KHẢO SÁT HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGE VỚI HÌNH HỌC MẪU LỚN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN ÁI KHANH KHẢO SÁT HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGE VỚI HÌNH HỌC MẪU LỚN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2007 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, tôi được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giảng dạy. Chính nơi đây đã giúp tôi trưởng thành trong học tập. Tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Nhơn đã hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Nhân đây, tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc đến GVC ThS. Trương Thò Hồng Loan, người đã theo dõi suốt quá trình thực hiện Luận văn của tôi. Cô là người giảng dạy, hướng dẫn những bài học đầu tiên về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N – Particle) trong nghiên cứu đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến TS. Lê Văn Ngọc và TS. Trần Ngọc Hùng là những người thầy đầu tiên truyền đạt kiến thức về chương trình MCNP. Riêng TS. Lê Văn Ngọc đã dành thời gian quý báu để đọc, sửa chữa và đóng góp ý kiến cho đề tài. Chân thành cảm ơn đến TS. Châu Văn Tạo đã giảng dạy tận tình trong quá trình học tập tại Bộ môn. Thầy đã giành thời gian để đọc và đóng góp những ý kiến quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin được phép gửi lời biết ơn chân thành đến các Thầy Cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp những ý kiến quý báu về luận văn này. Xin được cảm ơn đến ThS. Phan Sơn Hải và ThS. Thái Mỹ Phê đã giúp đỡ trong việc cung cấp các mẫu đo để có thể thực hiện các thí nghiệm. Cảm ơn đến các thành viên trong nhóm MCNP của Bộ môn Vật lý hạt nhân, Cô Trương Thò Hồng Loan, các bạn Trần Thiện Thanh, Phan Thò Quý Trúc, Trần Đăng Hoàng và đặc biệt là bạn Đặng Nguyên Phương luôn hỗ trợ, giúp đỡ và cùng giải quyết những vấn đề khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã luôn động viên, nhắc nhở và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn. Đặc biệt, tôi gửi lòng biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo Trường Đại học Tiền Giang, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện về thời gian, công việc và tài trợ các khoản kinh phí trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động viên để tôi có thể hoàn thành Khoá học. MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 1 Danh mục các bảng 2 Danh mục các hình vẽ, đồ thò 3 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP 9 1.1 Phương pháp Monte Carlo 9 1.2 Giới thiệu chương trình MCNP 10 1.3 ðặc điểm của chương trình MCNP 11 1.3.1. Cấu trúc một input file của MCNP 11 1.3.2. Hình học của MCNP 11 1.3.3. Dữ liệu hạt nhân 13 1.3.4. Mô tả nguồn 13 1.3.5. Tally 14 1.3.6. Output 14 1.4 Sai số tương đối (Relative Error) 15 CHƯƠNG 2: HIỆU SUẤT CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 18 2.1 Hiệu suất ghi của detector HPGe 18 2.1.1 Khái niệm hiệu suất 18 2.1.2 Các loại hiệu suất 18 2.2 Đường cong hiệu suất 20 2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất của detector 21 2.3.1 Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất chỉnh 22 2.3.2 Yếu tố hình học đo 23 2.3.3 Hiệu ứng trùng phùng tổng 