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

Phần mềm MCNP5 cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyểnhạt từ những dữ liệu đầu vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng để tính đượchiệu suất ghi của đầu dò cần xác đ

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 phạmthành phố Hồ Chí Minh để hoàn thành chương trình Cử nhân Vật lý khóa 41, tôi xinchân 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 làmviệc cùng nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy Hoàng Đức Tâm tại phòngthí nghiệm Vật lý Hạt nhân đã mang lại cho tôi nhiều kiến thức mới và phương pháplàm việc khoa học, chính những điều này đã tạo cho tôi niềm đam mê và yêu thíchlĩnh vực mà tôi được đào tạo tại trường

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

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

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

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

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

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 2 3 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 lànhững kỹ thuật được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, năng lượng, môi trường Việcbắt 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 trongnhững 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 trongnhững đầu dò có hiệu suất cao để đo hoạt độ môi trường là đầu dò sử dụng chấtnhấp 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 sốcủa đầu dò Nhiều phần mềm đã phát triển rất sớm từ những năm 1940 cho phépngười dùng tính toán phù hợp với mô hình thực nghiệm mà không cần làm việc trựctiếp với nguồn phóng xạ Phần mềm mô phỏng MCNP5 dựa trên phương phápMonte Carlo được xây dựng bởi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc giaLos Alamos, MCNP5 được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng vì sự phù hợpcủa mô phỏng so với thực nghiệm

Phần mềm MCNP5 cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyểnhạt từ những dữ liệu đầu vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng để tính đượchiệu 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 môitrường và các lớp che chắn tinh thể Hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần đượctính giữa thực nghiệm và mô phỏng bao giờ cũng có sự chệnh lệch tùy thuộc vào cácthông 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 Khitính hiệu suất bằng phương pháp gamma truyền qua thì các yếu tố chính ảnh hưởng đếnkết 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 vàcộng sự [5] Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi bề dày lớp phản xạ hiệu suất

thông số này cho thấy sự phù hợp với độ lệch dưới 2% giữa kết quả mô phỏng vàthực nghiệm ở các mức năng lượng trải dài từ 88 keV- 1332 keV Thay vì hiệu chỉnhthông 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 sốlên 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 Chươngmột trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất, nhữngtương 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 cácthông số tối ưu Trong chương này nghiên cứu về ba phương pháp để xác định lầnlượt các thông số mật độ lớp phản xạ, bán kính tinh thể NaI(Tl), và chiều dài tinh thểNaI(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 nàyvào mô phỏng, sau đó tiến hành so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phầngiữa 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 CHẤT1.1 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

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 vàelectron, khi truyền qua vật liệu bia một phần cường độ của chùm tia bị suy giảm, vìvậy số đếm photon suy giảm về số lượng tùy thuộc vào độ dày vật liệu bia và nănglượng photon tới

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

trong đó:

photon.cm 2 .s 1 (1.2)

d (cm) là bề dày vật liệu

thuộc vào mật độ bia nên người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối để mô tả sựsuy giảm của cường độ photon truyền qua

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Thí nghiệm nổi tiếng của Heinrich Hertz vào năm 1887 là một trong nhữngđiều kỳ lạ trong lịch sử khoa học, ông phát hiện ra sóng điện từ xác nhận lý thuyếtsóng của James Maxwell, ông cũng là người khám phá ra hiệu ứng quang điện dẫnđến tính chất hạt ánh sáng [6]

Abert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của Max Plank đã giải thíchthành công hiện tượng quang điện Giả thuyết photon mang năng lượng lớn hơn năng

3

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

Hình 1.1 Đường cong năng

electron ở lớp vỏ ngoài cùng hấp thụ

lượng của electron trên bề mặt kim loại, một

hf là năng lượng của photon tới



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

4

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 tếthì electron không tự do mà là những electron liên kết với hạt nhân trong nguyên tửmôi trường Đối với photon đi vào môi trường có năng lượng lớn hơn nhiều so vớinăng lượng liên kết của electron ta có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron vàxem 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 (xemnhư electron tự do) được gọi là tán xạ Compton Sau tán xạ photon thay đổi phươngchuyển động và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏinguyên tử Theo định luật bảo toàn năng lượng:

TEE

Trong đó:

(1.5)

T e 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

được tính theo công thức (1.6) và (1.7) [2]:

