Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát các đặc trưng phổ của các đồng vị phóng xạ bằng đầu dò Nal(TL)

Các đặc trưng phô: a Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần b Độ phân giải năng lượng c Ti số của trên Compton, tương ứng của các đồng vị đối với phô thực nghiệm... MO DAUMô phỏng m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

KHOA VAT LÍ

Nguyễn Thị Hai Yến

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

TP Hồ Chí Minh - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÍ

Nguyén Thj Hai Yén

KHAO SAT CAC DAC TRUNG PHO CUA CAC DONG VI PHONG XA BANG

DAU DO Nal(TI)

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

Chuyén nganh: Vat li hoc

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC

TS Hoàng Đức Tâm

TP Hồ Chí Minh - Năm 2016

LOI CAM ON

Tôi xin đành lời tri ân và lời cảm on chân thành nhất đến thay hướng dan TS

Hoang Đức Tam, người đã truyền cảm hứng tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiệnthuận lợi nhất trong quá trình tôi thực hiện luận van tốt nghiệp

Tôi xin gứi lời cảm ơn đến cô Lê Bảo Trân — giảng viên Trường Dai học Khoahọc Tự nhiên - ĐHQG thành pho Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ cung cấp cho tôinhững kiến thức căn bản, nên tang, làm cơ sở cho việc thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn chị Nguyễn Thị Mỹ Lệ - sinh viên khóa 37, chị Hồ Thị TuyếtNgân — sinh viên khóa 38 và bạn Phạm Vũ Trân — sinh viên khóa 39 đã nhiệt tình hỗ

trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Cuỗi cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới ba mẹ, các thầy cô và bạn bè đã hỗ trợ, động

viên và tạo điều kiện tốt nhất đề tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này la công trình nghiên cứu của riêng tôi Toàn bộ dit

liệu mô phỏng GEANT4 được công bé trong luận văn nay là của chính ban than thực

hiện đưới sự hướng dan khoa học của TS Hoàng Đức Tâm.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hải Yến

MỤC LỤC

EM EIDEEGE0000102610011315519551555135255525192051651955365231535535593755155519553355515329531355535555525555552553555 Hi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TÂT ssssnccssssassessscsasancessssesssaceasssensssceasvasssscsnsnassoveesi YDANE MUG BING VỀ ĐỒ THỊ: sẽ Ssnirieioieeaoeaoiei viDANH MUC CÁC BANG ssssssssscsssssssitssssanassasassnnnennanasmnnaanannnmannnanaes vii

OE) öec:secoseeioseobieiitii1101501011618101011G00016000011016010313511016185340153160160018181301830881467 1CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LY THUYVET wesscssssssssssscssssssssnssssonensccsssscsonsocsonsessosonsssenesosonses 41.1.Téng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất, co sex 4

1.1.1/HNHIETB GUANB IỂNLaitiiiatiiiii2i2iiiiiiiti2ii201416102126112101211200212210112132121011521120ã2ố527 4 I.1:2/Hiệ0 (HE CDIH[Ôfilsosisisisoeieiaiiiiiiiitiiioitiiiintiigisii1i1101014031031651358660855855805505885 6

DU SR FG Cũ htuinnaiiaiiiiitiiiisiitiiiiiiiiii1itiii1i61101020141211614611401118101144154191481021830851 Vị

1.2 Các đặc trưng phô gamma - 5 5222222 22 S323 24730212225 1317 2171117507322 ce 7

1.2.1.Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phần - ¿2:22:55 555cc5s2 71.2.2 Ti số đỉnh trên Compton Rpc - 5-5-5522 222222223E S32 E222 EEZerzrrsrrsrce §1.2.3.Độ phân giải đỉnh hap thụ toàn phan R(E) c2 c2 ccsvctxcsvrveo 9

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHAP MÔ PHONG MONTE CARLO 11

2.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo cc.cccccsscssesssesseeseevsscercessnencencarenvenes II

2 IntiffngiiiniiMGNE iiaisaiiaaiaiiaiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiaiiiiiiisiiai145221251212282452 II

0:0, AGT :acosossscisosiississossissosiosisirsso21251040230250586406312:55885585093555888585085558856353 11

52:2 50ilige vệ MCNP nuanasaansnsnsnntoaioiiotbttiiittii810010116105800102188150031831868580218405 12