23 2.3.4 Hệ điện tử 24 2.3.5 Sự tự hấp thụ 25 2.4 Các phương pháp xác đònh hiệu suất 25 2.4.1 Phương pháp tương đối 26 2.4.2 Phương pháp Monte Carlo 27 2.4.3 Phương pháp bán thực nghiệm 30 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HOÁ MCNP HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGE 34 3.1 Mô tả hệ đo 34 3.2 Mô hình hoá MCNP hệ phổ kế gamma 38 3.2.1 Xây dựng mô hình 38 3.2.2 Kiểm tra độ tin cậy bước đầu của chương trình 39 3.3 Xác đònh hiệu suất nguồn trụ 40 3.4 Xác đònh hiệu suất nguồn dạng Marinelli 43 CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT ĐỈNH THEO HÌNH HỌC VÀ MẬT ĐỘ MẪU 47 4.1 Sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh theo hình học mẫu đo dạng trụ 48 4.1.1 Hiệu suất đỉnh theo bề dày mẫu 48 4.1.2 Hiệu suất theo bề dày và bán kính mẫu 51 4.1.3 Hiệu suất theo mật độ mẫu 57 4.2 Hiệu suất theo hình học mẫu đo dạng Marinelli 60 4.2.1 Hiệu suất theo hình trụ rỗng khi thay đổi bán kính và chiều cao 62 4.2.2 Hiệu suất theo hình trụ rỗng khi thay đổi mật độ 64 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT CHO HÌNH HỌC MẪU LỚN 67 5.1 Xây dựng chương trình 67 5.1.1 Giới thiệu chương trình 67 5.1.2 Chức năng tính toán hiệu suất mẫu hình học dạng trụ 68 5.1.3 Chức năng tính toán hiệu suất mẫu hình học dạng Marinelli 69 5.1.4 Chức năng xây dựng đường cong hiệu suất cho hình học dạng trụ 69 5.1.5 Kết luận 69 5.2 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình 70 5.2.1 Kiểm tra hiệu suất của hình học dạng trụ 70 5.2.2 Kiểm tra hiệu suất của hình học dạng Marinelli 75 KẾT LUẬN 79 KIẾN NGHỊ 81 Tài liệu tham khảo 82 Danh mục các công trình 84 Phụ lục 85 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu γ : gamma µ : hệ số suy giảm của vật liệu mẫu ε : hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ρ : mật độ mẫu ε r : hiệu suất tương đối E : năng lượng gamma h : bề dày mẫu (cm) N : neutron P : photon r : bán kính mẫu (cm) V : thể tích mẫu (cm 3 ) Các chữ viết tắt AQCS : Analytical Quality Control Services f S : factor self-absorption (hệ số tự hấp thụ) HPGe : High pure Germanium (Germanium siêu tinh khiết) MCNP : Monte Carlo N – particle R : Relative error (sai số tương đối) Tally : đánh giá 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các kiểu đánh giá (tally) trong MCNP 14 Bảng 1.2: Chú giải sai số tương đối R 16 Bảng 3.1: Đồng vò phóng xạ cần xác đònh hoạt độ trong mẫu IAEA-375 40 Bảng 3.2: Các giá trò hiệu suất tính từ thực nghiệm và MCNP với mẫu hình trụ IAEA-375 42 Bảng 3.3: Các giá trò hiệu suất tính từ thực nghiệm và MCNP với mẫu dạng Marinelli (3π) IAEA-375 45 Bảng 5.1: So sánh các giá trò hiệu suất tính bằng chương trình MCNP và chương trình CalEff với hình học dạng trụ 71 Bảng 5.2: Hoạt độ tính toán của mẫu chuẩn IAEA – 375 73 Bảng 5.3: Hoạt độ tính toán của mẫu Zirconium 74 Bảng 5.4: So sánh kết quả hiệu suất từ chương trình MCNP và chương trình CalEff với hình học dạng Marinelli 76 Bảng 5.5: Hoạt độ tính toán của mẫu chuẩn quặng Thori 77 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1: Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh 22 Hình 2.2: Sự hình thành đỉnh tổng phổ gamma của Co-60 24 Hình 3.1: Hệ đo gamma tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý hạt nhân 35 Hình 3.2: Mặt cắt dọc của buồng chì, kích thước được tính bằng bằng cm 36 Hình 3.3: Mặt cắt dọc của detector HPGe GC2018, kích thước được tính bằng mm 37 Hình 3.4: Hình học và kích thước của hộp đựng mẫu hình trụ 41 Hình 3.5: Hiệu suất tính từ thực nghiệm và MCNP đối với một số vạch gamma quan tâm của mẫu IAEA-375 với hình trụ 42 Hình 3.6: Hình học và kích thước của hộp đựng mẫu hình học dạng Marinelli 44 Hình 3.7: Hiệu suất tính từ thực nghiệm và MCNP đối với một số vạch gamma quan tâm của mẫu IAEA-375 với hình học dạng Marinelli (3π) 46 Hình 4.1: Sự phụ thuộc của hiệu suất đỉnh theo bề dày mẫu đo 49 Hình 4.2: So sánh sự thay đổi hiệu suất ghi tuyệt đối theo bề dày mẫu đo 49 Hình 4.3: Sự thay đổi của hiệu suất × bề dày theo bề dày mẫu đo 51 Hình 4.4: Đường cong hiệu suất theo năng lượng đối với các bán kính mẫu khác nhau ứng với bề dày mẫu 4 cm 52 Hình 4.5: Sự thay đổi hiệu suất của đỉnh 63.3 keV theo bán kính mẫu ứng với các bề dày mẫu khác nhau (1; 2; 3; 4; 5 cm) 52 Hình 4.6: Sự thay đổi hiệu suất theo bán kính mẫu đo ứng với các năng lượng khác nhau với bề dày mẫu 2 cm 54 4 Hình 4.7: Sự thay đổi hiệu suất theo mật độ mẫu hình trụ 57 Hình 4.8: Sự thay đổi tỉ lệ hiệu suất theo tỉ số mật độ của hình trụ (r = 2.65 cm, h = 1.0 cm) 58 Hình 4.9: Mặt cắt dọc và kích thước của mẫu hình học dạng Marinelli 61 Hình 4.10: Hiệu suất theo bán kính của mẫu hình học dạng trụ rỗng (h 1 = 4.0 cm, ρ 0 = 1.5 g/cm 3 ) 63 Hình 4.11: Sự thay đổi tỉ lệ hiệu suất theo tỉ số mật của mẫu hình học dạng trụ rỗng 64 Hình 5.1: Hình học và kích thước của hộp đựng mẫu IAEA-375 và Zirconium 72 [...]... dựa trên mô hình toán học và vật lý bằng tính toán đònh lượng đối tượng được nghiên cứu với các tham số hóa Trong chương này chúng tôi xin được giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP 1.1 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Phương pháp Monte Carlo hay còn gọi là phương pháp thử thống kê được đònh nghóa như là phương pháp tính bằng cách biểu diễn nghiệm của bài toán dưới dạng các tham số của một đám... vào để hiệu chỉnh sự tự hấp thụ giữa mẫu và chuẩn 2.4.2 Phương pháp Monte Carlo Phương pháp Monte Carlo được đưa ra cùng với sự phát triển của máy tính điện tử và là một phương pháp có thể đưa ra những hứa hẹn cho tương lai Khi các detector bán dẫn đạt được sự thống trò vào đầu thập kỉ 1970, sự quan tâm đã được dòch chuyển về các ứng dụng của phương pháp Monte Carlo để tính toán hiệu suất của các detector. .. cần phải đo với lượng mẫu lớn và thời gian đo phải dài Việc chuẩn hiệu suất cho hệ phổ kế với các mẫu môi trường có hình học mẫu lớn như vậy là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu Có rất nhiều phương pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề này Phương pháp thông thường nhất là xây dựng đường cong hiệu suất bằng thực nghiệm, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi mẫu chuẩn phải tương tự với mẫu đo về... và detector Việc thiết lập tỉ số này cho phép một sự hiệu chỉnh của hiệu suất đỉnh tham khảo để cung cấp một giá trò cho cấu hình nguồn – detector được thiết kế ε geo p = ref ε p ⋅ Ω geo Ω ref (2.14) ε geo : hiệu suất đỉnh của nguồn cần đo p ε ref : hiệu suất nguồn điểm tham khảo p Ω Ω geo : góc khối