Xây dựng đường cong hiệu suất detector HPGe bằng chương trình MCNP4C2

1.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT Theo thuyết lượng tử năng lượng thì bức xạ  chính là tập hợp gồm các photon riêng biệt được phát ra từ nguồn với năng lượng xác định E

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, ngoài những cố gắng của bản thân, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô, cũng như sự động viên của gia đình và bè bạn

Xin cho phép em được bày tỏ lời cảm ơn chân thành của mình đến tất cả mọi người:

– Cảm ơn TS Thái Khắc Định, ThS Võ Xuân Ân – Hai người thầy đã truyền cho em nhiệt tình nghiên cứu khoa học, kiến thức chuyên môn, đóng góp những ý kiến và kinh nghiệm quý báu, những động viên và chỉ bảo tận tình

– Cảm ơn quý thầy cô khoa Vật Lý trường ĐH Sư phạm TP HCM đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, cần thiết trong suốt thời gian học tập tại môi trường sư phạm này

– Cảm ơn TS Trần Văn Luyến, cũng như Phòng An toàn bức xạ và môi trường – Trung tâm hạt nhân TP HCM đã chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho

em trong quá trình thực hiện luận văn

– Cảm ơn quý thầy cô và các anh chị trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật Lý trường ĐH KHTN TP HCM đã dành thời gian giúp đỡ em trong quá trình tìm hiểu đề tài

– Cảm ơn các bạn luôn quan tâm, động viên mình trong suốt thời gian thực hiện luận văn

– Xin gửi lời tri ân đến bố mẹ, gia đình, về tình thương của mọi người

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đều biết rằng lịch sử phát triển tri thức nhân loại gắn liền với quá trình cải tiến và không ngừng hoàn thiện của khoa học, là một quá trình tiến lên từ những cái chưa biết đến cái đã biết, từ những tri thức chưa hoàn chỉnh, chưa đầy đủ đến những tri thức ngày càng hoàn chỉnh và chính xác hơn

Vì vậy nghiên cứu và phát triển khoa học luôn được xem là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc định hướng sự phát triển của toàn xã hội Các cơ sở máy móc, thiết bị trong các phòng thí nghiệm luôn được trang bị đầy đủ và không ngừng cải tiến nhằm tạo nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho người làm khoa học

Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào chúng ta cũng có đủ các điều kiện cần thiết để thực hiện các thí nghiệm như mong muốn Lúc này máy tính đóng vai trò là một công cụ thực sự hữu ích Sự xuất hiện của máy tính không chỉ dùng trong việc nghiên cứu, phân tích, đo đạc các kết quả thực nghiệm mà

nó còn được sử dụng như một công cụ để mô phỏng thí nghiệm, cung cấp cho chúng ta những kết quả mà các thí nghiệm thuần túy thường gặp phải nhiều khó khăn và hạn chế trong quá trình thực hiện

Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP4C2 để mô phỏng hệ phổ kế gamma HPGe (High Pure Germanium) GC1518 của hãng Canberra Industries, Inc đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh Mục đích của khóa luận nhằm thiết lập, đánh giá đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector HPGe để ứng dụng vào công việc phân tích và đo đạc sau này

Khóa luận gồm 5 chương:

– Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT: giới thiệu các loại tương tác chính của photon với môi trường vật chất trong detector

– Chương 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP: tổng quan về mô phỏng, đặc biệt là phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu khoa học, đồng thời giới thiệu sơ lược các kiến thức cơ bản của chương trình MCNP

– Chương 3: HỆ PHỔ KẾ GAMMA SỬ DỤNG DETECTOR HPGE

GC 1518: giới thiệu về một số đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế: hiệu suất, độ phân giải và tỉ số đỉnh/Comton Cấu trúc của hệ phổ kế cũng được đề cập khá chi tiết trong chương này

– Chương 4: XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT DETECTOR HPGE GC 1518: xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector germanium siêu tinh khiết trong mô phỏng MCNP4C2 ở các khoảng cách khác nhau từ nguồn đến detector và so sánh kết quả tính toán trong mô phỏng với việc đo đạc trong thực nghiệm

– Chương 5: KẾT LUẬN CHUNG

xạ và thời gian sống của trạng thái hạt nhân 5

1.1 BỨC XẠ HẠT NHÂN 5

Bức xạ hạt nhân bao gồm các bức xạ được phát ra do sự biến đổi về cấu trúc của hạt nhân, trạng thái hạt nhân (kể cả sự sắp xếp lại lớp vỏ điện tử của nguyên tử) Cơ chế dò bức xạ dựa trên cơ sở năng lượng bức xạ sẽ truyền một phần hay toàn bộ cho môi trường vật chất của detector Mỗi loại bức xạ có một

cơ chế truyền năng lượng khác nhau

Các bức xạ hạt nhân thường gặp:

1.1.1 Bức xạ proton

Bức xạ proton bao gồm proton, hạt nhân hay còn gọi là hạt anpha () và các hạt nhân khác phát xạ với năng lượng lên tới 10MeV trong các biến đổi hạt nhân Khi các hạt này đi xuyên qua các môi trường vật chất, chúng sẽ mất dần năng lượng do xảy ra các quá trình ion hóa và kích thích nguyên tử

Dù có rất nhiều va chạm trên suốt quỹ đạo nhưng vì electron rất nhẹ so với hạt tới cho nên chỉ một phần năng lượng nhỏ mất mát trong một lần va chạm, do

đó độ lệch của hạt không đáng kể và tầm hạt dịch chuyển thường tỉ lệ tuyến tính với năng lượng và gần như tỉ lệ nghịch với mật độ vật hấp thụ Đối với

4

2He

proton, tầm hạt dịch chuyển cỡ vài centimeter trong không khí ở điều kiện thường và hạt  có năng suất ion hóa cao hơn của proton

1.1.2 Electron

Vì khối lượng nhỏ nên electron hay còn gọi là tia beta () có vận tốc lớn hơn rất nhiều và khả năng xuyên sâu có thể so sánh với proton Độ mất mát năng lượng trung bình trong mỗi lần va chạm lớn (cỡ 50%) và độ lệch so với phương ban đầu lớn Như vậy electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ sau một số ít lần va chạm Quá trình mất năng lượng cũng do sự ion hóa và kích thích nguyên tử

1.1.3 Tia gamma ( ) và tia X

Tia  và tia X là các bức xạ điện từ hay photon Khi bị hấp thụ, chúng sẽ gây kích thích hạt nhân hoặc tạo ra electron do hiệu ứng quang điện Đối với photon có năng lượng lớn (E  1,022MeV) có thể xảy ra quá trình tạo cặp electron và positron, khi đó phần năng lượng còn lại sẽ chuyển thành động năng của các hạt vừa tạo ra này

1.1.4 Neutron

Đối với neutron, vì không mang điện tích nên neutron không trực tiếp ion hóa nguyên tử Thay vào đó neutron có thể tạo ra các bức xạ ion hóa thứ cấp qua các phản ứng hạt nhân, tạo ra proton giật lùi hoặc tạo ra phản ứng phân hạch các hạt nhân nặng khi chúng bắt neutron

1.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

Theo thuyết lượng tử năng lượng thì bức xạ  chính là tập hợp gồm các photon riêng biệt được phát ra từ nguồn với năng lượng xác định E hν và động lượng tương ứng p h

λ

 Khi đi vào môi trường vật chất, chúng sẽ không

bị trường Coulomb của hạt nhân nguyên tử hoặc electron giữ lại (bức xạ  không mang điện tích) mà có thể tương tác với các electron liên kết hoặc các electron tự do của môi trường vật chất, khi đó năng lượng của chúng sẽ bị hấp

thụ hoàn toàn hoặc một phần trước khi thoát khỏi detector thông qua 3 quá

trình tương tác chính: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp Trong

quá trình tương tác chúng sẽ tạo nên một chuỗi các photon và electron thứ cấp,

tiếp tục di chuyển trong môi trường vật chất làm xảy ra các quá trình tương tác

khác và năng lượng được giữ lại

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 3  7

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác mà năng lượng E hν của

photon tới bị các electron liên kết hấp thụ hoàn toàn và bứt ra khỏi nguyên tử,

gọi là các quang electron

electron quang điện

Trong đó, Ei là năng lượng liên kết của electron ở tầng thứ i Vì vậy,

hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng của photon tới lớn hơn năng

lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Hình 1.2

Tiết diện hấp thụ  của hiệu ứng quang điện phụ thuộc chủ yếu vào

năng lượng của tia  tới và điện tích Z của môi trường tương tác, cụ thể:

– Nếu năng lượng của photon tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của

electron thì tiết diện hấp thụ σ 13,5

E

 , nghĩa là nó giảm nhanh khi tăng năng lượng

– Nếu năng lượng của photon tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng

liên kết thì tiết diện hấp thụ  giảm chậm hơn theo quy luật E-1

– Do năng lượng liên kết thay đổi theo bậc số nguyên tử Z nên tiết diện

hấp thụ quang điện  tỷ lệ với Z, cụ thể là Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối

với các nguyên tố nặng

Khi đó ta có được mối liên hệ giữa tiết diện hấp thụ quang điện  với

năng lượng của tia  tới và điện tích Z của môi trường tương tác:

5 3,5

ZσE

 , khi E E i

5

ZσE

 , khi EEi (1.2)

Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế trong tương tác của photon với vật

chất ở vùng năng lượng tương đối thấp và ngay cả với vật liệu hấp thụ có Z

lớn, đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với

những tia  có năng lượng thấp và xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện sẽ lớn

ngay cả với những tia  có năng lượng cao đối với những vật liệu nặng Tuy

nhiên hiệu ứng này không thể xảy ra với electron tự do vì với electron tự do:

Định luật bảo toàn năng lượng:

Bên cạnh việc tạo ra các electron quang điện, tương tác này còn tạo ra

các lỗ trống ở các lớp vỏ electron của nguyên tử Lỗ trống này nhanh chóng bị

lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hoặc tạo chuyển dời

từ một electron khác ở các lớp cao hơn trong nguyên tử Từ đó một hay nhiều

tia X đặc trưng sẽ được tạo ra Trong hầu hết các trường hợp, các tia X này sẽ

bị hấp thụ trở lại thông qua hiện tượng hấp thụ quang điện Trong một vài

trường hợp, sự phát electron Auger sẽ thay cho các tia X đặc trưng

1.2.2 Tán xạ Compton 7

Tán xạ Compton là quá trình tương tác của photon có năng lượng h với

electron của nguyên tử, trong đó photon truyền một phần năng lượng cho

electron và lệch đi so với hướng ban đầu với năng lượng h’ (h’< h) Do

năng lượng của photon tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của

electron trong nguyên tử nên electron được xem là tự do Hiệu ứng này giống hệt nhau đối với tất cả các electron và do đó tiết diện hiệu dụng tương ứng tỉ lệ với bậc số nguyên tử Z của môi trường vật chất, chúng thường xảy ra với năng lượng của photon vào khoảng m0c2 và trở nên quan trọng hơn các hiệu ứng khác khi môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z nhỏ

electron Compton photon tới

photon thứ cấp

Hình 1.3: Hiệu ứng Compton

Khi photon tới va chạm với electron tự do (giả sử ban đầu đứng yên), sau va chạm photon bị tán xạ và lệch đi góc  so với phương ban đầu, còn electron được đánh bật ra khỏi phạm vi nguyên tử và chuyển động hợp với phương của photon tới một góc 

Theo định luật bảo toàn động lượng:

m0 = 9,1.10-31kg, khối lượng nghỉ của electron,

c = 3.108 m/s, vận tốc ánh sáng trong chân không,

m0c2 = 0,51 MeV, năng lượng nghỉ của electron,

E mc - m c2

0 , động năng của electron,

0 2 2

mm

v1-c

 , khối lượng khi electron chuyển động với vận tốc v

0

hνα

Đặt -10

c 0

h

m c

độ thay đổi bước sóng theo một phương xác định không phụ thuộc vào bản chất

của vật tán xạ cũng như năng lượng của photon tới

b) Năng lượng của photon tán xạ

2 0

m c

hν '

11- cosθ

α



2 0

hνhν

Thực tế các electron của nguyên tử bị photon va chạm có năng lượng

liên kết nhỏ hơn năng lượng của photon tới đều xảy ra hiệu ứng Compton Khi

năng lượng của photon tới cỡ năng lượng liên kết của electron thì tiết diện hiệu

dụng đối với hiêu ứng quang điện thường rất lớn so với tiết diện hiệu dụng của

hiệu ứng Compton, cho nên quá trình tán xạ Compton trở thành thứ yếu

Khi năng lượng của photon tăng thì ngược lại, lúc này hiệu ứng quang

điện trở thành cơ chế tương tác thứ yếu, quá trính tán xạ Compton trở nên

chiếm ưu thế trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên

kết trung bình của electron trong nguyên tử

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 7

Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác, trong đó photon bị biến mất

trong trường lực hạt nhân và sinh ra một cặp electron và positron, đồng thời

truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron – positron và hạt nhân giật lùi Quá

trình tương tác chỉ xảy ra chủ yếu với photon có năng lượng lớn hơn

Trong thực tế, xác suất xảy ra hiệu ứng này là rất thấp, trừ khi năng

lượng của bức xạ  đạt đến khoảng vài MeV, do đó sự tạo cặp chỉ chiếm ưu thế

ở vùng năng lượng cao Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron

nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

2 0

Hiệu ứng tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, vì trong trường

Các electron và positron được tạo ra sẽ mau chóng được làm chậm trong môi trường, quá trình xảy ra theo 3 trường hợp 2 :

(1) Electron và positron được tạo ra và tiếp tục vận chuyển, quá trình vận chuyển của photon xem như chấm dứt

(2) Electron và positron được tạo ra và kết thúc Nếu positron có năng lượng nhỏ hơn năng lượng kết thúc của electron thì không có photon sinh

ra do hủy cặp

(3) Năng lượng của photon tới triệt tiêu khi tạo cặp electron – positron, khi đó positron hủy với electron tại điểm tương tác lúc này cả hạt và phản hạt đều biến mất và tạo ra hai photon có cùng năng lượng 0,511MeV nhưng có hướng ngược nhau

Sự hấp thụ năng lượng để xảy ra quá trình tạo cặp sẽ tăng theo năng lượng của photon tới và trở nên đáng kể ở năng lượng cao và môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z khá lớn

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP

2.1 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

2.1.1 Giới thiệu về mô phỏng 6

Trong những năm đầu thập niên 50 sau thế chiến thứ II, cùng với sự phát triển của các lĩnh vực quan trọng như: vật lí hạt nhân, lý thuyết nguyên tử, các nghiên cứu về vũ trụ, năng lượng hạt nhân hoặc chế tạo các thiết bị phức tạp, việc giải quyết những vấn đề này đòi hỏi dựa trên các kỹ thuật toán học ưu việt, trong khi hệ thống kỹ thuật có vào thời bấy giờ gặp phải nhiều khó khăn

và hạn chế Mặt khác, sự phát triển của máy tính điện tử trong thời gian này đã cho phép chúng ta có thể ứng dụng để tính toán và mô tả định lượng các hiện tượng được nghiên cứu, do đó phạm vi giải các bài toán được mở rộng, hình thành nên việc thử nghiệm trên máy tính và chính thức khai sinh ra phương pháp mô phỏng

Người ta thường sử dụng máy tính để mô phỏng hệ thống, bao gồm những phương tiện, các quy trình công nghệ, vật liệu hay các quá trình vật lý, thông qua một số giả thiết dưới dạng mô hình Nếu các hệ thức hợp thành mô hình thuộc loại đơn giản ta có thể dùng phương pháp toán học để nhận được chính xác các thông tin cần thiết, đó chính là phương pháp giải tích Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống cần nghiên cứu thường rất phức tạp, không thể giải quyết bằng phương pháp giải tích, khi đó phải dùng đến phương pháp mô phỏng trên máy tính

Mô phỏng có tính lặp trong phát triển: xây dựng mô hình, hiểu biết từ

mô hình và tiếp tục các phép lặp cho đến mức hiểu biết thích hợp

2.1.2 Phương pháp Monte Carlo 2

Phương pháp Monte Carlo là kỹ thuật định hướng máy tính, điểm nổi bật nhất là tất cả các quá trình vật lý của hạt thực được mô phỏng đầy đủ bằng

"hạt mô hình" Hiện nay, phương pháp Monte Carlo đã được chứng tỏ là công

cụ mạnh mẽ và linh hoạt để tính toán quá trình vận chuyển của hạt thực, nó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu lò phản ứng và thiết kế che chắn nguồn bức xạ, đó là những công việc mà không thể được mô tả một cách thỏa đáng bằng những kỹ thuật toán học khác Về nguyên tắc, phương pháp Monte Carlo chính là việc thực hiện các vấn đề thực nghiệm trên máy tính bằng việc mô

phỏng các quá trình vật lý thực tế có liên quan đến các tính chất của hạt thực

Sự mô phỏng các quá trình vật lý bằng phương pháp Monte Carlo xuất phát từ việc sử dụng các số ngẫu nhiên để xác định kết quả của sự kiện ngẫu nhiên kế tiếp Vì thế phương pháp Monte Carlo cũng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu quá trình vận chuyển của tia  trong môi trường vật chất của detector

Phương pháp Monte Carlo cho phép xây dựng một chuỗi các quá trình tương tác của hạt bằng cách sử dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên cùng với các quy luật xác suất có thể mô tả tất cả các tính chất của một hạt thực và quá trình hạt đi lại ngẫu nhiên trong môi trường vật chất Quá trình tương tác của một

"hạt mô hình" được theo dõi cho đến khi thông tin về hạt ít hơn giới hạn cho phép, khi đó quá trình sống của hạt được xem như kết thúc Một hạt mới được phát ra từ nguồn, quá trình vận chuyển của hạt mới lại tiếp tục diễn ra tương tự

Phương pháp Monte Carlo chủ yếu dựa vào các khái niệm thống kê, vì thế thường cho lời giải không duy nhất Đây là hạn chế lớn nhất của phương pháp Monte Carlo, do đó hiển nhiên sai số thống kê tồn tại trong kết quả Để giảm bớt sai số đến mức có thể chấp nhận được, thông thường đòi hỏi một lượng rất lớn số các quá trình tương tác của hạt từ khi "sinh ra" đến khi "mất đi", nhưng lại tốn kém quá nhiều thời gian tính toán Việc tính toán bằng phương pháp Monte Carlo cho phép chỉ ra sự khác nhau giữa lý thuyết và thực nghiệm vì lẽ tốc độ ghi nhận của máy tính nói chung là thấp so với quá trình đo đạc thực tế Tuy nhiên phương pháp Monte Carlo có tính ưu việt đối với sự đa dạng của cách bố trí hình học đo và quá trình vật lý phức tạp với khả năng thực

sự hơn hẳn các cách khảo sát quá trình vận chuyển khác

Mô phỏng một quá trình vật lý bằng phương pháp Monte Carlo, có thể phân biệt theo hai dạng cơ bản sau:

– Phương pháp tương tự: là việc sử dụng thủ tục lấy mẫu ngẫu nhiên và

sơ đồ hoá sao cho tương tự với quá trình vật lý thực tế Ở phương pháp này có

tính đồng nhất cao giữa các hạt vật lý và các "hạt mô hình" thường được đi kèm bằng chương trình máy tính

– Phương pháp không tương tự: thường được sử dụng để cải thiện hiệu quả thống kê, do đó, phương pháp này cho phép rút gọn đáng kể sai số thống

kê của phương pháp Monte Carlo xung quanh giá trị trung bình Tuy nhiên, đối với phương pháp không tương tự, các "hạt mô hình" thường khó đồng nhất với các hạt thực, vì thế cần phải có một chương trình máy tính hoàn thiện để phù hợp với trực giác vật lý của chúng ta

 2

2.2 CHƯƠNG TRÌNH MCNP

2.2.1 Giới thiệu về chương trình MCNP

MCNP (Monte Carlo N-Particle) là chương trình máy tính được viết theo phong cách của Thomas N K Godfrey, nhà lập trình MCNP hàng đầu trong những năm 1975-1989

MCNP là chương trình đa mục đích, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt neutron, photon và electron riêng biệt hoặc kết hợp neutron/photon, neutron/photon/electron, photon/electron và electron/photon trong môi trường vật chất Trong MCNP miền năng lượng tính toán của neutron là 10-11MeV – 20MeV, của photon và electron là 10-3MeV – 103MeV Thư viện số liệu hạt nhân và tiết diện tương tác phụ thuộc liên tục vào năng lượng của bức xạ neutron, photon và electron cung cấp cho chương trình MCNP được chuẩn bị từ các hệ thống dữ liệu ENDF (Evaluated Nuclear Data File), ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) và ACTL (Activation Library) tại Livermore và các đánh giá của Applied Nuclear Science Group (ANSG T-2) tại Los Alamos, sau đó chúng được mã hoá ở dạng thích hợp (chẳng hạn NJOY) để cung cấp cho MCNP

Cho đến nay, đã có rất nhiều phiên bản MCNP ra đời với việc không ngừng cập nhật các tính năng mới để nâng cấp chương trình và được cung cấp

tới người sử dụng thông qua Trung tâm Thông tin An toàn bức xạ ở Oak Ridge, Tennesse, USA Các phiên bản của MCNP bao gồm:

– Trong suốt thập niên 1980, các phiên bản MCNP3 (1983), MCNP3A (1986) và MCNP3B (1988) lần lượt ra đời tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos

– Phiên bản MCNP4 (1990): MCNP4A (1993), MCNP4B (1997) với việc tăng cường các quá trình vật lý của photon Đến năm 2000, MCNP4C2 ra đời với các tính năng của electron được cập nhật

– Năm 2003, phiên bản MCNP5 được công bố cùng với việc cập nhật các quá trình tương tác mới: va chạm quang hạt nhân…

– Ngoài ra còn có thêm phiên bản MCNPX 2.4.0 ra đời vào năm 2002 với các mức năng lượng và chủng loại hạt được mở rộng

2.2.2 Các bước thực hiện quá trình mô phỏng

Quá trình mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng MCNP được thực hiện theo lưu đồ sau:

Đối với bài toán cụ thể, trước tiên người sử dụng cần phải tạo lập một tập tin input, trong đó có chứa các thông tin cần thiết để mô tả bài toán Những vấn đề được mô tả trong tập tin input phải thoả mãn các chuẩn mực của chương trình MCNP

 Về đơn vị:

+ độ dài tính bằng cm

+ năng lượng tính bằng MeV

+ thời gian tính bằng shake (10-8s)

+ nhiệt độ tính bằng MeV (kT)

+ mật độ nguyên tử tính bằng nguyên tử/barn-cm

+ mật độ khối lượng tính bằng g/cm3

+ tiết diện tương tác tính bằng barn (10-24cm2)

+ số tạo nhiệt tính bằng MeV/va chạm

+ tỉ số khối lượng nguyên tử tính theo khối lượng neutron 1,008664967 với hằng số Avogadro 0,59703109.10-24

 Về cấu trúc của tập tin INPUT:

Các dòng thông báo

Tuỳ ý Một hoặc nhiều dòng trống phân cách

Một dòng khai báo tiêu đề bài toán

Một hoặc nhiều dòng trống khai báo kết thúc (tuỳ ý)

– Về thẻ ô (cell card): Thẻ ô được mô tả như sau:

j m d geom params

Trong đó: j - số thẻ ô (1  j  99999)

m - số thẻ vật liệu (m=0 nếu ô không có vật liệu, m0 nếu ô có vật liệu)

d - mật độ vật chất, bỏ trống nếu ô không có vật liệu (d là số dương nếu đơn vị của d là 1024nguyên tử/cm3, d là số âm nếu đơn vị của d là g/cm3)

geom - mô tả hình học của ô params (tuỳ ý) - mô tả các tham số của ô

n - tên của một ô khác list - các từ khoá mô tả các thuộc tính khác nhau giữa ô thứ n và ô thứ j

– Về thẻ mặt (surface card): Thẻ mặt được mô tả như sau:

a - từ khoá thay thế phương trình biểu diễn bề mặt

1  list  10 - các tham số của phương trình biểu diễn bề mặt

– Về thẻ dữ liệu (data card): Có các kiểu thẻ số liệu như sau:

+ Thẻ MODE: mô tả loại hạt vận chuyển, MCNP có thể chạy theo các

MODE như sau:

MODE N chỉ tính cho neutron MODE N P tính cho neutron, photon được tạo ra từ neutron MODE P chỉ tính cho photon

