Nghiên cứu phương pháp mới xác định các thông số kỹ thuật của đầu dò nai (t1)

Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV, 81 keV theo bán kính tinh thể NaITl .... Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 32 keV, 59 keV theo bán kính tinh thể NaITl

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

KHOA VẬT LÍ

TRƯƠNG THÀNH SANG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MỚI XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

CỦA ĐẦU DÒ NaI(Tl)

Chuyên ngành: Vật lí Hạt nhân

TP Hồ Chí Minh –năm 2019

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

KHOA VẬT LÍ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MỚI XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

CỦA ĐẦU DÒ NaI(Tl)

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG ĐỨC TÂM

Người thực hiện: TRƯƠNG THÀNH SANG

TP Hồ Chí Minh –năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh để hoàn thành chương trình Cử nhân Vật lý khóa 41, tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Ts Hoàng Đức Tâm đã tận tâm chỉ bảo và giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm khóa luận Bên cạnh đó, những ngày được làm việc cùng nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy Hoàng Đức Tâm tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân đã mang lại cho tôi nhiều kiến thức mới và phương pháp làm việc khoa học, chính những điều này đã tạo cho tôi niềm đam mê và yêu thích lĩnh vực mà tôi được đào tạo tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Huỳnh Đình Chương đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện mô phỏng và thực nghiệm của luận văn Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã ủng hộ và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn trong quá trình học tập

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

FEPE Full Energy Peak Efficency Hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phần NaI(Tl) Sodium Iodide Thallium Tinh thể Natri Iot

Thallium ENIAC Electronic Numerical

Interagrator Computer Máy tính tích hợp điện tử MCNP Monte Carlo N-Particle Monte Carlo N-hạt

MCS Monte Carlo Simulation Mô phỏng Monte Carlo MCN Monte Carlo Neutron Mô phỏng Monte Carlo

Neutron MCNG Monte Carlo Neutron-Gamma Mô phỏng Monte Carlo

Neutron-Gamma ANSI American Nation Standards

Institute

Tổ chức Chuẩn Quốc gia Hoa kỳ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP5 12

Bảng 2.2 Các định nghĩa tham số trong MCNP5 13

Bảng 3.1 Các thông số của đầu dò NaI(Tl) 21

Bảng 3.2 Thông số của các nguồn phóng xạ 23

Bảng 3.3 Dữ liệu hệ số suy giảm khối từ Nist và thông số của lớp phản xạ từ nhà sản xuất 26

Bảng 4.1 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản xạ phía trước đầu dò NaI(Tl) 31

Bảng 4.2 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản xạ phía trước đầu dò NaI(Tl) 32

Bảng 4.3 Dữ liệu thực nghiệm và mật độ tối ưu của lớp phản xạ được nội suy từ dữ liệu hàm khớp 33

Bảng 4.4 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV, 81 keV theo bán kính tinh thể NaI(Tl) 34

Bảng 4.5 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 32 keV, 59 keV theo bán kính tinh thể NaI(Tl) 35

Bảng 4.6 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 121 keV theo bán kính tinh thể NaI(Tl) 36

Bảng 4.7 Dữ liệu so sánh mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo mô phỏng và thực nghiệm 38

Bảng 4.8 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 662 keV và 964 keV theo chiều tinh thể NaI(Tl) 39

Bảng 4.9 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1173 keV và 1274 keV theo chiều tinh thể NaI(Tl) 40

Bảng 4.10 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1332 keV và 1408 keV theo chiều tinh thể NaI(Tl) 41

Bảng 4.11 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực nghiệm 43 Bảng 4.12 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực nghiệm giữa mô hình ban đầu và mô hình tối ưu cả ba thông số 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại, một electron ở lớp

vỏ ngoài cùng hấp thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại 4

Hình 1.2 Hiệu ứng Compton 5

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp 6

Hình 1.4 Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguồn tới đầu dò 7

Hình 1.5 Phổ đo bức xạ gamma năng lượng 1408 keV 7

Hình 3.1 Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thể NaI(Tl) 17

Hình 3.2: Hình mô tả góc khối của nguồn phóng xạ đối với đầu dò NaI(Tl) 19

Hình 3.3 Hình học của đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng phần mềm MCNP5 20

