Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của mẫu môi trường

LỜI MỞ ĐẦU Hệ phô kế gamma sử dụng dau dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết HPGe được sử dụng phô biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát gamma trong mẫu môi trườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

VAO THANH PHAN NGUYEN TO

CUA MAU MOI TRUONG

Chuyén nganh: Vat Ly Hoc

Thành phố Hồ Chí Minh — Nam 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LY

TP HO CHÍ MINH

Người thực hiện: Tran Thị Bảo Ngọc

Người hướng dẫn khoa học: ThS Lê Quang Vương

Chuyên ngành: Vật Lý Học

Thành phố Hỗ Chí Minh — Năm 2020

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các Thay Cô bạn bè và gia đình Đặc biệt em xin gửi đến ThS Lê Quang Vuong, giảng viên Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật lý, Trường Dại học Sư Phạm, thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn chân thành Thay đã tận tình chỉ bao vả giúp đỡ em rất nhiều

trong suốt quá trình làm khóa luận Quá trình được thay hướng dẫn, em đã học hỏiđược nhiều kiến thức mới, phương pháp làm việc khoa học và có những định hướng

cho tương lai.

Em xin gửi lời cam ơn đến quý Thay, Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư PhạmThanh pho Hỗ Chí Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu dé em có đủ nền tảng

kiến thức dé thực hiện dé tài này Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận đã dành

thời gian dé đọc, phát hiện sai sót và có những góp ý quý giá giúp khóa luận hoànthành tốt hơn

Em cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Cử nhân Vật lý A K42; các anh chị,

bạn bè tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt Nhân, trường Đại học Sư Phạm Thành phố

Hè Chí Minh đã luôn đồng hành, giúp đỡ và động viên dé em có thé hoàn thành tốt

khóa luận tốt nghiệp này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và các thành viên trong gia

đỉnh đã luôn ung hộ tạo điều kiện tốt nhất dé em có thé tập trung làm việc và hoàn

thành khóa luận.

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

Chữ viết tắt

HPGc

Tiếng Anh

High Purity Germanium

International Atomic Energy

Chương trình mô phỏng Monte

MCNP Monte Carlo N Particles

Carlo

" Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng

FEPE Full Energy Peak Efficiency

toan phan (hiéu suat dinh)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hinh (1,1 Hiểni(mE:005NE i ii seas cscscsssccasessccanssacnscssscsscsaaseasceazseaxesossasssieasacces +

Hình 1:2 Hiệu ứng Compton siisisssisisssisssssasssasisosssossiosssassseasssasssacsvossvossvostvessineaiensvanss? 4

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp - - Án HH HH ng 6

Hình 1.4 Sơ đò phân rã của đồng vị ?ŸŸU - 22 222222222222 2122112212212 7

Hình 1.5 Sơ đồ phân rã của đồng vị ?”?Th cccesseoeocooosrsasisasikasdie §

Hình 2.1 Cau trúc thẻ khai báo 6 mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào lầ Hình 2.2 Cau trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào 15 Hình 2.3 Cau trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tap tin đầu vao 16

Hình 2.4 Cau trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vao 17

Hình 2.5 Hệ phô kế gamma sử dụng đầu dò HPGe 2¿- e2 22222222 18

Hình 3.1 Mô hình hệ phổ kế gamma xây dựng bằng chương trình MCNP6 2I Hình 3.2 Phô thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu IAEA-

RGUSI(0(MEV=00MEUceeeeieeeeerieieieeaeoerooooeipooinooioaiyỷaainae 22

Hình 3.3 Phô thực nghiệm và các đỉnh năng lượng trong mô phỏng của mẫu

IAEA-R@GU=I'(0,5 MeV =3 MEV) -. <:c-scccescesos.nsr=inS2Asesicseksrkessesersezssze 23

DANH MUC BANG

Bảng 2.1 Cau trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 12

Bang 2.2 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 se sec 14 Bang 2.3 Các định nghĩa tham số trong MCNP6 - 222 ©22cccczcrccrrvee 16 Bang 2.4 Thông số hình học của đầu do GEMP4-83 do nhà sản suất cung cap 18