2.2.3 Cau trúc của một input file của MCNEP ¿- 2 z2 z2 22EEztzszzrrsrrsec 13

2:5; (Charonis til GRANTS coaaoaaaaaniaiioiiiiiiiioinittitieititotittit44401105140151637591318ã408185585 22

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

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

2.3.4 Định nghĩa nguôn phát hạt, bức Xạ -.-: cós it 26

2.4 Hệ đo sử dụng tinh thé nhấp nháy Nal(T1) trong chương trình mô phỏng 26

2.4.1 Giới thiệu về hệ đo nhấp nháy sử dung tinh thé Nal(TI) -5 2£ 26

2.4.2.Các thông số của hệ đo nhấp nháy sử dụng tinh thé Nal(TI) dùng trong mô

DHốHEIMDHIBIHEHELAi1112011122111121012104211002121240141611211421212413102112124021142121323331220312235 28

2.5 Các nguồn đồng vị phóng Xa c cc.cccccccsccsceeveseescescevercesesesvesvessscavenrescessarsevenceesees 29

CHUONG 3: KẾT QUA VÀ THẢO LUẬN::ccccccccccocoococcoccoooocoocsccoccocoococcoooocoocaoe 30

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

3.2 Khảo sát dang đáp ứng phô mô phỏng MCNPS, GEANT4 và pho thực nghiệm của

một số đồng ố.ốố.ố.ố.ốố.ốốốốốỐốốốẽẽ3.3 Khao sát các đặc trưng phé giữa phô mô phỏng và phô thực nghiệm của các đồng

Wi 014141121110/24241241213103013:1203/140131434121411213103)02292113:311519303271411112142)3231211114133:32114141021247e3 33

3.3.1 Hiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phân - -.- - - - -.- 33

3.3.2 Độ phân giải năng lượng - - SH“ HH Hư 35

3.1.3 Tỉ số đỉnh trên ComiptOh - 1-2-2222 223222 232212502152 1221112111712 tr ve 36

KIÊN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIEN DE TÀI c- s56 55+ 5ss<xcsxe 4IMàn ii E THAM KHẨU ẻẽ-ẽ.ƒ{ẽẶằẰẽ{ẽ{ẽẴẰẽăẽằêẽeằẽêằẽằẽằẴẰẳằăẩằẴẰằẽẽ=aằ== 43

Monte Carlo N — Partical

Full Width at Half Maximum

High Purity Germanium

GEometry ANd Tracking

DANH MỤC HÌNH VE, ĐỎ THỊ

Hình 1.1 Mô hình tan xạ Compton (SH H* HS HH HH 7

Hình 1.2 Vùng Compton và đỉnh quang điện trong phô mô phỏng GEANT4 dối với nguôn “Co khi ghi nhận bằng đầu đò nhấp nháy Nal(TI) có bề dày lớp Al,O; bằng

BYU ¿zzz2i2:2s522225522252922025520552248ãa22s32Z4833š343a1228345ã89ig483354ãajz32sš8ã88a8š33s28ã338ãa2s38ã4gagã3ág32za3sãa 9

Hình 1.3 Dinh hap thụ năng lượng toàn phan đo được trong thực nghiệm sử dụng đầu

dò Nal(TI) với nguồn ''ÏCs, - 2 c2 SL+SL+.* 1 2312121014 11E1111131E 113.3 xe 10

Hình 2.1 Dau dò nhấp nháy Nal(T) kích thước tinh thê 76 mm x 76 mm [I1] 27Hình 2.2 Các thông số kỹ thuật của dau dd nhấp nháy Nal(TI) dùng trong mô phỏng

Monte Carlo sử dụng chương trình MCNPS [6] - 555 Ặ- sSieeeererer.ee 28

Hình 3.1 Phố mô phỏng GEANT4 của '““Cd được làm khớp bằng Colegram 30

Hình 3.2 So sánh phô thực nghiệm và phô mô phỏng GEANT4, MCNPS của dong vị

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

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

phô thực nghiệm phô mô phỏng GEANT4 và MCNP5 -.: 552 22222256 38

DANH MUC CAC BANG

Bang 2.1 Một số mặt thường được dùng trong MCNPÊ -.¿ 55225225255 14Bang 2.2 Một số biến nguồn thông dụng 2-22 22 S252 EZ£E£2xt2 2x2 22zzzcxec 17