Hình 3.4 Mô phỏng thí nghiệm 1 trong chương trình MCNP5 22

Hình 3.5 Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm, sử dụng hệ thống điều khiển để điều chỉnh khoảng cách với sai số 0,01 mm 23

Hình 3.6 Ảnh chụp bởi mô phỏng đường đi chùm tia gamma trong chương trình MCNP5 24

Hình 3.7 Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trên bề mặt đầu dò 27

Hình 3.8 Đường biểu diễn hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) theo tỉ số d/R 28

Hình 3.9 Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trong tinh thể NaI(Tl) 29

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn hiệu suất đỉnh năng lượng theo mật độ lớp phản xạ của hai đỉnh 31 keV(a) nguồn mặt trước đầu dò, 31 keV(b) nguồn đặt bên cạnh đầu dò 33

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo bán kính tinh thể NaI(Tl) 37

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo chiều dài tinh thể NaI(Tl) 42

MỤC LỤC

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 3

1.1 Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất 3

1.1.1 Hiệu ứng quang điện 3

1.1.2 Hiệu ứng Compton 5

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 6

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 8

2.1 Phương pháp Monte Carlo 8

2.2 Chương Trình MCNP5 9

2.2.1 Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình MCNP5 .9

2.2.2 Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input) 10

2.2.3 Cell cards 10

2.2.4 Surface Cards 11

2.2.5 Data Cards 13

CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL) 16

3.1 Đầu dò NaI(Tl) 16

3.1.1 Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) 17

3.1.2 Cấu hình và thông số kỹ thuật của Detector NaI(Tl) 20

3.1.3 Mô hình hóa hệ đo thực nghiệm trong mô phỏng MCNP5 .22

3.2 Phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl) 24

3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 𝐴𝑙2𝑂3 24

3.2.2 Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl) 27

3.2.3 Phương pháp xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) 29

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

4.1 Kết quả xác định mật độ của lớp phản xạ 31

4.2 Kết quả xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl) 34 4.3 Kết quả xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) 39 KẾT LUẬN 45

Mở đầu

Ngày nay, nhiều kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng vào đời sống đặc biệt là những kỹ thuật được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, năng lượng, môi trường Việc bắt đầu sử dụng nguồn phóng xạ làm ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành Các máy đo phóng xạ môi trường trở thành những công cụ cơ bản cho phép người sử dụng kiểm tra về hoạt độ phóng xạ từ môi trường Hệ phổ kế gamma là một trong những hệ thống phát hiện bức xạ được sử dụng rộng rãi nhất Trong phép đo phóng

xạ cần có kiến thức chính xác về hiệu suất ghi của máy đo bởi chỉ một phần của bức

xạ đi vào vật liệu tương tác bên trong nên hiệu suất ghi không đạt 100% Một trong những đầu dò có hiệu suất cao để đo hoạt độ môi trường là đầu dò sử dụng chất nhấp nháy rắn điển hình như hệ đo phổ gamma NaI(Tl) bao gồm một đầu dò NaI(Tl) và máy phân tích đa kênh MCA, hiệu suất ghi bức xạ phụ thuộc vào nhiều tham số của đầu dò Nhiều phần mềm đã phát triển rất sớm từ những năm 1940 cho phép người dùng tính toán phù hợp với mô hình thực nghiệm mà không cần làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ Phần mềm mô phỏng MCNP5 dựa trên phương pháp Monte Carlo được xây dựng bởi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP5 được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng vì sự phù hợp của mô phỏng

