— Chương 2: MCNP- tập hợp các công cụ mô phỏng vận chuyển bức xạ bằngphương pháp Monte - Carlo: tổng quan về MCNP đồng thời giới thiệu các loại tương tác của photon với vật chất trong MC
Trang 14 - S64
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA VẶT LÝ
TRUONG THỊ PHƯƠNG THI
NGHIÊN CỨU ANH HUONG CUA CAC THONG
SO MO PHONG DEN HAM DAP UNG CUA
DETECTOR HPGe
Ngành: VAT LÝ
Mã số: 105
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Ths TRAN THIỆN THANH Chữ kí của giảng viên phản biện Chữ kí của giảng viên hướng dẫn
THANH PHO HO CHÍ MINH - NAM 2012
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện bai luận van này, em đã nhận được rất nhiều sựquan tâm, động viên của gia đình va bạn bè cũng như sự hướng dẫn nhiệt tình củaquý thầy cô Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tắt cả mọi người:
e Cám ơn Ths.Trân Thiện Thanh, người thay đã truyền đạt những kiến thức
chuyên môn, những chi dẫn tận tinh và những lời động viên khi em gặp khó khăn.
e Cam ơn Ths.Lé Công Hao đã nhiệt tình giúp đỡ em dé bài luận văn được
hoản chỉnh hơn.
e Cám ơn các thay cô bộ môn vật lý hạt nhân của trường Đại Học Sư Phạm
TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức nền tảng để em hoàn thành bai luận văn
này.
e Cám ơn cha mẹ và anh chị đã bên cạnh con khi con cần, giúp đỡ con về mattỉnh thằn để con có thể hoàn thành tốt bài luận văn này.
e Cuối cùng xin cảm ơn những người bạn thân của em, cảm ơn các thành viên
lớp lý 4CN cảm ơn các bạn đã luôn giúp đỡ và động viên mình khi mình trong giai
đoạn khó khăn nhất
Sinh viên
Trương Thị Phương Thi
Trang 3MỤC LỤC
Danh mục các kỷ hiệu, các chữ viết tắt - s-vcscerxevrvkrrrxeerrrxerrrrrerre 5
ERIE GERAIS DIG cece ics ss s0sncenns s009 ransnepenpopcesv3 peavonecovenr”{(coneggunapores yuooesuwepneasbsconspenoneny ad cnaee 6
Ol | 1 | er Te ae 8
CHƯƠNG 1: DETECTOR BAN DAN SIÊU TINH KHIET HPG: 10
DS IRF RR Ria tas: cassia eae ica i aeemnastah paces 10
1.2 Cac loại detector germanium s-c<5sS << ireeeeeereereesree ll
l.3- Độ phân giải năng lượng, - oăoeoeăỶễeeeEEennoesnsisnnoise H
LẠI /ĐMỀDRỀNGG2)26@00900G6G4/GX6600AkiLAA4ÿ00004Xá/6ậ 13
EAD Cie Dep baie ia iss cco c6 ŸỶenoeeeniee=====Ẩs 13
CHUONG 2: MCNP- TAP HỢP CAC CONG CỤ MƠ PHONG VAN CHUYEN
BUC XA BANG PHƯƠNG PHAP MONTE —-CARLO s 14
2.1 Phương pháp Monte —Carlo ssssssssssssssecsssessvssssseseesesensnnsustensceenssssnsssoess 14
| 14
2.1.2 Hai đặc điểm chính của phương pháp Monte — Carlo 14
2.2 Giới thiệu chương trình MCNP .0 s.sccsccsscssssssscsscsscsenssnusseseeceecessannsseees 15
2.3 Tương tác của photon với vật chất trong MCNP l6
E21 TRC assis goi rao tG lo eecteeeoseoaesooae 16
2132 “TRA TH «sseeerreeeeeeSseeenoeereeennnennokevsiceelb(si12222466/22))246 19
23:3: 'HẫnhyqungIiỆN:—-—-<:~<6<c<6222 reticence 20
SSM: HQ ty No ====eoiesseseeesmenneneeeeseereneeeeseneennnsoeee 2 2.4 Các bước thực hiện quá trinh mơ phỏng -ccccvc 23
Trang 4CHUONG 3: MÔ TẢ HE PHO KE GAMMA HPGe DUNG TRONG MO PHONG
Sil “MEt tệ thề kỀ::4:2244(000220001/006262/0(00XA0SC/GA)GMGGUSENGS 28
Ni ĐI Geusea=eo=sbsesediiaesekikotoadtedsii0Ai 0x, sesei 28
331 TS NhhTÃI:sáccicccccccocbct20L216kckaolccssestiieooe 293.I.22 Cấu hình 747 vu Su 22 2E 211A2212112E22402xxee 303/1123: Cầu Đàn ti: Seen ee om Ren OCT One ORO (1126016025628 32
3.2 Ảnh hưởng của các thông số mô phong -:-.sssssvessssnsessossessssnsueecesnsecenacee 33
3.2.1 Mô hình hệ mô phỏng trong MCNP -22222222scccccvvocrec 33
3.2.2 Các thông số được dùng trong mô phỏng 34
BRUIT ĐH 5 ro SbactacasG beagle pesdiasl naeeemaesssaissasien 49
TAL ZEUS THAN KH sisssecssiciscticssnsctsvasctiinnccsinisadsbacnatsi icitiaasiteatiiviee 50
Trang 5DANH MỤC CAC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT
> Các ký hiệu
e;: hiệu suất đỉnh.
