Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Nghiên cứu phương pháp mới xác định các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI (T1)

Dữ liệu mô phóng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực nghiệm giữa mô hình ban đầu và mô hình tối ưu cả ba thông số ...--- 44... Phần mềm MCNPS cho phép người sử dụng mô ph

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

KHOA VẬT LÍ

CSP =

TP HO CHi MINH

TRUONG THANH SANG

KHOA LUAN TOT NGHIEP

NGHIEN CUU PHUONG PHAP MOI

XAC DINH CAC THONG SO KY THUAT

CUA DAU DO Nal(TI)

Chuyén nganh: Vat li Hat nhan

TP Hồ Chi Minh -năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM TP HO CHÍ MINH

KHOA VAT LÍ

NGHIEN CUU PHUONG PHAP MOI

XAC DINH CAC THONG SO KY THUAT

CUA DAU DO Nal(TI)

Người hướng dan khoa học: TS HOANG DUC TAM

Người thực hiện: TRƯƠNG THÀNH SANG

TP Hồ Chí Minh —nim 2019

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm

thành phố Hồ Chí Minh dé hoàn thành chương trình Cử nhân Vật lý khóa 41, tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Ts Hoàng Đức Tâm đã tận tâm chỉ bảo và giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm khóa luận Bên cạnh đó, những ngày được làm việc cùng nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy Hoàng Đức Tâm tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân đã mang lại cho tôi nhiều kiến thức mới và phương pháp làm việc khoa học, chính những điều này đã tạo cho tôi niềm đam mê và yêu thích

lĩnh vực mà tôi được dao tạo tại trường.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Huỳnh Đình Chương đã hỗ trợ tôi rất nhiều

trong quá trình thực hiện mô phỏng và thực nghiệm của luận văn Tôi xin cảm ơn quý

Thay, Cô trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn trong quá trình học tập và nghiên cứu tại

trường.

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã

ủng hộ và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn trong quá trình học tập.

DANH MỤC KÝ HIỆU VA CHỮ CAI VIET TAT

Chữ cái viết tắt Tiếng anh Tiêng việt

Hiệu suât đỉnh năng FEPE Full Energy Peak Efficency lượng toàn phần

Nal(TI) Sodium Iodide Thallium Tinh thê Natri lot

DANH MỤC BANG

Bảng 2.1 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNPS5 - 525cc Scscssseserses 12

Bảng 2.2 Các định nghĩa tham số trong MŒNPõð 2 2 2 x+2x++E2E++Ezzxerxez 13 Bảng 3.1 Các thơng số của đầu đị Nal(TI) cccccsccssessssssessessecsessessessessessessessesssseeeeeeses 21

Bang 3.2 Thơng số của các nguồn phĩng Xạ - 2-2 2 + E+EE+E£Ec£EeEEeErrerreei 23 Bảng 3.3 Dữ liệu hệ số suy giảm khối từ Nist và thơng số của lớp phản xạ từ nhà sản

Bảng 4.1 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản

xạ phía trước đầu đị INaÏ(TÌ) 2 ¿5 E+SE+EE+EE+E£EEEEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrveei 31 Bảng 4.2 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo

mật độ lớp phan xạ phía trước đầu đị INal(TÌ) 2 2 + +2 £+E££++£+zxxzxzzxees 32 Bảng 4.3 Dữ liệu thực nghiệm và mật độ tối ưu của lớp phản xạ được nội suy từ dữ liệu

Bảng 4.4 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV, 81 keV theo bán

kính tinh thé NaÏ(TI) 22+ 22222++2222112212221111 E22 re 34 Bảng 4.5 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 32 keV, 59 keV theo bán

kimh tinh 0::801/00077 7 35 Bảng 4.6 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 121 keV theo

bán kính tỉnh thé NaÏ(TÌ) - -2222¿£2222+++‡EEE E111 E1 re 36 Bảng 4.7 Dữ liệu so sánh mơ phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo mơ phỏng

Va thurc Mghidm 00111777 38

Bang 4.8 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 662 keV và 964 keV theo Q.08) 39 Bảng 4.9 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1173 keV và 1274 keV theo

QH N08) 40 Bảng 4.10 Dữ liệu mơ phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1332 keV và 1408 keV theo Q08) 41

Bang 4.11 Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực nghiệm

S39983892338535392885233599554335838423585338828850355295843883854358523182381988748123585355525552538938333383512355735352355239858 43