so với thực nghiệm

Phần mềm MCNP5 cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyển hạt từ những dữ liệu đầu vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng để tính được hiệu suất ghi của đầu dò cần xác định được số hạt để lại năng lượng trong tinh thể Trong quá trình photon phát ra từ nguồn trên đường đi nó phải qua các vật liệu môi trường và các lớp che chắn tinh thể Hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần được tính giữa thực nghiệm và mô phỏng bao giờ cũng có sự chệnh lệch tùy thuộc vào các thông số đầu vào Sự phù hợp giữa tính toán hiệu suất từ mô phỏng và thực nghiệm cần có những nghiên cứu liên quan giữa các thông số đầu vào đối với kết quả tính toán Khi tính hiệu suất bằng phương pháp gamma truyền qua thì các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả là các thông số của đầu dò NaI(Tl) được cung cấp từ nhà sản

xuất, việc hiệu chỉnh các yếu tố này trước khi mô phỏng sẽ cho kết quả tối ưu hơn Sự ảnh hưởng của lớp phản xạ bao quanh tinh thể đã được nghiên cứu bởi Tam và cộng

sự [5] Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi bề dày lớp phản xạ hiệu suất cũng thay đổi và phụ thuộc tuyến tính theo bề dày lớp phản xạ Al O2 3, sự hiệu chỉnh thông

số này cho thấy sự phù hợp với độ lệch dưới 2% giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở các mức năng lượng trải dài từ 88 keV- 1332 keV Thay vì hiệu chỉnh thông

số bề dày lớp phản xạ chúng tôi hiệu chỉnh các thông số khác, đồng thời đưa ra phương pháp xây dựng một quy trình để tách rời sự ảnh hưởng của từng thông số lên bài toán, sau đó đưa ra mô hình tối ưu giữa mô phỏng và thực nghiệm

Theo những nội dung trên nên luận văn được chia thành bốn chương Chương một trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất, những tương các cơ bản như: quang điện, Compton và tạo cặp

Chương hai giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5 Chương ba trình bày về mô hình thực nghiệm và phương pháp xác định các thông số tối ưu Trong chương này nghiên cứu về ba phương pháp để xác định lần lượt các thông số mật độ lớp phản xạ, bán kính tinh thể NaI(Tl), và chiều dài tinh thể NaI(Tl)

Chương bốn sẽ trình bày về kết quả của các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl) thu được đối với từng phương pháp, từ kết quả thu được sẽ thay lại các thông số này vào mô phỏng, sau đó tiến hành so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần giữa mô phỏng và thực nghiệm và thảo luận về các thông số tối ưu với mô hình mới

CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1 Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất

Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng lượng cao ứng với bước

sóng nhỏ hơn 11

10 m Bức xạ gamma thực chất là các hạt photon, chúng có tính chất của cả sóng và hạt, khi đi vào vật liệu photon tương tác với các electron, thường xảy

ra ba hiệu ứng: quang điện, Compton và tạo cặp Do xảy ra tương tác giữa photon và electron, khi truyền qua vật liệu bia một phần cường độ của chùm tia bị suy giảm, vì vậy số đếm photon suy giảm về số lượng tùy thuộc vào độ dày vật liệu bia và năng lượng photon tới

Quy luật suy giảm của cường độ chùm tia photon đi qua vật liệu được tính theo công thức:

Với:    m , ( g.cm3)là mật độ của bia

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Thí nghiệm nổi tiếng của Heinrich Hertz vào năm 1887 là một trong những điều

kỳ lạ trong lịch sử khoa học, ông phát hiện ra sóng điện từ xác nhận lý thuyết sóng của James Maxwell, ông cũng là người khám phá ra hiệu ứng quang điện dẫn đến tính chất hạt ánh sáng [6]

Abert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của Max Plank đã giải thích thành công hiện tượng quang điện Giả thuyết photon mang năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử đi vào kim loại truyền hết

năng lượng cho electron, theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại bằng hiệu năng lượng photon tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử

Hình 1.1 Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại, một

electron ở lớp vỏ ngoài cùng hấp thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại [6]

2 max

2mv là động năng cực đại của electron

hf là năng lượng của photon tới

lk

 là năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân

Năng lượng liên kết của electron giảm dần theo các lớp K, L, M, N… Nếu năng lượng của photon nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra cho các electron ở lớp xa hạt nhân hơn Mỗi một nguyên tử có cấu trúc năng lượng ở các lớp vỏ electron khác nhau nên xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện

không những phụ thuộc vào năng lượng của photon tới mà còn phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là sự va chạm giữa photon và electron tự do, trong thực tế thì electron không tự do mà là những electron liên kết với hạt nhân trong nguyên tử môi trường Đối với photon đi vào môi trường có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron ta có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron và xem như bài toán va chạm giữa photon với các electron tự do

Hình 1.2 Hiệu ứng Compton[2]

Sự va chạm giữa photon với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton Sau tán xạ photon thay đổi phương chuyển động và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử Theo định luật bảo toàn năng lượng:

T là động năng cực đại của electron

Elà năng lượng của photon tới

'

E là năng lượng của photon sau tán xạ Compton

Trên cơ sở tính toán dựa trên bảo toàn năng lượng và động lượng có xét đến tương đối tính, năng lượng của photon và electron sau khi tán xạ theo góc lần lượt được tính theo công thức (1.6) và (1.7) [2]:

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp là sự tương tác giữa một photon có năng lượng lớn hơn 1022 keV với hạt nhân nguyên tử, kết quả là sự biến mất của photon cùng với sự xuất hiện cặp electron và positron Positron sau đó nhanh chóng bị hủy do tương tác với các electron khác từ môi trường và sinh ra hai photon với năng lượng 511 keV

Hình 1.4 Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguồn tới đầu dò [2]

Trong ghi nhận bức xạ từ phổ gamma các hiệu ứng quang điện, Compton và tạo cặp được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Phổ đo bức xạ gamma năng lượng 1408 keV

Kênh

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG

TRÌNH MCNP52.1 Phương pháp Monte Carlo

Sự ra đời của máy tính điện tử đầu những năm 1940 là một bước ngoặc quan trọng đối với sự phát triển của xã hội loài người Kích thước của những hệ máy tính điện tử khi ấy rất cồng kềnh, điển hình như máy tính ENIAC được thiết kế bởi hai nhà khoa học Mỹ là John Mauchy và J Presper Eckert Bởi vì việc tính toán bằng máy tính vẫn còn phức tạp, người vận hành phải sử dụng bằng những máy điện cơ, nên các

kỹ sư phải lựa chọn phương pháp giải toán phù hợp với khối lượng tính toán từ máy tính Một trong những phương pháp phù hợp với máy tính điện tử là giải toán bằng phương pháp số Tuy nhiên, ý tưởng giải toán bằng phương pháp số đã xuất hiện từ rất sớm nhưng chưa được quan tâm Năm 1777, nhà toán học người Pháp Georges-Louis Leclerc Comte de Buffon đã đưa ra một bài toán nổi tiếng về tính số  hết sức

kỳ lạ Bài toán của Buffon là một thí nghiệm tung những chiếc kim trên mặt bàn nơi được vẽ sẵn những vạch kẻ song song, dựa vào sự ngẫu nhiên của những chiếc kim rơi cắt những vạch kẻ ông tính được gần đúng số  Thí nghiệm được lăp lại bởi R.Zilin’ski với 5000 lần tung kết quả thu được:   3,1236 [7] Khi mô phỏng lại bài toán của Buffon với số lần tung càng lớn thì kết quả hội tụ về giá trị   3,14 Kết quả cho thấy hiệu quả của việc giải bài toán bằng phương pháp sử dụng yếu tố ngẫu nhiên Năm 1944, John von Neumann và Stanislaw Ulam Christened đã đề xuất ứng dụng phương pháp số ngẫu nhiên vào các công trình tính toán trong dự án chế tạo bom nguyên tử của Mỹ, dự án này được đặt ẩn danh “Monte Carlo” Tên gọi Monte Carlo

