Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Tính toán hệ số trùng phùng của một số nguồn đồng vị phóng xạ phát gamma bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo

o Năm 2019, A.Taibi và cộng sự [8] sử dụng nguồn thé tích !?Eu và dau dò HPGe loại n dé tính toán hệ số trùng phùng thông qua tỷ lệ giữa hiệu suất đỉnhnăng lượng toàn phần xác định bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TP HO CHÍ MINH

NGUYEN NGOC HAN

KHOA LUAN TOT NGHIEP

TINH TOAN HE SO TRUNG PHUNG CUA

MOT SO NGUON DONG VI PHONG XA PHAT GAMMA

BANG CHUONG TRINH MO PHONG MONTE CARLO

Thành phố Hồ Chi Minh — Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TP HÒ CHÍ MINH

TÍNH TOÁN HỆ SÓ TRÙNG PHÙNG CỦA

MOT SO NGUON DONG VI PHONG XA PHÁT GAMMA

BANG CHUONG TRINH MO PHONG MONTE CARLO

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hân

Cán bộ hướng dẫn: ThS Lê Quang Vương

Chuyên ngành: Vật lý học

Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2021

XÁC NHẬN CUA CÁN BỘ HUONG DAN

XÁC NHAN CUA CHỦ TỊCH HOI DONG

Thanh phé H6 Chi Minh, ngay 07 thang 05 nam 2021

Sinh viên thực hiện

NGUYEN NGOC HAN

LOI CAM ON

Trong sudt quá trình thực hiện dé hoàn thành khóa luận tôi nhận được nhiều sự

giúp đở từ Quý Thay/Cé, Anh Chị, Bạn bè và Gia đình Vì vậy, tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành nhất đến với những người đã đồng hành cùng tôi trong quá trình thực

hiện khóa luận Đặc biệt nhất, tôi xin gửi lời trí ân sâu sắc đến Thay Lê Quang Vương

— người hướng dẫn khoa hoc, Thay đã tan tình hướng dẫn, luôn khuyến khích và đồng

hành cùng tôi trong suốt thời gian dé hoàn thành khóa luận.

Tôi xin phép giti lời cảm ơn đến Thây/Cô của Hội đồng cham khóa luận của Bộ

môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã góp ý va

chinh sửa đề tôi hoàn thiện khóa luận tốt hơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thay/Cé khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm

thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt von kiến thức quý báu dé tôi có đủ nèn tảng

kiến thức dé thực hiện đề tài này

Tôi cũng xin phép gửi lời cảm ơn đến các Anh Chi, Bạn bè tại Phòng Thí nghiệm

Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã đông hành, giúp đỡ và động viên dé tôi có thé hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.

Sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ và anh chị trong gia đình đã tạođiều kiện tốt nhất dé con hoàn thành khóa luận này

Tp.HCM, ngày 07 tháng 05 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Hân

DANH MUC CAC TU VIET TAT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Thế Laboratoire National Henri Phong thi nghiém quéc gia Henri

Becquerel Becquerel — Phap

Evaluated Nuclear Structure l ENSDF Co sở Dữ liệu Câu trúc Hat nhân

Data File

Hiệu suất đỉnh năng lượng

Full Energy Peak Efficiency 7

toan phan

Total Efficiency Hiệu suất tong

DANH MUC BANG

Bang 2.1 Thông số cau hình mô phong 0 02 0.cc.cssecsseesseesseessecssecsseesseesseeceeeseeesees 9

Bang 2.2 Các mặt được sử đụng mô phỏng trong khóa luận 10

Bang 2.3 Thông tin nguon chuẩn phat gamma nỗi tầng 22-22-2522 5552 II

Bang 3.1 Hệ số trùng phùng từ chương trình ETNA -.-55-55255scSsccssccse 18

Bang 3.2 Hệ số trùng phùng từ chương trình ETNA (tiếp theo) 19

Bang 3.3 Hệ số trùng phùng bằng mô phỏng MCNP = CP 2-52-52 19

Bang 3.4 Hệ số trùng phùng băng chương trình TrueCoine ::5::55¿ 20Bang 3.5 Độ sai biệt giữa hệ số trùng phùng tính bằng ETNA và MCNP - CP 21Bảng 3.6 Dộ sai biệt giữa hệ số trùng phùng tính bằng TrueCoine và MCNP — CP