Bảng 2.3 Các đánh giá sai số tương đối R 02 22 222222222211 2125122111 1< xe 19

Bang 2.4 Thông tin các nguồn phóng xạ [6] - 2-22 22 2 E2 Ez£Ez£SzzSzzzee se 29

Bang 3.1 So sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đỉnh thực nghiệm và

ID DHONHE DU DỊ ĐL3:2212411121211521240313315335312412181292420323131E11403203211142144034051381423140328518314234408 33

Bang 3.2 So sánh hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của các đỉnh thực nghiệm và

WO DphốnE GRANTA, iosinaiaiiiobiiiioiniopoiaiiitbsiibiiiiiitii4ii2i41131131143341911311401488 34

Bang 3.3 So sánh độ phân giải nang lượng của các định thực nghiệm va mô phỏng

VN Eiitiititintintiniiptintt40110100103100102501059361639650830499396308083889253039593319886506895803965985083683E 35

Bang 3.4 So sánh độ phân giải năng lượng của các đỉnh thực nghiệm và mô phòng GIANT ieeeeaeseaeraoipriioeioiiiiiaooiiiooioiiiintititistinotisgigi2g03163159155033030653885025053E 36

Băng 3.5 So sánh tỉ số đỉnh trên Compton của một số đỉnh hấp thụ năng lượng toàn

phan giữa thực nghiệm và mô phỏng MNEPS 22-52 22 22 22 321522222522 csec 37Bang 3.6 So sánh tỉ số đình trên Compton của một số đính hap thụ năng lượng toàn

phần giữa thực nghiệm và mô phỏng GEANT4 22-222 22 S22+2sv2 z2 3 22zccxec 37

MO DAU

Mô phỏng một quá trình vật lý là tao dựng lại phép bó tri phép đo thực tế với day

đủ các thông số chính xác của thiết bị dùng trong đo đạc bằng một chương trình máy

tính và phép đo này được đặt trong một điều kiện lý tưởng Các mô phỏng này nhằm

xác định phương thức bồ trí hệ do dé đảm bảo khả nang ghi nhận của đầu dò và hướng

đến chính xác đối tượng can kháo sát Kết quả mô phỏng cho phép dự tính được kết

quả phép đo trong thực tế, từ đó điều chỉnh lại cách bố trí thực nghiệm cho phù hợp với

mục đích đo đạc, cụ thẻ như trong y học hạt nhân người ta sử dụng các chương trình

mô phỏng dé tính toán liều chiếu phù hợp trong việc điều trị các khối u Mặt khác, kếtquả mô phỏng có thé là một căn cứ kiêm tra tính chính xác của kết quả phép đo trong

thực nghiệm.

Đề đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng thì dữ liệu đầu vào khi thiết lậpchương trình cần chính xác Thông thường, chúng ta sử dụng các thông số kỹ thuật của

đầu dò do nhà sản xuất cung cấp dé khai báo Tuy nhiên, đây là một yêu cau không dé

thực hiện, vì không phải khi nao chúng ta cũng nắm day đủ các thông số kỹ thuật của

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

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

Dé đánh giá sự phù hợp của các thông số kỹ thuật của đầu dò khi đưa vào chươngtrình mô phỏng ta tiến hành khảo sát sự phù hợp dang đáp ứng của phô mô phỏng sovới thực nghiệm Về mặt định tính, đẻ kiếm tra sự phù hợp nảy người ta kiểm tra dang

đáp ứng phô giữa phô mô phỏng và phô thực nghiệm Về mặt định lượng dựa vào phé

thực nghiệm và phố mô phỏng, người ta tinh toán các đặc trưng phố tương ứng, đó 1ahiệu suất đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan, ti số đỉnh trên Compton và độ phân giảiđỉnh hap thụ toàn phan Sự phù hợp của các thông số này từ phô mô phỏng so với phô

thực nghiệm sẽ cho thấy tính đúng đắn của các thông số kỹ thuật của đầu dò khi đưa

vào chương trình mô phỏng.

