghiệm và mô phỏng MCNP5 33

Bảng 3.2 So sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đỉnh thực nghiệm và mô phỏng GEANT4 34

Bảng 3.3 So sánh độ phân giải năng lượng của các đỉnh thực nghiệm và mô phỏng MCNP5 35

Bảng 3.4 So sánh độ phân giải năng lượng của các đỉnh thực nghiệm và mô phỏng GEANT4 36

Bảng 3.5 So sánh tỉ số đỉnh trên Compton của một số đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng MCNP5 37

Bảng 3.6 So sánh tỉ số đỉnh trên Compton của một số đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng GEANT4 37

MỞ ĐẦU

Mô phỏng một quá trình vật lý là tạo dựng lại phép bố trí phép đo thực tế với đầy

đủ các thông số chính xác của thiết bị dùng trong đo đạc bằng một chương trình máy tính và phép đo này được đặt trong một điều kiện lý tưởng Các mô phỏng này nhằm xác định phương thức bố trí hệ đo để đảm bảo khả năng ghi nhận của đầu dò và hướng đến chính xác đối tượng cần khảo sát Kết quả mô phỏng cho phép dự tính được kết quả phép đo trong thực tế, từ đó điều chỉnh lại cách bố trí thực nghiệm cho phù hợp với mục đích đo đạc, cụ thể như trong y học hạt nhân người ta sử dụng các chương trình

mô phỏng để tính toán liều chiếu phù hợp trong việc điều trị các khối u Mặt khác, kết quả mô phỏng có thể là một căn cứ kiểm tra tính chính xác của kết quả phép đo trong thực nghiệm

Để đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng thì dữ liệu đầu vào khi thiết lập chương trình cần chính xác Thông thường, chúng ta sử dụng các thông số kỹ thuật của đầu dò do nhà sản xuất cung cấp để khai báo Tuy nhiên, đây là một yêu cầu không dễ thực hiện, vì không phải khi nào chúng ta cũng nắm đầy đủ các thông số kỹ thuật của

hệ thống đầu dò Mặt khác, các thông số này còn có thể thay đổi theo thời gian, lúc đó,

dữ liệu mà chúng ta khai báo vào chương trình mô phỏng không còn chính xác nữa [3]

Để đánh giá sự phù hợp của các thông số kỹ thuật của đầu dò khi đưa vào chương trình mô phỏng, ta tiến hành khảo sát sự phù hợp dạng đáp ứng của phổ mô phỏng so với thực nghiệm Về mặt định tính, để kiểm tra sự phù hợp này người ta kiểm tra dạng đáp ứng phổ giữa phổ mô phỏng và phổ thực nghiệm Về mặt định lượng, dựa vào phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng, người ta tính toán các đặc trưng phổ tương ứng, đó là hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tỉ số đỉnh trên Compton và độ phân giải đỉnh hấp thụ toàn phần Sự phù hợp của các thông số này từ phổ mô phỏng so với phổ

thực nghiệm sẽ cho thấy tính đúng đắn của các thông số kỹ thuật của đầu dò khi đưa vào chương trình mô phỏng

Trong tài liệu [1], Celiktas và cộng sự cũng đã công bố về việc khảo sát sự phù hợp giữa phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng thông qua các đặc trưng phổ hiệu suất đếm tuyệt đối, tỉ số đỉnh trên tổng, tỉ số đỉnh trên Compton, tỉ số đỉnh trên vùng valley, hiệu suất đếm tuyệt đối của đỉnh quang điện

Trong nghiên cứu của thầy Hoàng Đức Tâm được trình bày trong tài liệu [6], sự phù hợp giữa phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng MCNP5 được khảo sát thông qua hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần – một đặc trưng phổ

Trong luận văn này, tôi tiến hành khảo sát ba đặc trưng phổ bao gồm hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tỉ số đỉnh trên Compton, độ phân giải năng lượng,

từ đó, kiểm tra sự phù hợp của các đặc trưng phổ này giữa phổ thực nghiệm và phổ mô phỏng của các đồng vị 137Cs, 60Co, 65Zn, 54Mn, 22Na

Các chương trình mô phỏng hoạt động dựa trên phương pháp Monte Carlo, hai chương trình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là MCNP (Monte Carlo N-Particle)

và GEANT4

NaI(Tl) có đặc tính phát quang tuyệt vời, nó được xem như vật liệu nhấp nháy tiêu chuẩn cho việc đo đạc gamma thông thường [1] Đầu dò NaI(Tl) được sử dụng rộng rãi vì nó có những ưu điểm nổi bật sau [2]:

Cường độ nhấp nháy, và do đó, biên độ tín hiệu lối ra, tỉ lệ thuận với năng lượng của hạt bức xạ

- Mật độ các tinh thể nhấp nháy lớn nên chúng hấp thụ mạnh hạt bức xạ, do đó hiệu suất ghi lớn

- Thời gian đáp ứng nhanh của tinh thể nhấp nháy, với thời gian trễ cỡ 10-6s đối với tinh thể vô cơ

- Tinh thể nhấp nháy dễ dàng sản xuất theo các dạng và hình học khác nhau, đáp

Đó là những lý do mà tôi lựa chọn đầu dò này để khảo sát các đặc trưng để trình bày trong luận văn

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI: tính toán các đặc trưng phổ hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tỉ số đỉnh trên Compton và độ phân giải năng lượng

để kiểm tra tính chính xác của các thông số kỹ thuật của đầu dò khi đưa vào chương trình mô phỏng

Khi các đặc trưng phổ thu được từ phổ mô phỏng phù hợp với các đặc trưng phổ thu được từ phổ thực nghiệm thì các thông số kỹ thuật của đầu dò đưa vào chương trình

mô phỏng là hợp lý, kết quả mô phỏng lúc này mô tả đúng các quá trình vật lý để phục

vụ cho quá trình nghiên cứu, đánh giá và dự kiến cho thực nghiệm

NỘI DUNG LUẬN VĂN GỒM CÁC CHƯƠNG:

Chương 1 Cơ sở lý thuyết

Chương 2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Chương 3 Kết quả, thảo luận

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Khi một chùm photon di chuyển trong môi trường vật chất, cường độ của chùm tia sẽ bị suy giảm theo quy luật hàm mũ Cho một chùm tia gamma hẹp đi qua bản vật liệu và đo chùm tia sau bản vật liệu đã được chuẩn trực thì cường độ chùm ta lúc sau giảm so với cường độ chùm tia lúc đầu theo quy luật hàm mũ được thể hiện qua công thức [2]:

trong đó:

- I là cường độ chùm tia gamma lúc sau khi đi xuyên qua tấm vật liệu

- Io là cường độ chùm tia lúc đầu trước khi đi vào tấm vật liệu

- μ là hệ số suy giảm tuyến tính Đại lượng này có thứ nguyên (độ dài)-1

và thường tính theo đơn vị cm-1

- x là bề dày tấm vật liệu

Nguyên nhân của sự suy giảm cường độ trên là do khi di chuyển trong môi trường vật chất, gamma tương tác với các nguyên tử trong môi trường vật chất này Gamma thực hiện ba loại tương tác chính với các nguyên tử trong môi trường vật chất, đó là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma này biến mất và truyền toàn bộ năng lượng của nó cho eleectron này, làm electron này bứt ra khỏi liên kết trở thành electron tự do, người ta gọi nó là quang electron Sau khi bứt ra khỏi nguyên tử, nó chuyển động với một động năng có giá trị bằng hiệu giữa năng lượng của

(1.1)

I = Ioe−μx

gamma bay vào và năng lượng liên kết của eletron này trên lớp vỏ trước khi bứt ra thành electron tự do

trong đó:

- Ec là động năng của quang electron

- E là năng lượng của gamma vào

- εlk là năng lượng lên kết của quang electron trên lớp vỏ trước khi bứt ra khỏi nguyên tử

Hiệu ứng quang điện thường xảy ra đối với các electron ở lớp bên trong của nguyên tử, và không xảy ra đối với electron tự do vì không đảm bảo quy luật bảo toàn năng lượng, động lượng [2] Do đó, mặc dù điều kiện cần thiết để xảy ra hiệu ứng quang điện là năng lượng của gamma phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron trên quỹ đạo, tuy nhiên, năng lượng này cũng không được quá lớn, vì khi năng lượng này quá lớn thì có thể xem electron đang xét gần như ở trạng thái tự do

Năng lượng liên kết của electron phụ thuộc vào số nguyên tử Z, do đó, tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z theo quy luật Z5

[2]

Hiệu ứng quang điện thường kèm theo tia X đặc trưng hay electron Auger Do khi photon làm bứt electron ở lớp trong ra khỏi liên kết, làm xuất hiện trên quỹ đạo này một lỗ trống, khi đó, các electron ở lớp bên ngoài sẽ có xu hướng nhảy xuống lấp đầy

lỗ trống này, và khi chuyển mức năng lượng thì các electron này sẽ phát ra các bức xạ đặc trưng

(1.3) (1.4)

