Nghiên cứu và phát triển chương trình Monte Carlo để tính hiệu suất của detector bán dẫn siêu tinh khiết

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH ĐOÀN TP. HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO NGHIỆM THU NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH MONTE CARLO ĐỂ TÍNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Trần Thiện Thanh GS.TS. Ngô Quang Huy CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ (Ký tên/đóng dấu xác nhận) (Ký tên/đóng dấu xác nhận) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 5/ 2013 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tên đề tài/dự án: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH MONTE CARLO ĐỂ TÍNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT Chủ nhiệm đề tài/dự án: Trần Thiện Thanh Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ Thời gian thực hiện: 12 tháng Kinh phí đƣợc duyệt: 79.600.000 đồng Kinh phí đã cấp: theo TB số: TB-SKHCN ngày / 2. Mục tiêu: Xây dựng chƣơng trình mô phỏng nhằm mục đích tính hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần bằng phƣơng pháp Monte Carlo 3. Nội dung TT Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện 1 Tiến hành thực nghiệm đo phổ gamma cuả mẫu thể tích và xử lý số liệu thực nghiệm Phổ gamma và bảng số liệu hiệu suất phụ thuộc năng lƣợng của thực nghiệm 2 Phát triển chƣơng trình PENEFF Chƣơng trình mô phỏng PENEFF 3 Xây dựng số liệu đầu vào cho chƣơng trình PENEFF và MCNP, chạy chƣơng trình mô phỏng Số liệu đầu vào cho chƣơng trình PENEFF và MCNP, 4 Xác định lại các thông số hình học của detector đƣợc cung cấp từ nhà sản suất bảng giá trị hiệu suất tính toán sau khi hiệu chỉnh hình học 5 So sánh giá trị thực nghiệm và tính toán và tối ƣu hóa giá trị hiệu suất bằng mô phỏng Bảng kết quả so sánh 6 Tổng hợp kết quả phân tích và báo cáo tổng kết Báo cáo tổng kết nghiệm thu đề tài 2 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 7 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 8 1.1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu 8 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8 1.1.1.1. Nghiên cứu hàm đáp ứng của phổ gamma 8 1.1.1.2. Nghiên cứu hiệu suất và các thông số vật lý ảnh hƣởng 9 1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 9 1.1.3. Những vấn đề liên quan đến đề tài 10 1.2.Hệ phổ kế gamma 10 1.3. Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma 12 1.3.1. Giới thiệu 12 1.3.2. Chuẩn năng lƣợng và độ rộng đỉnh 12 1.4. Chuẩn hiệu suất ghi 13 1.4.1. Khái niệm về hiệu suất ghi 13 1.4.2. Hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần(FEPE) 14 1.4.3. Hiệu suất tổng 18 1.4.4. Tỉ số P/T 19 1.5. Cơ sở vật lí tƣơng tác của gamma với vật chất 20 1.5.1. Hấp thụ quang điện 20 1.5.2. Tán xạ Compton 23 1.5.3. Hiệu ứng tạo cặp 26 1.6. Nhận xét 27 CHƢƠNG II : CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT ĐỈNH NĂNG LƢỢNG ĐẦU DÒ 29 3 2.1. Nội dung 1: Chƣơng trình mô phỏng hiệu suất đỉnh 29 2.1.1. Thƣ viện tƣơng tác 29 2.1.2. Các phƣơng pháp lấy mẫu ngẫu nhiên 29 2.1.2.1. Bộ tạo số ngẫu nhiên 29 2.1.2.2. Phƣơng pháp hàm ngƣợc 31 2.1.2.3. Phân bố rời rạc 32 2.1.2.4. Lấy mẫu từ phân bố Gauss 35 2.1.2.5. Phân bố đều trên mặt cầu 36 2.1.3. Mô phỏng quá trình vận chuyển 37 2.1.4. Mô phỏng hiệu ứng quang điện 38 2.1.5. Mô phỏng tán xạ Compton 39 