e,: hiệu suất tông.
P/T: tỉ số hiệu suất đỉnh trên hiệu suất tổng.
> Các chữ viết tắt
Ge: germanium.
Be: berium.
MCNP: chương trình mô phỏng Monte Carlo (Monte Carlo N-Particle).
HPGe: detector Germanium có độ tinh khiết cao (High Pure Germanium detector)
GEB: năng lượng Gauss mở rộng (Gaussian Energy Broadening).
TTB: bẻ day bia bức xạ him (Thick — Target Bremsstrahlung).
Trang 6DANH MỤC BANG
Bang 2.1: Các kiểu truy xuất kết quả 52 66 252s<cccvvvEEveerrvsrrkksee 25
Bảng 3.1: Độ sai biệt hiệu suất đỉnh các trường hợp NOCOH=1, IDES=I so với khikhông có thông số mô phỏng ở các đỉnh năng lượng với mật độ detector là 5,323
| a a ey 36
Bảng 3.2: Độ sai biệt hiệu suất đỉnh trường hợp MODE P E so với MODE P ở các
đỉnh năng lượng với mật độ detector là 5,323 g/crmỶ s¿ ©5255 cccvzsz 37
Bảng 3.3: Độ lệch phổ khi có cau hình 737 so với khi không có câu hình 40
Bang 3.4: Độ lệch phô khi có cấu hình 747 so với khi không cỏ cấu hinh 42
Bảng 3.5: Độ lệch phổ khi có cấu hình 777 so với khi không có cấu hình d4
Trang 7DANH MỤC HÌNH VỀ VÀ ĐỎ THỊ
Hình 1.1: Khoảng năng lượng ghi nhận của một sẽ loại detector germanium Il Hình 1.2: Định nghĩa độ phân giải năng lượng c.< 12
Hinh 1.3: Ham đặc trưng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt va
ương đổi XÊN:(0c¿2cc2z200ï22102)20)0623202G20002G225126)/00222G0x0001210604/20/010865 12
HN 3.1: OP co eễEnarieenierriirinaeeioaseseeeduesee 16
Hình 2.2: Dé thị mô tả sự phụ thuộc của 1(Z,v) theo v cceee 18
Hình 2.3: D6 thị mô tả sự phụ thuộc của C(Z,V) theo v sccvszcccse 20
Hình 2.4: Cơ chế hip thụ quang điện .- - 5+ v2 222262222 E1ezcee 21
Hình 2.5: Hiệu ứng tạo C&p ccessseseereennenessessasesennneseetsnasesesnenenrssssessnsnsesssnenssaspeneees 22
Hình 2.6: Lưu đồ thể hiện quá trình mô phỏng bằng MCNE 23Hình 3.1: Cau hình nguồn va detector trong mô phỏng MCNE - 28
Hình 3.2: Mặt cắt doc của cấu hình 737 eseiree 29
Hình 3.3: Cau hình 737 trong mô phỏng MCNP, 5-225<S2vseE2xcccee 30
Hình 3.4: Mặt cắt dọc của cấu hình 747 vn cseierieirsuree 31
Hình 3.5: Cầu hình 747 trong mô phỏng MCNP ssss:-ssssscoescsssesssecssonecessesssssesese 31Hình 3.6: Cầu hình 777 trong mô phỏng MCNP 32
Hình 3.7: Pho gamma các trường hợp mỏ phỏng ở năng lượng 30 keV với mật độ
ào Cto BA S1 gác 06cnSkbibii2cCic=e0666eSAcl05i6xGssesiSl0i8366 36
Hình 3.8 : Pho gamma các trường hợp mô phỏng ở năng lượng | MeV ứng với mật
Trang 8xã hội Do đỏ các cơ sở trang thiết bị được trang bị ngày càng nhiều và cải tiền hơn
đẻ tạo điều kiện thuận lợi cho vấn đề nghiên cứu Tuy nhiên trong thực tế có nhữngnghiên cứu mà ta không có điều kiện và thiết bị để tiến hành trực tiếp mà phải nhờ
đến một công cụ nữa đó là máy tính Máy tính ra đời giúp cho quá trình nghiên cứu
