BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HOC SU PHAM THANH PHO HO CHi MINH KHOA VAT LY
—o0o—
NGUYEN THI MY LE
SỬ DUNG KY THUAT GAMMA TAN XA NGUOGC DE XAC DINH DO DAY THANH BINH
BANG PHUONG PHAP MONTE CARLO
Nganh: VAT LY HOC Mã số: 105
LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP
Trang 2Xác nhận của giáo viên fh 000066606000peesees *ˆˆ.4444444444491910101010199101090090w0®®®++v++ SPC eee er ee eee Gv JN dis See R REE R RRR R EERE E® SEER RR EERE EERE EEE TREE TREE RHEE REET EET T Tee eeeeeeee "———.DŨDỪỤDẦỘŨDỪỘDỪẦ Reeee ˆ LIA4ö43€44444444 101202 219133134344139141019114244412119119193222113131.3.91391361191439 3991.119 39949 “ ds.ddd.1111 10110 1919101401901901900190090099992999999s 999199 SPT TTT TTT TT TTT TERE TERE ee ` A eee eee eee eee ¬ Ố -
Trang 3em được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giảng dạy, chính nơi đây đã giúp em
trưởng thành hơn trong học tập Em bảy tỏ lòng biết ơn sâu sac dén Thay ThS Hoang
Đức Tâm đã hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn, giúp đỡ em có những nguồn tài liệu tham khảo và đồng thời là người theo đõi suốt quả trình làm luận văn của em
Nhân đây, em xin chân thành cảm on Thay TS Trần Thiện Thanh (giảng viên,
trưởng phòng thí nghiệm Hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên) người đã
giảng dạy tận tình tại Bộ môn tạo mọi điều kiện để em có những nguồn tài liệu tham
khảo tử trường Đại học Khoa học tự nhiên vả đóng góp những ý kiến quý báu đề bài
luận văn được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Th§ Huỳnh Đình Chương là người thầy vẻ chương trình MCNP, đã dành thời gian quý báu đẻ đọc, sửa chữa và đóng góp ý kiến trong việc viết code chương trình MCNP (Monte Carlo N-Partical) trong nghiên cứu đề tài này
Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã luôn động viên, nhắc nhở và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn
Và cuối cùng em xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động
viên và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tốt khóa luận này
Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2015
Sinh viên
Trang 4MUC LUC
Danh muc ky bigu va chit viet tht oo 0.cccccccccccccccssesessessusssesessesrenvessesonsnssusensenvnees 3
Dau mee len bile kiss ania 5
Dinh tac Mahesh sok oO ta ics ideation eee 6
MỜI ĐU x1602126G0000200003100056ã0G1ãGGiG5iG54y4GQA00(40010A4G066661 x
CHUONG I1 KỸ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC 12 I.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất - c6 Sex csE2 a2 24142522 12
EU J RAE Cette Cay gtcd áo ssia-se 12
LR RR Be OR secsccecsapceancccapscatinssaceascannatesnasiscasemasasascncenstdppiaasanises 14
112 Hiểu HO GD xuat doeicccteioixkooioadassaexee l§
Ly oy URI DARIN E60 đe NG H eeaeveeeeeeaiiaieeoHueeaaniceesesoeiisereee 16
CHƯƠNG 2 MO HINH HOA MCNP5 HE DO GAMMA TAN XA SU DUNG BAU DO Nal(Tl) BANG PHUONG PHAP MONTE CARLO 20
2.1 Giới thiệu chung phuong phap Monte Carlo và chương trinh MCNP% 20 2.1.1 Phương pháp Monte Carlo - - Q0 Ăn ng ng 20
3:1,2: Cang tinh MON apse a os a ea 21
2.2 Đặc điểm của chương trinh MCNP .:cssessesesssessessessessecnssseteveevesecsnesnecensenseneees 22
'2.Á: ĐIÊN NHI NH ÔN cane easel caleba aaa tba 23
23:3, 1ã nghề tHẶN::::20 12652 3G00210140 02 6Gã00010XGGxGGAtdai 23 31.3 Đi ng†ền dã TẦN::s.22 222 2022222020022220G C0222 02L22001200)0c05060i05, 24 ZF A Cll Oke trưng YẾ NGUỆNG.cic02 C00022 1002020022GG00266212226000615-A05600LLÁ04 24 92.$ Đinh GIÁ BA Đỗ các 6h66 06 00G Già 2sgd3sasgseseode 25
2.2.6 Phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vat
chất của chương trình MCNIP5, cccccscensncneeSasrnersersersrree 26
2.3 Mô phỏng hệ đo sử dụng đầu dò Nal(TI) bằng chương trình MCNPS5 28
"v.v —-—— S—=————.~ 28 P EU 5 0n (34 30
Trang 5CHUONG 3 KET QUA XAC ĐỊNH ĐỘ DÀY CỦA THÀNH BÌNH BANG MO PHÒNG MCNPS 2G T111 TH TH TH 911311 H111 11111515 117217217112212205 36
3.1 Khảo sát các đặc trưng của phổ tán xạ - ¿- © 2- 2+2 St +Svrcvrvrsrrsrceee 36
3.2 Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến trong việc phân tích phô tán xạ - 38
3.3 Xác định độ dày của vật liệu thép chịu nhiệt C45 đối với ông chuẩn trực đầu dd
cỡ 8# né kúm trong R99 G2 v40 6400:6260 k6cccaa 39
3.4 Độ dày của vật liệu thép chịu nhiệt C45 đối với ống chuẩn trực đầu đò có đường KintrtfOE 20: VÀ -LEENGvic c u66 022622GG06200á06S0000000A0S/G0G 00106 42
MET LUẬN 6002620200002 aie ee aera ia 47
KIÊN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊỂN CỦA ĐẺ TÀI .- 48
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ -. 2 -25c<+e2 48
TẤT LỆU THAM KHẢ Lich 2G 2cG2020G22022xcGaG: 49
PHÙ TẾ các 3 G.Giàc-4021G02160010006139100g014:04436(G/62336 G1032 51
Trang 6Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Các ký hiệu:
Y : gamma
p : mật độ của vật liệu (g/cm°)
Eø : năng lượng photon toi (keV)
Trang 7
R Sai sô tương đôi Relative error
MCNP | Chương — Monte | — Monte carlo N - partical
FWHM | Độ rộng tại nửa chiêu cao cực đại | Full Width at Half Maximum NIOY Mã định dạng các thư viện số
liệu hạt nhân trong MCNP
GEB Mở rộng năng lượng dạng Gauss | Gaussian Energy Broadenning
Tp HCM Thành phô Hô Chí Minh
MCA Máy phân tích đa kênh Multi Channel Analyzer
PHS Pulse Height Spectrum Phân bỗ độ cao xung
RD Độ lệch tương đôi Relative Deviation
FR Phan bo d6 cao xung trong Energy Distribution of Pulses
