Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường​

LỜI MỞ ĐẦU Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết HPGe được sử dụng phổ biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

Người thực hiện: Trần Thị Bảo Ngọc

Người hướng dẫn khoa học: ThS Lê Quang Vương

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các Thầy Cô, bạn bè và gia đình Đặc biệt em xin gửi đến ThS Lê Quang Vương, giảng viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn chân thành Thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm khóa luận Quá trình được thầy hướng dẫn, em đã học hỏi được nhiều kiến thức mới, phương pháp làm việc khoa học và có những định hướng cho tương lai

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu để em có đủ nền tảng kiến thức để thực hiện đề tài này Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận đã dành thời gian để đọc, phát hiện sai sót và có những góp ý quý giá giúp khóa luận hoàn thành tốt hơn

Em cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Cử nhân Vật lý A K42; các anh chị, bạn bè tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt Nhân, trường Đại học Sư Phạm Thành phố

Hồ Chí Minh đã luôn đồng hành, giúp đỡ và động viên để em có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và các thành viên trong gia đình đã luôn ủng hộ, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung làm việc và hoàn thành khóa luận

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HPGe High Purity Germanium Đầu dò bán dẫn Germanium siêu

FEPE Full Energy Peak Efficiency Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng

toàn phần (hiệu suất đỉnh)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 4

Hình 1.2 Hiệu ứng Compton 4

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp 6

Hình 1.4 Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U 7

Hình 1.5 Sơ đồ phân rã của đồng vị 232Th 8

Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào 13

Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào 15

Hình 2.3 Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào 16

Hình 2.4 Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào 17

Hình 2.5 Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe 18

Hình 3.1 Mô hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6 21

Hình 3.2 Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-1 (0 MeV – 0,5 MeV) 22

Hình 3.3 Phổ thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-1 (0,5 MeV – 3 MeV) 23

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 12

Bảng 2.2 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 14

Bảng 2.3 Các định nghĩa tham số trong MCNP6 16

Bảng 2.4 Thông số hình học của đầu dò GEMP4-83 do nhà sản suất cung cấp 18

Bảng 2.5 Thông số của mẫu chuẩn 19

Bảng 2.6 Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn 19

Bảng 2.7 Hàm lượng các thành phần nguyên tố chứa trong mẫu chuẩn 20

Bảng 3.1 Thời gian đo phổ gamma của các mẫu chuẩn 22

Bảng 3.2 Hoạt độ các mẫu chuẩn 24

Bảng 3.3 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGU-1 25

Bảng 3.4 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-1 26

Bảng 3.5 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-434 26

Bảng 3.6 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447 27

Bảng 3.7 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-RGU-1 28

Bảng 3.8 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-RGTh-1 29

Bảng 3.9 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-434 29

Bảng 3.10 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng của mẫu IAEA-447 30

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG iv

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất 3

1.1.1 Hiệu ứng quang điện 3

1.1.2 Hiệu ứng Compton 4

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 5

1.2 Chuỗi phân rã phóng xạ 7

1.2.1 Chuỗi phân rã của đồng vị 238U 7

1.2.2 Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th 7

1.3 Hiệu suất ghi đầu dò 8

1.3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần 8

1.3.2 Đường cong hiệu suất 9

1.4 Tóm tắt Chương 1 10

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 Chương trình MCNP6 11

2.1.1 Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 11

2.1.1.1 Khai báo ô mạng (Cell Cards) 13

2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards) 14

2.1.1.3 Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards) 15

2.2 Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe 17

2.3 Mẫu chuẩn 18

2.4 Tóm tắt Chương 2 20

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

3.1 Bố trí thí nghiệm 21

3.2 Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần cho các mẫu chuẩn 23

3.3 Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng 28

3.4 Tóm tắt Chương 3 31

KẾT LUẬN 32

KIẾN NGHỊ 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

PHỤ LỤC 36

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe) được sử dụng phổ biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trường nhờ vào những ưu điểm của nó như: khả năng phân tích nhiều đồng vị, độ chính xác cao Điều cần thiết ở kỹ thuật đo phổ gamma là phải xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần phụ thuộc vào hình dạng, thành phần, mật độ của mẫu đo và năng lượng bức xạ gamma phát ra Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường thường sử dụng các mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ được cung cấp từ IAEA để đánh giá đường cong hiệu suất cho mẫu đo có dạng hình học nhất định [9,10,11] Một trong những mẫu môi trường phổ biến cho phép đo phổ gamma là mẫu đất, nó rất quan trọng đối với nghiên cứu địa chất và phân tích mối nguy hiểm phóng xạ môi trường

Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến đề tài khóa luận như: năm 2012, S Baccouche cùng cộng sự [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) và CsI(Tl) cho phép đo gamma từ các mẫu đất Năng lượng được chọn là các đỉnh 1460 keV (40

K ), 1764 keV (214Bi ) và 2614 keV (208Tl) Độ lệch của hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm cho hai đầu dò CsI(Tl) và NaI(Tl) đều không vượt quá 4%, ngoại trừ hiệu suất đối với năng lượng 2614 keV là 9% Năm 2018, S Mohammad và S Farhad Masoudi [10] nghiên cứu về sự thay đổi hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tố trong các mẫu môi trường bằng cách

so sánh sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 mẫu chuẩn RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng chương trình MCNP để mô phỏng hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe GEM80P4-95 do hãng ORTEC cung cấp Các đỉnh năng lượng được chọn để khảo sát

IAEA-là 63,3 keV (234Th ), 92,78 keV (234Th ), 143,76 keV (235U) trong mẫu 1; 238,6 (212

IAEA-RGU-Pb), 583,2 keV (208Tl ), 911,2 keV (228

Ac) đối với mẫu IAEA-RGTH-1

và 1460,8 keV (40K ) trong mẫu IAEA-RGK-1 Mẫu chuẩn có dạng hình học Marinelli

và được đặt tại vị trí sát mặt đầu dò Thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu được xác định bằng phương pháp huỳnh quang tia X Nhóm tác giả sử dụng các thành phần nguyên tố này để tính toán hiệu suất đỉnh cho các mẫu trong mô phỏng Kết quả độ sai

biệt của hiệu suất đỉnh giữa ba mẫu chuẩn IAEA-RGU-1, IAEA-RGTh-1,

IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất không vượt quá 8%, ngoại trừ tại đỉnh năng lượng 63,3 keV có độ sai biệt là 8,32%

Từ các công trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đề tài là "Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường" Mục đích của khóa luận này là xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp Bên cạnh đó, khóa luận còn thực hiện đánh giá hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp dụng phương pháp Monte Carlo Đánh giá sự ảnh hưởng của thành phần nguyên tố chứa trong các mẫu chuẩn lên hiệu suất đỉnh Dựa theo các nội dung trên, khóa luận được chia thành ba chương:

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ gamma với vật chất; chuỗi phân rã phóng xạ của các đồng vị 238U , 232Th ; các khái niệm về hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

Chương 2 giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu bao gồm: cấu trúc tệp đầu vào của chương trình MCNP6, hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe và các mẫu chuẩn

Chương 3 kết quả và thảo luận Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần và đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình hấp thụ và tán xạ Đối với quá trình hấp thụ, bức xạ gamma truyền toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mất Đối với quá trình tán xạ, bức xạ gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và bị tán xạ (sau quá trình tán xạ, bức xạ gamma bị lệch đi một góc so với phương chuyển động ban đầu) Tùy theo năng lượng của photon tới, bức xạ gamma có thể tương tác với vật chất theo nhiều

cơ chế Tuy nhiên, trong ghi đo bức xạ chỉ có hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton

và hiệu ứng tạo cặp là ba cơ chế tương tác chính tham gia vào việc tạo thành tín hiệu xung trong đầu dò

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng cho các electron đó để nó thoát ra khỏi nguyên

tử Theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của quang electron bằng hiệu năng lượng bức xạ gamma tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân:

trong đó:

e

E là động năng cực đại của electron

E là năng lượng của photon tới

lk

E là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử

Từ biểu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Năng lượng liên kết của electron giảm dần theo các lớp K, L, M,…Nếu năng lượng của bức xạ gamma tới nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện xảy ra đối với các electron ở lớp xa hạt nhân hơn