Bảng 2:5 THö§E số củadnn GhữÊHcassasnnnnanioiniibiiiiiitnsg8g101811144012405483801.00561882 19 Bang 2.6 Ham lượng các thành phan nguyên tổ chứa trong mau chuẩn 19

Bang 2.7 Hàm lượng các thành phan nguyên tố chứa trong mẫu chuân 20

Bang 3.1 Thời gian đo phô gamma của các mẫu chuân - 2 222252 22 Bảng 3.2 Hoạt độ các mẫu chuẳn 22-22-2222 232 3211 2127222222112211221731 222 12e2 24 Bang 3.3 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan của mẫu IAEA-RGU-I 25

Bang 3.4 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-RGTh-L 26

Bang 3.5 Hiệu suất đỉnh nang lượng toàn phan của mẫu LAEA-434 26

Bảng 3.6 Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của mẫu IAEA-447 27

Bang 3.7 Độ sai biệt giữa hiệu suất đính thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng

ee Pel oC) CS | ee ee ee eee re 28

Bang 3.8 Độ sai biệt giữa hiệu suất đính thực nghiệm va tính toán bằng mô phỏng

EiiRimnHillIEIASRCI1HSIl, -5.;22100211621182151261251215003101020161028216:22102304220182141211823:122:30 29

Bang 3.9 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm và tính toán bằng mô phỏng

aU NATE A111 sssesseiissnintoesiiiatEesogisiit0008E102930050801319102895107300110003211000185E0/21f000087 29

Bang 3.10 Độ sai biệt giữa hiệu suất đỉnh thực nghiệm va tính toán bằng mô phỏng

Mian tiền TA BA RAAB cáoccnoaninoniinEE0101100010860016110818383108610850858831363883338338835838338038378810886188/ 30

DGUMG DAW iinscincncnamnmncnanansaninamnenamnamnnan |

GHƯƠNGI.C0S0LÝ THUẾ T nnaeeeanaaarannrearnraorrmanrmonÔ 1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất ‹ ceecrerrecervserrs.ee 3

1.4.1./Hiệung:quang điệN::::::::::::::::::::::iciii2ii211121123512011123116213533539536535553 086532 3

1.1.2 Hiệu/Ứng CöTDlÔfitosssaaoaaoooannooooiooiosotigiainintiidtoitiastiadtiastassaasi 4

1.1.3 FEW MB AG COP :iiiiccicic0002002200040240101110416140116411611841382136451348846534638 5

1.2 Chuỗi phân rã phóng Xa o ccccccceeceeccssesseesessesseeseesessesserseerceseseseetseasetarentesvaneeeeercens 7

1.2.1 Chuối phân rã của đồng vị ÊU ccceoeoienooooosnennaoasdie 7

1.2.2 Chuỗi phân rã của đồng vị 23? T hee cece ceecseecssecsseecsseessesesscesneeeneeesees 75.11006000101001) ss sen ssnis1010510100210052200210022009310030013514933123331390200781291042011200/ §

1.3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần 2-22 § 1.3.2 Đường cong hiệu suất 22-22222222 22122211721122122 12222 2zrrrreg 9

1.4 Tom tat Churong an S 10CHUONG 2 DOL TƯỢNG VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 Chương trình MONP6 w ccccsscsssssessssstsasssesssnsssnsssccsssasssasssesssasssesssasssecssesssenssansions II

2.1.1 Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 II

2.1.1.1 Khai báo 6 mạng (Cell Card$) ác sshhee 13 2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards) cccccssssssecsscesscesseessecsseeeeens 14

2.1.1.3 Khai báo thé dit liệu (Data Cards) :ceseesseeseecseeceseeeeeeseeesees 15

2.2 Hệ phổ kế sử dụng dầu đồ BPG scssscssssessnessseossasossssscsssassoscsssessossisasnvassvonsses 17

3.2 Xác định hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan cho các mau chuẩn 23

3.3 Đánh giá kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan giữa thực nghiệm và mô

PROB inốg03it11gnt3111631412114131151114111515143115235535345813533565195331843833153531583515318338358588294833913839535384 28

3.4 Tóm tắt Chương 3 -2 2+222++22EEE2E221122111222212721221112211222222-i e 31

yi) Na nnnnaaaanenannnoannnairaaaiae 32 438.0 - 33 TÀI LIEU THAM KHẢO 2 22 222222221221122122112212112111211721721212 11 112cc 34

PHÙ : (2.(.21 2(((22/222.22212.2.1422222.1022/2221.2.24022/12/20/01213117032)3)2214420332302201021/32030231522 36

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ phô kế gamma sử dụng dau dò bán dẫn Germanium siêu tinh khiết (HPGe)

được sử dụng phô biến cho việc phân tích hàm lượng của các đồng vị phóng xạ phát

gamma trong mẫu môi trường nhờ vào những ưu điểm của nó như: khả năng phân tích nhiều đồng vị, độ chính xác cao Điều can thiết ở kỹ thuật đo phố gamma là phải xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan của đầu dò Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn

phan phụ thuộc vào hình dang, thành phan, mật độ của mẫu đo và năng lượng bức xạ

gamma phát ra Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường thường sử dụng các mẫu chuẩn đã biết trước hoạt độ được cung cap từ IAEA dé đánh giá đường cong hiệu suất

cho mẫu đo có dang hình học nhất định {9,10.11] Một trong những mẫu môi trườngphô biến cho phép đo phô gamma là mẫu đất, nó rất quan trọng đối với nghiên cứu địa

chất và phân tích mỗi nguy hiểm phóng xạ môi trường.

Một số công trình nghiên cứu tiêu biêu có liên quan đến đề tài khóa luận như:

năm 2012, S Baccouche cùng cộng sự [9] áp dụng phương pháp Monte Carlo dé chuẩn

hiệu suất của đầu dd Nal(TI) và CsI(TI) cho phép do gamma từ các mẫu đất Năng

lượng được chọn là các đỉnh 1460 keV (°K), 1764 keV (7 Bi) và 2614 keV ("TI

) Độ lệch của hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm cho hai đầu dò CsI(TI) và Nal(TI) đều không vượt quá 4%, ngoại trừ hiệu suất đối với năng lượng 2614 keV là 9% Năm 2018, S Mohammad và S Farhad Masoudi [10] nghiên cứu về sự thay đôi

hiệu suất ảnh hưởng đến thành phần nguyên tổ trong các mẫu môi trường bằng cách

so sánh sự khác biệt giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của 3 mẫu chuan RGU-1, IAEA-RGTh-1, IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất Trong nghiên cứu này, nhóm tác

IAEA-giả dùng chương trình MCNP dé mô phỏng hệ phô kế gamma sử dụng đầu đò HPGeGEM80P4-95 do hãng ORTEC cung cap Các đỉnh năng lượng được chọn dé khảo sát

là 63.3 keV (** Th), 92.78 keV (**Th), 143,76 keV (**U) trong mẫu

IAEA-RGU-1: 238.6 (77 Pb), 583.2 keV (2#T1), 911,2 keV (#* Ac) đối với mẫu IAEA-RGTH-1

va 1460.8 keV (“K ) trong mẫu IAEA-RGK-1 Mẫu chuẩn có dang hình học Marinelli

và được dat tai vị trí sát mặt đầu dd Thành phan nguyên tố chứa trong các mẫu được

xác định bằng phương pháp huỳnh quang tia X Nhóm tác giả sử dụng các thành phần

nguyên t6 này đề tính toán biệu suất đỉnh cho các mau trong mô phỏng Kết quả độ sai

biệt của hiệu suất đình giữa ba mẫu chuẩn LAEA-RGU-1 IAEA-RGTh-1,

IAEA-RGK-1 và 5 mẫu đất không vượt quá 8%, ngoại trừ tại đỉnh năng lượng 63,3 keV có độ sai

biệt là §.32%.