MODE E chỉ tính cho electron MODE P E tính cho photon và electron

MODE N P E tính cho neutron, photon được tạo ra từ neutron và electron

+ Thẻ IMP (cell important cards): mô tả độ quan trọng tương đối của ô

IMP:n x1 x2 … xi … xI Trong đó: n=N nếu là neutron, n=P nếu là photon, n=E nếu là electron N, P hoặc P, E hoặc N, P, E

xi - độ quan trọng của ô thứ i

I - số ô có trong bài toán

Vì đây là loại thẻ mô tả độ quan trọng của mỗi ô, do đó ta có thể khai báo trực tiếp thẻ IMP sau các mặt trong mỗi ô (cell cards) thay vì đưa vào trong khối thẻ dữ liệu (data cards)

+ Thẻ SDEF (source cards): mô tả nguồn bao gồm các tham số cơ bản

như sau:

ERG = năng lượng năng lượng hạt nguồn WGT = trọng số trọng số hạt nguồn TME = thời gian thời điểm bắt đầu tính đối với nguồn PAR = 1 hoặc 2 hoặc 3 1 - N, N P, N P E ; 2 - P, P E ; 3- E

Một số phần hỗ trợ cho thẻ nguồn:

 Thẻ SIn (soure information): mô tả thông tin nguồn:

SIn option Ii … IkTrong đó: n: số phân bố

Option: H: chỉ ô nguồn (histogram bin boundaries)

L: nhiều ô nguồn rời rạc

A: nguồn điểm

S: số phân bố kế tiếp

Ii Ik: giá trị của nguồn hoặc số phân bố

 Thẻ SPn (soure probability): mô tả xác suất nguồn

SPn option Pi … Pk hoặc: SPn f a b Trong đó: n: số phân bố

Option: D: cho phân bố H hoặc L trên thẻ SI

C: số cell phân bố tích lũy V: số cell phân bố tỉ lệ với thể tích

Pi … Pk: xác suất giữa nhiều nguồn

f, a, b : các tham số

 Thẻ SBn (soure bias): mô tả biến nguồn

SBn: option Bi … Bk hoặc: SBn f a b Tương tự như khai báo thẻ SP, trong đó:

Bi … Bk: các xác suất biến đổi nguồn

+ Thẻ truy xuất kết quả (tally card): bao gồm các kiểu truy xuất kết quả

được trình bày trong bảng 2.1:

Bảng 2.1: Các loại tally

F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E Dòng phân tích qua bề mặt

F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Thông lượng mặt trung bình

F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Thông lượng cell trung bình

F6:N hoặc F6:N,P hoặc F6:P Năng lượng trung bình để lại trong cell

F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E Phân bố năng lượng theo độ cao xung được

tạo ra trong detector

+ Thẻ vật liệu: mô tả vật liệu chứa trong ô:

Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 … Trong đó: m - số thẻ vật liệu tương ứng với tham số m trên thẻ ô

 Tuỳ thuộc vào yêu cầu của bài toán cần truy xuất kết quả, MCNP sẽ

tạo ra một tập tin OUTPUT, trong đó có chứa các bảng thông tin tóm tắt kết

quả chuẩn, các bảng số liệu được yêu cầu truy xuất

CHƯƠNG 3

HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GC1518

3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 3  7

3.1.1 Hiệu suất

Về nguyên tắc, tất cả detector sẽ cho xung ra khi có bức xạ tương tác với

môi trường vật chất của detector Đối với các bức xạ không mang điện như

gamma hoặc neutron thì khi đi vào detector chúng phải qua nhiều quá trình

tương tác thứ cấp trước khi có thể được ghi nhận vì những bức xạ này có thể

truyền qua khoảng cách lớn giữa hai lần tương tác và như thế chúng có thể

thoát ra ngoài vùng làm việc của detector Vì vậy hiệu suất của detector

(detection efficiency) thường nhỏ hơn 100% Lúc này, hiệu suất của detector rất

cần thiết để liên hệ số đếm xung với số photon hoặc neutron tới detector

Hiệu suất đếm của detector có thể được chia làm hai loại: hiệu suất tuyệt

đối (absolute effect) và hiệu suất thuần (intrinsic effect):

 Hiệu suất tuyệt đối:

số xung được ghi nhận

abs =

 Hiệu suất thuần:

số xung được ghi nhận

 int =

So với hiệu suất tuyệt đối thì hiệu suất thuần tiện lợi nhiều hơn vì nó hầu

như không phụ thuộc vào yếu tố hình học giữa detector với nguồn mà chỉ phụ

thuộc vào vật liệu detector, năng lượng bức xạ tới và bề dày vật lý của detector

theo hướng bức xạ tới Sự phụ thuộc nhỏ vào khoảng cách giữa nguồn và detector vẫn còn vì quãng đường trung bình của bức xạ xuyên qua detector sẽ thay đổi một ít theo khoảng cách này

Ngoài ra, nếu dựa trên bản chất của bức xạ được ghi nhận, hiệu suất đếm của detector có thể được phân loại như sau:

 Hiệu suất toàn phần (total efficiency): là hiệu suất được tính cho

detector trong trường hợp tất cả các tương tác dù có năng lượng thấp cũng giả

sử được ghi nhận

Trong phân bố độ cao xung vi phân giả thiết trong hình 3.1, diện tích toàn phần dưới đỉnh phổ là tổng tất cả các xung không để ý đến biên độ được ghi nhận, có thể được chỉ ra từ định nghĩa của hiệu suất toàn phần Trong thực

tế, bất kỳ hệ đo nào cũng đòi hỏi các xung được ghi nhận phải lớn hơn một mức ngưỡng xác định nào đó được đặt ra nhằm loại các nhiễu do thiết bị tạo ra Như thế, chúng ta chỉ có thể tiến tới thu được hiệu suất toàn phần lý tưởng bởi việc đặt mức ngưỡng này càng thấp càng tốt

 Hiệu suất đỉnh (peak efficiency): là hiệu suất được tính cho detector

trong trường hợp giả sử chỉ có những tương tác mà làm mất hết toàn bộ năng lượng của bức xạ tới mới được ghi nhận

Trong phân bố độ cao xung vi phân, những tương tác làm mất năng lượng toàn phần của bức xạ tới này được thể hiện bởi đỉnh xuất hiện ở phần cuối cao nhất của phổ Những tương tác chỉ làm mất một phần năng lượng của bức xạ tới khi đó sẽ xuất hiện ở phía xa về bên trái của phổ Số bức xạ có năng lượng toàn phần có thể thu được bằng tích phân diện tích dưới đỉnh (phần gạch chéo trong hình 3.1)

Hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh được liên hệ với nhau qua tỉ số

"đỉnh/toàn phần" (peak to total) như sau:

r ε

ε

peak total

Trong thực nghiệm, người ta thường sử dụng các hiệu suất đỉnh vì nó sẽ

loại bỏ được các hiện tượng gây ra do các hiệu ứng nhiễu: tán xạ từ các vật liệu

xung quanh hay nhiễu loạn… Do đó giá trị hiệu suất đỉnh có thể được áp dụng

trong những điều kiện khác nhau, trong khi hiệu suất toàn phần có thể bị ảnh

hưởng bởi những yếu tố này

Như vậy, tốt nhất hiệu suất của detector nên dựa trên cả 2 tiêu chuẩn

trên, và với một detector bức xạ gamma thì hiệu suất thường được sử dụng đó

là hiệu suất đỉnh thuần (intrinsic peak efficiency):  ip

Hiệu suất detector germanium là tỷ số diện tích đỉnh 1332 keV (60Co)

của detector germanium với diện tích đỉnh đó khi đo bằng detector nhấp nháy

NaI (Tl) hình trụ, kích thước 3inch  3inch, cả hai detector đặt cách nguồn 25

cm

Detector germanium có hiệu suất ghi trong khoảng 10% đến 100%

3.1.2 Độ phân giải năng lượng

Độ phân giải năng lượng (energy resolution) của detector là tỷ số của

FWHM và vị trí đỉnh Ho Trong đó, FWHM (full width half maximum) là bề

rộng ở một nửa giá trị cực đại được định nghĩa là bề rộng của phân bố tại tọa

độ bằng một nửa độ cao cực đại của đỉnh đã loại trừ phông

Độ phân giải năng lượng là đại lượng không có thứ nguyên và được tính theo %

Hình 3.2: Định nghĩa của độ phân giải của detector Đối với những đỉnh có

dạng Gauss, độ lệch chuẩn  thì FWHM là 2,35

Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì càng có khả năng phân biệt tốt giữa hai bức xạ có năng lượng gần nhau Trong biểu diễn sự phân

bố chiều cao xung vi phân được tạo ra bởi detector, detector có độ phân giải tốt

sẽ cho ra phổ có bề rộng của đường cong phân bố nhỏ, đỉnh phổ nhô cao lên, nhọn và sắc nét Độ phân giải của detector không tốt có thể do các nguyên nhân: sự dịch chuyển của đặc trưng hoạt động của detector trong quá trình ghi nhận bức xạ, do những nguồn nhiễu bên trong bản thân detector và hệ thống

dụng cụ đo, do thăng giáng thống kê từ chính bản chất rời rạc của tín hiệu được

đo

Hình 3.3: Hàm đặc trưng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt

và độ phân giải tương đối xấu

Độ phân giải năng lượng của detector germanium với bề rộng ở một nửa giá trị cực đại của đỉnh năng lượng 1332 keV của 60Co có giá trị trong khoảng

18 keV – 22 keV

3.1.3 Tỉ số đỉnh/Compton

Vùng tán xạ Compton trên phổ xuất hiện khi năng lượng toàn phần của photon tới không được hấp thụ hoàn toàn trong detector và thoát ra khỏi detector với chỉ một phần năng lượng được ghi Các đỉnh năng lượng riêng phần này xuất hiện trong phổ gamma như là các hiện tượng ngẫu nhiên trước

đỉnh năng lượng toàn phần và được gọi là lưng Compton (Compton

continuum)