Trong tài liệu [1], Celiktas và cộng sự cũng đã công bố về việc khảo sát sự phù

hợp giữa phô thực nghiệm và phố mô phỏng thông qua các đặc trưng phd hiệu suất

dém tuyệt đối, ti số đỉnh trên tông, tỉ số đỉnh trên Compton, ti số đỉnh trên vùng valley,hiệu suất đếm tuyệt đối của đỉnh quang điện

Trong nghiên cứu của thầy Hoàng Đức Tâm được trình bày trong tài liệu [6], sự

phù hợp giữa phô thực nghiệm và phô mô phỏng MCNPS được khảo sát thông qua

hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần — một đặc trưng phô

Trong luận văn này, tôi tiến hành khảo sát ba đặc trưng phê bao gồm hiệu suất

đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan, tỉ số đỉnh trên Compton, độ phân giải năng lượng,

từ đó, kiêm tra sự phù hợp của các đặc trưng phô này giữa phô thực nghiệm và phỏ mô

phỏng của các đồng vị !*'Cs, “Co, Zn, “Mn, “Na

Các chương trình mô phỏng hoạt động dựa trên phương pháp Monte Carlo, hai

chương trình được sử dụng phô biến nhất hiện nay là MCNP (Monte Carlo N-Particle)

và GEANT4.

Nal(Tl) có đặc tính phát quang tuyệt vời nó được xem như vật liệu nhấp nháytiêu chuẩn cho việc đo đạc gamma thông thường [1] Pau dd Nal(TI) được sử dụngrộng rãi vì nó có những ưu điểm nôi bật sau [2]:

Cường độ nhấp nháy, và đo đó, biên độ tín hiệu lối ra tỉ lệ thuận với năng lượng

của hạt bức xạ.

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

suất ghi lớn

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

tinh thê vô cơ

- Tinh thể nhấp nháy dé dang sản xuất theo các dang và hình học khác nhau, đáp

ứng các yêu câu thí nghiệm.

Đó là những lý do mà tôi lựa chọn đầu dò này dé khảo sát các đặc trưng dé trình

bày trong luận văn.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐÈ TÀI: tính toán các đặc trưng phô hiệu suất

đỉnh hap thụ năng lượng toàn phan, tỉ số đỉnh trên Compton và độ phân giải năng lượng

dé kiêm tra tính chính xác của các thông số kỹ thuật của đầu do khi đưa vào chương

trình mô phỏng.

Khi các đặc trưng phô thu được từ phố mô phỏng phù hợp với các đặc trưng phố

thu được tir phô thực nghiệm thi các thông s6 kỹ thuật của đầu đò đưa vào chương trình

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

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

NỘI DUNG LUẬN VĂN GỎM CÁC CHƯƠNG:

Chương 1 Cơ sở lý thuyết

Chương 2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo.

Chương 3 Kết quả, thao luận

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYÉT

1.1 Tổng quan về tương tác của bức xa gamma với vật chat

Khi một chùm photon di chuyên trong môi trường vật chất, cường độ của chùm

tia sẽ bị suy giảm theo quy luật hàm mũ Cho một chùm tia gamma hẹp đi qua bản vật

liệu và do chủm tia sau bản vật liệu đã được chuẩn trực thi cường độ chùm ta lúc sau

giảm so với cường độ chùm tia lúc dau theo quy luật hàm mũ được thé hiện qua công

thức [2]:

I=lạe"* (1.1)

trong đó:

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

- 1, là cường độ chùm tia lúc đầu trước khi đi vào tam vật liệu.

- u là hệ số suy giảm tuyến tính Đại lượng này có thứ nguyên (độ dài)” và thường

tính theo đơn vị cm".

- x là bé dày tam vật liệu

Nguyên nhân của sự suy giám cường độ trên là do khi di chuyền trong môi trường

vật chất, gamma tương tác với các nguyên tử trong môi trường vật chất này Gamma

thực hiện ba loại tương tác chính với các nguyên tử trong môi trường vật chất, đó là

hiệu ứng quang điện tan xa Compton và hiệu ứng tạo cặp.

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma này biến mat và

truyền toàn bộ năng lượng của nó cho eleectron này, làm electron này bứt ra khỏi liên

kết trở thành electron tự do, người ta gọi nó là quang clectron Sau khi birt ra khỏinguyên tử nó chuyên động với một động năng có giá trị bằng hiệu giữa năng lượng của

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

E¿ = E — tụ (1.2)

trong đó:

- E là động năng của quang electron.

- E la nang lượng của gamma vào.

- é, là nang lượng lên kết của quang electron trên lớp vỏ trước khi bứt ra khỏi

nguyên tử.

Hiệu ứng quang điện thường xảy ra đối với các electron ở lớp bên trong của

nguyên tử, và không xảy ra đối với electron tự do vì không đảm bảo quy luật bảo toànnăng lượng, động lượng [2] Do đó, mặc dù điều kiện cần thiết để xảy ra hiệu ứng

quang điện là năng lượng của gamma phải lớn hon năng lượng liên kết của electron

trên quỹ đạo, tuy nhiên, năng lượng này cũng không được quá lớn, vì khi năng lượng

này quá lớn thì có thé xem electron đang xét gần như ở trạng thái tự do

Năng lượng liên kết của electron phụ thuộc vào số nguyên tử Z, do đó, tiết điện

tương tác quang điện phụ thuộc vào Z theo quy luật Z” [2]

Hiệu ứng quang điện thường kém theo tia X đặc trưng hay electron Auger Do khi

photon làm bứt eleetron ở lớp trong ra khỏi liên kết, làm xuất hiện trên quỹ đạo này

một lỗ trống khi đó các electron ở lớp bên ngoài sẽ có xu hướng nhảy xuống lap day

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

đặc trưng.

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Khi photon có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron

với nguyên tử thì hiệu ứng quang điện không còn đáng kẻ nữa, khi này tương tác đóng

vai trò quan trọng là tán xa Compton.

Trong tán xạ Compton, photon va chạm với electron, nhường | phan năng lượng

của nó cho electron và đôi phương bay Electron sau khi va chạm, nhận phan năng

lượng do photon truyền cho, bứt ra khỏi nguyên tử

Năng lượng của photon và của electron sau khi tan xạ phụ thuộc vào góc lệch của

gamma sau tán xạ so với phương bay ban dau [2]:

- E la nang lượng của photon lúc bay vào.

- E` là năng lượng của photon sau tương tác.

- E, là năng lượng của electron sau tương tác.

E

a= ——,m,=9,1.10" kg, ¢ = 3.10 m/s, m,c* = 0,511MeV

me

‹

Tán xạ Compton thường xảy ra với các photon ở lớp ngoài cùng của nguyên tử.

Tiết điện của tán xa Compton tỉ lệ với Z, và tỉ lệ nghịch với E.

E

photon tới elSetföñ Q electron tan xa

oY

photon tan xa

Hình 1.1 Mô hình tán xa Compton.

1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi photon có năng lượng lớn hơn 2 lần năng lượng nghỉ của clectron (khoảng

1,02 MeV) thì khi photon này đi qua trường hạt nhân, nó có thé sinh ra một cặp

electron — positron, đó la hiệu ứng tạo cặp.

Sau quá trình tạo cặp năng lượng photon chuyên thành năng lượng của clectron

va positron tạo thành, phan năng lượng còn lại chuyển thành động năng của electron và

positron này.

Electron và positron bị mat dần năng lượng khi di chuyên và ion hóa các nguyên

tử trong môi trường Riêng positron mang điện tích đương, khi nó mat năng lượng và

gap | electron thì sẽ xảy ra hiện tượng hủy cặp Tức là, cặp positron va electron nay sẽ

biến mắt, thay vào đó là sự xuất hiện của 2 bức xạ gamma có năng lượng 0.511 MeVbay gần như ngược chiều nhau (góc hợp xap xi 179°)

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

1.2 Cac đặc trưng phô gamma

1.2.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần

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

đối lớn, nên lượng photon bị mat mát lớn, dẫn đến hiệu suất ghi nhận của đầu dò luôn

nhỏ hơn 100%,

Hiệu suất đỉnh nang lượng toàn phan cho ta biết khả nang ghi nhận bức xạ của

đầu dd Đại lượng này có giá trị bằng tỉ số giữa số photon dau dò ghi nhận được ứng

với đỉnh quang điện và số bức xạ phat ra từ nguồn [1].