ngày càng thuận lợi hơn cụ thé là việc đo đạc, phân tích số lệu thực nghiệm thuận
lợi hơn Không chi vậy ma máy tính con là một công cụ mô phỏng thí nghiệm giúp
cho người nghiên cứu có thé so sánh được kết quả với thực nghiệm từ đó tìm ranhững khó khăn hạn chế trong quá trình thí nghiệm Nhưng để mô phỏng được baitoán thi cần phải có các phần mềm mô phỏng như MCNP, GEANT3, GEANT4
Trong luận văn nay, chúng tôi sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo
MCNP4C2 để mô phỏng hệ phổ kế Mục đích của việc mô phỏng là thấy được mức
độ ảnh hưởng của các thông số mô phỏng, đánh giá mức độ che chắn của buông chi
cũng như thấy được sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh vào mật độ của detector
Luận văn gồm 3 chương:
~ Chương |: Detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe: giới thiệu sơ lược vẻ
detector ban dẫn siêu tinh khiết và một số loại detector thuộc loại này
— Chương 2: MCNP- tập hợp các công cụ mô phỏng vận chuyển bức xạ bằngphương pháp Monte - Carlo: tổng quan về MCNP đồng thời giới thiệu các loại
tương tác của photon với vật chất trong MCNP.
Trang 9- Chương 3: Mô tá hệ phé kế gamma HPGc dùng trong mô phỏng và kết quả
mô phỏng: giới thiệu hệ phổ kế dùng trong mô phỏng và kết quả mô phỏng tính
toán được.
Trang 10CHƯƠNG I: DETECTOR BAN DAN SIÊU TINH KHIET HPGe
1.1 Giới thiệu [6|
Detector germanium là detector được sử dụng rộng rai trong các nghiên cứu
hạt nhắn và ứng dụng Day lả loại detector ghi nhận tia gamma có độ phan giải năng
lượng cao nhất hiện nay Năng lượng của tia gamma và beta có thể đo được với độphân giải lên đến 0,1% Có hai loại detector bán dẫn germanium là detector germanium khuéch tan lithium ký hiệu là Ge (Li) va detector germanium siêu tinh
khiét ky higu la HPGe (High Pure Germanium detector) Ca hai loai detector nay
đều có độ nhạy va độ phân giải năng lượng tốt nhưng detector Ge (Li) có một
khuyết điểm là nó không ổn định trong môi trường nhiệt độ phòng bởi vì lithiumđược khuếch tán vào trong vùng nội sẽ bị rò rỉ ra khỏi detector Vì vậy, sự phát triểncủa detector vùng nhạy bang chất bán dẫn không khuếch tán lithium với độ tinh
khiết cao sẽ giải quyết được van dé nay,
Detector Ge là những điôt bán dẫn có cau trúc P-I-N trong đó vùng I là nhạy
với bức xạ ion hóa, đặc biệt là tia X và tia gamma Khi phân cực ngược, sẽ có một
điện trường mở rộng qua ving | này (khi đó vùng I còn được gọi là vùng nghèo).Khi các photon tương tác với vật chất trong thé tích vùng nghèo của detector, những
phan tử mang điện (bao gồm lỗ trống và electron) được tạo ra vả bị quét bằng điện
trường tới hai cực P và N Điện tích nảy tỷ lệ với năng lượng mắt đi trong detector
khi photon tới và được biến đối thành xung điện bằng bộ tiền khuếch đại nhạy điện
tích.
Germanium có độ rộng vùng cắm nhỏ cho nên những đetector này được làm
lạnh để giảm việc sinh ra phan tử mang điện nhiệt, do đó làm giảm dong rò ngược tới mức có thé chấp nhận được, ngược lại tạp âm do đòng rò gây ra sẽ làm giảm khả
năng phân giải của detector Môi trường làm lạnh phỏ biển nhất hiện nay là nitơ
lỏng ở nhiệt độ 77K Detector được đặt trong buồng chân không và toàn thể nóđược đặt trong bình nitơ lỏng LN> Do đó bẻ mặt nhạy của detector được chống 4m
và chong nhiém ban.
Trang 111.2 Các loại detector germanium [2]
Có 7 loại chính:
© Detector germanium năng lượng cực thấp, ký hiệu Ultra - LEGe
¢ Detector germanium năng lượng thắp, ký hiệu LEGe.
e Detector germanium đồng trục, ký hiệu Coaxial Ge.
e Detector germanium điện cực ngược, ký hiệu REGe.
© Detector germanium hình giếng, ký hiệu Well
® Detector germanium dải rộng, ký hiệu XtRa.
e Detector germanium năng lượng mở rộng, ký hiệu BEGe.
Năng lượng (keV)
Hình 1.1: Khoảng năng lượng ghi nhận của một số loại detector germanium
Detector sử dụng trong luận văn nay là detector germanium năng lượng thấp LEGe.
13 Độ phân giải năng lượng [3]
Độ phân giải năng lượng của detector là tỷ số của FWHM (là bẻ rộng của phân bổ tại tọa độ bằng một nửa độ cao cực đại của đỉnh tại vị trí Hạ) và Hp Độ
phân giải năng lượng cảng tốt thi detector cảng có khả năng tách các đỉnh trong phô
nang lượng Độ phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên và được tính
theo %.
Trang 12Độ phân giải R=
Hình 1.2: Định nghĩa độ phân giải năng lượng.
Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì cang có kha năng phân
biệt được hai bức xạ có năng lượng gần nhau.
đN
H, H
Hình 1.3: Hàm đặc trưng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt va
tương đối xấu
Trang 13Hiệu suất ghi của detector là xác suất ghi nhận bức xa, bằng tỷ số giữa số bức
xạ ghi nhận được trên tổng số bức xạ đi vào detector Cơ chế ghi nhận của đầu đò
dựa theo tương tác của bức xạ trong môi trường vật chất Một photon tới tương tác với vật liệu đầu dd theo ba cơ chế chính: hap thụ quang điện, tán xạ Compton va hiệu ứng tạo cặp Trong ba cơ chế nay thì hap thụ quang điện làm mắt toan bộ năng
lượng của photon trong đầu dò Hai cơ chế kia chỉ chuyển một phần năng lượng chođầu đò Mặc dù các tán xạ được kết thúc bằng hdp thụ quang điện cỏ thể đóng góp
vào đỉnh năng lượng toàn phần nhưng vẫn có các trường hợp photon bị thất thoát và
do đó chỉ được ghỉ nhận một phần.
1.4.2 Các loại hiệu suất
Dựa vào đặc tính trên để xác định, có hai loại hiệu suất được định nghĩa:
Hiệu suất toàn phần (e,): là xác suất mà một photon để lại một năng lượngkhác không khi đi vào vùng hoạt của detector.
Hiệu suất đỉnh (e,): là xác suất mà một photon để lại toàn bộ năng lượng của
nó khi đi vào vùng hoạt của detector.