Tỉ số đỉnh năng lượng toàn phần trên lưng Compton được gọi là tỉ số

đỉnh/Compton (peak to Compton ratio) Đối với detector HPGe, tỉ số

đỉnh/Compton thông thường nằm trong khoảng giữa 40:1 và 60:1 ứng với đỉnh

năng lượng 1332keV của 60Co Các detector có kích thước lớn có thể đạt được

TP Hồ Chí Minh Các thành phần chính của hệ phổ kế bao gồm: buồng chì, detector và nguồn phóng xạ

Hình 3.4 mô tả hệ phổ kế gamma của hãng Canberra Industries, Inc đang được sử dụng tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh, trong đó:

1 Buồng chì

2 Detector (nằm trong buồng chì)

3 Nguồn phóng xạ (nằm trong buồng chì)

4 Bình chứa nitrogen lỏng

5 Nguồn cao thế 3000V

6 Bộ khuếch đại tín hiệu

7 Bộ phân tích đa kênh MCA (Multi Channel Analyser)

8 Máy vi tính

Hình 3.4: Hệ phổ kế gamma của hãng Canberra Industries, Inc

đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh

Trong nghiên cứu cơ bản lẫn vật lý ứng dụng hiện nay thường sử dụng rộng rãi các loại detector bán dẫn germanium siêu tinh khiết Đây là loại detector dùng để ghi nhận năng lượng của tia  và tia  với độ phân giải rất cao

Các loại detector bán dẫn germanium có cấu tạo bên trong gồm các diot bán dẫn có cấu trúc P-I-N, trong đó I là vùng nghèo, nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là tia X và tia  Dưới điện áp ngược, vùng nghèo I được mở rộng, khi các photon tương tác với với môi trường vật chất bên trong vùng nghèo của detector, các electron và lỗ trống được tạo ra và dưới tác dụng của điện trường, chúng di chuyển nhanh chóng về các cực P và N Động năng các hạt mang điện này tỉ lệ với năng lượng của photon tới bị mất đi khi tương tác (hiệu ứng quang điện, Compton, tạo cặp với môi trường vật chất trong detector), tín hiệu được tạo ra nhờ sự ion hóa của các electron và được chuyển hóa thành xung điện bởi

bộ tiền khuếch đại nhạy điện 6

Như vậy, các bức xạ gamma phát ra từ mẫu vật cần đo sẽ được detector germanium siêu tinh khiết thu nhận rồi chuyển chúng thành các tín hiệu dưới dạng xung điện để có thể xử lý được bằng các thiết bị điện tử phía sau Các tín hiệu xung điện từ detector có biên độ rất nhỏ sẽ được khuếch đại sơ bộ qua tiền khuếch đại và được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính Sau khi tín hiệu được khuếch đại, chúng được đưa qua bộ phận phân tích đa kênh rồi được thể hiện trên màn hình máy tính ở dạng phổ năng lượng gamma

Hình 3.5: Cấu trúc hệ phổ kế gamma sử dụng detector germanium siêu tinh

khiết GC1518

 Các thông số kĩ thuật của detector HPGe GC1518:

– Hiệu suất ghi danh định: 15% so với detector nhấp nháy NaI có kích thước 3inch  3inch, tại vạch năng lượng 1332keV của đồng vị 60Co

– Độ phân giải năng lượng: 1,8 keV tại vạch năng lượng 1332 keV của đồng vị 60Co

– Tỉ số đỉnh / Compton là 45:1

3.2.2 Cấu trúc hệ phổ kế

a) Cấu trúc buồng chì

Cả nguồn và detector được đặt trong buồng chì để giảm phông gamma

từ môi trường và bộ số liệu của nó được xác định dựa trên thực tế bằng cách đo đạc trực tiếp

– Buồng chì có dạng hình trụ vành khuyên đường kính trong 30 cm, đường kính ngoài 50 cm tương ứng với chiều cao trong, chiều cao ngoài lần lượt là 30 cm và 50 cm Buồng chì được cấu tạo bởi 17 tấm chì, mỗi tấm dày

cỡ 3 cm đặt chồng khít lên nhau và tựa vào nhau không cần khung sắt chịu lực Các mặt trên và dưới của mỗi tấm được gia công thành 2 bậc và hai tấm liền nhau được đặt khít lên nhau để tránh các bức xạ phông vào buồng chì theo phương nằm ngang Buồng chì được mở từ nắp bằng cách đẩy nắp này chuyển động trên một hệ bánh xe

– Bề dày lớp chì ở mặt trên, mặt dưới và xung quanh hình trụ cỡ 10cm – Ở mặt dưới của nắp buồng chì có các lớp thiếc, đồng và sắt với các bề dày lần lượt là 0,4 cm; 0,1cm và 1,6cm theo thứ tự từ dưới lên trên

– Mặt trên của đáy buồng chì có lót các lớp đồng và thiếc từ dưới lên với cùng bề dày 0,8 cm

– Mặt trong thành buồng chì được bố trí gồm một lớp thiếc dày 0,8cm; một lớp parafin dày 6,25cm (nửa dưới) và 4,75cm (nửa trên) và một lớp đồng dày 0,6cm kể từ bên ngoài vào