Bảng 3.7 Độ sai biệt giữa hệ số trùng phùng tính bằng ETNA và TrueCoine 23

DANH MUC HINH ANH

Hình 1,1.iHiệuứng quang điện cic: :cssssessccascesiscsscszzscesscazsces sccsssasseisasasasesasazceaiseessezis 4

CW a Ug 0 caosooooeioeoranoopooaiooiooiioooooooopoioooooooooiooooaoiaio 5 Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp cccescssssessscsssscssecsscasscsssassscsssesssnessscaseasscessasscassscess 6

Hình 2.1 Mô hình hệ phô kế gamma trong MCNP6 -22552225sc55cc2 9

Hình 2:2: Cửa số chương trình ETINAL oscccsccsisnssassssscissasssasecansnnsssosssnsssnassnassuassanssncs 13

Hình 2.3 Cửa sô thiết lập khoảng cách và đặt tên đầu dò 13Hình 2.4 Cửa số thiết lập thông số đầu đò cccccccecceeee, 14Hình 2.5 Giao diện đưa hiệu suất đỉnh và hiệu suất tổng - 14

Hình 2.6 Cửa số chương trình TrueCoinc cecco-oooeoreoseosree l§

Hình 2.7 Kết quả thu được từ chương trình TrueCoinc - 16

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng hiệu suất dinh của các đồng vị ở mỗi khoảng cách 17

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng hiệu suất tông của các đồng vị ở mỗi khoảng cách I§

MỤC LỤC

LỚI CAMO seessctoiitoboeoieto550000660016001610206086510059015530056646546658688368885368839386398663488503688883) i

DANH MỤC BANG ssssssssssssssssascsssssssoccsasnssasssssssassasssssasssnsssasssssossssssssssasssssssasassoees iii DANH MHE HÌNH RI {-5eằẶeeo.ẽẼŸsSsSẽŸẽe.ẽ.eễêeễẽeẽ - < iv

LÔI MÔ ĐẤ | cccccctcccceikiiESLEEEc666222112112126122101220205153283026662182622022232226220622228222222 1

CHƯỚNGI,GGŒSOLET THUẾ Gaiiaiaaiiaaadaaaaaaooaooooyyoya 4

1.1 Tương tác của gamma với vật chất - 22222 tt 22x43 cư sec, 4

LDU, INiEIi'D61003N8/GIỂNÌ‹isiissiisaiinitirsiioaitiosititt05311011002111511031318313033558565538555759585557 Ba II;1;2 Hiệu'ỨnE'COIHDTDTitusisiisiisiiitsiiiaiit2i112111211122111411221014611413442816ã138238316418818323832538 4 I1.3: Hiệu 'ững¡HẠG(EBB:::::::::::::::::22102200721102012221122121311291653315939123355355653823385235633683332 bì

1.2 Hiệu suất ghi của đầu đò có 1S 011211 1002011 11 11g 111 1 ng ng 6

1.2.1 Hiệu suất ghi đỉnh nang lượng toàn phần 2-22 z£22zezsz+zszee 6

1.2.2 Hiệu suất tông 252222 2222122112 3717211232117117211721272 21211 1121 2.ce 6

I3 FSi UNS PHÙNG ;.:á::isc0iic2itcc020112000040101110410021365461481598486383535882186453888g503ã 7

1.4 Tom tat oo-ẻẽadáaaaaÝảÝảẻảắ‡3¿¿44 7

CHƯƠNG 2 DOI TƯỢNG VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU §

2.1 Mô phòng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP6 S.c {2< se 8 2.2 Chương trình MCNP - CP ống ae ae C 10

Pu ng NNnẽ ẽ 1434: 11

2A Chuong ink ETNA osississcsiscsssosisessisasssassssivenaioossvessveasssassveavsnaveosivessveassaesasoives 12

2:5./Chuong tink Te Come s.csasssascssescessscesssascaasscasseasssesssanesssessessoacssasssassbeassenscances 15

2.6 Tóm tắt chương 2 ooo cccecseeccessessvessessseseessessesesecssessessessusercessesseeseesusseceanseseeseeseeess 16

CHƯƠNG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN o-«oescosscoscossessee 17

3.1 Hiệu suất đỉnh và hiệu suất tông trong mô phỏng MCNP6 17

3.2 Kết quả tính toán hệ số trùng phùng - 22 222 zZSC2Zc22ZztECSrrzxercvree 183.3 Đánh giá kết qua tính toán hệ số trùng phùng giữa các chương trình 213.4 Tém tat ChUomg ánh ẽố ẽ.ố ẽ ẽ.ẽẽẽ 24

KET LUẬN s ss cv 421981211111111111.21211111.0110.1101121.211 4920 26

11 || an 27TÀI LIEU THAM KHAO cescsssssccsscesscssssssssssensscnsssssnssensssnsssensssnessnesesenesene 28

PBMODS ssssccssecesccssccssssnesasecsanccesccscenensssustascessossscsensssnesasucssasssssscsssencssessussetsssssseene 30

LOI MO DAU

Hệ phô kế gamma sử dung dau dò bán dan siêu tinh khiết (HPGe) được sử dung

rộng rãi trong nghiên cứu xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ nhờ vào các ưuđiểm như: độ phân giải cao, độ nhạy tốt trong vùng năng lượng từ 60 keV đến 2000

keV [2] Điều cần thiết trong việc xử lý phô gamma là xác định hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phân Tuy nhiên, khi tiền hành thực nghiệm thì giá trị hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phan thường sai lệch so với giá trị thật của nó bởi ảnh hưởng từ phông và

các hiệu ứng như hiệu ứng tự hấp thụ, hiệu ứng trùng phùng [8] Hiệu ứng trùng

phùng xảy ra khi hai hay nhiều bức xa gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ được ghi

nhận thành một xung duy nhất trong thời gian đáp ứng của đầu đò Dây là hiệu ứngđược khóa luận quan tâm Hiệu ứng trùng phùng phụ thuộc vào từng loại nguồn và

đầu dd, khoảng cách giữa nguồn và đầu dò, năng lượng bức xạ gamma phát ra từ

nguồn Trên thé giới đã có nhiều nghiên cứu vé việc hiệu chỉnh hệ số trùng phùngbằng cách áp dụng các phương pháp thực nghiệm mô phỏng, bán thực nghiệm và môphỏng Một số công trình nghiên cứu tiêu biêu có liên quan đến đề tài khóa luận như:

o Năm 2006, Lépy và cộng sự [10] đã tinh toán hệ số trùng phùng cho các nguồn

điểm bằng chương trình ETNA Nghiên cứu sử dụng các nguồn điểm %Co,

I24Sb, Cs, Eu, Ba, khảo sát các khoảng cách từ nguồn tới đầu dò tir 1

em đến 15 em Kết quả thé hiện sự phù hợp giữa thực nghiệm và tính toán

bằng chương trình ETNA với sai số tương đối là 2% tại khoảng cách 8, 10, 15

em 5% tại Š em và lên đến 10% tại khoảng cách 1 cm

o Năm 2014, Eren Sahiner và cộng sự [13] đã xác định hệ số trùng phùng thực

bằng chương trình TrueCoinc đối với đầu dò HPGc Trong nghiên cứu này,

nhóm tác giả sử dụng dau dò HPGe loại p với tinh thé có đường kính 58,7 mm

và chiều dài 52 mm Các nguồn đồng vị ““K, “Mn, Co, ©Zn, *Y, "Cd,

Sn, B7Cs, !19%Ca, Hg, 219Pb, 2 Am được sử dụng dé xây dựng đường cong

hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan Đôi với đường cong hiệu suất tông dùngcác nguồn ?“' Am, '?Co, "Cs, Cd, “Mn, Zn Cả hai đường chuan hiệu suấtdựa trên ba phương pháp tiếp cận là Trapezoid, Venkataraman và Genie —

2000 trong vùng năng lượng từ 46,5 keV đến 1836 keV Hệ số trùng phùng

được tính bằng chương trình TrueCoinc Hệ số trùng phùng bằng phương pháp

Venkataraman và Genie — 2000 có độ sai biệt từ -1,3% đến 8,6 % Hệ số trùng phùng của Venkataraman và Genie — 2000 so sánh với IAEA có độ sai biệt từ

-1,3% đến 9,2%

o Nam 2018, Trần Thiện Thanh và cộng su [9] đã đưa ra cách xác định hệ số

trùng phùng bằng hai chương trình MCNP-CP và ETNA đối với mẫu môi

trường Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hai đầu dd HPGc loại p có hiệu

suất khác nhau: GEM50 do hãng Ortec cung cấp có hiệu suất 50%, GC3520

do hãng Canberra cung cấp có hiệu suất 35% Kết qua cho thay, hệ số trùng

phùng được tính theo hai chương trình dat sự phù hợp tốt với độ sai biệt cao nhất là 4,5% tại năng lượng 563,25 keV đối với đầu dd GEMS0, độ sai biệt

này không vượt quá 6% tại năng lượng 1274.54 keV đối với đầu dò GC3520

o Năm 2019, A.Taibi và cộng sự [8] sử dụng nguồn thé tích !?Eu và dau dò

HPGe loại n dé tính toán hệ số trùng phùng thông qua tỷ lệ giữa hiệu suất đỉnhnăng lượng toàn phần xác định bằng mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương

trình MCNPS và hiệu suất đỉnh thực nghiệm Sau đó, thực hiện so sánh với dit

liệu tính toán từ chương trình TrueCoinc Đông thời nhóm tác giả thực hiện

kiểm chứng kết quả thực nghiệm bằng các mẫu môi trường và đạt được sự phù

hợp tốt

Từ các công trình nghiên cứu trên, tôi chọn dé tài khóa luận là “Tinh toán hệ số

trùng phùng cúa một số nguồn đồng vị phóng xạ phát gamma bằng chương trình mô

phỏng Monte Carlo” Khóa luận dùng mô phỏng Monte Carlo với chương trình

MCNP6 nhằm thu được kết quả hiệu suất đỉnh và hiệu suất tông của các đồng vị phát

gamma cao như *’Co, “'Co, **Sr, #8Y, Cd !lSn, 123nrƑe, !33Ba, 1C, 219Pb, ?!Am

theo khoảng cách từ 0 em đến 20 em với gia số 2 em Trong các đồng vị trên, tôi dùng

ba đồng vị Co, *#Y và !3*Ba đề tính hệ số trùng phùng từ hai chương trình ETNA va

TrueCoine Đồng thời, tôi xác định hệ số trùng phùng của ba đồng vị này bằng mô

phỏng Monte Carlo dùng chương trình MCNP — CP.

Mục tiêu khóa luận hướng đến là xác định hệ số trùng phùng của một số nguồndong vị phóng xạ phát gamma qua các chương trình ETNA, MCNP - CP và

TrueCoinc Khóa luận bao gôm ba chương:

Chương |: Cơ sở lý thuyết Trong chương nay, tôi sẽ trình bày về các tương tác

của bức xạ gamma với vật chất; khái niệm hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phản, hiệusuất tông và hiệu ứng trùng phùng

Chương 2: Giới thiệu vẻ đối tượng và phương pháp nghiên cứu gồm có chươngtrình MCNP6, ETNA, MCNP - CP, TrueCoinc, bé trí mô phỏng hệ phô kế gamma

sử dụng đầu dò HPGe và một số nguồn điểm sử dụng tính hệ số trùng phùng.

Chương 3: Kết quả và thảo luận Trong chương này, tôi trình bày đồ thị hiệusuất định và hiệu suất tông từ mô phỏng MCNP6, kết quả hệ số trùng phùng thu được

từ các chương trình ETNA, MCNP - CP, TrueCoinc.

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYET

1.1 Tương tác của gamma với vật chất

Bức xa gamma có bước sóng 2 rất ngắn (2 < 10m) mang ban chat của sóng điện từ giống như sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X Khi bức xạ

gamma tương tác với nguyên tử nó làm burt các electron quỳ đạo ra khỏi nguyên tử hoặc sinh ra cặp electron — positron Có ba dang tương tác cơ bản của bức Xa gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tao cặp.

1.1.1 Hiệu tmg quang điện

Khi bức xa gamma tới va chạm với electron quỹ đạo, năng lượng gamma truyền

toàn bộ cho electron quy đạo làm bật các electron ra khỏi nguyên tử Nang lượng

electron Ea bằng hiệu năng lượng của bức xa gamma tới E và năng lượng liên kết ey,

của electron trên quỹ đạo nguyên tử được tính bang công thức [1]:

E,=E -¢,, (1.1)

Theo công thức (1.1) năng lượng của bức xạ gamma tới tối thiêu phải bang năng

lượng liên kết của electron trên quỹ đạo thì xảy ra hiệu ứng quang điện [1].

Electron

Gamma tới

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện

1.1.2 Hiệu ứng Compton

Hiệu ứng Compton là hiện tượng gamma năng lượng cao tán xạ không đàn hỏi

lên electron tự do trên quỹ đạo nguyên tử Sau tán xạ, bức xạ gamma lệch khỏi phương

chuyên động ban dau và đồng thời bị mat một phần năng lượng (bước sóng tăng) còn

electron được giải phóng ra khỏi quỹ đạo nguyên tử Độ biến thiên bước sóng trước

và sau khi va chạm của bức xạ gamma được xác định bằng công thức [H]:

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra trong trường điện từ của hạt nhân Khi năng lượng

gamma tới lớn hon hai lan năng lượng nghỉ của electron 2mec? = 1,022 MeV thì khi

di chuyển trong trường điện từ của hạt nhân sẽ tạo ra một cặp electron - positron.

Positron sinh ra mang điện tích đương khi gặp electron nguyên tử, điện tích của chúng

bị trung hòa, hủy lần nhau nên gọi là hiện tượng hủy cặp electron — positron Khi hiện

tượng hủy cặp xảy ra hai bức xạ gamma chuyên động ngược chiều nhau, mỗi bức xạ

mang năng lượng 511 keV [1].

Gamma tới

511 keV

Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp

1.2 Hiệu suất ghi của đầu dò

1.2.1 Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan

Hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phan là xác suất một photon phát ra từ nguôn

mat toàn bộ năng lượng của nó trong thé tích hoạt động của đầu đò Trong thựcnghiệm hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần được xác định bằng công thức [8]:

Iy: xác suất phát gamma (%)

A: hoạt đồ nguồn tại thời điểm đo (Bq)

t: thời gian đo (s)

1.2.2 Hiệu suất tong

Hiệu suất tông là xác suất một photon phát ra từ nguồn mat năng lượng của nó

trong vùng thé tích hoạt động của đầu đò Trong mô phỏng của khóa luận, hiệu suất

tông được xác định băng cách lay tông các xác suất tương ứng ở các đỉnh năng lượng

từ chương trình MCNP6 cho pho don năng Hiệu suất tông là yếu tô quan trọng trong

tính toán hệ số trùng phùng, giá trị hiệu suất tông khóa luận mô phỏng lay từ các nguồn phát gamma mà khóa luận quan tâm được trình bày ở phụ lục Bảng PA.1 [2].

1.3 Hiệu ứng trùng phùng

Hiệu ứng trùng phùng là hiện tượng xảy ra khi hai hay nhiều photon được đầu

đò ghi nhận đồng thời trong thời gian đáp ứng của đầu dò và kết qua là đầu dò ghi nhận nó như một xung Có ba loại hiện tượng trùng phùng gồm [8]:

- Trùng phùng thêm là hiện tượng trùng phùng làm tăng số đếm đỉnh

- Trùng phùng mat là hiện tượng trùng phùng làm mat số dém đỉnh.

- Trùng phùng làm xuất hiện đỉnh phô mới.

Tùy vào mỗi đồng vị phóng xạ mà một hạt nhân có thể bao gồm một số mức

năng lượng trung gian phát tia gamma tương ứng với mức năng lượng đó Có những

mức trung gian năng lượng tổn tại rất ngắn và có xu hướng phát gamma dé trở về

trạng thái bên hơn, thời gian tồn tại trước khi chuyên vẻ trang thái khác ngắn vàokhoảng 10”°s đến 10% s Ngoài ra, hiệu ứng trùng phùng xảy ra do đặc tính ghi nhậnbức xa cúa đầu đò, hình dang mẫu đo và sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ Đối với

hệ đo HPGe khóa luận mô phỏng có thời gian đáp ứng khoảng 107 s để ghi nhận năng lượng mà bức xạ gamma đẻ lại trong đầu đò Thời gian chết của đầu đò HPGe là từ

4 us đến 6 ps là khoảng thời gian mà hệ đo có thé phân biệt được năng lượng các bức

xạ riêng biệt đi tới đầu dò Chính thời gian đáp ứng của dau dò đã gây ra hiệu ứng

trùng phùng do những tia gamma dé lại năng lượng trong vùng hoạt của đầu dò [4]

Hiện tượng trùng phùng có thé được xem là một trong những nguyên nhân tất yếu

gây nên sự sai biệt với các phép đo của hạt nhân có sơ đồ phân rã phức tạp

1.4 Tóm tắt chương 1

Trong chương I, khóa luận đã trình bày cơ sở lý thuyết tương tác của bức xạ

gamma với vật chat, nguyên nhân gây ra hiệu tng trùng phùng và các loại hiệu ứng

trùng phùng.

CHUONG 2 DOL TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP6

Phương pháp Monte Carlo mô phỏng trực tiếp lý thuyết dựa trên các yêu cầu của hệ Khoảng năm 1946 mô phỏng tính toán vận chuyên neutron trong vật liệu phân hạch được các nhà Vật lý tại phòng thí nghiệm Los Alamos dé xuất, dan đầu bởi Nicholas Metropolis, John von Neumann Đến năm 1970, lý thuyết mới phát triển

với độ phức tạp được nâng lên và độ chính xác cao hơn Chính những cơ sở lý luận

đó đã làm phương pháp mô phỏng Monte Carlo được sử dụng rộng rãi cho đến ngày

nay [3, 4].

MCNP là chương trình ứng dụng mô phỏng Monte Carlo được xây dựng bởi

nhóm nghiên cứu Radiation Transport, phòng thí nghiệm Los Alamos (Hoa Ky).

Chương trình MCNP được sử dụng dé mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân như:

quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượngneutron, đối với neutron, photon, electron Các quá trình này được điều khiên trong

chương trình bằng cách gieo hat đã cho trước theo quy luật thông kê, các mồ phỏng

được thực hiện qua máy tính.

Trong khóa luận này, chương trình MCNP6 được sử dụng dé mô phỏng mô hình

hệ phô kế gamma với đầu dd HPGe Mô hình hệ phô kế gamma được biểu diễn trong Hình 2.1 Các thông số của đầu đò đo nhà sản xuất cung cấp trình bày ở Bảng 2.1.

Mô phóng được thực hiện với nguồn điểm đặt cách đầu đò tại cách khoảng cách từ 0

cm đến 20 cm, gia số là 2 em Ở phụ lục B, input thé hiện nguồn là một điểm phát đặt

cách đầu đò 10 cm

Cấu trúc một tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 gồm ba thẻ lệnh: Cell

Cards (khai báo các 6 mạng), Surface Cards (khai báo các mat), Data Cards (Khai báo

dữ liệu về số hạt mô phỏng, nguồn, năng lượng ) Mỗi thẻ lệnh cách nhau bằng một

dong trong Hình PB.1 là tập tin đầu vào khóa luận sử dụng cho chương trình MCNP6

đối với nguồn “Co đặt cách cách đầu dd 10 cm

Hình 2.1 Mô hình hệ phô kế gamma trong MCNP6

Mô phỏng gồm 3 cell (có chỉ số cell 10, 20, 30) và 2 vật liệu được đánh thứ tự

là M1, M3 Các thông số trình bày trong MI và M3 là vật liệu tham khảo trong quy

định về vật liệu của MNCP [15] Phan Surface Cards gồm có § mặt, phương trình các

mặt được định nghĩa như trong Bảng 2.2 Vì nguồn phóng xạ được thiết lập chỉ phát

ra bức xa gamma nên MODE P được sử dụng dé thực hiện mô phỏng Tally F§ đóng

vai trỏ như một đầu đò vật lý cho phép ghi nhận xung, cho biết thông tin về năng

lượng bị mat trong một cell Cac bin nang lượng trong Tally F§ tương ứng với phan

năng lượng bị mat hoàn toàn trong dau đò Trong mô phỏng này có 8192 kênh được

chia đều trong vùng năng lượng từ 0,01 keV đến 2000 keV Mô phỏng được chạy với

số lịch sử 1 ty hạt nhằm dam bảo sai số tương đối dưới 1% ứng với đỉnh năng lượng

quan tâm.

Bảng 2.2 Các mặt được sử dụng mô phỏng trong khóa luận [3]

Ký hiệu Mô tả Phương trình

+

PZ | Mat phing L trục OZ z—D=0

CZ Mặt trụ trên trục OZ

SO | Mặt cầu tâm trùng gốc tọa độ O

Mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP6 thu được kết quả phân

bố độ cao xung và dựa vào kết quả độ cao xung tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn

phân và hiệu suất tông Giá trị hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phân và hiệu suất tông

được đưa vào chương trình ETNA và TrueCoine dé tính hệ số trùng phùng

2.2 Chương trình MCNP - CP

Chương trình MCNP — CP là phiên bản nâng cấp của MCNP6, thực hiện mô phỏng các gamma nỗi tang; electron có năng lượng liên tục của quá trình phát gamma

~ gamma; sự hủy cặp kèm phát photon; quá trình biến hoán nội va phát electron đơn

năng; Trong đó, số lượng, loại, năng lượng và thời gian phát của các hạt được laydựa trên tính chất sơ đỗ phân rã hạt nhân phóng xa từ cơ sở dữ liệu ENSDF [12]

Cau trúc khai báo dữ liệu đầu vào mô phỏng MCNP — CP cũng tương tự như

mô phỏng MCNP6 ở mục 2.1 với các the 6 (Cell Cards), thẻ mặt (Surface Cards) va

thẻ dữ liệu (Data Cards) Hình PB.2 là cầu trúc đầu vào của MCNP - CP Tuy nhiên.

ở phần khai báo thẻ dữ liệu, có sự khác nhau ở cú pháp khai báo nguồn ZAM =zzzaaam đề chi hạt nhân phóng xạ hoặc trạng thái của đồng phân hạt nhân cần mô

phỏng trong dau đò Sự phân rã đó sẽ được mô phỏng trong quá trình chạy file MCNP

— CP Ngoài ra, trong khai báo dữ liệu của MCNP CP còn có thêm khai báo CPS

-1, thé này định rõ nguồn phát ra các hạt và có tính đến tương quan góc của tia gamma

theo tầng Mô phỏng chính của MCNP — CP trong khóa luận nay là loại bỏ ảnh hưởng

của trùng phùng hoặc giữ lại ảnh hưởng trùng phùng [12].

Chương trình MCNP — CP mô phỏng hệ phỏ kế gamma với đầu dò HPGe nhằm xác định hệ số trùng phùng tại năng lượng của đông vị phóng xạ quan tâm Mô phỏng

bao gồm hai trường hợp trùng phùng và triệt trùng phùng Dữ liệu đầu ra cho hai

trường hop là hiệu suất ứng với mỗi đỉnh năng lượng Hệ số trùng phùng tính từ mô

phỏng MCNP — CP được xác định theo công thức [9]:

Pq

1

Trong đó:

TCS: là hệ số trùng phùng tại mỗi đỉnh năng lượng

eo: hiệu suất đỉnh năng lượng từ mô phỏng triệt trùng phùng

ey: hiệu suất định năng lượng từ mô phóng có trùng phùng

2.3 Nguồn chuẩn phát gamma

Khóa luận sử dụng một số nguồn dạng điểm phát gamma với xác suất phátgamma cao [17] dé tính hệ số trùng phùng cho mô phỏng dùng 3 chương trình ETNA,

TRUECOINC và MCNP - CP (Bảng 2.3).

Bảng 2.3 Thông tin nguồn chuan phát gamma nỗi tang

Năng lượng (keV) Xác suất phát gamma (% )

I8.31+0.11

62,05 + 0,19 8,94 + 0,06

99,85 + 0,03

99,9826 + 0,0006

1836.1 99.346 + 0,025

2.4 Chương trình ETNA

ETNA (Efficiency Transfer for Nuclide Activity) là chương trình chuyên hiệu

suất và hiệu chỉnh trùng phing trong phép do phô gamma, được phát trién bởi Phòng

thí nghiệm Laboratoire National Henri Becquerel Hệ thống được xây dựng dựa trên

hai chương trình trước đây được viết bằng FORTRAN đã được cải tiến và tích hợp

thêm Windows giúp người dùng dé sử dụng Cơ sở dữ liệu bao gồm hình học nguồn.

dit liệu trên vật liệu vả sơ đồ phân rã [11] Sau khi chạy cau hình mô phỏng MCNP6

đã xây dựng ở mục 2.1, kết quả nhận được là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phan(FEPE) ứng với mức năng lượng mà khóa luận đang xét và hiệu suất tông (TE) ở từng

khoảng cách Tại cửa số chương trình ETNA như trên Hình 2.2 ta chọn thẻ

“Coincidence summing correction” dé tính hệ số trùng phùng Việc tính toán ta thực

hiện các bước như sau:

Bước I: đặt tên cho loại nguồn tại thẻ số 1 trên Hình 2.2 Xuất hiện giao điện

như Hình 2.3, thêm loại đầu dò tại “Add detector” va bat dau thiết lập thông số dau

đò mô phông của khóa luận trên Hình 2.4.

Bước 2: sau khi thiết lập các thông số đầu đò cho mồ phỏng Chọn “Nuclide” ở mục 3 trên Hình 2.2 dé chọn nguồn cần tinh, chọn “Calibration geometry` tại mục 4

với tên nguôn và loại đầu dò đã thiết lập Thông số đầu dò đã được nhập, tại mục số 2

trên Hình 2.2 ta có thê điều chính khoảng cách cần tính và đưa hiệu suất đỉnh năng

lượng toàn phan, hiệu suất tông tại thẻ “Efficiency coefficients” ứng với từng khoảng

cách điều chỉnh (giao diện Hình 2.5)

Bước 3: tính hệ số trùng phùng đúng với khoảng cách thi chọn mục “Simplifedcomputing” và cuối cùng chọn “Start computing” trên Hình 2.2 dé bắt đầu tính toán

hệ số trùng phùng

Ngoài ra, đề tính toán hệ số trùng phùng bằng cách tham chiếu đến các khoảng

cách thi giữ nguyên thông số khoảng cách có định với các bước làm như trên, ở Hình

2.2 ta chọn vào mục số 5, bắt đầu đặt tên tại mục 6, mục số 7 thay đôi khoảng cách

cân tham chiếu đến và chọn vào mục số 8 dé chon khoảng cách đã thiết lập thamchiếu Chọn vào “Complete computing” và sau cùng chon “Start computing” dé bắtđầu tính toán hệ số trùng phùng

1 Etna = x

Options ?

Eticiency baniter Ì Coincidence tuveieg carecton) MocefsneousÌ

Nuckde fae @) Daugltersudde aap =

Goomntry

Cdeseapeesy fired =] (4)

Hes2zsevrt geomety [ = ]

F Mamm=dtrosag ussslemiolEmlin pouty ( 5)

Qưpx4 fie properties

Fle mane FE XCerco ne Lj

2 imglted :

Hình 2.2 Cửa sô chương trình ETNA

|G Calibration geemetry properties = x |

Gaoraty

Hình 2.3 Cửa sô thiết lập khoảng cách va dat tên đầu dò