2.1.6. Mô phỏng hiện tƣợng tạo cặp 42 2.1.7. Cấu trúc hình học 42 2.2. Nội dung 2: Xây dựng số liệu đầu vào cho chƣơng trình PENEFF và chạy chƣơng trình mô phỏng 53 2.2.1. Số liệu đầu vào cho chƣơng trình PENEFF 53 2.2.2. Cấu trúc tập tin xuất dữ liệu 59 2.2.3. Mô phỏng cấu hình chuẩn 60 2.2.3.1. Giới thiệu 60 2.2.3.2. Hiệu suất đỉnh 62 2.3. Nội dung 3: Tiến hành thực nghiệm đo phổ gamma của các nguồn chuẩn và xử lý số liệu thực nghiệm 65 2.4. Nội dung 4: So sánh giá trị thực nghiệm và mô phỏng 72 2.5. Nội dung 5: Xác định lại các thông số hình học của đầu dò đƣợc cung cấp từ nhà sản suất và tối ƣu hóa giá trị hiệu suất bằng mô phỏng 73 2.5.1. Xác định lại các thông số hình học của đầu dò đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất 73 2.5.2. Tối ƣu hóa giá trị hiệu suất bằng mô phỏng 74 CHƢƠNG III: KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ NGHỊ 76 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 82 GIẢI TRÌNH VỀ VIỆC THAY ĐỔI CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE CARLO TỪ PENEFF THÀNH DETSIM 102 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Số liệu đầu vào lấy từ thƣ viện số liệu hạt nhân NIST đối với Germanium có Z = 32, ρ = 5,323 g/cm 2 57 Bảng 2.2: Thông số mẫu 61 Bảng 2.3: Thành phần vật liệu và mật độ 61 Bảng 2.4: Thông số của đầu dò 61 Bảng 2.5: So sánh hiệu suất cấu hình nguồn điểm 62 Bảng 2.6: So sánh hiệu suất cấu hình nguồn trụ với thành phần nƣớc 63 Bảng 2.7: So sánh hiệu suất nguồn trụ với thành phần đất 63 Bảng 2.8: Tỉ số nguồn điểm và nguồn thể tích 64 Bảng 2.9: Tỉ số nguồn thành phần đất và nguồn chuẩn 64 Bảng 2.10: Thông tin của các nguồn chuẩn dùng trong thực nghiệm 65 Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật của đầu dò anti – cosmic 66 Bảng 2.12: Hiệu suất đỉnh thực nghiệm và sai số 71 Bảng 2.13: Giá trị hiệu suất đỉnh mô phỏng và độ sai biệt với thực nghiệm 72 Bảng 2.14: Các thông số hình học của đầu dò cung cấp bởi nhà sản xuất và giá trị tối ƣu 74 Bảng 2.15: Hiệu suất đỉnh mô phỏng PENELOPE và độ sai biệt với thực nghiệm sau khi tối ƣu thông số hình học đầu dò 75 Bảng 1: Các thẻ và công dụng của chúng 90 Bảng 2: Các thành phần, cú pháp và chức năng của chúng 90 6 DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố xung độ cao vi phân của nguồn 152 Eu 12 Hình 1.2: Nguồn phóng xạ thƣờng dùng trong việc xây dựng đƣờng cong hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần bằng thực nghiệm 15 Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện. 21 Hình 1.4 : Đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với năng lƣợng E 23 Hình 1.5: Tán xạ Compton. 24 Hình 1.6: Tán xạ Compton nhiều lần. 25 Hình 1.7: Hiệu ứng tạo cặp 27 Hình 2.1: Lấy mẫu ngẫu nhiên từ phân bố p(x) dùng phƣơng pháp hàm ngƣợc 32 Hình 2.2: Lấy mẫu ngẫu nhiên từ phân bố rời rạc sử dụng phƣơng pháp hàm ngƣợc 34 Hình 2.3: Sơ đồ khối mô phỏng hình học của đầu dò 43 Hình 2.4: Sơ đồ ứng dụng tính toán hiệu suất bằng chƣơng trình PENEFF 54 Hình 2.5: Hình học vẽ bằng MCNP và PENELOPE 62 Hình 2.6: Hình dạng của các nguồn phóng xạ và giá đỡ dùng trong thực nghiệm 66 Hình 2.7: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Am-241 67 Hình 2.8: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Cd-109 68 Hình 2.9: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Co-57 68 Hình 