Đại lương này được xác định là tỉ số giữa số đếm ở kênh trung tâm của đỉnh hấp

thụ năng lượng toàn phần và số đếm trung bình của vùng Compton Vùng Compton

được chọn ở đây là vùng nằm trên nên Compton liên tục và ở phía trước cạnh

Compton Giá trị của dai lượng này được xác định theo công thức :

- Gla số dém ở kênh trung tâm của đỉnh hap thy năng lượng toàn phan

- Clà số đêm tại vị trí kênh i tương ứng

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

=

pho.

Cạnh Compton

Hình 1.2 Ving Compton và định quang điện trong phô mô phỏng GEANT4 của nguồn

“Co khi ghi nhận bằng dau dd nhấp nháy Nal(TI) có bé day lớp Al,O; bằng Imm

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

Dé đánh giá độ phân giải của dau dò, người ta sử dụng đại lượng độ phân giải

đỉnh hấp thụ toàn phân Đại lượng nay được xác định là ti số độ rộng nửa định phô

năng lượng toàn phan (FWHM) và năng lượng tương ứng với đỉnh này [1].

FWHM phụ thuộc vào loại dau dò và năng lượng photon mà đầu đò ghi nhận Giá

trị của đại lượng này được xác định theo biểu thức toán học:

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MO PHONG MONTE CARLO

2.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là tên gọi dé chỉ các nhóm thuật toán sử dụng việc lay

ngẫu nhiên đề thu được lời giải cho bai toán đặt ra [5] Phương pháp này được đưa vào

giảng dạy ở các trường học ở nước Anh từ thế ki XX, tuy nhiên, phương pháp này chỉ

được chính thức trở thành công cụ nghiên cứu khoa học trong giai đoạn chế tạo bomnguyên tử vào thời kì chiến tranh thé giới lần 2 Nó giúp mô phỏng lại toàn bộ quá trình

khuếch tán ngẫu nhiên của neutron trong vật liệu phân hạch

Phương pháp Monte Carlo hỗ trợ giải các bài toán phức tạp bằng các mô tả mang

tính thông kê Phương pháp này mô phỏng các hạt riêng rẽ và ghi nhận, đánh giá các

trạng thái trung bình của chúng Sau đó, dựa vào định lý giới hạn trung tâm, rút gọn trạng thái trung bình của các hạt mô phỏng thành trạng thái trung bình của các hạt trong

hệ vật lý.

2.2 Chương trình MCNP

2.2.1 Giới thiệu MCNP (Monte Carlo N — Particle) là chương trình ứng dụng phương pháp Monte

Carlo dé mô phỏng các quá trình vật lí hạt nhân đối với neutron, photon, electron (các

quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng

neutron, ) Chương trình ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và hiện nay

là nhóm Transport Methods Group (nhóm XTM) của phòng Applied Theoretical &

Computational Physics Division (X Division) ở trung tâm Thi nghiệm Quốc gia Los

Alamos (Los Alamos National Laboratory — Mỹ) Trong mỗi hai hoặc ba năm ho lại

cho ra một phiên ban mới của chương trình [Š].

Chương trình MCNPS — một phiên bản của MCNP, là một công cụ tính toán rấtmạnh, nó có khoảng 44 000 dong lệnh được viết bằng FORTRAN va 1000 dòng lệnh

C++, trong đó có khoảng 400 chương trình con (subroutine) Chương trình mô phỏng

này có thé mô phỏng vận chuyên neutron, photon va electron, giải các bài toán vận

chuyên bức xạ không gian 3 chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các

lĩnh vực từ thiết kế lò phản ứng đến an toàn bức xa, vật lý y học với các miền năng

lượng neutron từ 10 — 11 MeV đến 20 MeV (một số đồng vị có thé lên đến 150 MeV),

đối với photon và clectron từ 1 keV đến 1 GeV Người sử dụng có thẻ xây dựng các

dang hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện hạt nhân do chương trình

cung cấp Chương trình hoạt động dựa trên nền tảng của phương pháp Monte Carlo, nóđiều khiển các quá trình tương tác bằng cách gieo số ngẫu nhiên theo quy luật thống kê

cho trước Các mô phỏng đều được thực hiện trên máy vi tính vì số lần thử cần thiết

thường rat lớn

Chương trình MCNP được cung cap tới người dùng thông qua Trung tâm Thông

tin An toàn Bức xạ ở Oak Ridge, Tenness (Mỹ) và ngân hang dữ liệu của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử ở Paris (Pháp) [5].