detetor created in a detector
PTN Phong thi nghiém
NIST National Institute of Standards
and Technology
SDEF Nguôn tông quát General Source
SSR/SSW Nguôn mặt Surface Source Read/Write
KCODE Nguôn tới hạn Criticality Source
KSRC Nguon diém Surface Points
Trang 8Danh muc bang biểu
Bang 2.1 Các đánh giá sai số tương đối R trong MCNEP -.5- 555522 26
Bảng 2.2 Thành phần các nguyên tổ của vật liệu thép chịu nhiệt 30
Bang 1.3 Mật độ của các vật liệu được sử dụng trong đầu dò nhấp nháy Nal(TI)
[ 25-6622 S2 2600 L0iGucn kãG640ök có idit 263000: a on ce ea 32
Bang 2.4 Bảng số liệu được sử dụng để xây dựng đường chuẩn năng lượng của hệ Ấ s16 K46 x2 v6 G002 4544646256: 40634/043445166613x366cscg5146<g00333574G,446466%16px254G663623402024Xc6 0665 35
Bang 3.1 Bảng so sánh giá trị năng lượng photon tan xạ đơn giữa thực nghiệm [6]
và tính toán theo mô phỏng đối với ống chuẩn trực đầu dò có đường kính trong là 9,5
¬—¬.—.—_—_—>—_—a —-._—_——— 40
Bảng 3.2 Bảng so sánh giá trị FWHM giữa thực nghiệm [6] và mô đối với ông chuẩn
trực đầu đò có đường kính trong là 9,5 cm ¿2 5© 5252 +s x2 252233232132 32 32 4]
Bảng 3.3 Bè dày của thành bình bằng thép C45 thông qua mô phỏng với ống chuẩn
trực đầu đò có đường kính trong là 9,5 em ¿5-6921 21412225615 e2 42 Bảng 3.4 Năng lượng photon tán xạ đơn và FWHM tính toán theo mô phỏng đối với
ống chuẩn trực đầu đò có đường kính trong lần lượt là 3,0 và 1,5 cm 44 Bảng 3.5 Giá trị hệ số suy giảm tuyến tính từ lý thuyết [6] và mô phỏng trong trường
Trang 9Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện à BS nnnSeneeirrrrsvee 13 Hình 1.2 Minh họa sự phat electron Auger .::ccscccesseescesseresesseceseseesennenseenes 14
Mi ke ng X22 2d ca 1S
Hình 1.4 Minh hoa hiéu Ung tao Cap .:scsceresrsrsserecessnessesessrsesterseseseessensnseeseeses 15
Hình 1.5 Quá trình tán xạ của photon lên vật liệu {8] ‹: «5> 17
Hình 2.1 Các mức năng lượng của nguồn !7CS csceccsessessnessessessnseneeseceneceneenees 29
Hình 2.2 Mặt cất khối nguồn phóng xạ - - So cs se csserssrsrssrvee 30
Hình 2.3 Mặt cắt ngang của vật liệu trong trường hợp thành bình có bè dày 2,54 em
ma atta tatsenemremsuneseatennisiennnanneeeeiis 3]
Hình 2.4 Các thông số đường kính trong và loại vật liệu của đầu đò Nal(TI) dùng
trong mô phỏng [6] - 6Q SH HH HH HH HH n9 31011 0005001057 31
Hinh 2.5 Bé tri m6 hinh do bé day cia thanh binh trong mô phỏng 32
Hình 2.6 Cấu hình hệ đo xác định độ dày của thành bình trong MCNPS 33
Hình 2.7 Mô hình 3D của hệ đo trong MCNPS ceeeee 33
Hình 2.8 Đồ thị làm khớp năng lượng theo vị trí kênh .- - 5-5 «se 34 Hình 3.1 Phổ tán xạ của chùm photon từ nguồn !?”Cs trên vật liệu thép chịu nhiệt
C45 tại bề dày 2,54 mm đối với ống chuẩn trực đầu dò có đường kính trong 9,5
i i ts 36
Hình 3.2 Phổ tán xạ thu được đối với chùm photon phát ra từ nguồn 137Cs tan xa
trên thành bình dày 2,54 cm trong trường hợp sử dụng ống chuẩn trực đầu dò có
đường kính trong lần lượt là 9,5 em, 3,0 em và 1,5 em - -s-csecssccse2 37
Hình 3.3 Phổ tán xạ của '?”Cs trên thành bình thép C45 có độ dày 2,54 cm đối với
ống chuẩn trực đầu dò có đường kính trong 9,5 em được khớp phỏ bằng chương trình Hình 3.4 Đường cong bão hòa của thép chịu nhiệt C45 đối với ống chuẩn trực đầu
Trang 10Hình 3.5 Đường cong bão hòa của thép chịu nhiệt C45 đối với ống chuẩn trực đầu
ND đang kiêm NUNG S ĐÔ ceeeudakeiieiaiieeeanridredeeeooaoejseooaeeesee 43
Hình 3.6 Đường cong bão hòa của thép chịu nhiệt C45 đối với ống chuẩn trực đầu
Trang 11Hién nay, k¥ thuat kiém tra khong pha huy (Non Destructive Testing — NDT) là một kỹ thuật cần thiết vả không thể thiếu của các ngành công nghiệp hiện đại Kiểm
tra không phá hủy bao gồm các phương pháp dùng đẻ phát hiện các hư hại, khuyết
tật, kiểm tra và đánh giá tính toàn vẹn của vật liệu, kết cấu, chi tiết hoặc để xác định các đặc trưng của đối tượng kiểm tra mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng
của chúng Xu hưởng đầu tư hiện nay người ta thường tập trung sử dụng các kỹ thuật
NDT công nghệ cao Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy còn được sử dụng để tối ưu hoá các quá trình và quy trình công nghệ trong chế tạo, gia công Nhờ sớm phát hiện
và loại bỏ các vật liệu, sản phẩm, bán sản phẩm không đạt yêu cầu; tối ưu hóa được
quá trình sản xuất nên giảm được chỉ phí sản xuất; nâng cao chất lượng sản phẩm,
hiệu quả sản xuất và kinh doanh của các doanh nghiệp Đồng thời, nhờ sớm phát hiện
các khuyết tật trong các kết cấu hệ thống và tiểu hệ thống giúp sớm đưa ra được các
phương án khắc phục và sửa chữa, tránh được các sự cố không mong muốn có thể xảy ra Hiện nay, do yêu cầu kiểm tra nghiêm ngặt về an tồn của các cơng trình dầu
khí, nhà máy hoá lọc đầu, nhà máy điện, nhà máy điện nguyên tử, đòi hỏi phải có
các công nghệ kiểm tra có độ tin cậy và năng suất cao, thân thiện với môi trường và
người sử dụng
Các ứng dụng trong việc áp dụng kỹ thuật kiểm tra không hủy mẫu là một hướng
nghiên cứu mới được nhiều nhóm quan tâm Có rất nhiều kỹ thuật NDT khác nhau
như: siêu âm, chụp ảnh gamma, gamma tán xạ, chụp ảnh tia X, ngảy cảng được
sử dụng rộng rải Trong đó, kỹ thuật gamma tán xạ ngược là một sự lựa chọn mong
muốn, thu hút khá nhiều nhóm nghiên cứu trong vả ngoài nước Kỹ thuật gamma tán
xạ ngược được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xác định bè day vat liéu [1], xac định độ ăn mòn của vật liệu [8] đò tìm khuyết tật đường 6ng [11],
Năm 2011, Priyada và cộng sự [8] đã so sánh độ chính xác giữa kỹ thuật gamma tán xạ, chụp ảnh gamma và chụp ảnh tia X trong việc xác định độ ăn mòn của thép
Trang 12MCNP4C thực hiện sau đó so sánh với các dữ liệu thực nghiệm và cho thấy sự phù hợp khá tốt Nhóm tác giả cũng chỉ ra rằng độ chính xác của các kỹ thuật này là tương đương nhau, đặc biệt kỹ thuật gamma tán xạ được sử dụng phê biến vì có nhiều ưu điểm như: có thể đo trong các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất cao), chỉ cần
tiếp cận đối tượng từ một phía thậm chí là không cân dừng hoạt động các thiết bị
Bức xạ gamma là sóng điện từ, không mang điện và khả năng xuyên sâu lớn Khi xuyên qua vật chất, photon tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau, thông qua ba cơ chế chính: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp
Tán xạ ngược là hiện tượng một số photon tán xạ về phía sau, khi bề dày vật chất
mỏng thì quá trình tán xạ gần như không đáng kẻ vì phần lớn photon suy giảm rất ít
năng lượng và xuyên qua lớp vật chất một cách dễ dàng, khi bề dày vật chất của môi
trường tăng thì quá trình tán xạ cũng tăng và đạt đến giá trị bão hòa
Trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng hạt nhân với sự phát triển của máy tính
điện tử, trong vài thập niên gần đây đã xuất hiện nhiều khả năng cho phép nhận được mô tả tương đối đầy đủ định lượng hiện tượng được nghiên cứu và mở rộng được căn
bản những bài toán nghiên cứu Việc áp dụng máy tính đã làm xuất hiện một hướng
nghiên cứu, với phương pháp mô phỏng, con người có thể xây dựng các thí nghiệm mô tả các tiến trình thực tế, có thể loại bỏ hoàn toàn sự ảnh hưởng của các hiệu ứng
không mong đợi để đưa đến gần với kết quả thực, phương pháp mô phỏng có thể cho
ta các dự đoán khá chính xác về những gì đã xảy ra tiếp theo Phương pháp Monte
Carlo là phương pháp tính toán phố biến trong việc giải quyết các bài toán vật lý và toán học
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng chương trình MCNP phiên bản 5.0 của PTN Los Alamos, Hoa Kỳ để mơ phỏng tồn bộ quá trình tán xạ của photon gamma
trên vật liệu Đây là chương trình máy tính sử dụng phương pháp Monte Carlo rất đáng tin cậy và nhiều người sử dụng
Với tên đề tài là: “Sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược đề xác định độ dày của
thành bình bằng phương phap Monte Carlo”, chúng tôi tập trung vào thành phần tán
Trang 13vat ligu duge bé tri & géc tan xa 120°, dau do sit dung tinh thé nhap nháy vô cơ Nal(TI) Điểm mới của nghiên cứu này là vật liệu tan xạ có dạng hình trụ rỗng bên
trong chứa không khí Để làm cơ sở cho việc bố trí thí nghiệm sử đụng kỹ thuật
gamma tán xạ ngược trong việc xác định độ dày của thành bình, một chương trình mô phóng với điều kiện gần giống với thực tế được tiến hành Bằng phương pháp
Monte Carlo, chương trình MCNPS được sử dụng để thu được phô phân bố độ cao
xung, kết hợp với kỹ thuật xử lý phổ cải tiến trong việc phân tích phổ tán xạ của nhóm tac gia Hoang Duc Tam [6] để tính được độ dày của thành bình Thông qua việc so
sánh độ dảy tính toán được với độ dày thực của thành bình, chúng tôi sẽ đánh giá được khả năng áp dụng của kỹ thuật này
Mục đích nghiên cứu: Xác định độ dày của thành bình bằng cách sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược thông qua mô phỏng Monte Carlo
Đối tượng nghiên cứu: Mô phỏng hệ đo gamma tán xạ bằng phương pháp Monte
Carlo sử dụng chương trình mô phỏng MCNPS Đề thực hiện được điều này cần tìm hiểu chỉ tiết cấu hình của hệ đo, thành phần vật liệu, các đặc trưng của nguồn phóng
xạ, kiến thức về quá trình tương tác, xác suất phát hạt, Các hiểu biết đầy đủ và
chính xác các vấn đề trên sẽ làm cơ sở cho việc xây dựng bộ số liệu đầu vào chính
xác
Nội dung của luận văn bao gồm:
Chương l Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Chương 2 Mô hình hóa MCNPS hệ đo gamma tán xạ dùng đầu đò nhấp nháy Nal(TI)
Chương 3 Kết quả xác định độ dày của thanh binh bang mé phong MCNPS
Kết luận
Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Dựa trên các kết quả nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và
lý thuyết của nhóm tác giả Hoang Duc Tam [6] trong việc xác định độ dày của vật
liệu có đạng phẳng với sai số dưới 4%, từ đó chúng tôi đẻ xuất việc xác định độ dày
Trang 14tán xạ ngược Đây cũng là một hướng nghiên cứu trong việc ứng dụng kỹ thuật
gamma tán xạ ngược để xác định độ dày của thành bình trong thực tế
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này làm cơ sở cho việc bố trí hệ đo trong
Trang 15CHƯƠNG 1 KY THUAT GAMMA TAN XA NGUOC
Phần đầu của chương này sẽ trình bảy ba quá trình tương tác cơ bản của bức xạ
gamma với môi trường vật chất, bao gồm: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton
và hiệu ứng tạo cặp Phần cuối trình bảy về kỹ thuật gamma tán xạ ngược và các công
thức tính toán trong việc xác định độ dày thành bình được sử dụng trong luận văn 1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma tương tác với môi trường thông qua các quá trinh hap thụ vả tán
xạ Trong quá trình hap thy, photon truyền toàn bộ năng lượng cho vật chất; trong khi đó trong quá trình tán xạ, photon chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất
và nó bị tán xạ theo góc tán xạ 8 Tuy nhiên, khi photon tương tác với nguyên tử, làm birt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp clectron — positron là các hạt mang điện tích, các hạt này sẽ là tác nhân trực tiếp gây ion hóa môi trường Khi
đi vào môi trường vật chất, tùy theo năng lượng photon mà quá trình tương tác giữa
photon với vật chất có thể xảy ra theo ba hiệu ứng vật lý quan trọng: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp
1.1.1 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác giữa photon và các electron liên kết
trong nguyên tử Trong quá trình tương tác này, photon truyền toàn bộ năng lượng
của mình cho electron liên kết của nguyên tử, năng lượng này đủ để bứt các electron
ra khỏi lớp vỏ nguyên tử, các celectron này được gọi là clectron quang điện
(photoelectron) Một phần nhỏ năng lượng này giúp electron thắng năng lượng liên
kết giữa electron với nguyên tử để đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng và xung
lượng Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng photon tới lớn hơn năng lượng
liên kết của electron trong nguyên tử Trong hiệu ứng quang điện, năng lượng giật lùi của nguyên tử xem như không đáng kẻ, do đó động năng của electron được xác định:
E.=E,-E, (1.1)
Trang 1613 bức xạ đặc trưng photon tdi electron quang di¢n
Hình 1.1 Minh họa hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là một kênh trội của tương tác giữa photon với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp Tiết điện của hiệu ửng quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của photon tới và điện tích Z của hạt nhân nguyên tử Đối với những vật liệu nặng (Z lớn) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện lớn ngay cả với những photon có năng lượng cao, đỗi với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện
chỉ có ý nghĩa với những photon năng lượng thấp Biểu thức thể hiện tiết diện quang
điện tỷ lệ theo hệ thức sau:
Fano ms (1.2)
Bên cạnh việc tạo ra các electron quang dién, tuong tac nay còn tạo nên các
nguyên tử hấp thụ với lỗ trống là một trong những tầng liên kết của nó, lỗ trống này nhanh chóng được lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hay một electron khác từ tầng khác trong nguyên tử đi chuyển đến Từ đó, một hay nhiều
các tia X đặc trưng (characteristic X — ray) sẽ được tạo ra Trong hầu hết các trường
hợp, các tia X nay sé bj hap thụ trở lại vào trong khối vật chất thông qua hiện tượng hấp thụ quang điện
Ngoài ra, năng lượng tia X có thể được chuyển cho một electron khác trong cùng nguyên tử và bứt nó ra khỏi lớp vỏ nguyên tử Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng
Auger (Auger effect) va clectron bj birt ra duge goi la electron Auger Electron Auger
phát ra có động năng nhỏ hơn năng lượng tia X bởi một phần năng lượng thất thoát
Trang 17
Hình 1.2 Minh họa sự phat electron Auger
1.1.2 Hiệu ứng Compton
Tán xạ Compton là quá trình tương tác của photon với electron tự do của nguyên
tử, trong đó photon truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch đi so với
hướng ban đầu (hình 1.3) Do năng lượng của photon lớn hơn rất nhiều so với năng
lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là electron tự do Từ định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng ta có mối liên hệ giữa năng lượng sau tán xạ E= hv, góc tán xạ 8 và năng lượng ban đầu Ea, như sau:
E“—z——— (1.3)
I+—®-(1~eos8) mc
Nang lugng truyén cho electron:
E.~=E,~E=E,„ e9) 1+k„(1—cos8) (14)
với k„= x E,= hv, va goéc tan xạ của electron được tính theo công thức:
l 8
= ot— iS
eee 03)
“_ Đối với góc tán xạ rất nhỏ (8 =0”), năng lượng electron gần như bằng 0, khi đó
photon tán xạ có năng lượng gần bảng với năng lượng của photon tới
“=_ Đối với góc tán xạ lớn (0 = 180”), electron giật lùi cỏ năng lượng cực đại vả bằng:
BE = Ee (1.6)
Trang 1815 photon td Hinh 1.3 Minh hoa tan xa Compton 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp
Khác với hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, sự tạo cặp là kết quả do tương tác giữa photon với toàn bộ nguyên tử Quá trình này diễn ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc của electron, kết quả là sự biến đổi từ một photon thành một cặp electron — positron
Theo định luật bảo toàn năng lượng, photon sẽ biến mất trong trường Coulomb,
sinh ra một cặp electron — positron và truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron — positron này cùng với nhân nguyên tử giật lùi
E,= 2m,c’+E_,+E_ +E, (1.7)
trong do: E., E_, E, lần lượt là động năng của positron, electron, nguyén tử giật lùi Electron photon >1,022 MeV Positron ` ` tel at 0,511 MeV photon 0,511 MeV
Hình 1.4 Minh họa hiệu ứng tạo cặp
Trang 19quá trình này sẽ tạo ra hai photon với năng lượng xắp xỉ bằng nhau và băng 0,511
MeV, những photon này có thể tiếp tục tương tác với vật chất hoặc thoát ra ngoải Để
hiện tượng tạo cặp xảy ra, photon tới phải có năng lượng tối thiểu bằng hai lần khối lượng nghỉ của electron 2m c = 1,022 MeV
1.2 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Theo công thức Beer - Lambert, một chùm bức xạ gamma hẹp có cường độ ban
đầu Ip truyền vuông góc với lớp bê dày vật chất x (cm), sự suy giảm của cường độ bức xạ được biểu điển theo quy luật của phương trình:
[= l,exp(—k,X) (1.8)
trong đó:
* I là cường độ của bức xạ gamma sau khi qua vật liệu
= ji: là hệ số hắp thụ tuyến tính của vật liệu (cm'})