2.10: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Mn-54 69 Hình 2.11: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Co-60 69 Hình 2.12: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Y-88 70 Hình 2.13: Phổ thực nghiệm của nguồn chuẩn Eu-152 70 Hình 1: Giao diện chính của chƣơng trình PENEFF 84 Hình 2: Hộp thoại Detector Edit 86 Hình 3: Hộp thoại Source Edit 86 Hình 4: Hộp thoại Energy select 87 Hình 5: Hộp thoại Report 88 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT  Ký hiệu: ε int : hiệu suất nội ε p : hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần ε abs : hiệu suất tuyệt đối ε t : hiệu suất tổng  Từ viết tắt: MCA: Bộ phân tích đa kênh (Multi Channel Analyzer) FEPE: Hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency) FWHM: Bề rộng một nửa chiều cao (Full Width Half Max) HPGe: Germanium siêu tinh khiết (High Pure Germanium) MCNP: Monte – Carlo N Particle PDF: Hàm phân bố xác suất vi phân (Probabilty Distribution Function) PENELOPE: Penetration and energy loss of Positron and Electron P/T: Tỷ số hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần trên hiệu suất tổng 8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu Để khai thác hiệu quả một đầu dò bán dẫn nói riêng và các loại đầu dò khác nói chung thì các tham số nhƣ hiệu suất, hiệu suất đỉnh, đƣờng chuẩn năng lƣợng… là không thể thiếu. Trong đó, hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần đóng vai trò quan trọng trong việc xác định định lƣợng các phép đo. Tuy nhiên, việc chuẩn hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần đối với các dạng hình học nguồn khác nhau không phải lúc nào cũng thuận lợi vì thiếu các nguồn chuẩn có dạng hình học phù hợp và việc đầu tƣ hoặc chế tạo nguồn chuẩn là không dễ dàng trong điều kiện hiện nay. Hơn thế nữa, việc chế tạo nguồn chuẩn sẽ mất rất nhiều thời gian trong khi các phép đo có thể phải đƣợc tiến hành trong thời gian ngắn. Với những khó khăn nhƣ vậy, phƣơng pháp mô phỏng là một giải pháp tốt, nhất là trong điều kiện máy tính ngày nay đã phát triển đủ mạnh cho việc mô phỏng. Dƣới đây trình bày tổng quan một số công trình trên thế giới cũng nhƣ tại Việt Nam liên quan đến vấn đề áp dụng phƣơng pháp Monte Carlo trong nghiên cứu ứng dụng hệ phổ kế gamma trong phân tích mẫu môi trƣờng. 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.1.1.1. Nghiên cứu hàm đáp ứng của phổ gamma Ródenas và các cộng sự [25] đã sử dụng chƣơng trình MCNP để mô phỏng phổ 152 Eu của đầu dò đồng trục HPGe. Thực nghiệm đƣợc tiến hành với nguồn dạng Marinelli ở khoảng cách 0 và 10cm so với mặt đầu dò. Tác giả sử dụng chƣơng trình MCNP4C để mô phỏng lại hàm đáp ứng trên hệ phổ kế với hình học tƣơng tự thực nghiệm. Tỉ số giữa diện tích đỉnh mô phỏng và thực nghiệm cho phép đánh giá ảnh hƣởng của trùng phùng tổng trên phổ đo. Marie Christine Lépy [20] nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp Monte Carlo trong việc xây dựng đƣờng cong hiệu suất tổng bằng chƣơng trình PENELOPE. Tác giả cũng chú ý rằng, nếu giá trị hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng có độ sai biệt nhỏ hơn 10% thì có thể bỏ qua trong quá trình tính toán hệ số trùng phùng. 