Tại Việt Nam, trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, các tính toán mô phỏng bằngchương trình MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện Nghiên cứuHạt nhân Da Lạt, Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Công nghệ bức xạ thanh phố Hỗ

Chí Minh Viện Khoa học & Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, và đặc biệt là chương trình MCNP đã được đưa vào giảng dạy như là

một phần của môn học “Ứng dụng phan mém trong Vat lý Hat nhân” ở bậc đảo tao cao

học tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân — Kỹ thuật Hạt nhân (Trường Đại học Khoa học Tự

nhiên — ĐHQG thành phố Hồ Chi Minh)

Các nghiên cứu ứng dụng MCNP tại Việt Nam chủ yếu tập trung vao các lĩnh vực

như tính toán cho lò phản ứng, phô ghi nhận bức xa, phân bố trường liều bức xạ, phântích an toàn che chan

2.2.2 Sơ lược về MCNPHình học được thê hiện trong MCNP 1a hình học có cấu hình 3 chiều MCNP xử

lí các hình học trong hệ tọa độ Descartes Hình học trong MCNP được mô tả thông qua

các Cell card (định nghĩa ô mạng) và Surface card (định nghĩa mặt) Đề viết được phầnCell card và Surface card, cần phải biết các thông số kỹ thuật của đầu đỏ (bao gồm cácloại vật liệu cầu tạo nên đầu dò, hình dạng và kích thước của đầu đỏ)

2.2.3 Cấu trúc của một input file của MCNP

Khối thông tin (nếu cần)

Tiêu dé của bài toán

Định nghĩa ô mạng (Cell cards)

Giới hạn bằng dòng trong

Định nghĩa mặt (Surface cards)

Sô dòng trông (nêu cân)

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

thuộc tính sau:

a Định nghĩa mặt (Surface card)

s* Các mặt được định nghĩa bởi phương trình

Dé tao ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phỏng, MCNP cungcap một sô các dạng mặt cơ bản chang hạn như mặt phang, mặt cầu, mặt try, (có tat

cả gần 30 loại mặt cơ bản) Các khối hình học mô phỏng được tạo thành bằng cách kết

hợp các vùng không gian giữa các mặt với nhau thông qua các toán tử giao, hợp và bù.

Các mặt được định nghĩa trong Surface card bằng cách cung cấp các hệ số của các

phương trình giải tích mặt hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt Các phương

trình giải tích cho một số mặt thường dùng được cung cấp bởi MCNP được trình bày

trong bảng 2.1.

Bảng 2.1 Một số mặt thường được dùng trong MCNPS

Mặt phang| Mặt phăng thường Ax+By+Cz=0 Mặt phẳng i trục X Xx—

Mặt phăng 4L trục Y

Mat phăng L trục Z

Mặt cầu | Tâm tại gốc tọa độ x? +? +27 — R2 =0

Mặt cầu Mặt cầu thường |(x—X)* +(y—ÿ)? + ø—7)? — R? = 0Mặt cầu Tâm trên trục X (x 7=)? ty? +z2 — R? =0

Mặt cầu Tâm trên trục Z 2 hy? +(—5)? — RẺ =0

Nếu xét trường hợp trong không gian chỉ có một mặt, thì mặt này sẽ chia không

gian thành 2 vùng riêng biệt Gia sử rằng s = f(x, y, Z) = 0 là phương trình của một mặt

trong bai toán Đối với một điểm (x, y, z) mà có s = 0 thì điểm đó ở trên mặt, nếu s âmđiểm đó được gọi là ở bên trong mặt và được gán dau âm Ngược lại, nêu s đương,điểm đó được gọi là ở bên ngoài mặt thì được gắn dau đương

Bên cạnh đó, quy ước vẻ chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giảnhơn đối với một số mặt cụ thé:

- Đối với các mặt phăng vuông góc với trục tọa độ: vùng phía chiều dương của trục

tọa độ sẽ mang dau “+”, ngược lại mang dau * — ",

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

“+ bên trong mang dấu "` — *,

b Định nghĩa dữ liệu (Data card)

Khái Data card gom 2 phan:

- Phan thứ nhất liên quan đến các tính chat vật lý va các đặc điểm của nguồn, gồm

có: Mode Cards (loại hạt), Phys (tinh chất vật lý), Source (nguồn)

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

s* Mode Cards

Mode card là phan khai báo loại hat mà ta muốn xét Trong MCNP, có tat cả 3

loại hạt là neutron (n) proton (p) va electron (e).

