Tính toán hiệu suất của detector đo neutron bonner sphere bằng phần mềm mô phỏng MCNP5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN MAI NGUYỄN TRỌNG NHÂN TÍNH TỐN HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR ĐO NEUTRON BONNER SPHERE BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MCNP5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN LÂM ĐỒNG, 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN MAI NGUYỄN TRỌNG NHÂN – 1210242 TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR ĐO NEUTRON BONNER SPHERE BẰNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG MCNP5 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS TRỊNH THỊ TÚ ANH KHÓA 2012 - 2017 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực khóa luận, em nhận giúp đỡ to lớn từ thầy cơ, bạn bè gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Trịnh Thị Tú Anh, người tận tình hướng dẫn giúp em hồn thành khóa luận Em xin cảm ơn hội đồng chấm khóa luận dành thời gian để đọc, phát sai sót có góp ý q giá giúp khóa luận hồn thành tốt Em xin cám ơn thầy cô khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân tận tình dạy dỗ truyền đạt kiến thức cho em suốt thời gian học tập trường Đại học Đà Lạt Con cảm ơn Ba, Mẹ Chị ln bên cạnh, chăm sóc động viên Lâm Đồng, tháng 12 năm 2016 MAI NGUYỄN TRỌNG NHÂN i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu khóa luận trung thực em tính tốn Các thơng tin trích dẫn khóa luận rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố Sinh viên thực Mai Nguyễn Trọng Nhân ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan phương pháp, hệ đo neutron 1.1.1 Phản ứng hấp thụ neutron (n, hạt tích điện) 1.1.2 Phản ứng kích hoạt neutron 1.1.3 Phản ứng tán xạ neutron (proton giật lùi) 1.2 Các hệ đo neutron 1.2.1 Ống đếm tỷ lệ 1.2.2 Detector nhấp nháy 1.2.3 Detector neutron bán dẫn 1.2.4 Detector neutron tự nuôi 1.3 Cấu tạo nguyên lý ghi nhận neutron BSS BSE .10 1.3.1 Cấu tạo nguyên lý ghi nhận neutron BSS 10 1.3.2 Cấu tạo nguyên lý ghi nhận neutron BSE 12 1.4 Giới thiệu chương trình MCNP 13 1.4.1 Lịch sử phát triển công dụng MCNP 13 1.4.2 File input cho chương trình MCNP 14 1.4.3 Tally MCNP 15 CHƯƠNG 2: PHẦN TÍNH TỐN 17 2.1 Mô tả thông số phổ kế mô 17 iii 2.1.1 Thơng số hình học phổ kế 17 2.1.2 Thông số vật liệu phổ kế 17 2.2 Mô tả thông số nguồn neutron dùng mô 18 2.3 Lập file input cho phần mềm MCNP 19 2.3.1 Giảm phương sai 19 2.3.2 Tally F4 FM 20 2.4 Tiến hành chạy mô MCNP với nguồn neutron có lượng từ eV đến 150 MeV 21 2.4.1 Đối với BSS 21 2.4.2 Đối với BSE 21 2.5 Tính tốn hiệu suất 22 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 3.1 Phổ kế BSS 23 3.1.1 Hiệu suất detector trần 23 3.1.2 Hiệu suất BSS ảnh hưởng hướng neutron tới .23 3.2 Phổ kế BSE 26 3.2.1 Ảnh hưởng thành phần kim loại lên hiệu suất BSE 26 3.2.1.1 Phổ kế BSE in BSE in 26 3.2.1.2 Phổ kế BSE in BSE 12 in 27 3.2.2 Ảnh hưởng bề dày lớp kim loại lên hiệu suất BSE 28 3.2.2.1 Ảnh hưởng bề dày lớp kim loại lên phổ kế BSE in .28 3.2.2.2 Ảnh hưởng bề dày lớp kim loại lên phổ kế BSE in .29 3.2.2.4 Ảnh hưởng bề dày lớp kim loại lên phổ kế BSE 12 in .31 KẾT LUẬN 33 KIẾN NGHỊ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC 37 iv Phụ lục A 37 Phụ lục B 43 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu A: số khối hạt nhân g: gamma N: mật độ hạt nhân (nguyên tử/barn.cm) n: neutron t: thời gian V: thể tích tinh thể Li-glass θ: góc hợp trục detector hướng tới neutron Các chữ viết tắt bin: khoảng lượng BSE: phổ kế Boner Sphere Extended BSS: phổ kế Bonner Sphere imp: độ quan trọng Li-glass: Lithium glass MCNP: Monte Carlo N-Particle R: Relative error (Sai số tương đối) Tally: đánh giá vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Ký hiệu Tally loại hạt áp dụng 16 Bảng Giá trị R ý nghĩa tương ứng 16 Bảng Các khoảng