9 1.1.1.2. Nghiên cứu hiệu suất và các thông số vật lý ảnh hƣởng Dryak và Kovar [14] đã sử dụng chƣơng trình MCNP và thực nghiệm để xác định đƣờng cong hiệu suất trong khoảng năng lƣợng 40 keV đến 2754 keV đối với nguồn điểm đặt tại khoảng cách 25cm so với mặt đầu dò. Các thông số của đầu dò HPGe đang dùng đƣợc xác định bằng các phƣơng pháp chụp ảnh tia X, mật độ của tinh thể đƣợc xác định bằng phƣơng pháp trọng số nƣớc của một đầu dò cũ tại phòng thí nghiệm, xác định sự nhiễm bẩn của cửa sổ tinh thể bằng phƣơng pháp huỳnh quang tia X, cuối cùng là bề dày lớp chết đƣợc xác định bằng phƣơng pháp biến thiên góc đo. Kết quả cho thấy mô hình MCNP đầu dò đang khảo sát cho kết quả chính xác đƣờng cong hiệu suất đỉnh toàn phần với độ sai biệt dƣới 2% với hình học dạng điểm và thể tích. Boson và các cộng sự [10] đã kết hợp phƣơng pháp mô phỏng bằng chƣơng trình MCNP5 và chụp ảnh tia X để đánh giá hình học của đầu dò loại p, kết quả cho thấy lớp chết của đầu dò đã tăng lên 2 lần. Cabal và cộng sự [11] đã kết hợp thực nghiệm và mô phỏng bằng chƣơng trình MCNPX2.6 và GEANT4.9.2 để xác định hình học của đầu dò, kết quả nhận đƣợc là bán kính của hốc tinh thể và chiều cao của hốc có sự khác biệt so với giá trị đƣợc cung cấp từ nhà sản xuất. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Tại Việt Nam những nghiên cứu về phông nền, hàm đáp ứng của phổ gamma bằng phƣơng pháp Monte Carlo, hiệu chỉnh trùng phùng và hiệu chỉnh tự hấp thụ cũng đã đƣợc nghiên cứu tiêu biểu nhƣ: Ngô Quang Huy [16] đã sử dụng chƣơng trình MCNP để nghiên cứu ảnh hƣởng của lớp chết đến hiệu suất sau một thời gian dài sử dụng của hệ phổ kế gamma. Kết quả cho thấy, sau gần 10 năm sử dụng lớp chết của hệ phổ kế tăng lên ba lần. Trƣơng Thị Hồng Loan và cộng sự [22] bằng mô phỏng MCNP đã tính toán sự hấp thụ của tia X đặc trƣng của lớp thiếc và đồng lót ở mặt trong buồng chì của hệ phổ kế gamma thuộc Phòng thí nghiệm chuyên đề 2, Bộ môn Vật lí Hạt nhân [...]... khó khăn của phƣơng pháp 28 thực nghiệm trong quá trình xác định hiệu suất đã đƣợc trình bày .Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính phƣơng pháp bán thực nghiệm và mô phỏng đƣợc áp dụng cho thấy những ƣu điểm nhất định trong xác định hiệu suất Vì vậy, các quá trình cần đƣợc đánh giá xem xét bằng cách so sánh hơn là dựa vào một đƣờng cong hiệu suất 29 CHƢƠNG II : CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT ĐỈNH... làm khớp và tìm đƣợc aij, rồi ngoại suy hiệu suất đỉnh cần quan tâm 18 1.4.3 Hiệu suất tổng Hiệu suất tổng ( ε t ) đƣợc định nghĩa nhƣ là xác suất của một photon phát ra từ nguồn mất bất kì năng lƣợng khác không của nó trong thể tích hoạt động của đầu dò Trong phân bố độ cao xung vi phân, diện tích tổng dƣới phổ của tất cả các xung không quan tâm đến biên độ đƣợc ghi nhận để xác định hiệu suất tổng... vị phát hay đỉnh gamma có năng lƣợng gần nhau nhƣ Co60, Co57 và để ngoại suy ở vùng năng lƣợng cao là đồng vị Y88 Trong đó, việc tính hiệu suất tổng cho đỉnh thứ 2 đƣợc tính theo công thức sau: N T - A.I γ1.ε1 t εT = 2 T A.I γ2 1 - I γ1.