Từ các công trình nghiên cứu trên, khóa luận chọn tên đẻ tài là "Nghiên cứu sự

phụ thuộc của hiệu suất ghi đỉnh nang lượng toàn phần vào thành phần nguyên tô của

mẫu môi trường" Mục đích của khóa luận này là xác định biệu suất đỉnh năng lượng

toàn phần của các mẫu chuân do IAEA cung cấp Bên cạnh đó, khóa luận còn thựchiện đánh giá hiệu suất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp dụng phương phápMonte Carlo, Đánh giá sự ảnh hưởng của thành phan nguyên tố chứa trong các mau

chuẩn lên hiệu suất đỉnh Dựa theo các nội dung trên, khóa luận được chia thành ba

chương:

Chương | trình bay cơ sở lý thuyết về tương tác bức xạ gamma với vật chat; chuỗiphân ra phóng xạ của các đồng vị ”U, ?°Th; các khái niệm về hiệu suất ghi đỉnh

năng lượng toàn phân.

Chương 2 giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu bao gồm: cau trúc

tệp đầu vào của chương trình MCNP6, hệ phô kế gamma sử dụng đầu dd HPGe và các mẫu chuân.

Chương 3 kết quả và thảo luận Trong chương này, khóa luận trình bày cách bố

trí thực nghiệm, xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phân và đánh giá kết quả hiệusuất đỉnh giữa thực nghiệm và mô phỏng

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYET

1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường vật chất thông qua các quá trình hap thụ và tán xạ Đối với quá trình hap thy, bức xa gamma truyền

toàn bộ năng lượng cho các hạt vật chất và biến mắt Đối với quá trình tán xa, bức xạ

gamma chỉ truyền một phần năng lượng cho các hạt vật chất và bị tán xạ (sau quá trình

tán xạ bức xạ gamma bị lệch đi một góc so với phương chuyên động ban đâu) Tùy

theo năng lượng của photon tới bức xạ gamma có thẻ tương tác với vật chất theo nhiều

cơ chế Tuy nhiên, trong ghi do bức xạ chi có hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton

và hiệu ứng tạo cặp là ba cơ chế tương tác chính tham gia vào việc tạo thành tín hiệu

xung trong đầu đò.

1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện xảy ra do bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của

nguyên ur và truyền toàn bộ năng lượng cho các electron đó đề nó thoát ra khỏi nguyên

tử Theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại của quang electron bằng hiệu năng lượng bức xạ gamma tới và năng lượng liên kết của electron với hạt nhân:

E, =E,—-E, (1.1)

trong đó:

E, là động năng cực đại của electron.

E, là nang lượng của photon tới.

E,, là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân trong nguyên tử

Từ biéu thức (1.1), hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi nang lượng bức xa gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Năng lượng liên kết của

electron giảm dan theo các lớp K, L, M, Néu năng lượng của bức xạ gamma tới nhỏ

hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang điện xảy ra đối với

các electron ở lớp xa hạt nhân hơn.

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Hiệu ứng Compton

Khi năng lượng gamma tới tăng lên đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng

liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điệnkhông còn đáng kẻ và bat đầu chuyên sang hiệu ứng Compton Khi đó có thé bỏ qua

năng lượng liên kết của electron và tán xạ gamma lên electron trong nguyên tử được

xem như tán xạ với electron tự do.

Sự va chạm giữa bức xa gamma với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử

(xem như electron tự do) được gọi là tắn xa Compton Sau quá trình tán xạ, bức xạ

gamma thay đôi hướng bay so với ban đầu và bị mat một phan nang lượng, electron

được giải phóng ra khỏi nguyên tử Quá trình tán xạ Compton được mô tả qua Hình

1.2.

†.E,

Hình 1.2 Hiệu ứng Compton

Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng của bức xạ

gamma và electron sau tán xạ được thẻ hiện qua các biểu thức (1.2) và (1.3) [1]:

E.=————— (1.2)

E, =E,-E, =—eoe (13)

trong đó:

E, là năng lượng của bức xạ gamma tới.

E là năng lượng của bức xa gamma sau tán xạ.

E, là động năng cực đại của electron.

0 là góc bay của gamma sau tắn xạ.

Khi tán xạ Compton, năng lượng bức xạ gamma giảm và phần năng lượng đó truyền

cho electron Như vậy, động năng electron càng lớn khi gamma tán xạ với góc 8 càng

lớn Dựa theo biéu thức (1.3), có hai trường hợp cực trị xảy ra đôi với động năng

electron E_ sau tấn xạ phụ thuộc vao góc 0:

Khi 0=0” thì (E,) =0, bức xạ gamma sau tấn xạ mang năng lượng gần bang

Nếu bức xạ gamma tới mang năng lượng E, >1,02MeV thi khi di qua điện

trường của hạt nhân nó tạo ra một cặp electron — positron Day gọi là hiệu ứng tao cặp

electron = positron Theo định luật bảo toàn năng lượng, tông động năng của electron

và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E, —2m,c* [1]:

E +E_ =E,-2m,c* (1.4)

trong đó:

E, là năng lượng của bức xạ gamma tới.

E ,E lần lượt là động năng của positron và electron.

E, > 1,02MeV P

y =0,511MeV x

⁄

Huy electron - positron

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Electron và positron thường đi chuyền vài milimet trong vật liệu trước khi bị môi

trường hap thụ nang lượng Do hai hạt có khối lượng như nhau nên có xác suất lớn đề

hai hạt có năng lượng bằng nhau Electron sẽ mat dan năng lượng của mình để ion hóa

các nguyên tử môi trường Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của

nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa và hủy lẫn nhau, đây là hiệu ứng hủy cặp.

Quá trình hủy cặp electron — positron tạo ra hai bức xa gamma bay ngược chiêu nhau,

mỗi lượng tử có năng lượng 0,511 MeV Hai bức xạ này có thé bị hấp thụ hoặc thoát

ra khỏi đầu đò và tạo thành các đính thoát trong phỏ gamma Nếu một bức xạ thoát ra

khỏi đầu dò thì đỉnh quan sát được có năng lượng (E, = m.c’} gọi là đỉnh thoát don.

Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát cỏ năng lượng

(E, -2m,c’) gọi là định thoát đôi.

các đồng vị này, can hiểu rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tinh chấtcủa các đồng vị con có mặt trong chuỗi Trong khóa luận này quan tâm nghiên cứu đếncác đồng vị phóng xạ phát bức xạ gamma trong chuỗi ?*ŠU và ?*?Th

1.2.1 Chuỗi phân rã của đồng vị **U

Hình 1.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị ?°*U Trong tự nhiên, **°U chiếm99,25% của lượng uran tự nhiên, có chu kỳ bán rã khoảng 4,46 tỷ năm Đồng vị **ŠU

phân rã alpha thành đồng vị ??*Th Chuỗi phân rã này cứ tiếp diễn cho đến khi đồng vị

cuối cùng của chuỗi này là đồng vị bèn Pb

Hình 1.4 Sơ đồ phân rã của đồng vị ?°°U [7]

1.2.2 Chuỗi phân rã của đồng vị *?Th

Chuỗi phân rã của đồng vị ?*?Th được đưa ra trong Hình 1.5 Chuỗi phân rã này

có 5 đồng vị phát ra bức xạ gamma Có thé dùng phô kế gamma dé đo đỉnh năng lượngcủa các đồng vị ?2#Ac (911.2 keV 968,9 keV), ?!2Pb (238.6 keV), và “TI (583.2 keV,

2614,5 keV) một cách dé dang.

Hình 1.5 So dé phân rã của dong vị * Th [7]

Trong Hình 1.5, đông vị ?!°B¡ bị phân nhánh thành hai đồng vị là *?#TI và ?!?Po,

Đối với nhánh thứ nhất, ?!?B¡ trở thành đồng vị ??*TI bằng cách phát ra hat alpha với

xác suất phân nhánh là 35,96% Nhánh thứ hai, ?!?B¡ phân rã beta về đồng vị ?!?Po vớixác suất 64,06% nhưng lại không đo được bằng phép đo phổ gamma Vì vậy nếu sửdụng **T1 để xác định hoạt độ của >*Th thì cần phải lay hoạt độ của 2*TI chia cho xácsuất phân nhánh là 35,96%

1.3 Hiệu suất ghi đầu dò

1.3.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan

Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan (FEPE - full energy peak efficiency) là xác

suất của một photon phát ra từ nguồn mat toàn bộ năng lượng của nó trong thẻ tích

vùng hoạt của đầu dò Trong thực nghiệm, hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan được

N,(E) là diện tích đỉnh năng lượng toàn phan.

A là hoạt độ nguồn tại thời điểm đo (Bq/kg)

t là thời gian đo (s).

I (E) là xác suất phát bức xa gamma ứng với năng lượng (%).

m là khối lượng mẫu đo (kg).

Sai số hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định theo công thức truyềnsai s6 [2] Do sai số của cân điện tử là 0,001g và đo trong khoảng thời gian lớn nên sai

+

số thời gian và sai số khối lượng có thé được bỏ qua (=) = 02) =0 Vậy hiệu

suất đỉnh năng lượng toàn phan được xác định theo biéu thức (1.6):

(1.6)

trong đó;

Š, là sai số hoạt độ của nguồn

5y là sai số điện tích đỉnh năng lượng toàn phan

ồ, là sai số xác suất phát bức xạ gamma ứng với năng lượng.

1.3.2 Đường cong hiệu suất

Đường cong hiệu suất được ứng dụng để tiến hanh phân tích xác định hoạt độ

phóng xạ riêng của mẫu đo [4] hoặc dùng dé khảo sát sự phụ thuộc của đường cong hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và dau đò [3] Đối với mỗi loại đầu dò lại có những dang đường cong hiệu suất khác nhau Đối với đầu dò dạng đồng trục có nhiều hàm khớp trong khoảng năng lượng từ 46,5 KeV đến 2641,5 KeV Dé thé hiện mỗi

liên hệ giữa hiệu suất e và năng lượng E theo thang logarit, ta thường sử dung biểu

thức (1.7) [5S]:

loge = 3`a,(logE} (1.7)

trong đó, £, E và a; lần lượt là hiệu suất đỉnh ở năng lượng E, năng lượng định và các

hệ sô có được từ việc làm khớp hàm.

Hiệu suất ghi nhận của dau đò bị ảnh hướng bởi các yếu tô sau: khoảng cách từ

mẫu đo tới đầu dò, yếu tố hình học của mẫu do, kích thước vật liệu của mẫu đo, hiệu

ứng trùng phùng tổng, sự tự hấp thụ của mẫu [7].

1.4 Tóm tắt Chương 1

Trong Chương 1, khóa luận đã trình bày về tương tác giữa bức xạ gamma với vật

chat; chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ ?'*U,”°Th và các khái niệm liên quan

đến hiệu suất ghi đình năng lượng toàn phan của đầu dò Các vấn đề trên là nền tảng

cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan vào thành phan nguyên tổ của các mẫu chuẩn được đè cập tới

trong Chương 3.

hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt

ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mô tả hình học ba chiều do

đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học Thông qua phần mềm Visual Editor, sửdụng chương trình MCNP6 can phải mô tả chỉ tiết về cầu hình, vật liệu và nguồn Cau

hình đầu dd và nguồn được định nghĩa trong không gian ba chiều Vật liệu cần xác

định được khối lượng riêng thành phần các đồng vị có mặt trong đó MCNP6 có thé

mô tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguôn trụ ) cũng như các thông số nguôn như năng lượng, vị trí loại bức xạ Bên cạnh đó, người dùng có thê điều chỉnh dang hạt, thông lượng hat, năng lượng mat mát theo các mục đích khác nhau Một ưu

điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ giúpngười sử dụng toi ưu hóa được thời gian xử lý trong quá trình chạy mô phỏng Chính

vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt

nhân.

2.1.1 Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6

Dé chạy mô phóng từ nguồn đến đầu dd, một bài toán sử dụng chương trình MCNP can có đủ ba Cards tương ứng với ba phan dữ liệu:

e Khai báo 6 mạng (Cell Cards).

® Khai báo mat (Surface Cards).

¢ Khai báo dữ liệu (Data Cards).

Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau:

Bang 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6

_ | CHPGe GEM50P4-§83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM

<Dòng tréng> | Phân cách giữa Cell Cards va Surface Cards.

C *xưte+et#+t+#*#*lLOCK 2: SURFACE CARDS#***#**

Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào:

e Không sử dụng phim [Tab] đẻ tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào,

chỉ sử dụng phím [Spacebar].

© - Kítự*C' đặt ở đầu dòng và kí tự 'S' ở cuối đòng cho phép người dùng ghi chú

những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa MCNP sẽ không thực hiện

các dòng ghi chú này trong khi chạy chương trình.

« Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối

lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm?), tiết điện (barn).

2.1.1.1 Khai báo ô mạng (Cell Cards)

Cell là một vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên (được định nghĩa

trong phần Surface Cards) Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao,

hội và bù các vùng không gian tạo bởi các mặt Mỗi mặt chia không gian thành hai

vùng với các giá trị dương vả âm tương ứng Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cellnumber), số vật chat (material number), mật độ vật chất (material đensity) và một dãycác mặt (surfaces) có dau (âm hoặc đương) kết hợp nhau thông qua các toán tử giao(khoảng trắng) hội (:), bù (#) dé tạo thành cell

Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]:

] m d geom params Trong đó:

e j là chỉ số Cell,

e mlàchi số vật chất trong Cell

e dla mật độ của vật liệu trong Cell, mang dau “+” nếu tính theo đơn vị nguyên

từ/cm và dau “-“ nêu tinh theo đơn vị g/cm’

® geom mô tả các mặt giới han Cell.

¢ params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp day, hệ số chuyển trục

tọa độ

Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.1:

C *®e*+*d*“ds*dtedtettete ****9* BLOCK 1: CELL CARDS ********

1 2 -5.3239 (+26 5 -27):(27 -24 5):(-5 6 29 -16):(-6 7 15 -16) IMP:P,E=1 $Ge

| | | | | |

Chisó | Mậtđộ Giới han các mặt cell Độ quan trọng Các ghi chú

cell của cell

Vật liệu

Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào

2.1.1.2 Khai báo mặt (Surface Cards)

Dé tạo ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phóng, MCNP cung

cấp một SỐ các dang mặt cơ bản như mat phang, mặt cau, mặt trụ (có tất 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 hội và bù Cú pháp

khai báo một mặt trong Suface Cards như sau:

J n a list

Trong đó:

e j là chỉ số mặt.

© —n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyên toa độ

© ala kí hiệu loại mặt Ví dụ: Px khai báo mặt phăng vuông góc với trục Ox.

e list là các tham số định nghĩa mặt

Trong mô phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng,

mặt cầu và mặt elip Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thé hiện ở

Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.2:

Cc OOOH O+H S++ ORI OCK 2: SURFACE CARDS*******

Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào

2.1.1.3 Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards)

Thẻ dữ liệu (Data Cards) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho

phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cau tạo

trong những 6 mạng.

Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp vớibài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt(SSR/SSW) Dé giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thê những tínhchất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.Trong mô phóng của khóa luận này sử dụng nguồn tông quát (SDEF) Cú pháp khai

báo nguồn tông quát trong Data Cards như sau:

SDEF Thôngsổl Thôngsó2 Thong số 3Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2.3 Trong mô phỏng của khóa

luận, ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát

còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8 Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trò như

một dau dò vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp thông tin vẻ năng lượng bị mat

trong một cell Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phan

mat trong đầu dò Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được mô tả

qua Hình 2.3.