Nghiên cứu xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn đối với một số mẫu có dạng hình học khác nhau bằng phương pháp monte carlo​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH `Lê Kim Dung NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CĨ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG ĐỨC TÂM Thành phố Hồ Chí Minh – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn số liệu mơ phỏng, tính tốn hiệu suất từ phổ thực nghiệm trình nghiên cứu để thực luận văn thực hướng dẫn TS Hồng Đức Tâm chưa cơng bố cơng trình mà khơng có tham gia Dữ liệu phổ thực nghiệm, số liệu mẫu đo sử dụng để thực luận văn ThS Hồ Văn Doanh làm việc trung tâm Vật lý Điện tử hạt nhân, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp Tác giả luận văn Lê Kim Dung LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu để hồn thành chương trình cao học chuyên ngành Vật lí nguyên tử trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, tơi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS Hoàng Đức Tâm tận tâm, tận tình truyền đạt cho tơi kiến thức quý báu, phương pháp làm việc khoa học, niềm đam mê cảm hứng làm việc liên tục q trình tơi thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn ThS Hồ Văn Doanh, ThS Huỳnh Đình Chương giúp đỡ tơi cơng đoạn vơ cần thiết trình tiến hành tìm hiểu thực nghiệm đề tài, xử lý kiểm tra số liệu Tôi xin cảm ơn quý thầy cô khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy kiến thức chun mơn, truyền cho cảm hứng đam mê công tác nghiên cứu khoa học Tôi gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo trường Trung Học Phổ Thơng Chun Bình Long – Bình Phước tạo điều kiện tối đa thời gian để tơi n tâm học tập nghiên cứu để thực luận văn Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ giúp đỡ để yên tâm trình học tập Cảm ơn bạn Phạm Vũ Trân giúp đỡ thảo luận khó khăn q trình thực đề tài MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục kí hiệu chữ viết tắt đề tài Danh mục bảng Danh mục hình ảnh đồ thị MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN 1.1 Tương tác photon với vật chất 1.1.1 Hiện tượng quang điện 1.1.2 Hiện tượng tán xạ Compton 12 1.1.3 Hiện tượng tán xạ Rayleigh 13 1.1.4 Hiện tượng tạo cặp 14 1.2 Một số đặc trưng đầu dò bán dẫn 15 1.2.1 Đầu dò bán dẫn 16 1.2.2 Hiệu suất ghi đầu dò bán dẫn 18 1.2.3 Độ phân giải đầu dò bán dẫn 20 1.3 Hiệu ứng tự hấp thụ 22 1.4 Hiệu ứng trùng phùng tổng 23 Chương PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO, CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MCNP5 VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT 25 Phương pháp Monte Carlo 25 2 Chương trình mơ MCNP5 25 2.2.1 Cell Cards 26 2.2.2 Surface Cards 27 2.2.3 Data Cards 29 2.2.4 Cấu trúc chương trình MCNP 31 2.2.5 Đánh giá phân bố độ cao xung Tally – F8 32 2.2.6 Mô nguồn tương tác photon qua chương trình MCNP5 33 2.3 Phương pháp xác định hiệu suất 37 2.3.1 Phương pháp thực nghiệm 37 2.3.2 Phương pháp mơ dùng chương trình MCNP5 40 2.3.3 Phương pháp bán thực nghiệm 42 Chương KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN GMX – 4076PL ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CĨ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 49 3.1 Kết xác định FWHM đường chuẩn lượng đầu dò GMX – 4076PL 49 3.2 Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng 51 3.3 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần khoảng cách cm, 10 cm, 18 cm với nguồn chuẩn điểm 54 3.4 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần đầu dị với