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Khi photon có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron với nguyên tử thì hiệu ứng quang điện không còn đáng kể nữa, khi này tương tác đóng vai trò quan trọng là tán xạ Compton

Trong tán xạ Compton, photon va chạm với electron, nhường 1 phần năng lượng của nó cho electron và đổi phương bay Electron sau khi va chạm, nhận phần năng lượng do photon truyền cho, bứt ra khỏi nguyên tử

Năng lượng của photon và của electron sau khi tán xạ phụ thuộc vào góc lệch của gamma sau tán xạ so với phương bay ban đầu [2]:

trong đó:

- E là năng lượng của photon lúc bay vào

- E’ là năng lượng của photon sau tương tác

- Ee là năng lượng của electron sau tương tác

2 e

Hình 1.1 Mô hình tán xạ Compton

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi photon có năng lượng lớn hơn 2 lần năng lượng nghỉ của electron (khoảng 1,02 MeV) thì khi photon này đi qua trường hạt nhân, nó có thể sinh ra một cặp electron – positron, đó là hiệu ứng tạo cặp

Sau quá trình tạo cặp, năng lượng photon chuyển thành năng lượng của electron

và positron tạo thành, phần năng lượng còn lại chuyển thành động năng của electron và positron này

Electron và positron bị mất dần năng lượng khi di chuyển và ion hóa các nguyên

tử trong môi trường Riêng positron mang điện tích dương, khi nó mất năng lượng và gặp 1 electron thì sẽ xảy ra hiện tượng hủy cặp Tức là, cặp positron và electron này sẽ biến mất, thay vào đó là sự xuất hiện của 2 bức xạ gamma có năng lượng 0,511 MeV bay gần như ngược chiều nhau (góc hợp xấp xỉ 179o)

Vậy, hiệu ứng tạo cặp thường kèm theo hiệu ứng hủy cặp

1.2 Các đặc trưng phổ gamma

1.2.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

Bức xạ gamma đi từ nguồn phát đến đầu dò luôn trải qua các tương tác đáng kể với môi trường trước khi đi vào đầu dò Vì khoảng cách từ nguồn phát tới đầu dò tương

photon tán xạ electron

đối lớn, nên lượng photon bị mất mát lớn, dẫn đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò luôn nhỏ hơn 100%

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cho ta biết khả năng ghi nhận bức xạ của đầu dò Đại lượng này có giá trị bằng tỉ số giữa số photon đầu dò ghi nhận được ứng với đỉnh quang điện và số bức xạ phát ra từ nguồn [1]

trong đó:

- Cp là số đếm ở kênh trung tâm của đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

- Ci là số đếm tại vị trí kênh i tương ứng

- m, n lần lượt là kênh đầu và kênh cuối của vùng Compton được chọn trong phổ

ε = N

(1.9)

Hình 1.2 Vùng Compton và đỉnh quang điện trong phổ mô phỏng GEANT4 của nguồn

FWHM phụ thuộc vào loại đầu dò và năng lƣợng photon mà đầu dò ghi nhận Giá trị của đại lƣợng này đƣợc xác định theo biểu thức toán học:

Khi đo đạc thực nghiệm, bề rộng nửa đỉnh phổ đƣợc xác định nhƣ sau [4]:

(1.10) Cạnh Compton

Đỉnh quang điện

trong đó:

- a, b và c đƣợc xác định từ việc làm khớp các dữ liệu thực nghiệm

- 𝜎 là độ lệch chuẩn

Hình 1.3 Đỉnh hấp thụ năng lƣợng toàn phần đo đƣợc trong thực nghiệm sử dụng

đầu dò NaI(Tl) với nguồn 137

Cs

(1.11) (1.12)

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO

2.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là tên gọi để chỉ các nhóm thuật toán sử dụng việc lấy ngẫu nhiên để thu được lời giải cho bài toán đặt ra [5] Phương pháp này được đưa vào giảng dạy ở các trường học ở nước Anh từ thế kỉ XX, tuy nhiên, phương pháp này chỉ được chính thức trở thành công cụ nghiên cứu khoa học trong giai đoạn chế tạo bom nguyên tử vào thời kì chiến tranh thế giới lần 2 Nó giúp mô phỏng lại toàn bộ quá trình khuếch tán ngẫu nhiên của neutron trong vật liệu phân hạch

Phương pháp Monte Carlo hỗ trợ giải các bài toán phức tạp bằng các mô tả mang tính thống kê Phương pháp này mô phỏng các hạt riêng rẽ và ghi nhận, đánh giá các trạng thái trung bình của chúng Sau đó, dựa vào định lý giới hạn trung tâm, rút gọn trạng thái trung bình của các hạt mô phỏng thành trạng thái trung bình của các hạt trong

là nhóm Transport Methods Group (nhóm XTM) của phòng Applied Theoretical & Computational Physics Division (X Division) ở trung tâm Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory – Mỹ) Trong mỗi hai hoặc ba năm họ lại cho ra một phiên bản mới của chương trình [5]