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Hiệu ứng Compton

Khi năng lượng gamma tới tăng lên đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu chuyển sang hiệu ứng Compton Khi đó, có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được xem như tán xạ với electron tự do

Sự va chạm giữa bức xạ gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton Sau quá trình tán xạ, bức xạ gamma thay đổi hướng bay so với ban đầu và bị mất một phần năng lượng, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử Quá trình tán xạ Compton được mô tả qua Hình 1.2

Hình 1.2 Hiệu ứng Compton

Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ

gamma và electron sau tán xạ được thể hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]:

( )

'

2 e

EE

2 e

E là động năng cực đại của electron

 là góc bay của gamma sau tán xạ

Khi tán xạ Compton, năng lượng bức xạ gamma giảm và phần năng lượng đó truyền cho electron Như vậy, động năng electron càng lớn khi gamma tán xạ với góc  càng lớn Dựa theo biểu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đối với động năng electron E sau tán xạ phụ thuộc vào góc θ: e

Khi  =0o thì ( )Ee min =0, bức xạ gamma sau tán xạ mang năng lượng gần bằng năng lượng gamma tới E = E'

Khi  =1800 thì ( )Ee max 2E

1 2



=+ , gamma truyền năng lượng lớn nhất cho

electron tức là khi tán xạ giật lùi với 2

electron – positron Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng động năng của electron

và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E−2m ce 2[1]:

2 e

e e

E + +E − =E −2m c (1.4) trong đó:

E là năng lượng của bức xạ gamma tới

ra khỏi đầu dò và tạo thành các đỉnh thoát trong phổ gamma Nếu một bức xạ thoát ra khỏi đầu dò thì đỉnh quan sát được có năng lượng ( 2)

1.2.1 Chuỗi phân rã của đồng vị 238 U

Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 238U Trong tự nhiên, 238U chiếm 99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm Đồng vị 238U phân rã alpha thành đồng vị 234Th Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bền 206Pb

Hình 1.4 Sơ đồ phân rã của đồng vị 238U [7]

1.2.2 Chuỗi phân rã của đồng vị 232 Th

Chuỗi phân rã của đồng vị 232Th được đưa ra trong Hình 1.5 Chuỗi phân rã này

có 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma Có thể dùng phổ kế gamma để đo đỉnh năng lượng của các đồng vị 228Ac (911,2 keV, 968,9 keV), 212Pb (238,6 keV), và 208Tl (583,2 keV, 2614,5 keV) một cách dễ dàng

Hình 1.5 Sơ đồ phân rã của đồng vị 232Th [7]

Trong Hình 1.5, đồng vị 212Bi bị phân nhánh thành hai đồng vị là 208Tl và 212Po Đối với nhánh thứ nhất, 212Bi trở thành đồng vị 208Tl bằng cách phát ra hạt alpha với xác suất phân nhánh là 35,96% Nhánh thứ hai, 212Bi phân rã beta về đồng vị 212Po với xác suất 64,06% nhưng lại không đo được bằng phép đo phổ gamma Vì vậy, nếu sử dụng 208Tl để xác định hoạt độ của 232Th thì cần phải lấy hoạt độ của 208Tl chia cho xác suất phân nhánh là 35,96%

1.3 Hiệu suất ghi đầu dò

1.3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (FEPE - full energy peak efficiency) là xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất toàn bộ năng lượng của nó trong thể tích vùng hoạt của đầu dò Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được

xác định bằng biểu thức (1.5) [8]:

p p

N (E) AtI (E)m

trong đó:

p

N E( ) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần

Alà hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg)

t là thời gian đo (s)

I E( ) là xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng (%)

m là khối lượng mẫu đo (kg)