mẫu đo hình học dạng trụ 62 3.4.1 Cấu hình buồng đo, hộp mang lọ chứa mẫu lọ đựng mẫu 62 3.4.2 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần đầu dị với mẫu đo hình học dạng trụ 66 3.5 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần đầu dị với mẫu đo hình học dạng Marinelli 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC PL Phụ lục A: input MCNP5 nguồn chuẩn điểm .PL Phụ lục B: input nguồn hình học dạng trụ PL Phụ lục C: input nguồn hình học dạng Marinelli PL Phụ lục D: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ANGLE V3.0 PL Phụ lục E: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ETNA PL 15 Phụ lục F: Hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL nguồn hình học dạng trụ cho mẫu địa chất PL 18 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI Chữ viết tắt ETNA FEPE FWHM GEB HPGe MCNP NAA DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số suy giảm mẫu địa chất mẫu sinh học .22 Bảng 2.1 Một số loại mặt định nghĩa chương trình mơ MCNP có sử dụng luận văn 28 Bảng 2.2 Dữ liệu hạt nhân nguồn điểm sử dụng nghiên cứu .39 Bảng 2.3 Kích thước đầu dị GMX – 4076 PL 41 Bảng 3.1 Số liệu lượng FWHM để xác định hệ số a, b, c lệnh GEB 50 Bảng 3.2 Kết xác định hệ số a, b, c 50 Bảng 3.3 Giá trị lượng theo kênh để xác định đường chuẩn lượng .51 Bảng 3.4 Hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng đưa vào chương trình ETNA, tính hệ số trùng phùng 52 Bảng 3.5 Hệ số trùng phùng đồng vị sử dụng nghiên cứu tính ETNA 52 Bảng 3.6 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần nguồn chuẩn điểm xác định thực nghiệm MCNP5 khoảng cách cm 54 Bảng 3.7 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần nguồn chuẩn điểm xác định thực nghiệm MCNP5 khoảng cách 10 cm 56 Bảng 3.8 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần nguồn chuẩn điểm xác định thực nghiệm MCNP5 khoảng cách 18 cm 57 Bảng 3.9 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần nguồn điểm chuyển đổi ETNA ANGLE khoảng cách cm 58 Bảng 3.10 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần nguồn chuẩn điểm chuyển đổi ETNA, ANGLE khoảng cách 18 cm 60 Bảng 3.11 Kích thước buồng đo 62 Bảng 3.12 Kích thước hộp mang lọ chứa mẫu 63 Bảng 3.13 Kích thước lọ đựng mẫu sinh học 64 Bảng 3.14 Kích thước lọ đựng mẫu địa chất 65 Bảng 3.15 Thành phần vật liệu mẫu địa chất Montana II Soil (NIST-2711a) .65 Bảng 3.16 Thành phần vật liệu mẫu sinh học Oyster Tissue (NIST-1566b) 65 Bảng 3.17 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) chương trình MCNP5 67 Bảng 3.18 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 10 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) chương trình MCNP5 68 Bảng 3.19 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 18 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) chương trình MCNP5 69 Bảng 3.20 Kích thước nguồn hình học dạng Marinelli 72 Bảng 3.21 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần nguồn hình học dạng Marinelli MCNP5, ANGLE với mẫu đo địa chất 73 Bảng 3.22 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần nguồn hình học dạng Marinelli MCNP5, ANGLE với mẫu sinh học Bảng PLF.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 PL 18 Bảng PLF.2 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 10 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 PL 19 74 Bảng PLF.3 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng toàn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 18 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 PL7 Phụ lục C: input nguồn hình học dạng Marinelli Mô tả hệ đo nguồn chuẩn điểm Phần mô tả nguồn sau: C THE SURFACES OF SAMPLE 100 CZ 5.95 101 CZ 6.15 $ lay 100 cong E 0.2 102 CZ 3.95 103 CZ 4.15 $ lay 102 cong E 0.2 104 PZ 0.25 105 PZ -6.55 106 PZ -6.35 108 PZ 8.3 109 PZ 8.5 110 PZ 2.45 178 CZ 18.0 179 CZ 23.0 180 PZ 14 181 PZ 19 183 PZ -13.26412 185 PX -1.085 184 PZ -8.5 C OTHER 200 SO 200 C *********** BLOCK 3: DATA *************** MODE P PHYS:P SDEF POS=0 0 AXS= 0 EXT=D5 RAD=D2 CEL=55 & PAR=2 ERG=D1 SI1 L 0.0595 0.08100 0.12180 0.24470 0.27640 0.30290 0.34430 0.35600 & 0.38380 0.41110 0.4440 0.66170 0.77890 0.86740 0.96410 1.08580 1.1120 1.4080 SP1 0.09099 0.08438 0.07197 0.01913 0.01806 0.04638 0.06736 0.15718 & PL8 0.02265 0.00567 0.0079 0.21557 0.03285 0.01075 0.03673 0.02566 0.03397 0.05285 SI2 0.0 5.95 $ RADIAL SAMPLING RANGE: TO RMAX SP2 -21 $ RADIAL SAMPLING WEIGHTING: R^1 FOR DISK SOURCE SI5 -6.35 2.25 $ AXIAL RANGE OF CYL CONTAINING SRC CELLS SP5 -21 F8:P E0 0.0 1E-5 0.004359749 16383I 4.0352003 FT8 GEB 0.000538529 0.00114 0.0196 RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1 NPS 500E6 M1 32070 -0.205 32072 -0.274 32073 -0.078 32074 -0.365 32076 -0.078 $ Ge MATERIAL M2 3007 -1 $Litium M3 5011 -1 $Boron M5 13027 -1.000 $ Al MATERIAL M6 29065 -0.3083 29063 -0.6917 $ Cu MATERIAL M7 4009 -1 $Be Material M8 1001 -0.143711 6012 -0.856289 $ POLYETHYLENE M9 1001 -0.080538 6012 -0.599848 8016 -0.319614 $POLYMETHYL METHACRALATE M10 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY AIR M11 1001 -0.166233 6012 -0.434 8016 -0.30 11023 -0.003297 & 12024 -0.001085 16032 -0.006887 17035 -0.00514 19039 -0.00652 & 20040 -0.000838 7014 -0.076 $tisual M13 82204 -0.015 82206 -0.236 82207 -0.226 82208 -0.523 $ Pb MATERIAL PL9 Phụ lục D: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ANGLE V3.0 ANGLE chương trình chuyển đổi hiệu suất, tính tốn dựa phương pháp bán thực nghiệm, chương trình có quyền thương mại, cung cấp công ty ORTEC, công ty hàng đầu lĩnh vực thiết kế sản xuất thiết bị phát xạ ion hóa, thiết bị đo hạt nhân, phần mềm phân tích Chương trình tơi sử dụng luận văn ANGLE V3.0, quyền thuộc Viện Vật Lý Hạt Nhân Đà Lạt, giao diện chương trình ANGLE V3.0 hình PLD.1 Hình PLD.1 Giao diện chương trình ANGLE V3.0 Khai báo kích thước đầu dị GMX – 4076PL, khai báo hình học lọ thủy tinh chứa mẫu hình học dạng trụ, hình học hộp chứa mẫu hình học dạng trụ (lọ đựng mẫu bỏ vào này), hình học lọ chứa mẫu hình học dạng trụ, mẫu sinh học địa chất, hình học mẫu hình học dạng Marinelli, đường cong hiệu suất đầu vào khoảng cách 100 mm, đo thực nghiệm, đường cong hiệu suất đầu vào khoảng cách 100 mm, đo thực nghiệm chương trình ANGLE V3.0 hình PLD.2, PLD.3, PLD.4, PLD.5, PLD.6, PLD.7, PLD.8, PLD.9, PLD.10 PL10 Hình PLD.3 Khai báo hình học lọ thủy tinh chứa nguồn trụ chương trình ANGLE V3.0 PL11 Hình PLD.5 Khai báo hình học lọ chứa nguồn trụ, mẫu sinh học chương trình ANGLE V3.0 Hình PLD.4 Khai báo hình học hộp chứa nguồn trụ chương trình ANGLE V3.0 PL12 Hình PLD.6 Khai báo hình học lọ chứa nguồn trụ, mẫu địa chất chương trình ANGLE V3.0 Hình PLD.7 Khai báo hình học mẫu Marinelli chương trình ANGLE V3.0 PL13 Hình PLD.8 Khai báo vật liệu mẫu địa chất ANGLE V3.0 Hình PLD.9 Khai báo vật liệu mẫu sinh học ANGLE V3.0 PL14 Hình PLD.10 Khai báo đường cong hiệu suất thực nghiệm khoảng cách 10 cm, chương trình ANGLE V3.0 PL15 Phụ lục E: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ETNA ETNA phần mềm chuyển đổi hiệu suất hiệu chỉnh hiệu ứng trùng phùng tổng trình xử lý