Bang 4.12 Dữ liệu mô phóng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực

nghiệm giữa mô hình ban đầu và mô hình tối ưu cả ba thông số - 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại một electron ở lớp

vỏ ngồi cùng hap thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại +

Hình II;27Hi0(EHE CONN grongtarasttssttrsitinttiieitiioitiitiititosttoattiaitittttiaitietttriiiitssttoatiragii Š Hình Regs CO 6

Hình 1.4 Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyén từ nguồn tới đầu đị 7

Hình 1.5 Phơ đo bức xa gamma năng lượng 1408 keV - 2222©2cc2ccvccvvcce 7 Hình 3.1 Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thé NaÏ(TÌ) .2- 5252552552 17

Hình 3.2: Hình mơ tả gĩc khối của nguồn phĩng xạ đối với đầu dé Nal(TI) 19Hình 3.3 Hình học của đầu đị Nal(TI) được mơ phỏng bang phần mềm MCNPS 20

Hình 3.4 Mơ phỏng thí nghiệm | trong chương trình MCNPS 22

Hình 3.5 Nguồn đặt cách đầu dị 40 cm, sử dụng hệ thống điều khién dé điều chỉnh

khoảng cách với sai số (0,01 mm 5-22-2225 S91221823102522221122112 2112 511721730222 222 23

Hình 3.6 Ảnh chụp bởi mơ phĩng đường đi chim tia gamma trong chương trình MCNPS

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo bán kính tinh thê

Hình 4.3 D6 thị biểu điển hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo chiều dai tinh thé

1189 ,ụyậ%ậỲậẶẲẶầẶẲỒẳẲẮẳẶẮỶỶỒ AI aA.À 42

BM RR acs cc ốố.ốaốốa.aaốa ớớố Ca CC CC CC rốn 1 CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC BỨC XA GAMMA VỚI VAT CHÁT 5cccccscccecccscex3

1.1 Sự truyền bức xạ Poe Ce eer

20150) A ea Cine quang điỆN:::.::c::csc::ccctit11120120122611124312511516128533355253653533355652653536305363583454682553568ã5e 3

1:12: Hiện Ứng COMMON ics sasscesssessssessssessassessssessssasscvessassevsssesssasssavessasseasssesasasssanesszssevessesase: 5

1.1.3 Hiệu Ứng tạo cặp án HT HH HH họ nh HH HH TT ng 6

CHUONG 2 PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO VÀ CHUONG TRÌNH MCNPS §

2:1; IPhrơne pháp MơnIS CAIG:::;:::::‹:::::scc:ccc2c:226022121102202012222016113522363326315654956553538565325355585866524 8

2.2 Chương Trình MMNPS 222222222342 22221122211221111227111112271111112112221121712111 7102 te 9

2.2.1 Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình MCNPS 9

3.2.2 Tiêu dé của một tập tin đầu vào (file input) 22: 2222222 222222zc22xeczzerrrxrcrree 10

223 Cel CANS 5 ics seissessssasssessaacssncssacsaacsavonasasisnsaszsisasisnsasaauaaessaassaaasaassansedseeasaciszsizasisasianens’ 10

ODES UNPACE CONS 5 cs ccaccaccsacsccacssucssavacaassacivaanssucssausaeeucsaussoisosissaassuusaasucecisheisasuesvassnessasssacivd It

BUDS MAR TƠ TẢ ng con ng lầ

CHUONG 3: DAU DO NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CAC THONG SO TOI UU

UI ĐAUPONAHTEDT .-.-.ễằẽêễê sẽ äêêễ-ẽêễễsä êễ s-.ẽ sa ẰằẽẽẽẽŸŸ l6

3.1 Đâu đỏ Nal(Tl -2225+ 222221222211222211122111112121121111112211122111122111117101122111121011 cee l6

3.1.1 Hiệu suất của đầu đỏ NaÏ(TÌ) 2- S222 E22222 1222x222 22222rkkrrrrerrie 1?

3.1.2 Cấu hình và thơng số kỹ thuật của Detector NaÏ(TI) 22: 552555255222: 20

3.1.3 Mơ hình hĩa hệ đo thực nghiệm trong mơ phỏng MCNPSš 22

3.2 Phương pháp xác định các thơng số tơi ưu của đầu đỏ Nal(TÌ) 55555555552 24

3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 4Ì2Ø3 - 24

3.2.2 Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh the Nal(TI) - 2-55s255s2 27

3.2.3 Phương pháp xác định chiều dai tối ưu của tinh thé NaÏ(TÌ) 55-55c52 29 CHƯƠNG 4 KET QUA VA THẢO LUẬN 22222- 2222222222222 12222221122221212221122222 Xe 30

4.1 Kết quả xác định mật độ của lớp phản xạ - 222222 222EE2EE2Cxvrrvxzcrsrrree 31

Mớ đầu

Ngày nay, nhiều kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng vào đời sông đặc biệt là

những kỹ thuật được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, năng lượng, môi trường Việcbắt đầu sử dụng nguồn phóng xạ làm ảnh hướng đến sức khỏe của người vận hành

Các máy đo phóng xạ môi trường trở thành những công cụ cơ bản cho phép người sử

dụng kiểm tra về hoạt độ phóng xạ từ môi trường Hệ phổ kế gamma là một trong

những hệ thống phát hiện bức xạ được sử dụng rộng rãi nhất Trong phép đo phóng

xạ cần có kiến thức chính xác về hiệu suất ghi của máy đo bởi chỉ một phan của bức

xạ đi vảo vật liệu tương tác bên trong nên hiệu suất ghi không đạt 100% Một trongnhững dau đò có hiệu suất cao dé đo hoạt độ môi trường là đầu đò sử dụng chất nhấpnháy rắn điển hình như hệ đo phố gamma Nal(TI) bao gồm một đầu dd Nal(TI) vamáy phân tích đa kênh MCA, hiệu suất ghi bức xạ phụ thuộc vào nhiều tham số của

đầu dò Nhiều phần mềm đã phát triển rat sớm từ những năm 1940 cho phép ngườidùng tính toán phù hợp với mô hình thực nghiệm mà không cần làm việc trực tiếp với

nguồn phóng xạ Phan mềm mô phỏng MCNPS dựa trên phương pháp Monte Carlo

được xây dựng bởi các nha khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos

MCNPS được nhiều nhà khoa học trên thé giới sử dụng vì sự phù hợp của mô phỏng

so với thực nghiệm.

Phần mềm MCNPS cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyềnhạt từ những đữ liệu dau vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng đề tính được

hiệu suất ghi cua đầu do can xác định được số hạt dé lại năng lượng trong tinh thẻ

Trong quá trình photon phát ra từ nguôn trên đường đi nó phải qua các vật liệu môi

trưởng và các lớp che chắn tinh thé Hiệu suất đỉnh năng lượng hap thụ toàn phan

được tính giữa thực nghiệm và mô phỏng bao giờ cũng có sự chệnh lệch tùy thuộc

vào các thông số đầu vào Sự phù hợp giữa tính toán hiệu suất từ mô phỏng va thựcnghiệm cần có những nghiên cứu liên quan giữa các thông số đầu vào đối với kết quảtính toán Khi tính hiệu suất bằng phương pháp gamma truyền qua thì các yếu tô chính

ảnh hưởng đến kết quả là các thông số của dau dé Nal(TI) được cung cấp từ nha sản

xuất, việc hiệu chỉnh các yếu t6 này trước khi mô phỏng sé cho kết quả tôi ưu hơn Sự

ảnh hưởng của lớp phản xạ bao quanh tinh thê đã được nghiên cứu bởi Tam và cộng

sự [5] Kết qua mô phóng cho thấy khi thay đổi bề day lớp phan xạ hiệu suất cũng

thay đôi và phụ thuộc tuyến tinh theo bê day lớp phản xạ Af,Ø, sự hiệu chỉnh thông

số này cho thấy sự phù hợp với độ lệch dưới 2% giữa kết quả mô phỏng và thực

nghiệm ở các mức năng lượng trải dài từ 88 keV- 1332 keV Thay vì hiệu chính thông

số bè day lớp phản xa chúng tôi hiệu chỉnh các thông số khác, đồng thời đưa ra phươngpháp xây dựng một quy trình dé tách rời sự ảnh hướng của từng thông số lên bài toán,

sau đó đưa ra mô hình tối ưu giữa mô phỏng va thực nghiệm

Theo những nội dung trên nên luận văn được chia thành bon chuong Chuong

một trình bay cơ sở lý thuyết vẻ tương tác giữa bức xa gamma va vật chat, những

tương các cơ bản như: quang điện, Compton vả tạo cặp.

Chương hai giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNPS

Chương ba trình bày về mô hình thực nghiệm và phương pháp xác định các

thông số tối ưu Trong chương nay nghiên cứu về ba phương pháp đẻ xác định lần

lượt các thông số mật độ lớp phan xạ bán kính tinh thé Nal(TI) và chiều dài tinh thé

Nal(TI).