“ Source Cards (Nguồn)

MCNP cho phép người dùng mô tả nguồn ở các dang khác nhau thông qua các

thông số nguồn như năng lượng, thời gian, vị trí và hướng phát nguồn hay các thông sốhình học khác như cell hoặc surface Bên cạnh việc mô tả nguồn theo phân bố xác suất,người ding còn có thê sử dụng các hàm dựng sẵn dé mô tả nguôn Các hàm nay bao

gồm các hàm giải tích cho các phố năng lượng phân hạch và nhiệt hạch chăng hạn như

các phô Watt, Maxwell và các phô dang Gauss (dạng theo thời gian, dang đăng hướng

cosin và dọc theo một hướng nhất định)

Một số loại nguồn trong MCNP:

Các thông số của nguồn thường bao gồm:

- Nang lugng (energy): ERG

- Thoi gian (time): TME

- Hướng (direction): AXS

- VỊ tri (position): POS

- Loai hat (particle): PAR

- Trong số (weight) (nếu có): WGT

s* Tally

Với chương trình MCNP, người dùng có thê truy xuất các kết quả mô phỏng như

dong hat (particle current), thông lượng hat (particle flux), năng lượng dé lại (deposited

energy), thông qua việc sử dung các Tally card.

MCNP cung cấp 7 tally chuẩn cho neutron, 6 tally chuan cho photon va 4 tallychuan cho electron Các tally co ban này có thé được thay đôi bởi người dùng theonhiều cách khác nhau Tat cả các tally đều được chuẩn hóa để tính trên một hat phát ra,

trừ các bải toán ngưỡng KCODE.

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

là tally độ cao xung, vì đây là kiều đánh giá phô độ cao xung thu được từ mô phỏng

trong việc so sánh với đữ liệu thực nghiệm Tally F§ có chức năng cung cấp các xung

theo phân bố năng lượng được tạo ra trong một cell mà được mô tá như một đầu đỏ vật

lý Nó cũng cung cấp cho ta biết sự mat mát năng lượng trong một cell Tally F8 đượctạo ra ở các điểm nguồn và các chỗ giao của bề mặt, Các bin năng lượng trong tally F8tương ứng với năng lượng toản phan mat trong đầu đỏ trong các kênh đã được định rõbởi mỗi hạt vật lý

“+ Mn Cards (Material Cards)

Material cards mô tả loại vật liệu được lấp day trong cell trong quá trình mô

phóng Các thành phan trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên

tô thành phan tỉ lệ phần trăm của nguyên tổ đó trong vat chat

Ti lệ dong góp của đồng vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số nguyên tử có

trong hợp chất nếu mang giá trị đương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nêu mang giá trị âm.

Lưu ý: Nếu tông tỉ lệ đóng góp của các đồng vị trong hợp chất khác 1, chươngtrình MCNP sẽ tự động chuẩn lại các tỉ lệ này sao cho tong của chúng đúng bằng 1

s% Các kiểu định nghĩa nguồn

Nguồn tông quát

Card SDEF được dùng dé định nghĩa nguồn một cách tông quát

Bảng 2.2 Một số biến nguồn thông dụng

Toa độ vi trí nguôn, mac Vector tham chiêu cho định: (0,0,0) RAD và EXT

Năng lượng hạt phát ra từ Bán kính quét từ POS

nguôn, mặc định: 14 MeV hoặc từ AXS, mặc định: 0

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

Trọng số của hạt phát ra từ

Loại hạt phát ra từ nguồn, 1:

Vi tri trén truc x

neutron, 2: photon, 3:

Vector tham chiéu cho DIR Vi tri trén truc y

Cosin của góc hợp bởi VEC |

và hướng bay của hạt, mắc Vi trí trên trục z

định: đăng hướng.