Hiệu suất đỉnh và hiệu suất toàn phần liên hệ với nhau qua công thức:
PT= (1.1)
E,
Công thức (1.1) được gọi là tỷ số đỉnh - tông hay tỷ số P/T
Trang 14CHƯƠNG 2: MCNP- TAP HỢP CÁC CONG CỤ MÔ PHONG VẬN
CHUYEN BỨC XA BANG PHƯƠNG PHAP MONTE - CARLO
2.1 Phương pháp Monte -Carlo [7], [8]
2.1.1 Giới thiệu
Mô phỏng bằng phương pháp Monte - Carlo là phương pháp mô phỏng trênmáy tính dựa vào sự phát sinh các số ngẫu nhiên Phương pháp này cho phép môphỏng tat cả những bài toán ma có sự tham gia của các yếu tố ngẫu nhiên hoặc đối
với nhiêu bài toán mà kết quả của nó rd ràng là một giá trị đúng và không có sự
tham gia của các yếu tổ ngẫu nhiên thì ta vẫn có thể xây dựng mối liên hệ giữa kếtquả này với một hoặc một vai đại lượng ngẫu nhiên nao đó và khi đó vẫn có thé áp
dụng phương pháp Monte - Carlo Phương pháp Monte - Carlo được ứng dụng
rộng rãi trong vật lý thống kê, mô phỏng cấu trúc và tính chất của vật liệu, mô
phỏng các bài toán lượng tử nhiễu hạt
2.1.2 Hai đặc điểm chính của phương pháp Monte — Carlo
- _ Đây là thuật toán đơn giản Khi mô phỏng ta chỉ cần xây dựng thuật toán cho
một sự kiện và lặp đi lặp lại cho tất cả các sự kiện Vì vậy mà người ta còn gọiphương pháp này là phương pháp thử thống kê.
- Sai số của kết quả nhận được sẽ tỉ lệ với đại lượng VD/N (với D là hằng sé
nào đó, N là số sự kiện mô phỏng) Từ công thức này ta thấy nếu muốn giảm sai số
thì chỉ cần tăng số sự kiện mô phỏng lên
Như ta đã biết phương trình vận chuyển bức xạ qua vật chất chỉ có thê giải
được cho một số cấu hình nhất định Tuy nhiên ngày nay quá trình tương tác củaphoton và electron được biết rat tốt cũng như dữ liệu tiết diện thì luôn có sẵn Từđây ý tưởng sử dụng phương pháp mô phỏng Monte- Carlo cho việc giải quyết các
bài toán vận chuyển bức xạ được hình thành Phương pháp Monte — Carlo mô
phóng sự tương tác của những vật thể này với những vật thế khác hay là với môi
trường dựa trên các mỗi quan hệ vật thể - vật thé va vật thé - môi trường đơn giản
Trang 15Nó cé gắng mô hình hóa tự nhiên thông qua sự mô phỏng trực tiếp các lý thuyếtđộng lực học can thiết dựa theo yêu cầu của hệ Lời giải được xác định bằng cáchlay mẫu ngẫu nhiên của các quan hệ hay là các tương tác vi mô cho đến khi kết quả
đồng quy Do vậy cách thực hiện lời giải bao gồm các hành động hay các phép tính được lặp đi lặp lại.
Trong quá trình mô phỏng một photon hoặc electron được xem như “hạt” được
sinh ra từ một nguồn bao gồm năng lượng ban đầu, vị trí tương tác, góc tán
xạ trên cơ sở của các tương tác vật lý, bảng tiết diện mở rộng và số giả - ngẫu
nhiên Một hạt được tạo ra bằng cách lấy mẫu một nguồn có năng lượng E từ danhsách của các năng lượng có sẵn kết hợp với vị trí đầu tiên r và hướng tới Q Trongkhông gian pha cho mỗi quá trình tương tác và vị trí mới lại được lấy mẫu kết hợpvới năng lượng còn lại và một hướng mới Quá trình này được lặp lại cho đến khi
nguồn hạt và tất cả các hạt thứ cấp đã dé lại toàn bộ năng lượng của nó Nếu năng
lượng này được để lại trong đầu dd, một số đếm sẽ được đưa vào phổ gamma tạinăng lượng xấp xi của nó Quá trình này được lặp lại cho đến số ngẫu nhiên được
giới hạn trước.
2.2 Giới thiệu chương trình MCNP [1], [4]
MCNP (Monte Carlo N-Particle) là một chương trình máy tính được viết bởi
tiến si Thomas N K Godfrey — nhà lập trình MCNP hàng đầu vào những năm 1975
~ 1989 và các cộng sự.