Sai số hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo công thức truyền

sai số [2] Do sai số của cân điện tử là 0,001g và đo trong khoảng thời gian lớn nên sai

số thời gian và sai số khối lượng có thể được bỏ qua

2 2

2

I N

A p

 là sai số xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng

1.3.2 Đường cong hiệu suất

Đường cong hiệu suất được ứng dụng để tiến hành phân tích xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu đo [4] hoặc dùng để khảo sát sự phụ thuộc của đường cong hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò [3] Đối với mỗi loại đầu dò lại có những dạng đường cong hiệu suất khác nhau Đối với đầu dò dạng đồng trục, có nhiều hàm khớp trong khoảng năng lượng từ 46,5 KeV đến 2641,5 KeV Để thể hiện mối liên hệ giữa hiệu suất  và năng lượng E theo thang logarit, ta thường sử dụng biểu thức (1.7) [5]:

( )i i

trong đó, , E và ai lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng đỉnh và các

hệ số có được từ việc làm khớp hàm

Hiệu suất ghi nhận của đầu dò bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: khoảng cách từ mẫu đo tới đầu dò, yếu tố hình học của mẫu đo, kích thước vật liệu của mẫu đo, hiệu ứng trùng phùng tổng, sự tự hấp thụ của mẫu [7]

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chương trình MCNP6

Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là một trong số các phiên bản của MCNP với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm quang hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mô tả hình học ba chiều do

đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học Thông qua phần mềm Visual Editor, sử dụng chương trình MCNP6 cần phải mô tả chi tiết về cấu hình, vật liệu và nguồn Cấu hình đầu dò và nguồn được định nghĩa trong không gian ba chiều Vật liệu cần xác định được khối lượng riêng, thành phần các đồng vị có mặt trong đó MCNP6 có thể

mô tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguồn trụ ) cũng như các thông số nguồn như năng lượng, vị trí, loại bức xạ Bên cạnh đó, người dùng có thể điều chỉnh dạng hạt, thông lượng hạt, năng lượng mất mát theo các mục đích khác nhau Một ưu điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ, giúp người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý trong quá trình chạy mô phỏng Chính

vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt nhân

2.1.1 Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6

Để chạy mô phỏng từ nguồn đến đầu dò, một bài toán sử dụng chương trình MCNP cần có đủ ba Cards tương ứng với ba phần dữ liệu:

• Khai báo ô mạng (Cell Cards)

• Khai báo mặt (Surface Cards)

• Khai báo dữ liệu (Data Cards)

Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau:

Bảng 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6

<Dòng trống> Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards

Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào:

• Không sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào, chỉ sử dụng phím [Spacebar]

• Kí tự ‘C’ đặt ở đầu dòng và kí tự ‘$’ ở cuối dòng cho phép người dùng ghi chú những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa MCNP sẽ không thực hiện các dòng ghi chú này trong khi chạy chương trình

• Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm3), tiết diện (barn)

2.1.1.1 Khai báo ô mạng (Cell Cards)

Cell là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa trong phần Surface Cards) Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao, hội và bù các vùng không gian tạo bởi các mặt Mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị dương và âm tương ứng Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell number), số vật chất (material number), mật độ vật chất (material density) và một dãy các mặt (surfaces) có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:), bù (#) để tạo thành cell

Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]:

• geom mô tả các mặt giới hạn Cell

• params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp đầy, hệ số chuyển trục tọa độ…

Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.1:

Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào

2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards)

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 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, hội và bù Cú pháp khai báo một mặt trong Suface Cards như sau:

Trong đó:

• j là chỉ số mặt

• n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyển toạ độ

• a là kí hiệu loại mặt Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vuông góc với trục Ox

• list là các tham số định nghĩa mặt

Trong mô phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng, mặt cầu và mặt elip Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thể hiện ở Bảng 2.1:

Bảng 2.2 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6]

Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.2:

Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào

2.1.1.3 Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards)

Thẻ dữ liệu (Data Cards) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng

Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW) Để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát Trong mô phỏng của khóa luận này sử dụng nguồn tổng quát (SDEF) Cú pháp khai báo nguồn tổng quát trong Data Cards như sau:

SDEF Thông số 1 Thông số 2 Thông số 3 …

Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2.3 Trong mô phỏng của khóa luận, ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8 Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trò như một đầu dò vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp thông tin về năng lượng bị mất trong một cell Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần mất trong đầu dò Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.3