s - lạ là cường độ của bức xạ gamma phát ra từ nguồn khi không có vật liệu Khi phân tích cường độ chùm photon sau khi tán xạ từ vật liệu với các độ dày khác nhau, để đơn giản chúng ta xem như rằng các photon phát ra từ nguồn chỉ xảy ra tán xạ một lần trên bia vật liệu và sau đó được ghi nhận bởi đầu dò [8] Quá trình
tán xạ của photon lên vật liệu được xem xét qua ba giai đoạn chính:
Trang 2017
S(E;.,8.Z) là hàm tan xa Incoherent
P.=pN, ‹ là mật độ electron tại điểm P
Hình 1.5 Quá trình tán xạ của photon lên vật liệu [ §]
" - Giai đoạn 3 Photon sau khi tán xạ tại điểm P đi qua vật liệu và hướng đến đầu
dò (đường f), cường độ được xác định bởi biểu thức:
= Les|-|509)»‹) (1.11)
Cuối cùng, cường độ tán xạ tại điểm P (I(P) có thứ nguyên là số đếm/giây/photon)
được tính theo công thức:
I(P)= jeno{ {MED} pe } SOE sự, 6 anaoe,vep|—|BS2 Ìạc (1.12)
đặt k=, oti S(E,.0,0)40N, =v „ biểu thức cường độ chùm tán xạ (1.12) được
viết lại như sau:
t#)=kees|-[ E9)» en [on (1.13)
Trang 21
oo (i tn ey
trong đó, p là mật độ của vật liệu (g/cm), w,(E,)/p và p,(E)/p (cm?/g) là hệ số suy
giảm khối tại năng lượng Eo và E Cường độ của chùm photon sau khi tán xạ trên vật
liệu có bẻ dày T' được ký hiệu là I'(P) Bằng cách lấy tỉ lệ giữa I(P) và I'(P), công
thức xác định độ đảy mẫu T" được xác định như sau [6]: (1.14) r= tnfy/{1-a- œp(~ »))] (1.15) trong đó: a (Ee 1 1 } (1.16) p_ cosØ, p cos9;
Từ phương trình (1.15), chúng ta có thể xác định độ dày của vật liệu nếu như có thể xác định được cường độ của chùm photon sau khi tán xạ trên vật liệu có bề đày T và
TT Tỷ số giữa I'(P}⁄1) có thê được thay thế bằng N'/N, với N' và N là diện tích của đình tán xạ đơn tương ứng của vật liệu tại bề dày T' và T Biểu thức (1.15) được viết
lại như sau:
T= n|/[I-ï ú-eø(~sn)|) (1.17)
Sai số trong việc xác định bè dày của thành bình được tính toán từ phương trình
truyền sai số [6], có dạng như sau:
= 1—exp(-aT) 2 () 2
> NG-@WMM(-epCap Ý* (N)3 N Kon
Trang 23CHUONG 2 MO HiINH HOA MCNP5 HE DO GAMMA TAN XA SỬ DUNG DAU DO Nal(Tl) BANG PHUONG PHAP MONTE CARLO
Trong chương này, phần đầu tiên sẽ giới thiệu phương pháp Monte Carlo va chương trình MCNPS Tiếp đó, trình bày đặc điểm của chương trình MCNPS vẻ các tham số cần chú ý trong việc chuẩn bị đữ liệu đầu vào, quá trình tương tác của photon với vật chất và nguyên tắc đánh giá sai số Cuối cùng, chúng tôi đề cập đến các thông số trong việc xây dựng mô hình mô phỏng của hệ đo gamma tán xạ
2.1 Giới thiệu chung phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNPS
2.1.1 Phương pháp Monte Carlo
Phương pháp Monte Carlo là một nhóm các thuật toán dùng đẻ giải quyết nhiều bài toán sử dụng việc lấy mẫu ngẫu nhiên đẻ thu được lời giải cho bài toán đặt ra Tên gọi của phương pháp này được đặt theo tên một thành phố Monaco, nơi nỗi tiếng các
sòng bạc Phương pháp Monte Carlo không giải phương trình tường minh mả nhận
các trả lời bằng cách mô phỏng các sự kiện riêng rẽ và ghi nhận các đánh giá của trạng thái trung bình của chúng, kết quả phương pháp càng chính xác khi số lượng
lặp lại các bước càng lớn
Một trong những bài toán đầu tiên có sử dụng phương pháp gieo số ngẫu nhiên
đó là bài toán cây kim Buffon được đưa ra vào năm 1772 trong việc xác định hệ số
Pi là 3,1420455 Phương pháp Monte Carlo thực sự được sử dụng như một công cụ
nghiên cứu khoa học trong quá trình chế tạo bom nguyên tử thời kỳ chiến tranh thé
giới thứ hai, công việc này đòi hỏi mô phỏng trực tiếp các vấn đẻ mang tính xác suất
liên quan đến sự khuếch tán neutron một cách ngẫu nhiên trong vật liệu phân hạch Năm 1954, phương pháp Monte Carlo đầu tiên được viết bởi Herman Kahn, được
xuất bản bởi nhà sản xuất Cashwell & Everett vào năm 1959 Cho đến ngày nay, cùng
Trang 2421 2.1.2 Chương trình MCNP
MCNP là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon hoặc vận chuyển cap neutron/photon/
electron Chương trình nảy là công cụ mô phỏng được thiết lập rat tốt cho phép người
sử dụng xây dựng các dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện hạt nhân Chương trình điều khiển các quá trình này bằng cách gieo số theo quy luật thông kê cho trước và mô phỏng được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết
là rất lớn
MCNP ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và sau đó được phát triển
bởi nhóm Radiation Transport (Nhóm X — 6) thuộc Vật lý Lý thuyết Ứng dụng tại phòng thí nghiệm Quắc gia Los Alamos (Mỹ), MCNP là viết tắt của Monte Carlo N
~ Partical Nhóm X — 6 cải tiến MCNP và cứ hai hoặc ba năm họ lại cho ra một phiên
bản mới MCNP được cung cắp tới người dùng thông qua Trung tâm thông tin Che
chắn Bức xạ (RSICC) ở Oak Risdge, Tennessee (Mỹ) và ngân hàng dữ liệu
OECD/NEA ở Paris (Pháp)
Ở Việt Nam, trong những năm gân đây các tính toán bằng chương trình MCNP
đã được triển khai ở viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, viện Khoa học và Kỹ thuật
hạt nhân Hà Nội, viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, trung tâm Nghiên cứu và
Triển khai công nghệ bức xạ Tp HCM
Các phiên bản của chương trình MCNP [12]:
*®_ MCNP3 được viết lại hoàn tồn và cơng bố 1983 MCNP3 là phiên bản đầu tiên được phân phối Quấc tế Các phiên bản tiếp theo MCNP3A và 3B lần
lượt được ra đời tại phòng thí nghiệm Quấắc gia Los Alamos trong suốt thập
niên 1980,
" MCNP4 được công bố năm 1990, cho phép việc mô phỏng được thực hiện trên các cấu trúc máy tính song song MCNP4 cũng đã bổ sung vận chuyển
electron
Trang 25* MCNP4B được công bố năm 1997 với việc tăng cường các quá trình vật lý của photon và đưa vào các toán tử vi phân nhiễu loạn,
* MCNP4C duge công bố năm 2000 với các tính năng của electron được cập
nhật, xử lý cộng hưởng không phân giải,
s® MCNP4C2 có bê sung thêm các đặc trưng mới như hiệu ứng hạt nhân và các
cải tiến cửa số trọng số, được công bố 2001
s® MCNPS được công bố 2003 cùng với việc cập nhật các quá trình tương tác
mới chăng hạn như các hiện tượng va chạm quang hạt nhân, hiệu ứng giãn nở
Doppler,
Ngoài ra, còn có thêm phiên bản mới MCNPX với các mức năng lượng vả chủng
loại hạt được mở rộng
2.2 Đặc điểm của chương trình MCNP
Trong chương trình MCNE, thiết lập một bộ dữ liệu đầu vào để mô phỏng toàn
bộ hệ đo là cực kỳ quan trọng Trong bộ dữ liệu đầu vào chứa các thông số như cấu
hình hệ đo, thời gian gieo hạt, số hạt cần gieo, các thông số của nguôn, Qua các
thông số nhận được MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân và các quá trình tính
toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện phát ra từ nguồn
Trang 2623 2.2.1 Dinh nghia 6 mang
O mạng (cell) là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa trong mục 2.2.2) Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử
giao (không gian), hợp (:) và bù (#) giữa các phần không gian tạo bởi các mặt Mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị đương vả âm tương ứng Khi một
cell được xác định, một vấn đề quan trọng là xác định được giá trị của tắt cả các điểm nằm trong cell tương ứng với một mặt biên
Giả sử rằng s = fẨx, y, z) =0 là phương trình của một mặt trong bài toán Đối với
một điểm (x, y, z)mà có s = 0thì điểm đó ở trên mặt, nêu s âm thì điểm đó ở bên trong
mặt và được gán đấu âm Ngược lại, nếu s đương, điểm ở bên ngoài mặt thì được gán
dau dương
Cell được xác định bởi cell card (một thuật ngữ dùng trong MCNP) Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell number), số vat chat (material number), mat độ vật chat (material đensity), một đãy các mặt có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thơng qua
các tốn tử giao, hợp, bù để tạo thành cell
Vị dụ:
Mật độ vật chất chỉ số âm 1a tinh bang g/cm’
Cell Material § Density Surface
1 4 “11,35 1-23-4 Mật độ vật chất dương là tinh bing atom/cm’
Cell Material Density Surface
1 4 0,0992 1-23-4 Mật độ vật chất bằng 0 thì chi sé cell trong
Cell Density Surface l 0 + hoặc 2 0 #1
2.2.2 Dinh nghia mat
Trang 27cũng cung cấp các dạng mặt cơ bản chăng hạn như: mặt phẳng, mặt cầu, mặt tru, mặt nón, (có tắt cả gần 30 mặt cơ bản) có thể được kết hợp với nhau thơng qua các tốn
tử giao, hợp và bù
Có hai cách để xác định các thông số mặt trong MCNF: * Cung cap các hệ số cần thiết thỏa mãn phương trình mặt
s Xác định các điểm hình học đã biết trên một mặt mà nó đối xứng quay trên một trục tọa độ
2.2.3 Định nghĩa dữ liệu
Các bảng dữ liệu hạt nhân là những phản không thể thiếu được trong chương
trình MCNP Ngoài việc sử dụng các bảng dữ liệu có sẵn trong MCNP, người ta còn sử dụng các đữ liệu được tái tạo từ các đữ liệu gốc bên ngồi thơng qua một chương
trình chuyển đổi, chăng hạn như NJOY hay là các dữ liệu mới được đưa ra vào trong MCNP bởi chính bản thân người sử dụng Có chín loại dữ liệu hạt nhân được sử dụng trong MCNP là:
* Tuong tac neutron có năng lượng liên tục * Tuong tac neutron phản ứng rời rạc
"Tương tắc quang nguyên tử năng lượng liên tục “ Tương tác quang hạt nhân năng lượng liên tục
s_ Các tiết dién dé tinh liéu cho neutron
* Do liéu hoac kich hoat neutron va tan xa nhiét S (a, B)
* Tuong tac neutron, cặp neutror/photon, các hạt tích điện giả neutron “ Tương tác photon
" Tương tác clectron
Trong giới hạn của đề tài nên tôi chỉ trình bày quá trình tương tác và ghi nhận
của photon với vật chất được thực hiện trong chương trình MCNPS
2.2.4 Các đặc trưng về nguồn
MCNP cho phép người dùng mô tả nguồn ở các dạng khác nhau thông qua các
Trang 2825
số hình học khác như cell hoặc surface Bên cạnh việc mô tả nguồn theo phân bó
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 phố năng lượng phân hạch và nhiệt hạch,
chẳng hạn như: phô Watt, Maxwell và các phổ dạng Gauss (dạng theo thời gian, dang đẳng hướng, cosin và đọc theo một hướng nhất định) Có bốn loại nguồn chính được sử dụng: “_ Nguôn tổng quát (SDEF) “ Nguòn mặt (SSR/SSW) * Ngudn toi han (KCODE) * Ngudn diém (KSRC) 2.2.5 Đánh giá sai số
Trong MCNP kết quả được đưa ra cho một hạt nguồn cùng với sai số tương đối là R, các đại lượng cần được đánh giá sai số R sẽ được tính tốn sau mỗi q trình mơ phỏng bằng phương pháp Monte Carlo Sai số tương đối R được định nghĩa là tỷ
số của độ lệch chuẩn và trị trung bình ø/X Trong MCNP giá trị này được xác định
Trang 29Đối với một kết quả tốt thì R tỉ lệ với với N là số lịch sử đã được tính Như vậy, muốn giảm R đi một nữa thì cần tăng N lên 4 lân Sai số tương đối được dùng đẻ xác định khoảng tin cậy của giá trị trung bình và cho biết kết quả nào là kết quả thực
Theo định lý giới hạn trung tam (Central Limit Theorem) khi N+ sé cé 68% co
hội giá trị thực năm trong khoảng XÍI + R) và 95% cơ hội giá trị thực năm trong
khoảng (1 +2R) Một điều rất quan trọng cân phải chỉ rõ là giá trị của R chỉ liên
quan đến độ chính xác của phương pháp Monte Carlo chứ không phải là độ chính xác
của phương pháp mô phỏng so với kết quả thực nghiệm Ý nghĩa của giá trị R được trình bay trong bang 2.1
Bảng 2.1 Các đánh giá sai số tương đối R trong MCNP
R Đặc trưng của đánh giá
0,5 — I,0 Không có ý nghĩa
0,2 —0,5 Có một chút ý nghĩa
0,1 —0,2 Cân phải xem xét
<0,1 Có thê tin cậy
< 0,05 Có thê tin cậy với đâu dò điểm
Đối với phương pháp Monte Carlo có ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả so với giá trị thực nghiệm: chương trình tính, mơ hình bài tốn và người sử
dụng Các yếu tố chương trình gồm: các đặc trưng vật lý trong tính tốn, các mơ hình tốn học, tính chính xác của số liệu sử dụng trong chương trình (tiết điện phản ứng,
khối lượng nguyên tử, năng lượng của nguồn, ) Mô hình bài toán có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác của kết quả và người sử dụng phải hiểu rõ chương trình
2.2.6 Phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vật chất của chương trình MCNPS
Phương pháp Monte Carlo cho phép mô phỏng từng photon riêng biệt đi xuyên
qua thể tích hoạt động của đầu đò Các đại lượng vật lý tuân theo quy luật thống kê
được lấy mẫu tương ửng theo một hàm phân bố xác suất thích hợp Chẳng hạn, trong
Trang 3027
trong thế tích hoạt động của đầu đò được xác định bảng cách lấy mẫu ngẫu nhiên từ phân bố hàm mũ theo cường độ photon Cường độ photon suy giảm trong môi trường đã trình bảy trong mục 1.2 và được mô tả bởi biểu thức (1.9) u,= No, (2.5) Đặt A là số ngẫu nhiên thuộc khoảng (0.1) và thỏa mãn công thức: [L,exp(-x)dx A=¿:—————— (2.6) Í l,exp(—u,x)dx suy ra: x“ = In(I-A) (2.7)
Nếu x lớn vượt quá đường kính trong giới hạn phần thẻ tích hoạt động của đầu
đò thì photon xem như không tương tác và thoát ra khỏi đầu đò Còn nếu x nhỏ hơn
đường kính trong giới hạn thì photon được xem như trải qua một tương tác Bản chất
của tương tác của photon được xác định bằng cách lấy mẫu theo các tiết điện tương
tác tương ứng với quá trình tương tác như hắp thụ quang điện, tán xạ Compton, tao
cặp, Hướng và năng lượng photon tán xạ sau đó lại được xác định bằng việc lấy
mẫu theo các hàm phân bố xác suất thích hợp Các sản phẩm con cháu (quang
electron, electron ở lớp vỏ K, tia X của quá trình quang điện, photon tán xạ của quá trinh tan xa Compton, electron — positron và các photon hủy cặp của quá trình tạo
cặp, ) sẽ tiếp tục tương tác bên trong thể tích hoạt động của đầu dò cho đến khi năng lượng photon tới được hấp thụ toàn bộ hoặc hắp thụ một phần và thoát khỏi thẻ tích
hoạt động của đầu dò Phần năng lượng hắp thụ này sẽ được chuyền đổi thành xung
điện áp với độ cao xung tỉ lệ tương ứng Phân bố độ cao xung theo năng lượng hay
còn gọi là phổ gamma mô phỏng được lấy ra bằng thẻ truy xuất kết quả F8 của chương trình MCNPS Ngoài ra, do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là sự dãn rộng thống kê số lượng các hạt mang điện, hiệu suất tập hợp điện tích và đóng góp của các nhiễu điện
từ làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phô gamma trong thực nghiệm có dạng
Trang 31giải phổ bằng cách áp dụng hàm phân bố Gauss Kỹ thuật này bao gồm sử dụng thẻ
FT8 GEB và tính toán giá trị bề rộng một nửa của đỉnh phố (FWHM) Hàm bẻ rộng
một nửa theo năng lượng (FWHM) dùng trong mô phỏng có dạng như sau [7]:
FWHM =a+byE+cE? (2.8)
các hệ số a, b, c thu được bằng cách khớp hàm FWHM với các giá trị thực nghiệm Khi đó, phổ gamma mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm Dựa trên cơ sở phô
gamma mô phỏng nảy hiệu suất tính toán của đầu đò được xác định bằng cách lấy số photon đóng góp trong đỉnh năng lượng toàn phan chia cho số photon phát ra từ nguồn
theo mọi hướng
2.3 Mô phỏng hệ đo sử dụng đầu đò Nal(TĐ) bằng chương trình MCNPS
Đẻ thực hiện được việc mơ phỏng tồn bộ hệ đo thì cần thiết phải tìm hiểu chỉ tiết các thông số về cấu hình hệ đo, thành phần cũng như cấu tạo của vật liệu, các đặc
trưng của nguồn phóng xạ Mô tả hình học của hệ đo cho MCNP gồm các thành phần:
s Thẻ tích nhạy của đầu dò s Vật liệu xung quanh đầu dò "Cửa số của đầu đò
“ Lớp vật liệu giữa nguồn, đầu dò và vật liệu cần đo
s Số hạt cần mô phỏng
Trong luận văn để mô phỏng hệ đo giống với thực nghiệm, các khe năng lượng
được chia tương ứng với các kênh trong hệ phỏ kế gamma, tức là 8192 kênh (dựa vào bộ phân tích đa kênh — MCA) Để đảm bảo được phổ phân bố độ cao xung (PHS - Pulse Height Spectrum) về mặt thống kê sai số dưới I %, chúng tôi thực hiện mô phỏng với số hạt là 6.10 Bộ số liệu đầu vào được trình bày trong phụ lục A
2.3.1 Nguồn phóng xạ
Trong luận văn này, nguồn '3”Cs phát gamma đơn năng ứng với năng lượng
Trang 3229 + Lư: 30,05 (8) a 0 o oN Cường độ phát xạ y trên 100 phân rã 94 36 % a ` 1Ư2ˆ; 861688 9 552 phit CN Ỷ 92°52 Trang thai co ban 5 81 Q' ~ 1175 63 keV % 6 = 100
Hình 2.1 Các mức năng lượng của nguồn !37Cs,
Nguồn được đặt trong buồng chì dạng hình trụ có tác dụng chuẩn trực và tạo
chùm photon hẹp Ống chuẩn trực nguồn được làm bảng chì có đường kính trong là
Trang 33
Hình 2.2 Mặt cắt khối nguồn phóng xạ
2.3.2 Vật liệu
Vật liệu được sử dụng trong mô phỏng này là thép chịu nhiệt C45 với hàm lượng các nguyên tố (theo tiêu chuẩn Châu Âu) [4] được trình bày trong bảng sau:
Bảng 2.2 Thành phần các nguyên tó của vật liệu thép chịu nhiệt Nguyên tô Hàm lượng (%) Fe 97,810 C 0,450 Si 0,370 Mn 0,650 P 0,045 S 0,045 Ni 0,250 Cr 0,250 Mo 0,100
Vật liệu thép C45 dạng hình trụ có độ dài 74 cm, đường kính ngoài là 76 cm, đường kính trong thay đôi tùy thuộc vào độ dày của thành bình Đặt lệch một góc 60!
so với trục đầu đò đẻ tạo góc tán xạ 120°, d6 dày của thành bình tăng từ 0,34 đến 2,54
Trang 3431 Hình 2.3 Mặt cắt ngang của vật liệu trong trường hợp thành bình có bẻ dày 2,54 cm 2.3.3 Đầu dò
Chỉ tiết đầu dò Nal(T1) được sử dụng trong mô hình mô phỏng này do hãng Amptek cung cấp Các thông số kỹ thuật của đầu đò Nal(T1) được cho trong hình 2.4, $® 83 men © wr + 79 mm Chủ thích ¢ aa A! Gg Silcon ơn 5 ALO; C—) Nak TI Hình 2.4 Các thông số đường kính trong và loại vật liệu của đầu đò Nal(TI) dùng trong mô phỏng |6]
Bảng 2.3 Mật độ của các vật liệu được sử dụng trong đầu dò nhấp nháy Nal(T]) [6]
Vật liệu AI — Silicon AbO; Nal(TI) Mật độ (g/cm') 2,700 2,329 3,970 3,667
Trang 35
không thực sự rõ ràng Vì vậy, để khắc phục vấn đề này, chúng tôi mô phỏng ống nhân quang điện như là một ống nhôm hình trụ đặc với đường kính 83,2 mm và độ day 30 mm [10]
2.4 Mô hình mô phỏng
Hệ đo gamma tán xạ trong mô phóng được bố trí như hình 2.5 Nguồn phát
photon được đặt trong buông chỉ nằm trên đường thăng vuông góc với trục của vật
liệu hình trụ cẩn đo Photon phát ra từ nguồn chiếu vuông góc lên thành bình và đầu đò được bố trí để thu nhận được tia tan xa tại góc 120° Sự thay đôi cường độ photon tán xạ từ việc thay đổi bẻ dày của thành bình sẽ làm cơ sở cho việc tính toán bè dày
Thành bình thép C45
Hình 2.5 Bó trí mô hình đo bẻ đảy của thành bình trong mô phỏng
MCNP sử dụng thư viện hạt nhân để mô phỏng lại quá trình tương tác của gamma
với vật liệu Tắt cả các thông số của hạt (hướng phát, năng lượng, vị trí nguồn, bán
kính quét, ) sẽ được khởi tạo giá trị bằng cách lấy ngẫu nhiên theo phân bố được
Trang 36Hình 2.6 Cấu hình hệ đo xác định độ dày của thành bình trong MCNP5
Hình 2.7 Mô hình 3D của hệ đo trong MCNPS
2.5 Đường chuẩn năng lượng của hệ đo
Đề xác định được năng lượng đính tán xạ trong mô phỏng, cần phải biết được
mỗi tương quan giữa vị trí kênh và năng lượng định gamma của hệ đo
Việc xây dựng đường chuẩn năng lượng được thực hiện qua các bước sau: " Bước l Đo phô của nguồn phát gamma chuẩn (đã biết trước năng lượng),
Trang 37Bảng 2.4 Bảng số liệu được sứ dụng đề xây dựng đường chuẩn năng lượng của hệ đo _ Nguồn Năng lượng E (keV) Kênh Ch Cd 88,034 484,43 'PEu 121,782 654,85 Eu 244,697 1260,60 ZEy 344,279 1754,24 "Na 511,000 2586,79 ICs 661,657 3321,00 “Mn 834,838 4178,14 “Zn 1115,539 5530,57 Co 1 173,228 5817,33 Na 1274,537 6298,27 “Co 1332,492 6585,70
Bước 2 Xác định vị trí kênh của các đỉnh phỏ xuất hiện
Trang 3835
* Buéc 4 Ghi nhan két qua thu durgc, duéng chuan nang lugng tuyén tinh cé
dang:
E (keV) =a*Ch +b (2.9)
trong đó: Ch là vị trí kênh, E (keV) là năng lượng ứng với vị trí kênh Ch, a
và b là các hệ số phụ thuộc vào cấu hình của hệ đo
Đường chuẩn năng lượng của đầu dò nhấp nháy Nal(TI) với MCA được cài đặt ở chế độ 8192 kênh có dạng:
Trang 39CHƯƠNG 3 KET QUA XAC DINH DO DAY CUA THANH BINH
BANG MO PHONG MCNP5
Trong chương nảy, chúng tôi xử lý phô tán xạ thông qua chương trình Colegram
bằng cách áp dụng kỹ thuật xử lý phổ cải tiến [6] để xác định diện tích đỉnh tan xa
một lần, từ đó đánh giá khả năng áp dụng của kỹ thuật gamma tán xạ ngược bằng
cách so sánh các giá trị năng lượng photon tan xa don, FWHM, hé số suy giảm tuyến
tính đã được tính toán từ mô phỏng với lý thuyết và thực nghiệm [6] Trên cơ sở đó, tính toán độ dảy của thành bình vả so sánh với độ dày thực tế, từ đó đánh giá sai số
và độ lệch tương đối của phương pháp này trong quá trình mô phỏng
3.1 Khảo sát các đặc trưng của phổ tán xạ 400 + ' ' + M 1 { _ œ Tần xạ một lần J “ a ¬ et 300 - » c Ì - ` 250 < \ + o i Á, 14 4 i 150 ~ § 71 6S \ 50 - i- : ho i ` 0 ¥ +1 = 4 v % ¥ , ¥ + +1 af ' vị 0 50 100 150 20 250 300 350 400 Nang lugng (ke V)
Hinh 3.1 Ph6 tan xa cua chim photon tir nguén '3’Cs trén vật liệu thép chịu nhiệt
C45 tai bé day 2,54 mm đối với ống chuẩn trực đầu dò có đường kính trong 9,5 cm
Quá trình tương tác của photon phát ra từ nguồn !?”Cs có năng lượng 661,657
Trang 4037
tương tác trên vật liệu và được ghi nhận bởi đầu dò thì tạo nên một đỉnh năng lượng toàn phân ( đỉnh tán xạ một lần) tại năng lượng 224 keV
Phỏ tán xạ thu được cho thấy sự đóng góp của thành phản tán xạ nhiều lần là đáng kẻ vì sử dụng ống chuẩn trực của nguồn có đường kính trong lớn (9,5 cm) Bên cạnh đó, xuất hiện thêm đỉnh tia X khoảng năng lượng 75 keV, điều này được lý giải
là do sau khi photon tán xạ một lần trên bia vật liệu và quay ngược lại đầu dò thì tiếp tục nó lại bị tán xạ trên ống chuẩn trực bằng chỉ (Pb) của đâu dò một lần nữa sau đó
mới được ghi nhận an * ' Ỷ "ft Ỷ of 7, Ỷ = |] 35 cm ~ 310cm " A iScm 7 ° i 3 4 | 4 = Hi, a oF) 5 ann J Dinh tia X cua Ph i, 7 t Ị 3 z E 0 `0 mm is w' 2w xì ™ <2
Nâng lượng (keV)
Hình 3.2 Phỏ tán xạ thu được đối với chùm photon phát ra từ nguồn !?7Cs tán xạ trên thành bình dày 2,54 cm trong trường hợp sử dụng ống chuẩn trực đầu dỏ có
đường kính trong lần lượt là 9,5 cm, 3,0 cm va 1,5 cm
Từ đồ thị hình 3.2 cho thấy, số photon mà đầu dò ghi nhận được tỉ lệ thuận với kích thước ống chuẩn trực đầu dò, điều này có nghĩa là trong trường hợp kích thước
ông chuẩn trực đầu dò càng lớn thì xác suất mà một photon được ghi nhận bởi đầu dò
cảng tăng Trong trường hợp sử dụng ống chuẩn trực đầu dò có đường kính trong 9,5
cm thì thành phần tán xạ một lần và tán xạ nhiều lần tăng đáng kẻ, còn đối với trường