ε1 (1.17) Với hiệu suất tổng của đỉnh thứ 1 đƣợc ngoại suy từ giá trị của các nguồn phát gamma đơn năng Nhƣ đỉnh 898,04keV của Y88 có thể sử dụng đỉnh 834,84keV của. .. dùng một số nguồn phát gamma đơn năng để tính hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần theo năng lƣợng Tuy nhiên, hiệu suất còn phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn đến đầu dò, nên ứng với mỗi khoảng cách nhất định có một đƣờng cong hiệu suất Điều này là rất mất thời gian và tốn kém trong quá trình thực nghiệm [5], [7] Hình 1.2 là giá trị năng lƣợng của các nguồn thƣờng đƣợc dùng trong quá trình 2000 1500 1000... liệu [5] và cũng đƣợc đƣa vào các gói phần [12] ề nghị năng lƣợng 60 2000 keV Tro ệc , ợc thực hiện trên , ngƣời ta thƣờng sử dụng một công thức tuyến tính thể hiện mối tƣơng quan giữa logarit hiệu suất và logarit năng lƣợng Hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần của đầu dò bán dẫn có thể đƣợc viết dƣới dạng đa thức theo logarit của năng lƣợng [10]: n a i (ln(E))i ln( ) (1.12) i 0 với ai là hệ số của đa... thể nhận đƣợc bằng cách khớp ai(z) và z theo phƣơng trình (1.13) Kết hợp hai phƣơng trình (1.12) và (1.13), ta nhận đƣợc phƣơng trình tổng quát cho hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần [10]: n m a ij z j (ln(E))i ln( ) (1.14) i=0 j=0 Vì vậy, biết đƣợc các hằng số aij, hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần ε có thể tính đƣợc trong một khoảng năng lƣợng rộng của tia gamma, và với các khoảng cách khác nhau... pháp bán thực nghiệm hoặc phƣơng pháp mô phỏng Trong phƣơng pháp bán thực nghiệm chỉ cần tiến hành thực nghiệm tại một khoảng cách với các nguồn phát gamma quan tâm Tại vị trí đó ảnh hƣởng trùng phùng tổng đƣợc bỏ qua Sau đó áp dụng nguyên lý của Moens [9] để hiệu chỉnh hình học đo của nguồn và đầu dò, từ đó xây dựng đƣờng cong hiệu suất tại vị trí cần xác định Trong phƣơng pháp mô phỏng, hiệu suất. .. vi phân (phổ gamma) của nguồn 152Eu 12 -3 10 -4 dN(E)/dE 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 E(KeV) Hình 1.1: Phân bố xung độ cao vi phân của nguồn 152Eu 1.3 Hiệu chuẩn hệ phổ kế gamma 1.3.1 Giới thiệu , chuẩn độ rộng đỉnh và chuẩn hiệu suất ghi Trong đó chuẩn năng lƣợng ; ọc và chất liệu nền (matrix) của mẫ [1], [5] 1.3.2 Chuẩn năng lƣợng và độ rộng đỉnh C của nguồn số lập mối... số trùng phùng cho hình học dạng điểm Trần Thiện Thanh và các cộng sự [26] đã thiết kế hệ đo hệ số suy giảm tuyến tính của các mẫu chƣa biết thành phần Sau đó, sử dụng hệ số suy giảm này tính toán hệ số tự hấp thụ giữa mẫu chuẩn và mẫu đo bằng phƣơng pháp Monte Carlo sử dụng chƣơng trình GESPECOR, phƣơng pháp bán thực nghiệm với chƣơng trình ETNA và công thức giải thích cho kết quả phù hợp tốt giữa các... thụ bởi electron ở những lớp ngoài của chính nguyên tử đó Kết quả là electron này sẽ bị bật ra khỏi nguyên tử và đƣợc gọi là electron Auger Hai quá trình phát tia X đặc trƣng và phát electron Auger cạnh tranh lẫn nhau 22 Trong tƣơng tác của tia gamma hoặc tia X có năng lƣợng tƣơng đối thấp, quá trình tƣơng tác quang điện là quá trình chiếm ƣu thế Ngoài ra, xác suất để một photon chịu hấp thụ quang điện . HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH ĐOÀN TP. HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO NGHIỆM THU NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH MONTE CARLO ĐỂ TÍNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT. tài/dự án: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH MONTE CARLO ĐỂ TÍNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN SIÊU TINH KHIẾT Chủ nhiệm đề tài/dự án: Trần Thiện Thanh Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển. số hiệu suất đỉnh năng lƣợng toàn phần trên hiệu suất tổng 8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu Để khai thác hiệu quả một đầu dò bán dẫn