lượng (bin) neutron dùng mô 19 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Ống đếm He Hình Detector nhấp nháy đo neutron Hình Detector bán dẫn đo neutron 6- Hình Detector bán dẫn phủ Li đo neutron Hình Detector neutron tự nuôi Hình Cấu tạo BSS chủ động 10 Hình Cấu tạo BSS thụ động 10 Hình Tiết diện phản ứng Li với neutron 11 Hình Các cầu polyethylene detector đo neutron (ống trụ bạc) phổ kế BSS 12 Hình 10 Cấu hình BSE 12 Hình 11 Thơng số hình học detector mơ 17 Hình 12 Các phổ kế BSE dùng mô (ảnh không theo tỷ lệ) .18 Hình 13 Vị trí trục detector mơ BSS 21 Hình 14 Hiệu suất detector trần 23 Hình 15 Hiệu suất BSS 24 0 Hình 16 Vị trí tâm tinh thể Li-glass ứng với θ=0 θ=90 25 Hình 17 Hiệu suất BSS 5in sau hiệu chỉnh vị trí tâm cầu polyethylene 26 Hình 18 Hiệu suất BSE 5in BSE 8in 27 Hình 19 Hiệu suất BSE 7in BSE 12in 28 Hình 20 Ảnh hưởng bề dày kim loại lên BSE in 29 Hình 21 Ảnh hưởng bề dày kim loại lên BSE in 30 Hình 22 Ảnh hưởng bề dày kim loại lên BSE in 31 Hình 23 Ảnh hưởng bề dày kim loại lên BSE 12 in 32 viii KIẾN NGHỊ Bên cạnh phần kết thu được, số yếu tố khác ảnh hưởng đến khả ghi nhận neutron phổ kế, chẳng hạn như: Với cầu 12-in, hai loại phổ kế BSS BSE đề cho giá trị hiệu suất thấp hẳn Polyethylene có chứa hydro carbon hai chất có khả làm chậm tốt Tuy nhiên, hạt nhân hydro hấp thụ neutron Ngồi rị rỉ, hấp thụ neutron trình làm chậm nguyên nhân gây giảm hiệu suất ghi Chất làm chậm thay nước nặng D 2O thay polyethylene deuteri hấp thu neutron Cần có nhiều nghiên cứu kỹ khả thay nước nặng cho phổ kế BSE BSS 12 in Trong q trình mơ phỏng, khả ghi nhận detector thể qua số hạt alpha tạo thành tinh thể Li-glass, tác động tia gamma bỏ qua Ví dụ hydro hấp thu neutron nhiệt, phản ứng H(n,g) H xảy Trong trường hợp này, tia gamma phát có lượng khoảng 2.2MeV (Lamarsh & Baratta) tác động lên detector Trong thực tế, tia gamma tạo thành từ 3+ phản ứng hấp thụ neutron làm cho ion Ce chất nhấp nháy phát sáng, làm thay đổi hiệu suất ghi Thay đổi hiệu suất đóng góp tia gamma vấn đề đáng quan tâm Trong q trình đo đạc thực tế, thơng số kỹ thuật hệ đo (chẳng hạn thành phần kích thước tinh thể Li-glass, khối lượng riêng polyethylene, nhiễu điện tử, độ rộng chùm neutron) thay đổi Do đó, hệ số hiệu chỉnh phải tính tốn thêm để đảm báo tính xác kết đo 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bedogni, R 2006, ‘Neutron spectrometry and dosimetry for radiation protection around a high energy electron/positron collider’, Doctor thesis, Universitat Autonoma de Barcelona Burgett, E A (2008) A broad spectrum neutron spectrometer utilizing a high energy Bonner Sphere Extension A master thesis presented at Georgia Institute of Technology, the United States Retrieved from Brittingham, MJ 2010, ‘The effect of Bonner sphere borehole orientation on neutron detector response’, MSci thesis, University of Tennessee, Knoxville Cruzate, JA; Carelli JL; Gregori , BN 2007, ‘Bonner Sphere spectrometer’, Workshop on Uncertainty Assessment in Computational Dosimetry: a Comparison of Approaches on October 8-10, 2007, Bologna, Italia, trang 45 Gadiner, SJ 2012, ‘Neutron detection using shards of Li glass scintillator’, Bachelor thesis, Brigham Young University Knoll, G.F 2000, Radiation detection and measurement, 3th edition, John Wiley & Sons, Inc New York Lamrash, JR & Baratta, AJ 1975, Introduction to nuclear engineering, 3th edn, Addison-Wesley Pub Co Manson ,T.E 2016, Neutron Detector for Materials Research, Oak Ridge National Laboratory, truy cập 13 September 2016, Mazrou, H & Idiri, Z & Sidahmed, T & Allab, M, 2010, ‘MCNP5 evaluation of a response matrix of a Bonner Sphere Spectrometer with a high efficiency (LiI)Li-6 (Eu) detector from 0.01 eV to 20 MeV neutrons’ Springer, 27 January, truy cập 11 October 2016, Research gate Nguyễn, D.H 2013, Ghi đo xạ, edn, trường Đại học Đà Lạt, Đà Lạt Phạm, N.S 2016, ‘Đo thông lượng liều neutron phương pháp kích hoạt neutron’, Viện nghiên cứu hạt nhân, truy cập 18 May 2016, 35 Shultis JK & Faw RE 2011, A primer for MCNP5 Kansas State University, Manhattan, the Unites States Vylet V (2002) Response matrix of an extended Bonner sphere system Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 476, 26–30 X-5 Monte Carlo Team (2003) MCNP5 Manual Vol.II Los Alamos, the United States 36 PHỤ LỤC Phụ lục A Input file cho phổ kế BSS 12 in, θ=90 12- 3- 4- 5- - 6around PM 7- 8- 71 9- 72 101112- 75 13- 77 14- 78 15- 16- 1718- 37 24- 19- 20- 21- 22- 23- 25- 26- 27- 28- 10 29- 11 30- 12 31- 14 32- 15 33- 16 34- 17 35- 18 36- 19 37- 20 38- c geometry split 39- 180 40- 181 41- 182 42- 183 43- 184 44- 185 45464748- m1 49- m4 50- 6000.60c 38 51- m2 52- 14000.60c 53- m3 54- nps 55- mt4 poly.01t $SAB treatment at 300K 56c==========================Source Card========================== 57- sdef erg=d1 par=1 axs= 0 ext=0 vec=1 0 pos=20 0 rad=d2 dir=-1 58- si1 1e-8 59- sp1 60- si2 0.000 61- sp2 62- tr1 63-c==========================TallyCard=========================== Input file cho phổ kế BSE in lót chì 1- 8-in B 2- c cell 3- 4- 5- 6case around glass tube -2.7 7around PM 8- 9- 39 10inside 11- 710 12outside 13outside 14- 15- 16- 35- 40 17- C surf 18- 19- 20- 21- 22- 23- 24- 25- 26- 27- 10 28- 11 29- 12 30- 14 31- 15 32- 16 33- 17 34- 18 19 36- 20 37- c 38- 18 39- 18 40- 18 41- 18 4243- c 44- mo 45- m1 46- m2 47- 14 48- m3 49- m4 50- 60 51- m5 52- mt 53- np 54-c=========================SourceCard========================== 550 dir=-1 sd 56- si 57- sp 58- si 59- sp 60c============================TallyCard======================= 41 61- f4:n 62- FM4 (0.02276 207) 42 Phụ lục B BSE với lớp lót đồng Hiệu suất(%) Hiệu suất BSE in lót đồng Năng lượng trung bình (MeV) Hiệu suất(%) Hiệu suất BSE in lót đồng Năng lượng trung bình (MeV) Hình 24 Hiệu suất BSE lót đồng 43 BSE với lớp lót chì Hiệu suất BSE in lót chì Hiệu suất BSE in lót chì 2.4E-02 suất(% ) Hiệu suất (%) 3.0E-02 Hiệu 1.6E-02 8.0E-03 0.0E+00 1.0E-07 1.0E-04 1.0E-01 Năng lượng trung bình (MeV Năng lượng trung bình (MeV) Hiệu suất BSE in lót chì Hiệu suất BSE 12 in lót chì (%) suất(%) 1.2E-02 Hiệu Hiệusuấ t 8.0E-03 4.0E-03 0.0E+00 Năng lượng trung bình (MeV) 1.0E-071.0E-041.0E-01 1.0E+ Năng lượng trung bình (MeV Hình 25 Hiệu suất BSE lót chì 44 BSE với lớp lót wolfram Hiệu suất BSE in lót wolfram Hiệu suất BSE in lót wolfram 4.0E-02 3.0E-02 (%) 2.0E-02 Hiệusuất Hiệu suất (%) 3.0E-02 2.0E-02 1.0E-02 1.0E-02 0.0E+00 1.0E-07 1.0E-04 1.0E-01 1.0E+02 Năng lượng trung bình (MeV) 0.0E+00 1.0E-07 1.0E-04 1.0E-01 Năng lượng trung bình (MeV Hiệu suất BSE in lót wolfram Hiệu suất BSE 12 in lót wolfram 2.4E-02 Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) 2.4E-02 1.6E-02 8.0E-03 0.0E+00 1.0E-07 1.0E-04 1.0E-01 1.0E+02 Năng lượngng trung bình (MeV) 1.6E-02 8.0E-03 0.0E+00 1.0E-07 1.0E-04 1.0E-01 1.0E+02 Năng lượng trung bình (MeV) Hình 26 Hiệu suất BSE lót wolfram 45 ... KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN MAI NGUYỄN TRỌNG NHÂN – 1210242 TÍNH TỐN HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR ĐO NEUTRON BONNER SPHERE BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MCNP5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KỸ THUẬT HẠT NHÂN GIÁO... 50-100MeV, hiệu suất ghi BSE 12 in với lớp lót kim loại dày 1.5 in in không khác nhiều 32 KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài ? ?Tính toán hiệu suất detector đo neutron Bonner Sphere phần mềm mô MCNP5? ?? Các... 10 neutron có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất ghi (Hình 15) 23 -1 MeV, hướng tới Hiệu suất BSS in Hiệu suất BSS in 1.6E-01 o suất (%) 8.0E-02 0o Hiệ u 0.0E+00 1.0E-07 Hiệu suất BSS in Hiệu suất