MCNP là chương trình đa mục đích, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để
mô phỏng quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron mang tính
thống kê Trong MCNP miễn năng lượng tính toán của neutron lả 10”! MeV - 20
MeV, của photon vả electron là 10° MeV — 10° MeV MCNP sử dung cac thu vién
dit liệu của các quá trình hạt nhân, các quy luật phân bố thống kê, số ngẫu nhiên ghilại các sự kiện của một hạt trong suốt quá trình kế từ khi phát ra từ nguồn đến hết
thời gian sông của nó.
Trang 162.3 Tương tác của photon với vật chất trong MCNP 1], [10]
MCNP giải quyết van đề va chạm của photon lên vật chat qua hai mô hình:
xử lý theo vật ly đơn giản và chi tiết dya trên lý thuyết của tán xạ Compton, tắn xạ
Thomson, hiệu ứng quang điện vả hiệu ứng tạo cặp.
Xử lý vật lý đơn giản bỏ qua tán xạ kết hợp và photon huỳnh quang từ sựhap thụ quang điện Nó chỉ xét đến các photon có năng lượng cao và các electron tự
do và điều quan trọng là dự đoán các hiện tượng tiếp theo sau như là: vị trí đặt đầu
dò nơi mà tán xạ kết hợp gần như đi thing
Xử lý vật ly chỉ tiết bao gồm tán xạ kết hợp (Thomson) vả tính đến các
photon huynh quang sau hap thụ quang điện
2.3.1 Tán xạ Compton
Hinh 2.1: Tan xa Compton.
Trang 17Dé mô hình hóa tán xa Compton thì điều cần thiết nhất là phải xác định góc
tán xạ Ø (góc giữa phương chuyển động của photon tới vả photon thứ cấp), nănglượng của photon thứ cấp E và động năng giật lùi của electron E - E, với tiết diện
tán xạ vi phân được tính theo công thức:
ø,(Z.0,u)dụ =1(2.v)K(œ.h)dụ (2.1)
:Xi
Kísgbdu=r¿| ] ea (2.2)
a a a
Với rạ = 2,817938, 10!” em là bán kính electron cé điển.
a và a lần lượt là năng lượng của photon tới và photon thir cấp tinh bing đơn vị
0,511 MeV (a= ~; ,m là khối lượng của electron, c là vận tốc ánh sáng)
a
Thừa số dang hiệu chỉnh I(Z,v) sẽ làm giảm tiết diện tán xạ vi phân Klein-Nishima
(tinh cho một electron) theo hướng về phía trước đối với photon có năng lượng thấp
và vật liệu có Z cao Đối với vật liệu có Z bất kỳ thừa số dạng hiệu chỉnh I(Z,v) sẽtăng từ I(Z,0)=0 đến I(Z,)=Z
Trang 18Với nr = 0,2494351 barn và o,(Z,a),1(Z,v) được tra từ thư viện của MCNP.
Năng lượng sau của photon E' tính đến ảnh hưởng của các electron bề mặt
Các electron liên kết ảnh hưởng lên sự suy giàm năng lượng photon tới làm mở
Trang 19rộng phổ năng lượng bởi vì động lượng trước va chạm của electron Ảnh hướng lên
sự suy giảm năng lượng của tán xạ không kết hợp của photon được gọi là sự mở
rộng phô Doppler (hiệu img Doppler).
2.3.2 Tan xạ Thomson
Trong tán xạ Thomson, năng lượng của photon tới không thay đổi mà chỉ có hướng của nó thay đôi Do đó ta chỉ tính góc tán xạ 0 và quá trình vận chuyên tiếp theo của photon tán xạ Khi đó tiết diện tán xạ vi phân được tinh theo công thức:
6, (Z,0,p)dp = C”(Z.v)T(u)dụ (2.6)
Tandy = ary (1+ p* dp (2.7)
Tí) là tiết diện tán xạ vi phân Thomson
Thừa số dạng hiệu chỉnh C”(Z.v) sẽ làm giảm tiết điện tán xạ vi phânThomson theo hướng tán xạ ngược đối với photon có năng lượng cao và vật liệu có
Z thấp Đối với vật liệu có Z bắt kỳ thừa số hiệu chỉnh C(Z,v) sẽ giảm từ C(Z,0) = Z
Tại ụ = -1 có giá trị cực đại của v là
= xay2 = 41,2166a khi đó vì =1698,8038a" (2.9)
OO
ryong *ai-Học Su-Pham
| _TP_HO-CHI-MINH
Trang 20Photon sau khi tán xạ tiếp tục đi chuyển trong vật liệu đầu dò và nếu xảy ra
quá trình tán xạ Thomson với p cho trước thì sẽ được lấy mẫu theo hàm mật độ xác
suất p(y) =x at với ơ;(Z,0) là tiết điện tán xạ Thomson tích phân.