Chương trình MCNP5 – một phiên bản của MCNP, là một công cụ tính toán rất mạnh, nó có khoảng 44 000 dòng lệnh được viết bằng FORTRAN và 1000 dòng lệnh C++, trong đó có khoảng 400 chương trình con (subroutine) Chương trình mô phỏng

này có thể mô phỏng vận chuyển neutron, photon và electron, giải các bài toán vận chuyển bức xạ không gian 3 chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các lĩnh vực từ thiết kế lò phản ứng đến an toàn bức xạ, vật lý y học với các miền năng lượng neutron từ 10 – 11 MeV đến 20 MeV (một số đồng vị có thể lên đến 150 MeV), đối với photon và electron từ 1 keV đến 1 GeV Người sử dụng có thể xây dựng các dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện hạt nhân do chương trình cung cấp Chương trình hoạt động dựa trên nền tảng của phương pháp Monte Carlo, nó điều khiển các quá trình tương tác bằng cách gieo số ngẫu nhiên theo quy luật thống kê cho trước Các mô phỏng đều được thực hiện trên máy vi tính vì số lần thử cần thiết thường rất lớn

Chương trình MCNP được cung cấp tới người dùng thông qua Trung tâm Thông tin An toàn Bức xạ ở Oak Ridge, Tenness (Mỹ) và ngân hàng dữ liệu của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử ở Paris (Pháp) [5]

Tại Việt Nam, trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, các tính toán mô phỏng bằng chương trình MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Công nghệ bức xạ thành phố Hồ Chí Minh, Viện Khoa học & Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam,… và đặc biệt là chương trình MCNP đã được đưa vào giảng dạy như là một phần của môn học “Ứng dụng phần mềm trong Vật lý Hạt nhân” ở bậc đào tạo cao học tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Kỹ thuật Hạt nhân (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh)

Các nghiên cứu ứng dụng MCNP tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực như tính toán cho lò phản ứng, phổ ghi nhận bức xạ, phân bố trường liều bức xạ, phân tích an toàn che chắn,…

2.2.2 Sơ lược về MCNP

Hình học được thể hiện trong MCNP là hình học có cấu hình 3 chiều MCNP xử

các Cell card (định nghĩa ô mạng) và Surface card (định nghĩa mặt) Để viết được phần Cell card và Surface card, cần phải biết các thông số kỹ thuật của đầu dò (bao gồm các loại vật liệu cấu tạo nên đầu dò, hình dạng và kích thước của đầu dò)

2.2.3 Cấu trúc của một input file của MCNP

Việc mô phỏng một đối tượng vật lý trong MCNP trải qua các bước định nghĩa

thuộc tính sau:

a Định nghĩa mặt (Surface card)

 Các mặt được định nghĩa bởi phương trình

Để tạo ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phỏng, MCNP cung cấp một số các dạng mặt cơ bản chẳng hạn như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ,… (có tất

cả gần 30 loại mặt cơ bản) Các khối hình học mô phỏng được tạo thành bằng cách kết hợp các vùng không gian giữa các mặt với nhau thông qua các toán tử giao, hợp và bù Các mặt được định nghĩa trong Surface card bằng cách cung cấp các hệ số của các phương trình giải tích mặt hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt Các phương trình giải tích cho một số mặt thường dùng được cung cấp bởi MCNP được trình bày trong bảng 2.1

Khối thông tin (nếu cần) Tiêu đề của bài toán Định nghĩa ô mạng (Cell cards)

…………

Giới hạn bằng dòng trống Định nghĩa mặt (Surface cards)

………

Giới hạn bằng dòng trống Data cards

…………

Số dòng trống (nếu cần)

+ + − = ( − ̅) + ( − ̅) + ( − ̅) − = ( − ̅) + + − = + ( − ̅) + − = + + ( − ̅) − =

R xyzR xR yR zR

( − ̅) + ( − ̅) − = ( − ̅) + ( − ̅) − = ( − ̅) + ( − ̅) − =

+ − = + − = + − =

yzR xzR xyR R R R

Ngoài ra còn có các loại mặt: Mặt nón, Ellipsoid, Hyperboloid, Parabolid, mặt xuyến,…

 Xác định chiều một mặt

Nếu xét trường hợp trong không gian chỉ có một mặt, thì mặt này sẽ chia không gian thành 2 vùng riêng biệt Giả sử rằng s = f(x, y, z) = 0 là phương trình của một mặt

trong bài toán Đối với một điểm (x, y, z) mà có s = 0 thì điểm đó ở trên mặt, nếu s âm điểm đó được gọi là ở bên trong mặt và được gán dấu âm Ngược lại, nếu s dương, điểm đó được gọi là ở bên ngoài mặt thì được gán dấu dương

Bên cạnh đó, quy ước về chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giản hơn đối với một số mặt cụ thể:

- Đối với các mặt phẳng vuông góc với trục tọa độ: vùng phía chiều dương của trục tọa độ sẽ mang dấu “+”, ngược lại mang dấu “ – ”

- Đối với các mặt trụ, cầu, nón, elip, parabolic: vùng bên ngoài mặt sẽ mang dấu

“+”, bên trong mang dấu “ – ”

b Định nghĩa dữ liệu (Data card)

Khối Data card gồm 2 phần:

- Phần thứ nhất liên quan đến các tính chất vật lý và các đặc điểm của nguồn, gồm có: Mode Cards (loại hạt), Phys (tính chất vật lý), Source (nguồn)

- Phần thứ hai khai báo các giá trị từ bên ngoài vào, gồm có: Số hạt gieo (NPS), Tally, FWHM (có hay không đều được), Mn Cards (loại vật liệu cell)

 Mode Cards

Mode card là phần khai báo loại hạt mà ta muốn xét Trong MCNP, có tất cả 3 loại hạt là neutron (n), proton (p) và electron (e)

 Source Cards (Nguồn)

MCNP cho phép người dùng mô tả nguồn ở các dạng khác nhau thông qua các thông số nguồn như năng lượng, thời gian, vị trí và hướng phát nguồn hay các thông số hình học khác như cell hoặc surface Bên cạnh việc mô tả nguồn theo phân bố xác suất, người dùng còn có thể sử dụng các hàm dựng sẵn để mô tả nguồn Các hàm này bao gồm các hàm giải tích cho các phổ năng lượng phân hạch và nhiệt hạch chẳng hạn như các phổ Watt, Maxwell và các phổ dạng Gauss (dạng theo thời gian, dạng đẳng hướng, cosin và dọc theo một hướng nhất định)

Một số loại nguồn trong MCNP:

- Nguồn tổng quát (SDEF)

- Nguồn mặt (SSR/SSW)

- Nguồn tới hạn (KCODE)

- Nguồn điểm (KSRC)

Các thông số của nguồn thường bao gồm:

- Năng lượng (energy): ERG

- Thời gian (time): TME

MCNP cung cấp 7 tally chuẩn cho neutron, 6 tally chuẩn cho photon và 4 tally chuẩn cho electron Các tally cơ bản này có thể được thay đổi bởi người dùng theo nhiều cách khác nhau Tất cả các tally đều được chuẩn hóa để tính trên một hạt phát ra, trừ các bài toán ngưỡng KCODE

Trong các bài toán mô phỏng của hạt nhân, thường sử dụng Tally F8 hay còn gọi

là tally độ cao xung, vì đây là kiểu đánh giá phổ độ cao xung thu được từ mô phỏng trong việc so sánh với dữ liệu thực nghiệm Tally F8 có chức năng cung cấp các xung theo phân bố năng lượng được tạo ra trong một cell mà được mô tả như một đầu dò vật

lý Nó cũng cung cấp cho ta biết sự mất mát năng lượng trong một cell Tally F8 được tạo ra ở các điểm nguồn và các chỗ giao của bề mặt Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần mất trong đầu dò trong các kênh đã được định rõ

 Mn Cards (Material Cards)

Material cards mô tả loại vật liệu được lấp đầy trong cell trong quá trình mô phỏng Các thành phần trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên

tố thành phần tỉ lệ phần trăm của nguyên tố đó trong vật chất

Tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số nguyên tử có trong hợp chất nếu mang giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu mang giá trị âm Lưu ý: Nếu tổng tỉ lệ đóng góp của các đồng vị trong hợp chất khác 1, chương trình MCNP sẽ tự động chuẩn lại các tỉ lệ này sao cho tổng của chúng đúng bằng 1

 Các kiểu định nghĩa nguồn Nguồn tổng quát

Card SDEF được dùng để định nghĩa nguồn một cách tổng quát

Bảng 2.2 Một số biến nguồn thông dụng

POS Tọa độ vị trí nguồn, mặc

WGT Trọng số của hạt phát ra từ

Khoảng cách quét từ POS dọc theo AXS hoặc cosin của góc quét từ