đề cập tới sòng bạc Monte Carlo ở vương quốc Monaco

Cơ sở của phương pháp Monte Carlo dựa trên luật số lớn và định lý giới hạn trung tâm Một trong những ý tưởng cơ bản của phương pháp là sử dụng mô hình toán bằng các phép thử ngẫu nhiên tương ứng để giải gần đúng các bài toán tất định Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính hiện đại thì phương pháp Monte Carlo là trung tâm cho các mô phỏng cần thiết trong nhiều lĩnh vực khoa học

2.2 Chương Trình MCNP5

MCNP (Monte carlo N-Particle) là chương trình mô phỏng được xây dựng bởi phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP cũng là một công cụ tính toán rất mạnh dựa trên phương pháp Monte Carlo Tiền thân của MCNP là một chương trình Monte Carlo vận chuyển hạt mang tên MCS được phát triển từ năm 1963 Ban đầu MCS được xây dựng để mô phỏng quá trình vận chuyển hạt, phiên bản được phát triển tiếp theo của MCS là MCN với mục đích giải các bài toán tương tác của neutron với vật chất Các phiên bản sau đó của MCN được xây dựng với những mục đích khác nhau Năm 1973 MCN và MGG hợp nhất tạo thành MCNG (chương trình ghép cặp neutron-gamma) là tiền thân của MCNP

MCNP5 được công bố vào năm 2003 viết bằng ANSI-Standard fortran 90 cùng với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Droppler [1] Chương trình MCNP5 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới bởi tính linh hoạt và dễ sử dụng so với những chương trình mô phỏng khác Người dùng có thể tự viết mã (code) hoặc sử dụng những thanh công cụ như cell, data, tally…

để khai báo trực tiếp Một ưu điểm khác của MCNP5 là người sử dụng có thể kiểm tra tập tin đầu vào thông số hình học được vẽ trên phần mềm Vised.exe Bên cạnh đó, các tập tin đầu ra của MCNP5 rất nhẹ trong quá trình chạy mô phỏng giúp người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý

2.2.1 Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình MCNP5

Một file input trong chương trình MCNP5 mô tả hình học, vật liệu và nguồn xác định từ một mô hình mà người dùng muốn khảo sát quá trình vận chuyển hạt Hình học được định nghĩa bởi ô mạng (cell), một cell được giới hạn bởi các mặt tạo thành một không gian kín chứa đầy vật liệu bên trong Một file input trong MCNP5 gồm có

ba phần chính:

Thẻ tiêu đề (Title Card)

Thẻ khai báo ô mạng (Cell Card)

2.2.2 Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input)

Tiêu đề của một file input trong MCNP5 cho phép người sử dụng mô tả những thông tin quan trọng về mô hình được mô phỏng Tiêu đề này sẽ được lặp lại trong một tập tin đầu ra (file output), người sử dụng thường đặt tiêu đề để phân biệt hoặc

mô tả nội dung trong các file input Trong phần tiêu đề của một file input thì không

d là mật độ của vật liệu:

Đối với số dương cho phép người dùng mô tả mật độ nguyên tử, đơn vị tính bằng: nguyên tử/ 3

cm Đối với số âm cho phép người dùng mô tả mật độ khối lượng, đơn vị tính bằng: g/ 3

Ví dụ: Px cho phép người dùng khai báo mặt phẳng vuông góc với trục ox

C/x cho phép người dùng khai báo mặt trụ song song với trục ox

 list được khai báo bằng một giá trị cụ thể tương ứng với mặt a

Bảng 2.1 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP5 [1]