phổ tia gamma, phát triển phịng thí nghiệm Henri Becquerel, Pháp Phương pháp chuyển đổi hiệu suất chương trình ETAN dựa phương pháp bán thực nghiệm, giao diện chương trình ETNA dùng để chuyển đổi hiệu suất hình PLF.1 Hình PLE Chương trình ETNA dùng để chuyển đổi hiệu suất Hình PLE Khai báo kích thước đầu dị GMX – 4076PL chương trình ETNA PL16 Khai báo kích thước đầu dị GMX – 4076PL, thông số nguồn chuẩn điểm, thông số mẫu trụ, chương trình ETNA hình PLE.2, PLE.3, PLE.4, PLE.5, PLE.6 Hình PLE Khai báo thơng số nguồn chuẩn điểm chương trình ETNA Hình PLE Khai báo thơng số mẫu trụ chương trình ETNA PL17 Hình PLE Khai báo chiều cao nguồn hình học dạng trụ chương trình ETNA Hình PLE Hộp chứa mẫu trụ chương trình ETNA PL18 Phụ lục F: Hiệu suất đầu dò GMX – 4076PL nguồn hình học dạng trụ cho mẫu địa chất Bảng PLF.1 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 Năng Đồng vị Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng lượng tồn phần ε p ( ×10 (keV) MCNP5 (a) Am 59,5 Ba 80,9 152 Eu 121,8 152 Eu 244,7 Ba 276,4 Ba 302,9 Eu 344,3 Ba 356,0 Ba 383,9 152 Eu 411,1 152 Eu 444,0 Cs 661,7 152 Eu 778,9 152 Eu 867,4 152 Eu 964,1 152 Eu 1085,8 152 Eu 1112,1 152 Eu 1408,0 241 133 133 133 152 133 133 137 PL19 Bảng PLF.2 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 10 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 Đồng RD1' vị 5,53 6,16 0,41 10,72 Am 2,32 9,92 3,39 10,91 133 Ba 2,88 9,16 0,08 6,39 152 Eu 0,99 1,67 1,84 4,43 152 Eu 0,21 6,96 3,58 3,83 133 Ba 1,20 2,44 1,44 4,99 133 Ba 1,32 3,14 2,41 2,10 152 Eu 0,04 3,75 1,66 2,11 133 Ba 1,11 1,26 1,28 1,12 133 Ba 5,57 5,77 1,51 1,71 152 Eu 2,41 9,08 0,59 6,28 152 Eu 1,25 4,30 1,62 1,52 137 Cs 0,27 0,66 0,62 1,56 152 Eu 1,16 1,61 1,23 1,68 152 Eu 0,56 1,78 0,96 0,27 152 Eu 2,06 2,31 0,70 0,44 152 Eu 0,89 0,87 1,81 3,63 152 Eu 1,93 0,71 0,72 3,44 152 Eu 241 PL20 Bảng PLF.3 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng tồn phần mẫu đo hình học dạng trụ xác định MCNP5, ETNA, ANGLE khoảng cách 18 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) thẳng đứng (a’) khai báo MCNP5 Năng Đồng vị 241 lượng tồn phần ε p ( ×10 (keV) MCNP5 Am 59,5 133 Ba 80,9 152 Eu 121,8 152 Eu 244,7 133 Ba 276,4 133 Ba 302,9 152 Eu 344,3 133 Ba 356,0 133 Ba 383,9 152 Eu 411,1 152 Eu 444,0 137 Hiệu suất đỉnh hấp thụ lượng Cs 661,7 (a) 0,395 0,410 0,394 0,292 0,268 0,249 0,229 0,225 0,210 0,199 0,204 152 0,143 152 0,127 152 0,114 152 0,110 152 0,101 152 0,098 Eu 778,9 Eu 867,4 Eu 964,1 Eu 1085,8 Eu 1112,1 Eu 1408,0 RD1' 0,085 4,87 5,29 2,62 12,06 3,72 10,45 2,11 8,95 3,44 10,28 0,74 6,40 1,87 2,79 4,82 0,03 1,44 7,49 3,73 5,41 0,32 4,96 5,03 0,49 1,03 5,13 2,85 3,42 1,49 4,07 3,93 1,77 0,12 2,11 1,78 0,25 0,67 2,69 2,62 4,60 7,65 1,57 7,65 1,57 0,38 5,31 2,96 2,14 1,17 2,19 1,55 0,51 3,78 6,09 0,70 3,08 0,45 3,58 3,25 0,00 0,99 3,22 1,68 0,61 2,53 2,53 1,30 1,30 0,72 0,08 0,64 1,29 ... QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN GMX – 4076PL ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CĨ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 49 3.1 Kết xác định FWHM đường chuẩn lượng đầu dò GMX – 4076PL... đổi hiệu suất để xác định hiệu suất đầu dị với nguồn phóng xạ dạng hình học trụ Marinelli, với liệu đầu vào đường cong hiệu suất xác định từ thực nghiệm Khi thực nghiệm xác định hiệu suất đầu dò. .. pháp Monte Carlo để xác định hiệu suất đầu dị bán dẫn Cơng trình [24] tác giả Trần Ái Khanh (2007), nghiên cứu hiệu suất ghi nhận đầu dò bán dẫn với hình học mẫu lớn phương pháp Monte Carlo, cơng