Chương bồn sẽ trình bay về kết qua của các thông số tôi ưu của dau do Nal(TI)

thu được đối với từng phương pháp, từ kết quả thu được sẽ thay lại các thông số này

vào mô phỏng, sau đó tiễn hành so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng hap thụ toàn phan

giữa mô phỏng vả thực nghiệm và thảo luận về các thông số tôi ưu với mô hình mới.

CHƯƠNG I1 TƯƠNG TÁC BỨC XA GAMMA VỚI VAT CHAT

1.1 Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất

Ban chat của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng lượng cao ứng với bướcsóng nhỏ hơn10 ”m, Bức xạ gamma thực chất là các hat photon, chúng có tính chat

của cả sóng và hạt, khi đi vào vật liệu photon tương tac với các electron, thường xảy

ra ba hiệu ứng: quang điện, Compton và tạo cặp Do xảy ra tương tác giữa photon và

electron, khi truyền qua vật liệu bia một phần cường độ của chùm tia bị suy giảm, vivậy so đếm photon suy giảm vẻ số lượng tùy thuộc vào độ day vật liệu bia và năng

lượng photon tới.

Quy luật suy giảm của cường độ chùm tia photon di qua vật liệu được tinh theo

công thức:

l=] em photon.cmTM sTM (1.2)

trong đó:

d (em) là bề day vật liệu

(cm) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với vật liệu bia, đo hệ số tuyến tính phụthuộc vào mật độ bia nên người ta thường sử dụng hệ số Suy giảm khối đẻ mô tả sự

suy giảm của cường độ photon truyền qua

d 3

[= le Fae photoncm®,s' (1.3)

Với: w=up.p (g.em `) là mật độ của bia.

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Thí nghiệm nỗi tiếng của Heinrich Hertz vào năm 1887 là một trong những điều

kỳ lạ trong lịch sử khoa học, ông phát hiện ra sóng điện từ xác nhận lý thuyết sóngcủa James Maxwell, ông cũng là người khám phá ra hiệu ứng quang điện dẫn đến tínhchất hạt ánh sáng [6]

Abert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của Max Plank đã giải

thích thành công hiện tượng quang điện Giá thuyết photon mang năng lượng lớn hơnnăng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử đi vào kim loại truyền hết

3

năng lượng cho electron, theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại

của electron bit ra khỏi bề mặt kim loại bằng hiệu năng lượng photon tới và năng

lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử

Trong Kim x

Ngoại Kim

nae loại

Hình 1.1 Đường cong nang lượng của electron trên bề mặt kim loại, một

electron ở lớp vỏ ngoài cùng hap thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại [6].

1 nv, = hƒ ~ếu (14)

trong đó:

Ì_ ¿ ay 4

"-PhẺC la động năng cực đại cua electron.

hƒ là năng lượng của photon tới.

& là năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân

Năng lượng liên kết của electron giảm dan theo các lớp K, L, M, N Nếu nănglượng của photon nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang

điện chỉ xảy ra cho các electron ở lớp xa hạt nhân hơn Mỗi một nguyên tử có cau trúc

năng lượng ở các lớp vỏ electron khác nhau nên xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện

không những phụ thuộc vào năng lượng của photon tới mà còn phụ thuộc vảo số hiệu

nguyên tử.

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton la sự va chạm giữa photon va electron tự do, trong thực tế

thi electron không tự do mà là những electron liên kết với hạt nhân trong nguyên tử

môi trường Đôi với photon đi vào môi trường cỏ năng lượng lớn hơn nhiều so với

năng lượng liên kết của electron ta có thé bỏ qua năng lượng liên kết của electron và

xem như bải toán va chạm giữa photon với các clectron tự đo.

Sự va chạm giữa photon với các electron ở lớp ngoải cùng của nguyên tử (xem

như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton Sau tán xa photon thay đôi phương

chuyên động va bị mất một phan nang lượng còn electron được giải phóng ra khỏi

nguyên tử Theo định luật bảo toàn năng lượng:

T, =E,-E, (15

Trong đó:

T, là động năng cực đại của electron.

E, là năng lượng của photon tới.

E_ là năng lượng của photon sau tán xạ Compton.

Trên cơ sở tính toán dựa trên bảo toản năng lượng và động lượng có xét đếntương đối tính, năng lượng cla photon va electron sau khi tán xạ theo góc ¢ lan lượt

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

Hiệu ứng tạo cặp lả sự tương tác giữa một photon có năng lượng lớn hơn 1022

keV với hạt nhân nguyên tử, kết quả là sự biển mat của photon cùng với sự xuất hiện

cặp clectron và positron Positron sau đó nhanh chóng bị húy do tương tác với các electron khác từ môi trường và sinh ra hai photon với năng lượng 511 keV.