2.2.5 Data Cards

Thẻ dữ liệu (Data Card) là một phần rất quan trọng trong mã (code) của chương trình MCNP5 cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn

và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng

a) Khai báo nguồn

Trong chương trình MCNP5 người sử dụng có thể khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW), nguồn tổng quát (SDEF) Thông thường để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn phù hợp với bài toán cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát

Người dùng có thể khai báo một nguồn bất kỳ bằng nguồn tổng quát với cú pháp: SDEF Tham số 1 Tham số 2 Tham số 3 …

Bảng 2.2 Các định nghĩa tham số trong MCNP5 [1]

NRM Ký hiệu mặt thông thường + 1

RAD Khoảng cách giữa tâm nguồn đến mặt

Ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát

ta có thể gán giá trị phù hợp với bài toán thực tế, những giá trị được gán là một giá trị

cụ thể Trong thực tế khi khảo sát nguồn gồm nhiều mức năng lượng để thuận tiện cho việc tính toán có thể sử dụng gán giá trị bằng Dn ứng với mô tả từ những thẻ SIn, SBn, SPn

Thẻ SIn được xây dựng dựa trên cú pháp [1], [8]

Ví dụ khai báo một tally F8: ghi nhận hạt photon ở cell 1 thường là cell chứa vật liệu tinh thể, bán dẫn…

Cú pháp: F8:p 1

b) Khai báo vật liệu (Material Card)

Khai báo vật liệu cho phép người dùng khai báo vật liệu tương ứng với các cell

đã được định nghĩa từ trước

Cú pháp khai báo:

m: chỉ số vật liệu tương ứng với cell có cùng chỉ số sẽ lấp đầy vật liệu này

ZAID1: số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZ.AAA với:

ZZZ là số hiệu nguyên tử

AAA là số khối

FRACTION: tỉ lệ mà vật liệu có số khối A và số proton Z đóng góp vào thành phần cấu tạo nên vật liệu Nếu tính theo tỉ lệ nguyên tử thì FRACTION mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm nếu tính theo tỉ lệ khối lượng

CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC

THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL)

3.1 Đầu dò NaI(Tl)

Đầu dò nhấp nháy là một trong những loại đầu dò lâu đời nhất trong lĩnh vực đo bức xạ hạt nhân Khoảng thời gian đầu các hạt mang điện được phát hiện bởi những xung ánh sáng, chúng được quan sát khi các hạt nằm trên màn kẽm sunfat, ánh sáng này có thể nhận biết bởi mắt thường Khả năng mới để ghi nhận bức xạ mở ra vào năm 1948, khi các nhà khoa học phát hiện ra tinh thể NaI là một chất phát ra các xung ánh sáng khi bị kích thích và họ có thể gia tăng kích thước của loại tinh thể này Sự kết hợp giữa tinh thể NaI và ống nhân quang điện (PhotoMultiplier) là một bước ngoặc đánh dấu sự thành công về khả năng ghi nhận bức xạ

Mạng tinh thể là nguyên nhân làm mất năng lượng của các bức xạ, một phần năng lượng mất đi chuyển thành ánh sáng nhìn thấy, vì thế người ta dựa vào tính chất phát ra ánh sáng nhấp nháy của tinh thể NaI để đo bức xạ và hạt không mang điện Tinh thể NaI tinh khiết là loại chất nhấp nháy ở nhiệt độ rất thấp  192o C, để có thể

sử dụng ở nhiệt độ phòng thí nghiệm người ta pha thêm một lượng Thallium Sự pha tạp thêm một lượng Thallium vào tinh thể NaI tạo ra một số mức năng lượng xen phủ giữa vùng hóa trị (Valance band) và vùng dẫn (Conduction band), những mức năng lượng giữa hai vùng được gọi là vùng kích hoạt, việc tạo ra một vùng năng lượng ở giữa giúp cho các electron nhảy lên vùng dẫn và các lỗ trống trở về vùng hóa trị dễ hơn