Theo định luật bảo toàn

T e

6

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

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 trọngđối với sự phát triển của xã hội loài người Kích thước của những hệ máy tính điện tửkhi ấy rất cồng kềnh, điển hình như máy tính ENIAC được thiết kế bởi hai nhà khoahọc Mỹ là John Mauchy và J Presper Eckert Bởi vì việc tính toán bằng máy tính vẫncòn phức tạp, người vận hành phải sử dụng bằng những máy điện cơ, nên các kỹ sưphải lựa chọn phương pháp giải toán phù hợp với khối lượng tính toán từ máy tính Mộttrong 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 nhưngchưa được quan tâm Năm 1777, nhà toán học người Pháp Georges-Louis LeclercComte de Buffon đã đưa ra một bài toán nổi tiếng về tính số  hết sức kỳ lạ Bài toáncủa Buffon là một thí nghiệm tung những chiếc kim trên mặt bàn nơi được vẽ sẵnnhững vạch kẻ song song, dựa vào sự ngẫu nhiên của những chiếc kim rơi cắt nhữngvạch kẻ ông tính được gần đúng số  Thí nghiệm được lăp lại bởi R.Zilin’ski với 5000lần tung kết quả thu được:   3,1236 [7] Khi mô phỏng lại bài toán của Buffon với sốlần tung càng lớn thì kết quả hội tụ về giá trị   3,14 Kết quả cho thấy hiệu quả củaviệc giải bài toán bằng phương pháp sử dụng yếu tố ngẫu nhiên Năm 1944, John vonNeumann và Stanislaw Ulam Christened đã đề xuất ứng dụng phương pháp số ngẫunhiên vào các công trình tính toán trong dự án chế tạo bom nguyên tử của Mỹ, dự ánnày được đặt ẩn danh “Monte Carlo” Tên gọi Monte Carlo đề cập tới sòng bạc MonteCarlo ở vương quốc Monaco

Cơ sở của phương pháp Monte Carlo dựa trên luật số lớn và định lý giới hạntrung tâm Một trong những ý tưởng cơ bản của phương pháp là sử dụng mô hìnhtoán 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 MonteCarlo 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 bởiphòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP cũng là một công cụ tính toán rấtmạnh dựa trên phương pháp Monte Carlo Tiền thân của MCNP là một chương trìnhMonte Carlo vận chuyển hạt mang tên MCS được phát triển từ năm 1963 Ban đầuMCS được xây dựng để mô phỏng quá trình vận chuyển hạt, phiên bản được pháttriển tiếp theo của MCS là MCN với mục đích giải các bài toán tương tác củaneutron với vật chất Các phiên bản sau đó của MCN được xây dựng với những mụcđích khác nhau Năm 1973 MCN và MGG hợp nhất tạo thành MCNG (chương trìnhghép cặp neutron-gamma) là tiền thân của MCNP

MCNP5 được công bố vào năm 2003 viết bằng ANSI-Standard fortran 90 cùngvới việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm hạt nhân, hiệu

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 phỏnggiúp 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 nguồnxác 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 tạothành một không gian kín chứa đầy vật liệu bên trong Một file input trong MCNP5gồm 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 nhữngthông tin quan trọng về mô hình được mô phỏng Tiêu đề này sẽ được lặp lại trongmột 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

có dòng trống

2.2.3 Cell cards

Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Card:

j m d geom Params Trong đó:

Data Card

mặt được định nghĩa trong phần Surface Card.

dạng hình học đã được định nghĩa từ trước

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

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

Trục Trục  ox Trục  oy Trục  oz

Trục Trục  ox Trục  oy Trục  oz

0 (x - x) +(y - y) +(z - z)

2 + y

2 + z

2 + (y

2

+ z

2 + z

2 R

-2

= 0 x

-R

2

= 0 (y - y) +(z - z)

-R 2 = 0 (x - x) +(z - z)

R

-2

= 0

(x - x) +(y - y) y

2 + z

y 2 + z

2 t(x

-)

= 0 x

x

2 + z

2 - t(y -

y )= 0

2.2.5 Data Cards

Thẻ dữ liệu (Data Card) là một phần rất quan trọng trong mã (code) củachương trình MCNP5 cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghinhận, nguồn và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng

Trong chương trình MCNP5 người sử dụng có thể khai báo nhiều loại nguồnsao 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 toánngười sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn phù hợp với bài toáncần 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:

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 0

1=nơtron đối với Mode N, NP hoặc NPE

3=electron đối với Mode E

13

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 giátrị cụ thể Trong thực tế khi khảo sát nguồn gồm nhiều mức năng lượng để thuậntiện cho việc tính toán có thể sử dụng gán giá trị bằng Dn ứng với mô tả từ nhữngthẻ 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 chứavật 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:

FRACTION: tỉ lệ mà vật liệu có số khối A và số proton Z đóng góp vào thànhphần cấu tạo nên vật liệu Nếu tính theo tỉ lệ nguyên tử thì FRACTION mang dấudương, 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

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

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 vàotương tác với các electron ở vùng hóa trị của nguyên tử, bức xạ truyền một phần năng

trống) Electron nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, lỗ trống được

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

suất đỉnh năng lượng toàn phần được tính theo công thức:

FEPE

(3.1)

17

 I: xác suất phát tương ứng với đỉnhnăng lượng cần tính.

 t: thời gian đo

A0 : 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:

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 i tổng số photon đi vào đầu dò.

18

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

d

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

Trong đó:

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

khoảng cách từ nguồn tới đầu dò

r là bán kính của đầu dò NaI(Tl)

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

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

21

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

Thí nghiệm 1: Nguồn phóng xạ

ống chuẩn trực đặt phía trước và bên cạnh

Thông số của các nguồn:

được đặt trong ống chuẩn trực bằng đồng, đầu dò NaI