0.511 MeV

Ey = 0.511 MeV

Hình 1.3 Hiệu ứng tao cap [2].

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

T_ +T =E, -2(m.c*) = E, -1022KeV (1.8)

Hiéu ứng tạo cặp xảy ra bên ngoai tinh thé tạo thành photon được ghi nhận ở

đỉnh năng lượng 511 keV, néu hiệu ứng tạo cặp xảy ra bên trong tỉnh thẻ va các photon

được tạo thành sau đó thoát ra thì sẽ ghi nhận các đỉnh thoát đơn hoặc thoát đôi.

Hình 1.4 Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguôn tới đầu dò [2].

Trong ghi nhận bức xạ từ phô gamma các hiệu ứng quang điện, Compton vả tạo cặp được thê hiện trong hình I.5.

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG

TRÌNH MCNPS5

2.1 Phương pháp Monte Carlo

Sự ra đời của máy tính điện tử đầu những năm 1940 là một bước ngoặc quan

trọng đối với sự phát trién của xã hội loài người Kích thước của những hệ máy tính

điện tử khi ấy rất cong kênh, điển hình như máy tính ENIAC được thiết kế bởi hai nhà

khoa học Mỹ là John Mauchy va J Presper Eckert Bởi vì việc tính toán bằng máy

tính vẫn còn phức tạp, người vận hành phải sử dụng bằng những máy điện cơ, nên các

kỹ sư phải lựa chọn phương pháp giải toán phù hợp với khối lượng tính toán từ máy

tính Một trong những phương pháp phủ hợp với máy tính điện tử là giải toán bằng

phương pháp số Tuy nhiên, ý tưởng giải toán bằng phương pháp số đã xuất hiện từrất sớm nhưng chưa được quan tâm Năm 1777 nhà toán học người Pháp Georges-Louis Leclerc Comte đe Buffon đã đưa ra một bai toán nỗi tiếng vẻ tính số z hết sức

kỳ lạ Bai toán của Buffon là một thí nghiệm tung những chiếc kim trên mặt bàn nơi

được vẽ sẵn những vạch kẻ song song, dựa vào sự ngẫu nhiên của những chiếc kim rơi cắt những vạch kẻ ông tính được gần đúng số Z Thí nghiệm được lap lại bởi

R.Zilin'ski với 5000 lần tùng kết qua thu được: 7 =3,1236 [7] Khi mô phỏng lại bàitoán của Buffon với số lần tung càng lớn thì kết quả hội tụ về giá trị z= 3,14 Kết quả

cho thấy hiệu quả của việc giải bai toán bằng phương pháp sử dụng yếu tổ ngẫu nhiên

Năm 1944, John von Neumann va Stanislaw Ulam Christened đã đề xuất ứng dụng

phương pháp số ngẫu nhiên vào các công trình tính toán trong dir án chế tạo bom

nguyên tử của Mỹ, dự án này được đặt ân danh “Monte Carlo” Tên gọi Monte Carlo

dé cập tới song bac Monte Carlo ở vương quốc Monaco.

Co sở của phương pháp Monte Carlo dựa trên luật số lớn và định lý giới hạn

trung tâm Một trong những ý tưởng cơ bản của phương pháp là sử dụng mô hình toán

bằng các phép thử ngẫu nhiên tương ứng đẻ giải gần đúng các bải toán tất định Ngày

nay, cùng với sự phát trién của máy tính hiện đại thì phương pháp Monte Carlo là trung tâm cho các mô phóng cần thiết trong nhiều lĩnh vực khoa học.

2.2 Chương Trình MCNPS

MCNP (Monte carlo N-Particle) là chương trình mô phỏng được xây dựng bởi

phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP cũng là một công cụ tính toán rất

mạnh dựa trên phương pháp Monte Carlo Tiền thân của MCNP là một chương trình

Monte Carlo vận chuyển hạt mang tên MCS được phát triển từ năm 1963 Ban đầu

MCS được xây dựng dé mô phỏng quá trình vận chuyên hạt, phiên bản được phát triểntiếp theo của MCS là MCN với mục đích giải các bài toán tương tác của neutron với

vật chất Các phiên bản sau đó của MCN được xây dựng với những mục đích khác

nhau Năm 1973 MCN và MGG hợp nhất tạo thành MCNG (chương trình ghép cặpneutron-gamma) là tiền thân của MCNE

MCNPS được công bố vào nam 2003 viết bằng ANSI-Standard fortran 90 cùng

với việc bô sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm hạt nhân, hiệu

ứng giãn nở Droppler (1) Chương trình MCNPS5 được sử dụng rộng rãi trên toản thé

giới bởi tính linh hoạt và để sử dụng so với những chương trình mô phỏng khác Người

dùng có thé tự viết mã (code) hoặc sử dung những thanh công cụ như cell, data, tally

dé khai báo trực tiếp Một ưu điểm khác của MCNPS là người sử dụng có thê kiếm

tra tập tin đầu vào thông số hình học được vẽ trên phần mềm Vised.exe Bên cạnh đó,

các tap tin đầu ra của MCNPS rất nhẹ trong quá trình chạy mô phỏng giúp người sử

dụng tôi ưu hóa được thời gian xử lý.

2.2.1 Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình

MCNPS.

Một file input trong chương trình MCNPS mô tả hình học, vật liệu và nguồn xúcđịnh từ một mô hình mà người ding muốn khảo sát quá trình vận chuyển hạt Hình

học được định nghĩa bởi 6 mạng (cell), một cell được giới hạn bởi các mặt tạo thành

một không gian kín chứa day vật liệu bên trong Một file input trong MCNP5 gồm có

ba phần chính:

Thẻ tiêu dé (Title Card)

Thẻ khai báo 6 mang (Cell Card)

eee eee hs g

Khoang cach dong

Thẻ khai báo mat (Surface Card}

Khoảng cách dòng

Thẻ dữ liệu (Data Card)

¬ eee

2.2.2 Tiêu dé của một tập tin đầu vào (file input)

Tiêu dé của một file input trong MCNPS cho phép người sử dụng mô tả những

thông tin quan trọng về mô hình được mô phỏng Tiêu đề này sẽ được lặp lại trong

một tập tin dau ra (file output), người sử dung thường đặt tiêu dé dé phan biệt hoặc

mô tả nội dung trong các file input Trong phan tiêu dé của một file input thì không

có dòng trông

2.2.3 Cell cards

Cú pháp khai bao của một Cell trong Cell Card:

J m d geom Params Trong đó:

ej là chỉ số cell

em là số vật liệu, số vật liệu cho phép người dùng mô tả vật liệu trong cell ở

Data Card.

10

¢ geom cho phép người dùng mô tả hình học của cell bằng cách sử dung các mặt

được định nghĩa trong phần Surface Card

Ví dụ:

Cell Material Density geom

1 2 -2.69 -10 11 -12 2.2.4 Surface Cards

Cú pháp đẻ khai báo một mặt trong Suface Card:

] a list

Trong đó:

ej: chỉ số mặt.

ea: một từ khóa được mặc định sẵn cho phép người dùng khai báo mặt theo dạng

hình học đã được định nghĩa từ trước.

Ví du: Px cho phép người dùng khai báo mặt phăng vuông góc với trục ox.

€/x cho phép người dùng khai bao mặt tru song song với trục ox.

e list được khai báo bằng một giá trị cụ the tương ứng với mata

11

Bang 2.1 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNPS [1].

Mặt phẳng

Mô tả tính chất

Tổng quát

Mặt phẳng 1 ox Mặt phẳng | oy

Trục = 02

(y- YF +(z-#} - RÌ=0

(x- X} +(z - Zh - R? =0 (x-X) +(y- WJ - RÌ=0

y+z?-R`=0x'+z?-R`=0

2.2.5 Data Cards

Thẻ dữ liệu (Data Card) là một phan rat quan trọng trong mã (code) của chươngtrình MCNPS cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn

vả vật liệu cầu tạo trong những ô mạng

a) Khai báo nguồnTrong chương trình MCNPS người sử dụng có thê khai bảo nhiều loại nguồn saocho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt

(SSR/SSW), nguôn tông quát (SDEF) Thông thường dé giới hạn về một bai toán

người sử dụng sẽ khai báo cụ thé những tinh chất của nguồn phù hợp với bài toán cần

khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.

Người dùng có thé khai báo một nguồn bất kỳ bằng nguồn tông quát với cú pháp:

SDEF Thamsól Thamsó2 Tham số 3

Bang 2.2 Các định nghĩa tham số trong MCNPS [1]

Thông số | Y nghĩa Giá trị mặc định

ERG Năng lượng (MeV) 14 McV

POS Vị trí tâm nguồn 0,0,0

RAD Khoảng cách giữa tâm nguồn đến mặt | 0

bén (bán kinh).

Khoảng cách từ POS đọc theo trục

ext | AXS >

AXS Vecto tham chiếu cho RAD va EXT Không mặc định

I=nơtron đôi với Mode N, NP hoặc NPE

PAR Loại hạt 2=photon đối với Mode P hoặc PE

13

Ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tông quát

ta có thé gan giá tri phù hợp với bài toán thực tế, những giá trị được gan là một giá trị

cụ thé Trong thực tế khi khảo sát nguồn gồm nhiều mức năng lượng đề thuận tiệncho việc tính toán có thé sử dụng gan giá trị bang Dn ứng với mô tả từ những thẻ SIn,

SBn, SPn.

Thẻ SIn được xây dựng dựa trên cú pháp [1], [8].

SIn option I, i soon

¢S là chi số của hàm liên tục

> I, giá trị của biến hoặc chi số phân bố

SPn f a b

ef ky hiệu của hàm phân bố được định nghĩa trong MCNPS

ea, b là tham số của ham f

SBn f a b

Các dai lượng n, option, f, a, b tương ty trong SPn nhưng f chi nhận một trong

hai giá trị -21 và -31.

b) Tally F8

Tally F§ đóng vai trò như một detector vật lý cho phép ghi nhận xung cung cấp

thông tin về năng lượng bị mat trong một cell Các bin năng lượng trong tally F8 tương

ứng với năng lượng toàn phan bị mat trong detector [1]

Ví dụ khai báo một tally F8: ghi nhận hạt photon ở cell 1 thường là cell chứa vật

liệu tinh thé, bán dẫn

Cu pháp: F8:p 1

14

b) Khai báo vật liệu (Material Card) Khai báo vật liệu cho phép người dùng khai báo vật liệu tương ứng với các cell

đã được định nghĩa từ trước.

Cú pháp khai bao:

Mm ZAIDI FRACTION] ZAID2 FRACTION2m: chi số vật liệu tương ứng với cell có cùng chi số sé lắp day vật liệu nayZAID1: số hiệu xác định đồng vi, có dạng ZZZ.AAA với:

ZZZ là số hiệu nguyên tử

AAA là số khối

FRACTION: tỉ lệ mà vật liệu có số khối A và số proton Z đóng góp vào thành

phan cầu tạo nên vat liệu Nếu tính theo tỉ lệ nguyên tử thì FRACTION mang dấu

dương, ngược lại mang dấu âm nếu tính theo tỉ lệ khối lượng

15

CHUONG 3: ĐẦU DO NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC

THONG SO TOI UU CUA DAU DO NAI(TL)

3.1 Đầu đò Nal(TI)

Pau do nhấp nháy là một trong những loại đầu dò lâu đời nhất trong lĩnh vực đo

bức xạ hạt nhân Khoảng thời gian đầu các hạt mang điện được phát hiện bởi những

xung ánh sáng, chúng được quan sát khi các hạt nam trên man kẽm sunfat, ánh sang

này có thé nhận biết bởi mắt thường Kha năng mới dé ghi nhận bức xạ mở ra vào

năm 1948, khi các nhà khoa học phát hiện ra tinh thé Nal là một chất phát ra các xung

ảnh sáng khi bị kích thích và họ có thé gia tăng kích thước của loại tinh thé này Sự

kết hợp giữa tinh thé Nal và ống nhân quang điện (PhotoMultiplier) là một bước ngoặc

đánh dau sự thành công vẻ khả năng ghi nhận bức xạ

Mang tinh thé là nguyên nhân làm mat năng lượng của các bức xạ, một phan

năng lượng mat đi chuyên thành ánh sáng nhìn thay, vi thé người ta dựa vao tinh chat

phát ra anh sáng nhấp nháy của tinh thé Nal dé đo bức xạ và hạt không mang điện.

Tinh thé Nal tỉnh khiết là loại chất nhấp nháy ở nhiệt độ rất thấp —192°C, để có thể

sử dụng ở nhiệt độ phòng thí nghiệm người ta pha thêm một lượng Thallium Sự pha

tạp thêm một lượng Thallium vào tỉnh thé Nal tạo ra một số mức năng lượng xen phủ giữa vùng hóa trị (Valance band) va vùng dan (Conduction band), những mức năng

lượng giữa hai vùng được gọi là vùng kích hoạt, việc tạo ra một vùng năng lượng ở

giữa giúp cho các electron nhảy lên vùng dan và các lỗ trồng trở về vùng hóa trị dé

Vùng dân

Vung Excitbee a miện ¬ _ Trạng thái

————— K ich thích của ety em ion Tl on

Bay electro

rs _ Xung ánh sang

Vùng cam Trạng thái cơ bản

của Tl

aS: Vang hóa tri fea a He

Hình 3.1 Cơ chế phát ra ảnh sang trong tinh thé Nal(TI) [4]

Theo lý thuyết vùng năng lượng của tinh thể Nal(TI), khi bức xa gamma đi vàotương tác với các clectron ở vùng hóa trị của nguyên tử, bức xa truyền một phần năng

lượng cho electron lam ion hóa nguyên tử tạo thành một cặp e (electron) và hr’ (lỗ

trong) Electron nhận năng lượng chuyên tir vùng hóa trị lên vùng dan, 16 trỗng được

tạo ra kết hợp với ion 7?' tạo thành 7/7' ở trạng thái cơ bản (Activator Ground State),

các ion TI” bắt các electron tự do ở vùng dẫn trở thành (71')* & trạng thai kích thích

sau đó trở về trạng thái cơ bản 7/' phát ra ánh sáng

3.1.1 Hiệu suất của đầu dd Nal(TI)

Hiệu suất đình năng lượng toàn phan (Full Energy Peak Efficiency-FEPE) được

tính dựa trên tỉ số giữa số đếm mà đầu dò ghi nhận được trong vùng đỉnh ứng vớinăng lượng £, trên tông số photon phát ra từ nguồn có cùng năng lượng Hiệu suấtđỉnh năng lượng toàn phần được tính theo công thức:

IN

Trong đó:

© e„„„„: hiệu suất đình năng lượng toàn phan.

eN: tông số đếm trừ phông trong vùng đỉnh năng lượng xuất hiện.

17

©¡ _: xác suất phát tương ứng với đình năng lượng can tính.

et: thời gian đo.

A,: hoạt độ của đồng vị phóng xạ tại thời điểm bắt đầu tiền hành phép đo.

Đối với nguồn có chu kỳ bán rã ngắn trong khi đo có sự suy giảm về hoạt độcủa nguồn nên khi tính toán phải sử dụng hoạt độ của nguồn ở công thức (3.2) dé tinhhiệu suất đỉnh năng lượng toàn phân:

A = A,, & 7” số phân rã/giây (3.2)

Đối với nguồn có chu ky bán rã đài thì: e 2 —>1 , do vậy có thé xem A= A,

Hiệu suất đỉnh nang lượng toan phan còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình

học của đầu đò Nal(TI), hình học nguồn, vị trí giữa nguồn với đầu dò theo công thức:

#rPE = “intÊg (3.3)

© e„ : hiệu suất nội của đầu do, được định nghĩa:

Ein = —” (3.4)

Với:

N, tổng số photon ghi nhận từ đầu đò

N, tông số photon đi vào dau do

© £, : hiệu suất hình học được tính:

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

Q=2z(-———) (3.7)

Nguồn điểm

Trong đó:

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

A là một phần diện tích của mặt cầu ma mặt cắt cha đầu đỏ chiếu lên

D là khoảng cách từ nguôn tới đầu dò

r là bán kính của đầu dò Nal(TI)

19

3.1.2 Cau hình và thông số kỹ thuật của đầu dò Nal(TI)

tiếp là không khi mau vảng, tiếp theo là lớp nhôm oxit thường được gọi la lớp phan

xạ có màu xanh nhạt, bên trong là tinh the Nal(TI) màu xanh lá trên hình 3.3.

20

Bảng 3.1 Các thông số của đầu dò Nal(T]).

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

Thí nghiệm 1: Nguồn phóng xạ "` Ba được đặt trong ông chuan trực bang đồng,

ông chuan trực đặt phía trước và bên cạnh đầu đò Nal.

Thông sô của các nguồn:

Nguồn : "Ba Ngày sản xuất: 15/5/2013

Thí nghiệm 2: Nguồn "Ba, "Cs, “Am, Eu phat photon năng lượng thấp:

31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV, 121 keV Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm

Thí nghiệm 3: Nguồn '"Cs , “Na, “Co, '®£„ phat photon năng lượng cao:

662 keV, 1274 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1408 keV Nguồn đặt cách dau dò 40 cm

Bang 3.2 Thông số của các nguồn phóng xa

x i os :, | Hoạt độ 5 Hoạt độ Sẽ: 3

My ` tị

Nguồn | Ngày sản xuat (4 Ci) i (lis) Ngay do (Bq) Thời gian do (s)

pq | a” mm a0 | 39960 25500

wee | 1505/2013 [la | nana 1910972018 =_ —

Am | oY oan IN Kia trea 34303 1000

B6 trí thi nghiém (đặt phía trước)

Hình 3.5 Nguôn đặt cách đầu đò 40 cm, sử dụng hệ thông điều khién dé điều

chỉnh khoảng cách với sai số 0,01 mm