Phản ứng biểu diễn quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào tinh thể NaI(Tl) [4]:

h + Tl Tl e + Tl (Tl ) *

e + Tl Tl h + Tl (Tl ) * (Tl )* Tl photon

Hình 3.1 Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thể NaI(Tl) [4]

Theo lý thuyết vùng năng lượng của tinh thể NaI(Tl), khi bức xạ gamma đi vào tương tác với các electron ở vùng hóa trị của nguyên tử, bức xạ truyền một phần năng lượng cho electron làm ion hóa nguyên tử tạo thành một cặp e(electron) và h (lỗ trống) Electron nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, lỗ trống được tạo ra kết hợp với ion Tltạo thành 2

Tl ở trạng thái cơ bản (Activator Ground State), các ion 2

Tl  bắt các electron tự do ở vùng dẫn trở thành (Tl)*ở trạng thái kích thích sau đó trở về trạng thái cơ bản Tl phát ra ánh sáng

3.1.1 Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl)

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency-FEPE) được tính dựa trên tỉ số giữa số đếm mà đầu dò ghi nhận được trong vùng đỉnh ứng với năng lượng E i trên tổng số photon phát ra từ nguồn có cùng năng lượng Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được tính theo công thức:

FEPE: hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần

 N: tổng số đếm trừ phông trong vùng đỉnh năng lượng xuất hiện

 I : xác suất phát tương ứng với đỉnh năng lượng cần tính

 t: thời gian đo

0

A : hoạt độ của đồng vị phóng xạ tại thời điểm bắt đầu tiến hành phép đo Đối với nguồn có chu kỳ bán rã ngắn trong khi đo có sự suy giảm về hoạt độ của nguồn nên khi tính toán phải sử dụng hoạt độ của nguồn ở công thức (3.2) để tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần:

A  A  số phân rã/giây (3.2) Đối với nguồn có chu kỳ bán rã dài thì: e t  1 , do vậy có thể xem AA0 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình học của đầu dò NaI(Tl), hình học nguồn, vị trí giữa nguồn với đầu dò theo công thức:

N N

N tổng số photon đi vào đầu dò

g : hiệu suất hình học được tính:

Đối với nguồn có thể tích nhỏ và đặt cách xa detector, ta có thể xem nguồn như một nguồn điểm, khi đó góc khối giữa nguồn và detector được tính theo công thức:

R là bán kính của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí nguồn

A là một phần diện tích của mặt cầu mà mặt cắt của đầu dò chiếu lên

D là khoảng cách từ nguồn tới đầu dò

r là bán kính của đầu dò NaI(Tl)

R

Ω

r Nguồn điểm

Đầu dò NaI(Tl)

d

3.1.2 Cấu hình và thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl)

Hình 3.3 Hình học của đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng phần mềm

Bảng 3.1 Các thông số của đầu dò NaI(Tl)

Đầu dò NaI(Tl) Đối tượng Thông số của nhà sản xuất

(a) Nguồn đặt phía trước đầu dò

Thời gian đo: 25500 s

Hình 3.4 Mô phỏng thí nghiệm 1 trong chương trình MCNP5

Thí nghiệm 2: Nguồn 133

Ba, 137

Cs, 241

Am, 152

Eu phát photon năng lượng thấp:

31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV, 121 keV Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm

Thí nghiệm 3: Nguồn 137

Cs, 22

Na, 60

Co, 152

Eu phát photon năng lượng cao:

662 keV, 1274 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1408 keV Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm

Bảng 3.2 Thông số của các nguồn phóng xạ

Hình 3.5 Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm, sử dụng hệ thống điều khiển để điều

chỉnh khoảng cách với sai số 0,01 mm

Nguồn Ngày sản xuất Hoạt độ

(Ci) λ (1/s) Ngày đo Hoat độ

(Bq) Thời gian đo (s) 133

Co 15/12/2007 00:00 10 4,17.10 -9 18/09/2018

11:16 379990 13500 22