2
Giá trị của C*(Z,v) tại v=xa/l-p được nội suy từ các bảng C*(Z,v)) có trong
thư viện của chương trình MCNP Đối với năng lượng cao thì tán xạ Thomson được
bỏ qua.
2.3.3 Hấp thụ quang điện
Trong hiệu ứng quang điện, năng lượng electron của photon tới bị hap thụ, sau
đó phat ra một vài photon huỳnh quang va làm bật ra một electron quỹ đạo có năng
lượng liên kết e < E vả truyền cho electron một động năng E - e
Trang 21— Không có photon huỷnh quang nao với năng lượng lớn hơn | keV phat ra Ở
đây có hiện tượng dịch chuyển của các electron lắp đầy lỗ trống do electron
quỹ đạo bị bật ra từ hiệu ứng quang điện hoặc hiệu ứng Auger Vì không cóphoton huỳnh quang phát ra cho nên quá trình vận chuyển của photon đượccoi như kết thúc
~ Có một photon huỳnh quang với năng lượng lớn hơn | keV phát ra Ở đây
năng lượng photon huỳnh quang E’ = E - (E - e) - e' = e- e’, E là năng
lượng photon tới, E - e là động năng electron thoát, e` là năng lượng kíchthích du cuối cùng dé bị tiêu tán bởi các quá trình Auger tiếp theo và được
mô hình hóa bằng MODE P E của chương trình MCNP Các quá trình
chuyển đổi trạng thái sơ cấp nhờ năng lượng kích thích dư e` đóng góp vào
hiệu suất huỳnh quang toàn phản và phát ra tia X như:
Ka, (L, > K);Ka,,(L, + K);KB,,(M > K);K;.(N > K) (2.10)
— Cé hai photon huỳnh quang có thé được phát ra nếu năng lượng kích thích dư
e` đóng góp trong hai quá trình lớn hơn 1 keV Electron có năng lượng liên
kết e'" có thé lắp đây 16 trống trên quỹ đạo của electron có năng lượng liên
Trang 22kết e'' và làm phát ra photon huỳnh quang thứ hai với năng lượng E"'= e'
-e`", Đến năng lượng kích thích dư e`` cuối cùng sẽ bị tiêu tan trong quá trinhAuger tiếp theo và được mô hình hóa bằng MODE P E hoặc xắp xi TTB của
chương trình MCNP Các chuyền đổi trạng thái thứ cấp này xảy ra khi các
electron ở lớp cao hơn chuyển vẻ lớp L Mỗi photon huỳnh quang phát ratrong hai trường hợp trên được giả thiết là ding hướng và tiếp tục vậnchuyển sao cho BE’, E'` > | keV Các năng lượng liên kết E, E' va E`" phải rat
gần mép hap thụ tia X bởi vì tiết diện hap thụ tia X thay đổi đột ngột tại các
Trang 23Quá trình này chỉ được xét đến trong trường điện từ của hat nhân Năng
lượng ngưỡng của photon tới phải đạt ngường hv > 2mạc” = 1,022 MeV khi đó ta
xét ba trường hợp sau:
Trường hợp electron vận chuyển (MODE P EB), khi này cặp f', 6” sinh ra và
lượng tử y biễn mắt
Trường hợp MODE P với xp xi TTB cả §', 8 sinh ra nhưng không vận
chuyển, f° bj ham lại còn 8” được xét trong trường hợp ba.
Positron không bị ham, photon tới có năng lượng triệt tiêu Động năng của
cap ؈, B” gần bằng E ~ 1,022 MeV tạo ra va chạm tại điểm tương tác Kết qua làtrong cặp photon cùng khối lượng cùng năng lượng mạc” = 0,511 MeV Một thì bay
ra đăng hướng còn lại thì bay ra ngược chiêu
2.4 Các bước thực biện quá trình mô phỏng [1], [4], [10]
Quá trình mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng MCNP được thực hiện theo
lưu để sau:
TEP DAU VÀO
Thé 6.
Thẻ mặt Tính toán hình học.
Hình 2.6: Lưu đồ thể hiện quá trình mô phỏng bằng MCNP.
Đối với bài toán cụ thé, điều quan trọng nhất để có một chương trình MCNP
là tạo một tệp đầu vào, trong đó có chứa các thông tin cần thiết dé mô tả bài toán
Trang 24e Năng lượng (MeV)
e Thời gian (shake = 10s)
e Mật độ khối lượng (g/cm”)
© Mật độ nguyên tử (nguyên tử/cm”)
«_ Tiết điện tương tác (barn)
“ Cấu trúc của một tệp đầu vào:
© Các dòng thông báo (tùy y).
m — số thẻ vật liệu ( m=0 nếu không có vật liệu, m¿0 nếu 6 có vật liệu)
d - mật độ vật chất, bỏ trống nếu 6 không có vật liệu, d là số dương nếu
đơn vị của d là 10" nguyên tử/cmỶ, đ là âm nếu đơn vị của d là g/cm’)
geom — mô tả hình học của 6
params (tùy ý) - mô tả các tham số của ô
— Về thẻ mặt: thẻ mặt được mô tả như sau:
Trang 25Jna list
Với: j - số thẻ mặt (1< j <99999)
n=0 hoặc bỏ trong khi không có địch chuyển tọa độ
a ~ từ khóa thay thé phương trình biểu diễn bề mặt
— Thẻ dữ liệu:
+ Thẻ MODE: mô tả loại hạt vận chuyển, MCNP có thể chạy theo các
MODE như sau:
MODE N: chi tính cho neutron (mặc định).
MODE N P: tính cho neutron, photon được tạo ra từ neutron.
MODE P: chi tính cho photon.
MODE E: chi tinh cho electron.
MODE P E: tinh cho photon va electron,
MODE N P E: tính cho neutron, photon được tao ra từ neutron va
electron.
+ Thẻ SDEF: mô tả nguồn bao gồm các tham số cơ bản sau:
POS = x y z: vị trí nguồn
CEL = số 6: 6 chứa nguồn
ERG = năng lượng: năng lượng hạt nguồn.
WGT = trọng số: trọng số hạt nguồn.
TME = thời gian: thời điểm bắt đầu tính đôi với nguồn.
PAR = | hoặc 2 hoặc 3: I -N, NP, NPE; 2-P,P-E;3-E.
+ Thẻ truy xuất kết quả bao gồm các kiểu truy xuất kết quả sau:
Bảng 2.1: Các kiểu truy xuất kết quả
FI:N hoặc F1:P hoặc FI:E | Dòng phân tích qua bé matF2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Thông lượng mặt trung bình
Trang 26F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E | Phan bố năng lượng theo độ cao xung
được tạo ra trong detector
+ Thẻ vật liệu: mô tả vật liệu chứa trong 6
Mm ZAID, fraction, ZAID, fraction,
Với: m — số thẻ vật liệu tương ứng với tham số m trên thẻ 6.
CTME x: MCNP sẽ kết thúc tính toán sau thời gian x; với x: khoảng
thời gian (phút) để chạy chương trình.
Tùy thuộc vào từng bải toán cụ thể mà MNCP sẽ có một tệp đầu vào khác
nhau, cũng như tệp đầu ra sẽ có những yêu cầu truy xuất kết quả khác nhau.
Trong thực nghiệm do ảnh hưởng của hiệu ứng giãn nở thống kê số lượng các
hạt mang điện , hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp của nhiễu tín hiệu từ hệ
điện tử làm cho các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thực nghiệm có
dạng đỉnh Gauss Vì vậy, trong mô phỏng ta sử dụng thêm lựa chọn GEB của đánh
giá F8 đi kèm với kết quả truy xuất phân bố độ cao xung Với lựa chọn này phỏ gamma m6 phỏng phù hợp tốt với phd gamma thực nghiệm Trong phổ gamma mô