của cấu hình nguồn detector cần đo ref : góc khối của cấu hình nguồn detector của nguồn điểm tham khảo. .. dụng phương pháp Monte Carlo để tạo ra bộ dữ liệu đủ để cho phép xây dựng công thức giải tích Trong luận văn này, chương trình mô phỏng MCNP được dùng để mô phỏng hệ phổ kế gamma với detector HPGe tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân cho các mẫu khối hình trụ và Marinelli Đối với hình học dạng trụ, các ảnh hưởng của sự tự hấp thụ đến hiệu suất của mẫu đã được nghiên cứu dựa trên khảo sát bề dày bão hòa của mẫu. .. được ở đỉnh, T là thời gian đo, εp là hiệu suất đỉnh và Ci là các hệ số hiệu chỉnh 22 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất của detector là năng lượng của tia γ tới, hình học đo, hiệu ứng trùng phùng tổng, hệ điện tử và hiệu ứng tự hấp thụ 2.3.1 Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh Sự phụ thuộc năng lượng của hiệu suất đỉnh được thể hiện trong hình 2.1 Hiệu suất giảm ở vùng năng lượng thấp là do... ước lượng Phương pháp góc khối hiệu dụng, được giới thiệu vào đầu thập kỉ 80, ngay lập tức đã được sử dụng để thiết lập ảnh hưởng của sự suy giảm gamma, hình học đo và sự đáp ứng của detector Cho một cấu hình được đưa ra, hệ số hiệu chỉnh diễn tả tỉ số của hiệu suất giữa chuẩn và mẫu: fS = ε ( E , chuẩn) ε ( E , mẫu) (2.13) Không cần quan tâm phương pháp nào được lựa chọn cho việc xác đònh sự hiệu chỉnh... đạc ở năng lượng cao * Hiệu suất tương đối (relative efficiency) εr [7]: Để tiện lợi trong việc thông tin chi tiết kỹ thuật của detector, các nhà sản xuất detector thường sử dụng hiệu suất dưới dạng tương đối tính theo phần trăm Đó là tỉ số giữa giá trò hiệu suất tuyệt đối của detector HPGe đang khảo sát so với giá trò εNaI = 1.2 × 10−3 Giá trò này chính là hiệu suất tuyệt đối của detector nhấp nháy NaI(Tl)... 4: Xác đònh bề dày bão hòa của mẫu đo hình học dạng trụ Thiết lập các biểu thức giải tích tính hiệu suất của mẫu đo có hình học dạng trụ và 8 Marinelli từ bộ dữ liệu có được bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP Chương 5: Một chương trình tính toán hiệu suất mang tên CalEff (Calculating Efficiency) được viết dựa trên các công thức giải tích cho hình học dạng trụ và Marinelli... phần hoá học, hình học mẫu cũng như cần thời gian đo khá dài để xây dựng được đường cong hiệu suất Ngoài ra, khi thay đổi cấu hình đo thì phải xây dựng đường cong hiệu suất lại từ đầu Để làm điều đó một phương pháp được sử dụng là thiết lập các biểu thức giải tích tính hiệu suất theo các tham số hình học và mật độ mẫu dựa vào các số liệu thực nghiệm để cung cấp cho người dùng công cụ tính hiệu suất tổng . particle R : Relative error (sai số tương đối) Tally : đánh giá 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các kiểu đánh giá (tally) trong MCNP 14 Bảng 1.2: Chú giải sai số tương đối R 16 Bảng. sau này bởi nhóm Radiation Transport (Nhóm X-6) của phòng Vật lý Lý thuyết Ứng dụng ở Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ). Nhóm X-6 cải tiến MCNP và cứ hai hoặc ba năm họ lại cho ra. 11 1.3.3. Dữ liệu hạt nhân 13 1.3.4. Mô tả nguồn 13 1.3.5. Tally 14 1.3.6. Output 14 1.4 Sai số tương đối (Relative Error) 15 CHƯƠNG 2: HIỆU SUẤT CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP