Luận văn thạc sĩ khảo sát sự phụ thuộc hiệu suất ghi vào kích thước hình học của detector nhấp nháy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN MINH TIẾN KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC HIỆU SUẤT GHI VÀO KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA DETECTOR NHẤP NHÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MINH CẢO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận hướng dẫn, giúp đỡ động viên lớn từ q thầy cơ, gia đình bạn bè Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tất người Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Cảo, người trực tiếp hướng dẫn thực đề tài luận văn, đưa nhận xét quý giá, giúp chỉnh sửa hoàn thành luận văn cách tốt Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, giám đốc trung tâm đào tạo, viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt tạo điều kiện tốt cho tôi đến thực đề tài Quý thầy cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh cung cấp cho tơi kiến thức cần thiết bản, cần thiết trình học Đại học Sau Đại học để tơi có khả hồn thành luận văn Q thầy bạn giảng viên môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho tơi đến phịng thí nghiệm mơn để thực đề tài Ba mẹ tơi, người khơng ngại khó khăn, gian khổ, suốt đời lo lắng nuôi dưỡng cho học hành, bước qua giảng đường đại học Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Trần Minh Tiến MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, ghi nhận xạ hạt nhân đóng vai trị quan trọng việc nghiên cứu đặc trưng tia xạ Chính vậy, nhà khoa học nghiên cứu chế tạo thiết bị ghi nhận xạ hạt nhân Ban đầu, detector dùng để xác nhận có mặt chùm xạ tia X tia gamma, sau xác định cường độ chùm tia Ngày nay, detector không dừng lại việc phát mà cho phép ta xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo lượng tia X tia gamma Hiệu suất ghi nhận xạ hạt nhân detector phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác loại detector (detector nhấp nháy, bán dẫn, ) hay lượng tia xạ, khoảng cách từ nguồn phát xạ tới detector Đối với detector nhấp nháy, hiệu suất ghi phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại tinh thể nhấp nháy; kích thước, hình dạng tinh thể Đối với detector bán dẫn, hiệu suất ghi phụ thuộc vào loại bán dẫn Si(Li), Ge(Li), HPGe Việc xây dựng đường cong hiệu suất detector cần thiết từ chọn lựa thuộc tính detector để tối ưu hiệu suất detector, từ việc nghiên cứu đạt kết cao Cho đến có nhiều cơng trình nghiên cứu xây dựng đường cong hiệu suất detector bán dẫn, cụ thể bán dẫn siêu tinh khiết HPGe, chưa xây dựng cho detector nhấp nháy Các detector nhấp nháy sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm riêng nên việc xây dựng đường cong hiệu suất cần thiết Trong nghiên cứu khoa học, phương pháp đo đạc tính tốn thực nghiệm đóng vai trò quan trọng Nhờ thực nghiệm mà kết tính tốn lý thuyết kiểm chứng tính đắn Khi kết lý thuyết thực nghiệm có phù hợp với sở để tin tưởng vào xác kết Tuy nhiên khơng phải lúc phương pháp thực nghiệm thực cách dễ dàng, xác, lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân, lĩnh vực mà kết tính tốn thường gần mang tính chất thống kê Chính lý mà ngày người ta thường kết hợp lý thuyết thực nghiệm việc nghiên cứu vấn đề Một phương pháp lý thuyết mơ máy tính, cụ thể mô Monte Carlo dùng chương trình MCNP Đây chương trình sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác Việc áp dụng chương trình MCNP vật lý hạt nhân thực nhiều năm gần với phiên MCNP ngày hoàn thiện Vì vậy, việc hiểu biết chương trình cách sử dụng điều cần thiết người làm việc lĩnh vực vật lý hạt nhân Trong đề tài luận văn này, chương trình MCNP4C2 sử dụng để khảo sát hiệu suất ghi xạ hạt nhân detecter nhấp nháy, xem phụ thuộc vào kích thước hình học detector Đây đề tài chưa nhiều người quan tâm nghiên cứu Dựa kết đạt được, ta có lựa chọn tốt việc sử dụng detector nhấp nháy ghi nhận tia xạ hạt nhân Đối tượng nghiên cứu luận văn detector nhấp nháy Gamma – Rad nguồn phóng xạ chuẩn có phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh Chi tiết detector nguồn mô tả chi tiết phần sau luận văn Phương pháp nghiên cứu đề tài luận văn kết hợp mơ máy tính thực nghiệm Phần mềm mô sử dụng MCNP4C2, chương trình mơ máy tính đáng tin cậy, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mơ q trình vận chuyển nơtron, photon electron riêng biệt kết hợp môi trường vật chất Nội dung luận văn trình bày thành ba chương:  Chương 1: trình bày tổng quan tiến trình phát triển detector ghi xạ tia X tia gamma; sở lý thuyết cho việc nghiên cứu đề tài, phương pháp ghi nhận xạ hạt nhân detector nhấp nháy  Chương 2: trình bày phương pháp Monte-Carlo chương trình MCNP  Chương 3: mơ đầu dị nhấp nháy, xây dựng đường cong biểu diễn phụ thuộc hiệu suất ghi detector theo khoảng cách theo lượng, so sánh với thực nghiệm để kiểm tra lại độ tin cậy chương trình MCNP chất lượng code đầu vào Từ dùng mơ MCNP để xây đựng đường cong biểu diễn phụ thuộc hiệu suất ghi detector nhấp nháy vào kích thước CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN DETECTOR GHI BỨC XẠ TIA GAMMA VÀ TIA X Vào giai đoạn ban đầu trình phát triển detector, người ta dùng để xác định có mặt chùm tia X tia gamma, sau xác định cường độ chúng Ngày nay, detector cho phép xác định đặc trưng phân bố độ cao xung theo lượng Một số mốc thời gian quan trọng đánh dấu bước phát triển thiết bị ghi nhận xạ hạt nhân: - Vào năm 1895, phổ kế quang học ứng dụng tượng tán sắc ánh sáng Roentgen sử dụng để đo bước sóng tia X - Vào năm 1908, ống đếm chứa khí phát minh Rutherford Geiger cho phép đo cường độ chùm tia X tia Gamma chưa xác định lượng chùm xạ - Vào năm 1948, detector nhấp nháy NaI(Tl) chế tạo Hofstadter, có khả đo phổ gamma với dải lượng rộng Từ đó, tinh thể chất nhấp nháy chế tạo có kích thước ngày lớn nên có khả hấp thụ tia gamma có lượng cao - Vào năm 1960, phổ kế tinh thể, hệ phổ kế gamma chế tạo dựa chế nhiễu xạ chùm tia gamma tinh thể Bragg Loại phổ kế có độ phân giải lượng cao có nhược điểm hiệu suất ghi thấp nên dùng để đo số nguồn phóng xạ tia gamma có cường độ lớn dùng để chuẩn hóa hệ phổ kế gamma khác - Vào năm 1962, detector bán dẫn Ge(Li) chế tạo thành công Pell số nhà nghiên cứu khác, từ mở cách mạng lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo detector Loại detector bán dẫn có độ phân giải lượng cao, tốt nhiều lần so với detector nhấp nháy NaI(Tl) - Trong năm 1980, người ta chế tạo thành công detector bán dẫn siêu tinh khiết HPGe (high purity germanium ) có nhiều tính chất tốt so với hệ detector bán dẫn trước Hiện nay, detector HPGe ngày ứng dụng rộng rãi kĩ thuật đo hoạt độ mẫu phóng xạ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TƯƠNG TÁC GIỮA BỨC XẠ VÀ VẬT CHẤT 1.2.1 Tính chất xạ gamma Bức xạ gamma có chất sóng điện từ, photon lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV Bước sóng xạ gamma nhỏ nhiều so với kích thước nguyên tử a (a có giá trị cỡ 10-10 m); liên hệ với lượng :  2 c E (1.1) Bức xạ gamma bị vật chất hấp thụ tương tác điện từ giống hạt tích điện Tuy nhiên, chế trình hấp thụ xạ gamma khác với hạt tích điện: Các hạt tích điện Bức xạ gamma Nguyên nhân Khi qua vật chất, Khi qua vật chất, lượng Lượng tử gamma hạt tích điện va chạm tử gamma va chạm với khơng có điện tích nên nhiều với electron electron hạt nhân, nên khơng chịu ảnh hưởng hạt nhân, nên bị lệch nhiều lệch khỏi phương bay ban lực Coulomb tương khỏi phương bay ban đầu đầu tác xa Khơng bị làm chậm Bị làm chậm mơi mơi trường, bị hấp trường thụ, tán xạ thay đổi phương bay Lượng tử gamma có khối lượng nghỉ Chỉ bị suy giảm cường nên vận tốc Có quãng chạy hữu hạn độ chùm tia tăng bề dày khác vận tốc vật chất (có thể bị vật chất (khơng bị hấp thụ ánh sáng c hấp thụ hồn tồn) hồn tồn) Khơng có khái niệm quãng chạy Bảng 1.1: so sánh chế q trình hấp thụ gamma hạt tích điện 1.2.2 Các chế tương tác tia gamma với vật chất Các hạt tích điện tương tác với vật chất gây tượng ion hóa trực tiếp xạ gamma, tương tác, lượng photon truyền toàn cho vật chất hấp thụ qua lần va chạm Các sản phẩm tạo sau va chạm hạt tích điện photon thứ cấp, tác dụng vật chất hấp thụ tạo phần lớn ion Vì người ta gọi trình tương tác photon với vật chất ion hóa gián tiếp Nhìn chung phương diện vật lý, trình hấp thụ photon xảy theo chế: hiệu ứng quang điện, tán xạ compton hiệu ứng tạo cặp  Hiệu ứng quang điện: Khi lượng tử gamma va chạm với electron nguyên tử, gamma biến lượng gamma truyền tồn cho electron quỹ đạo để bay khỏi nguyên tử Electron gọi quang electron Tia  quang electron Hình 1.1: hiệu ứng quang điện Khi xảy tương tác này, toàn lượng photon tới truyền hết cho electron photon tới khơng cịn Mỗi electron quỹ đạo ứng với giá trị lượng liên kết xác định  lk , tùy thuộc quỹ đạo chuyển động (K, L, M, N….) số nguyên tử Z hạt nhân Như lượng photon tới E phải lớn  lk electron để phá vỡ liên kết electron với hạt nhân Phần lượng dư thừa động cho quang electron Ee E = h =  lk + Ee (1.2) Với động đó, quang electron có khả ion hóa nguyên tử phân tử khác Phần động Ee quang electron lớn nhiều so với phần lượng để bứt electron khỏi quỹ đạo  lk Về phía nguyên tử vật chất, electron bị bật khỏi quỹ đạo, electron khác vành ngồi đến chỗ Năng lượng dư thừa chênh lệch  lk hai quỹ đạo, phát dạng photon Giá trị lượng  lk phụ thuộc vào quỹ đạo, vào số nguyên tử Z nên photon thứ cấp có giá trị xác định gọi xạ đặc trưng: h = EeL - EeK với EeK EeL lượng electron vành K vành L e- Hình 1.2: chế phát xạ đặc trưng (1.3) Nếu E <  lk =  K hiệu ứng quang điện xảy với electron lớp L, M,… E <  lk =  L hiệu ứng quang điện xảy với electron lớp M, … (Vì  K >  L >  M ) Hiệu ứng quang điện khơng xảy với electron khơng bảo đảm quy luật bảo toàn lượng động lượng Giả sử hiệu ứng quang điện xảy với electron tự theo quy luật bảo tồn lượng động lượng ta có: Bảo tồn lượng :   E  me c   1  1     (1.4) Bảo toàn động lượng: m c E  e c 1  (1.5) E   1  2 mc 1  1  (1.6) Từ hệ phương trình ta được: Hay: 1     1  (1.7) Phương trình có hai nghiệm  =0  =1 Giá trị  =0 cho nghiệm tầm thường Ee = cịn giá trị  =1 khơng có ý nghĩa electron có khối lượng khác Như muốn có hiệu ứng quang điện thì: electron phải liên kết nguyên tử lượng tia gamma phải lớn lượng liên kết electron khơng lớn q electron coi gần tự Nhận xét thể hình mơ tả phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào lượng gamma:  photo 1/E7/2 M L K E Hình 1.3: Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc lượng gamma E Ở miền lượng gamma lớn tiết diện bé gamma coi electron liên kết K yếu Khi giảm lượng gamma, tức tăng tỉ số dần đến  K , tiết diện tăng theo hàm E , tiết diện tăng theo quy luật Khi E tiến E tăng E =  K E 7/2 Khi lượng gamma vừa giảm xuống giá trị  K hiệu ứng quang điện khơng thể xảy với electron lớp K nên tiết diện giảm đột ngột Tiếp tục giảm lượng gamma, tiết diện tăng trở lại hiệu ứng quang điện electron lớp L Nó đạt giá trị lớn E =  L lại giảm đột ngột E giảm xuống thấp  L Sau hiệu ứng quang điện xảy electron lớp M,… Do lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5, tiết diện hiệu ứng quang điện:  photo Z5 E   K E 7/2 (1.8)  photo Z5 E E (1.9) K Tiết diện hiệu ứng quang điện electron lớp K tính theo cơng thức sau: E bé:  E   1, 09.10   1,34.1033 photo K 16  13, 61  Z    E  7/2 (1.10) Z5 E (1.11) me c  photo K Trong  tính theo đơn vị cm2, E theo đơn vị eV công thức MeV cơng thức Sự đóng góp hiệu ứng quang điện lớp L, M,…bé so với electron lớp K Ta có tỉ số tiết diện hiệu ứng quang điện electron lớp L,M so với electron lớp K: M   K 20 L  K (1.12) M  L (1.13) (1.14) Các công thức cho thấy hiệu ứng quang điện xảy chủ yếu với electron lớp K với tiết diện lớn nguyên tử nặng, chẳng hạn chì, vùng lượng cao, nguyên tử nhẹ, chẳng hạn thể sinh học, hiệu ứng quang điện xuất vùng lượng thấp  Hiệu ứng Compton Khi tăng lượng gamma đến giá trị lớn nhiều so với lượng liên kết electron K ngun tử vai trị hiệu ứng quang điện khơng cịn đáng kể bắt đầu hiệu ứng Compton Khi bỏ qua lượng liên kết electron so với lượng gamma tán xạ gamma lên electron coi tán xạ với electron tự do, gọi tán xạ Compton Hiệu ứng Compton tán xạ đàn hồi gamma vào electron chủ yếu quỹ đạo nguyên tử Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay bị phần lượng cịn electron giải phóng khỏi ngun tử Tia  Tia  electron Hình 1.4: hiệu ứng compton h   e -  Hình 1.5: sơ đồ tán xạ lên electron tự Trên sở tính tốn động học trình tán xạ đàn hồi hạt gamma chuyển động với lượng E lên electron đứng n ta có cơng thức sau lượng gamma E’ lượng electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay  gamma sau tán xạ: Trong đó:   E' E 1   (1  cos  ) (1.15) Ee  E  (1  cos  )   (1  cos  ) (1.16) E , me = 9,1.10-31 kg, c = 3.108 m/s, me c = 0,51 MeV me c 6.0 0.0286480 0.0000224 0.078 6.5 0.0339601 0.0000239 0.070 7.0 0.0395672 0.0000285 0.072 7.5 0.0453418 0.0000294 0.064 8.0 0.0512953 0.0000304 0.059 8.5 0.0573599 0.0000366 0.063 9.0 0.0634963 0.0000374 0.058 9.5 0.0697174 0.0000362 0.051 10.0 0.0758390 0.0000393 0.051 15.0 0.1354612 0.0000563 0.041 20.0 0.1837960 0.0000674 0.036 25.0 0.2194542 0.0000777 0.035 30.0 0.2447203 0.0000822 0.033 35.0 0.2624233 0.0001250 0.047 37.5 0.2691714 0.0001370 0.050 40.0 0.2748905 0.0000882 0.032 42.5 0.2797493 0.0001355 0.048 45.0 0.2838179 0.0001274 0.044 50.0 0.2903462 0.0000916 0.031 55.0 0.2952334 0.0001435 0.048 60.0 0.2988718 0.0001677 0.056 Bảng 3.9: số liệu mô hiệu suất theo kích thước detector (đỉnh lượng 1333 keV, nguồn Co-60) Dựa vào bảng số liệu, ta vẽ đường cong hiệu suất mô điểm đo thực nghiệm theo kích thước detector đỉnh lượng 1333 keV: Hình 3.19: đường cong hiệu suất mô điểm đo thực nghiệm theo kích thước detector đỉnh lượng 1333 keV Ta thấy đường cong hiệu suất làm khớp theo hàm Logistic phù hợp hệ số tương quan đạt đến 0.99998 mức lượng 1173keV 0.99997 mức lượng 1333keV Do hàm Logistic có tiệm cận ngang phía y = A2 nên ta đưa dự đốn tiếp tục tăng kích thước detector lên giá trị hiệu suất đạt giá trị bão hịa vào khoảng 0.3207 Nếu ta xét vùng kích thước nhỏ, kích thước detector tăng từ 1inch đến inch hiệu suất tăng nhanh, từ 3.5 inch đến khoảng 20 inch hiệu suất tăng gần tuyến tính Trong thực tế, ta khơng thể kiểm tra thực nghiệm tất kích thước mô Ở viện hạt nhân Đà Lạt có nhiều detector nhấp nháy với kích thước khác lại khơng hãng sản xuất; phịng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, ngồi detector có kích thước 3inch x 3inch có detector với kích thước 2inch x inch khơng hãng sản xuất, lại có cấu tạo khác nên khơng thể dùng để kiểm tra Với detector kích thước 3x3 inch có, ta thấy điểm đo thực nghiệm nằm gần trùng đường cong mơ phỏng, ta kết luận kết mô hợp lý KẾT LUẬN CHUNG ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong luận văn này, hiệu suất ghi detector nhấp nháy tính tốn hai phương pháp: mơ chương trình MCNP thực nghiệm Hai thơng số thay đổi xây dựng đường cong hiệu suất detector khoảng cách từ nguồn tới đầu dị kích thước detector Đối với việc tính tốn hiệu suất theo khoảng cách, ta thấy có phù hợp tốt mô MCNP đo thực nghiệm Cả hai cho thấy khoảng cách từ nguồn tới đầu dị tăng hiệu suất ghi giảm, đường cong hiệu suất mô thực nghiệm gần trùng khớp với Đây sở để ta kết luận MCNP chương trình mơ đáng tin cậy chất lượng code đầu vào tốt Khi kiểm tra độ tin cậy chương trình MCNP chất lượng code đầu vào, việc tiến hành tính tốn mơ hiệu suất theo kích thước detector tiến hành Thay đổi thơng số liên quan tới kích thước detector, làm cho kích thước tăng từ 1x1 inch tới 60x60 inch, ta xây dựng đường cong hiệu suất theo kích thước detector Do độ tin cậy code đầu vào kiểm chứng nên tin tưởng đường cong hiệu suất đạt độ xác mức chấp nhận được, cho dù đường, ta có điểm đo thực nghiệm để so sánh Khi xây dựng đường cong hiệu suất theo thước detector, dựa vào nó, ta tính tốn cho hiệu suất detector đạt tối ưu mà khơng cần phải chế tạo detector với kích thước lớn Mặc dù kích thước detector lớn hiệu suất ghi cao ta cần phải tính tốn đến chi phí chế tạo tính tiện dụng detector, chế tạo detector với kích thước lớn nhiều chi phí không thuận tiện, ưu điểm gọn nhẹ detector nhấp nháy Trong luận văn nhiều vấn đề chưa đạt được, chẳn hạn mô đầu dò detector nhấp nháy bỏ qua lớp bán dẻo tinh thể phận nhân quang nhà sản suất không cho biết rõ cấu tạo chất nên ảnh hưởng nhiều đến kết Ngồi bỏ qua việc mơ vật liệu xung quanh hệ đo bàn, ghế, tường…Do hướng nghiên cứu mơ tả tất yếu tố để kết tính tốn đạt độ xác cao Ngồi ra, hướng nghiên cứu khảo sát phụ thuộc hiệu suất ghi vào yếu tố khác lượng tia gamma tới… để có nhìn tổng quát việc ứng dụng detector nhấp nháy TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Võ Xn Ân (2008), Mơ phổ hạt nhân phóng xạ phương pháp Monte Carlo, Luận án tiến sĩ vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh [2] Trần Phong Dũng – Châu Văn Tạo – Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi xạ ion hóa, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [3] Ngơ Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kĩ thuật [4] Lê Hồng Khiêm (2008), Phân tích số liệu ghi nhận xạ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [5] Trương Thị Hồng Loan (2009), Mô Monte Carlo số toán vật lý hạt nhân, Luận án tiến sĩ vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh [6] Mai Văn Nhơn (2001), Vật lý hạt nhân đại cương, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Triệu Tú (2005), Các thực tập vật lý hạt nhân đại cương, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [8] Briesmeiter J F, Ed.(2001), MCNP- A General Monte Carlo N-Particle Transport Code system, Version MCNP4C2, Los Alamos National Laboratory, LA-12709-M [9] Christopher Z Mooney (1997), Monte Carlo simulation [10] Hashem Miri Hakimabad, Hamed Panjeh, Alireza Vejdani- Noghrreiyan (2007), Nonlinear Response Function of a 3x3 in NaI Scintillation Detector, Physics Department, Faculty of Science, Ferdowsi University of mashhad, Mashhad, Iran [11] Fayez H H Al-Ghorabie (2003), The use of the EGS4 simulation caode to evaluate the response of NaI(Tl) detector for photons in the energy range < 300 keV, Department of Physics, Faculty of Applied Sciences, Umm Al-QUra University, P.O Box 10130, Makkah,Saudi Aribia [12] Hendricks J.S.(2001), MCNP4C2, Lanl Memo X-5:RN(U)-JSH-01-01 [13] Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun (2002), Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response function for an NaI(Tl) detector, Deparment of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China [14] Knoll G F.(1999), Radiation Detection and Measurement, Third edition, Jonh Wiley & Son, Inc., NewYork [15] Orion and L Wielopolski (2000), Response Function of BGO and NAI(Tl) Detector Using Monte Carlo Simulations, Invivo body composition studies Alnals of the NewYork Academy of Science, 904:271-5 [16] Robin P.Gardner, Avneet Sood (2004), A Monte Carlo simulation approach for generating NaI detector response functions (DRFs) that accounts for nonlinearity and variable flat continua, center for Engineering Applications of Radioisotopes, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695-7909, USA [17] Shultis J K., Faw J E (2005), An introduction to the MCNP code [18] Tavakoli-Anbaran H, Izadi-Najafabadi R, Miri-Hakimabad H (2009), The Effect of Detector Dimensions on the NaI(Tl) Detector Response Function, Journal of Applied Sciences 9(11:2168-2173) PHỤ LỤC Phụ lục 1: Đặc trưng nguồn phóng xạ Tên nguồn Hoạt độ T1/2 (  Ci ) Ba-133 Cadmi-109 1 10.8 năm 463 ngày Năng lượng Hệ số phát gamma (MeV) (%) 0.081 34.10 0.276 7.16 0.303 18.33 0.356 62.05 0.384 8.94 0.022 84.30 0.025 17.8 0.088 3.81 Ce-137 30.2 năm 0.662 85.1 Coban-57 272 ngày 0.122 85.6 0.136 10.68 1.173 99.9736 1.333 99.9856 Coban-60 5.27 năm Mangan-54 313 ngày 0.835 99.976 Natri-22 2.6 năm 0.511 179.79 1.275 99.944 1.115 50.60 Zine-65 244 ngày Phụ lục 2: input điển hình chương trình MCNP4C2 mơ hiệu suất detector nhấp nháy 1- c GammaRad 76Br76NaI(Tl) - 2- c Cell card 3- 1 -3.67 -4 -6 imp:p=1 $ tinh the 4- 2 -4.0 -3 17 -7 #1 #8 imp:p=1 $ Nhom oxit 5- 3 -2.33 -2 -7 imp:p=1 $ Silic 6- 4 -2.70 17 -1 -8 #3 #2 #1 #8 imp:p=1 $ Al 7- 5 -8.92 11 -12 -14 imp:p=1 $ nguon Co60 8- 6 -1.19 11 -13 -15 #5 imp:p=1 $ plexiglas C5H8O 9- 7 -1.15 10 -13 -16 #5 #6 imp:p=1 $ epoxy boc nguon 10- -2.634 17 -5 -6 imp:p=1 $ thuy tinh 11- -0.00129 -9 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 imp:p=1 $ khong 12- 10 imp:p=0 $ vu tru 1314- c Surface card 15- pz $ mat ngoai vo nhom 16- pz -0.15 $ mat phan cach vo nhom - silic 17- pz -0.35 $ mat phan cach silic-nhom oxit 18- pz -0.65 $ mat truoc tinh the 19- pz -8.27 $ mat sau tinh the 20- cz 3.81 $ ban kinh tinh the 21- cz 4.01 $ ban kinh vo nhom 22- cz 4.16 $ ban kinh ngoai vo nhom 23- so 500 $ mat cau khong gian xung quanh 24- 10 pz 10 $ mat truoc plexiglas 25- 11 pz 10.0381 $ mat truoc vien phong xa 26- 12 pz 10.0508 $ mat sau vien phong xa 27- 13 pz 10.3 $ mat sau plexiglas 28- 14 cz 0.1524 $ ban kinh vien phong xa 29- 15 cz 0.3175 $ ban kinh Holder epoxy 30- 16 cz 1.27 $ ban kinh plexiglas 31- 17 pz -8.67 $ mat sau thuy tinh 3233- c - Data cards 34- mode p 35- SDEF cel=5 pos=0 0 ERG=1.3326 axs=0 ext=d1 rad=d2 par=2 36- SI1 10.0381 10.0508 37- SI2 0.1524 38- m1 011000 -0.153 053000 -0.847 $ NaI 39- m2 013027 -0.529 008016 -0.471 $ Al2O3 40- m3 014028 -1.0 $Si 41- m4 013027 -1.0 $Al 42- m5 027060 -1.0 $ nguon 43- m6 1001 -0.08 6012 -0.6 8016 -0.32 $ Plexiglas 44- m7 1001 -0.06 6012 -0.721 8016 -0.219 $ epoxy 45- m8 008016 -0.22 007014 -0.78 $Air 46- m9 014028 -0.304 008016 -0.696 $ SiO2 47- e8 0.00001 0.0005 8190i 1.430 $ chia khoang nang luong 48- c ft8 GEB 9E-7 0.01498767610 25 49- c ft8 GEB 0.00928 1.44477 26.90971 50- c ft8 GEB 0.13134 14.23612 27.71636 51- c ft8 GEB -0.00764 0.06209 -0.08888 52- f8:p 53- ctme 30 54- c nps 100000000 Phụ lục 3: output điển hình chương trình MCNP4C2 mơ hiệu suất detector nhấp nháy 1cells print table 60 atom gram cell mat density density 10 10 volume photon mass pieces importance 2.94593E-02 3.67000E+00 3.47500E+02 1.27532E+03 1.0000E+00 1.18159E-01 4.00000E+00 5.45610E+01 2.18244E+02 1.0000E+00 5.01533E-02 2.33000E+00 1.01034E+01 2.35410E+01 1.0000E+00 6.02616E-02 2.70000E+00 4.09573E+01 1.10585E+02 1.0000E+00 8.96266E-02 8.92000E+00 9.26667E-04 8.26587E-03 1.0000E+00 1.07053E-01 1.19000E+00 8.20150E-02 9.75979E-02 1.0000E+00 9.23214E-02 1.15000E+00 1.43718E+00 1.65276E+00 1.0000E+00 8.62578E-02 2.63400E+00 1.82415E+01 4.80480E+01 1.0000E+00 5.39568E-05 1.29000E-03 5.23598E+08 6.75442E+05 1.0000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.0000E+00 total 5.23599E+08 6.77119E+05 random number control 0.505667686400000E+10 minimum source weight = 1.0000E+00 maximum source weight = 1.0000E+00 1cross-section tables print table 100 table length tables from file mcplib22 1000.02p 6000.02p 7000.02p 8000.02p 11000.02p 13000.02p 14000.02p 27000.02p 53000.02p total 623 623 623 623 635 643 643 651 707 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 01/15/93 5771 maximum photon energy set to 100.0 mev (maximum electron energy) tables from file el032 1000.03e 2329 6/6/98 6000.03e 7000.03e 8000.03e 11000.03e 13000.03e 14000.03e 27000.03e 53000.03e 2333 2333 2333 2337 2337 2339 2345 2359 6/6/98 6/6/98 6/6/98 6/6/98 6/6/98 6/6/98 6/6/98 6/6/98 warning material has been set to a conductor warning material has been set to a conductor warning material has been set to a conductor decimal words of dynamically allocated storage general 1202298 tallies 108116 bank 46724 cross sections 11542 total 1364816 = 5459264 bytes *********************************************************************************************************************** dump no on file GMR126r nps = coll = ctm = 0.00 nrn = warning messages so far *********************************************************************************************************************** dump no on file GMR126r nps = 26922950 coll = 3813926 ctm = 15.01 nrn = 288942859 1problem summary + run terminated when it had used 30 minutes of computer time 08/06/10 23:55:59 c GammaRad 76Br76NaI(Tl) probid = 08/06/10 23:25:24 photon creation source tracks weight energy (per source particle) 55207075 1.0000E+00 1.3326E+00 photon loss escape tracks weight (per source particle) energy 54929775 9.9498E-01 1.2693E+00 energy cutoff 0 3.5403E-06 time cutoff 0 weight window 0 weight window 0 cell importance 0 cell importance 0 weight cutoff 0 weight cutoff 0 energy importance 0 energy importance 0 dxtran 0 dxtran 0 forced collisions 0 forced collisions 0 exp transform 0 exp transform 0 from neutrons 0 compton scatter 0 6.0884E-02 bremsstrahlung 853584 1.5461E-02 5.9371E-04 capture 1640022 2.9707E-02 3.1843E-03 p-annihilation 1920 3.4778E-05 1.7772E-05 pair production 960 1.7389E-05 2.3168E-05 photonuclear 0 photonuclear abs 0 electron x-rays 0 1st fluorescence 465869 8.4386E-03 2.0942E-04 2nd fluorescence 42309 7.6637E-04 3.2233E-06 total 56570757 1.0247E+00 1.3334E+00 total 56570757 1.0247E+00 1.3334E+00 number of photons banked 896853 average time of (shakes) cutoffs photon tracks per source particle 1.0247E+00 escape 1.6805E+00 tco 1.0000E+34 photon collisions per source particle 1.4169E-01 capture 6.7347E-02 eco 1.0000E-03 total photon collisions 7822463 capture or escape 1.6338E+00 wc1 0.0000E+00 any termination 1.6337E+00 wc2 0.0000E+00 computer time so far in this run 60.04 minutes computer time in mcrun 30.00 minutes source particles per minute 1.8402E+06 random numbers generated 592500638 maximum number ever in bank bank overflows to backup file dynamic storage 1364820 words, 5459280 bytes most random numbers used was 224 in history 49090619 range of sampled source weights = 1.0000E+00 to 1.0000E+00 source efficiency = 1.0000 in cell 1photon activity in each cell cell 9 print table 126 tracks population collisions collisions number flux average average entering * weight weighted weighted track weight track mfp (per history) energy energy (relative) (cm) 1661234 2933258 2022520 3477274 55298263 30667136 45569326 246322 57031288 2118072 2827640 5.1219E-02 1.0740E+00 1.0740E+00 1.0000E+00 4.6325E+00 1894067 345221 6.2532E-03 1.1279E+00 1.1279E+00 1.0000E+00 4.1917E+00 1947333 71261 1.2908E-03 1.1815E+00 1.1815E+00 1.0000E+00 7.2207E+00 2164423 161618 2.9275E-03 1.1627E+00 1.1627E+00 1.0000E+00 6.4289E+00 55343568 664413 1.2035E-02 1.3235E+00 1.3235E+00 1.0000E+00 2.2352E+00 30647246 630437 1.1419E-02 1.3139E+00 1.3139E+00 1.0000E+00 1.4046E+01 45543989 979440 1.7741E-02 1.3028E+00 1.3028E+00 1.0000E+00 1.4731E+01 246744 21224 3.8444E-04 1.0130E+00 1.0130E+00 1.0000E+00 5.9122E+00 55405734 2121209 3.8423E-02 1.2797E+00 1.2797E+00 1.0000E+00 1.3758E+04 total 198906621 195311176 7822463 1.4169E-01 1tally nps = 55207075 tally type pulse height distribution units number tally for photons cell energy 0.0000E+00 3.62272E-08 0.7071 1.0000E-05 1.30606E-02 0.0012 5.0000E-04 1.82948E-06 0.0995 6.7452E-04 7.96999E-07 0.1508 8.4904E-04 9.41908E-07 0.1387 1.0236E-03 7.96999E-07 0.1508 1.1981E-03 9.78136E-07 0.1361 1.3726E-03 7.96999E-07 0.1508 1.5471E-03 7.24545E-07 0.1581 1.7216E-03 8.69454E-07 0.1443 1.8962E-03 1.08682E-06 0.1291 2.0707E-03 1.01436E-06 0.1336 2.2452E-03 9.78136E-07 0.1361 2.4197E-03 1.03248E-06 0.1325 2.5942E-03 9.78136E-07 0.1361 2.7688E-03 9.78136E-07 0.1361 2.9433E-03 1.08682E-06 0.1291 3.1178E-03 1.24984E-06 0.1204 3.2923E-03 1.03248E-06 0.1325 3.4669E-03 1.21361E-06 0.1222 3.6414E-03 9.60022E-07 0.1374 3.8159E-03 1.12304E-06 0.1270 3.9904E-03 1.05059E-06 0.1313 4.1649E-03 9.23795E-07 0.1400 4.3395E-03 1.06870E-06 0.1302 4.5140E-03 9.78136E-07 0.1361 4.6885E-03 1.24984E-06 0.1204 4.8630E-03 1.23173E-06 0.1213 5.0375E-03 9.41908E-07 0.1387 5.2121E-03 1.15927E-06 0.1250 5.3866E-03 1.53966E-06 0.1085 5.5611E-03 1.34041E-06 0.1162 5.7356E-03 1.14116E-06 0.1260 5.9101E-03 1.44909E-06 0.1118 6.0847E-03 1.03248E-06 0.1325 6.2592E-03 1.19550E-06 0.1231 6.4337E-03 1.05059E-06 0.1313 6.6082E-03 1.08682E-06 0.1291 1.3300E+00 1.99250E-07 0.3015 1.3302E+00 1.63023E-07 0.3333 1.3303E+00 1.99250E-07 0.3015 1.3305E+00 1.44909E-07 0.3536 1.3307E+00 1.44909E-07 0.3536 1.3309E+00 1.99250E-07 0.3015 1.3310E+00 1.99250E-07 0.3015 1.3312E+00 1.81136E-07 0.3162 1.3314E+00 7.24545E-08 0.5000 1.3316E+00 1.26795E-07 0.3780 1.3317E+00 5.43409E-08 0.5774 1.3319E+00 1.08682E-07 0.4082 1.3321E+00 5.43409E-08 0.5774 1.3323E+00 1.08682E-07 0.4082 1.3324E+00 3.62272E-08 0.7071 1.3326E+00 4.98866E-03 0.0017 1.3328E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3330E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3331E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3333E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3335E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3337E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3338E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3340E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3342E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3344E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3345E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3347E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3349E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3351E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3352E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3354E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3356E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3358E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3359E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3361E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3363E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3365E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3366E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3368E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3370E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3372E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3373E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3375E+00 0.00000E+00 0.0000 1.3377E+00 0.00000E+00 0.0000 total 2.87664E-02 0.0008 1analysis of the results in the tally fluctuation chart bin (tfc) for tally with nps = 55207075 print table 160 normed average tally per history = 2.87664E-02 unnormed average tally per history = 2.87664E-02 estimated tally relative error = 0.0008 estimated variance of the variance = 0.0000 relative error from zero tallies = 0.0008 relative error from nonzero scores = 0.0000 number of nonzero history tallies = 1588109 efficiency for the nonzero tallies = 0.0288 history number of largest tally = 25 largest unnormalized history tally = 1.00000E+00 (largest tally)/(average tally) = 3.47628E+01 (largest tally)/(avg nonzero tally)= 1.00000E+00 (confidence interval shift)/mean = 0.0000 shifted confidence interval center = 2.87664E-02 if the largest history score sampled so far were to occur on the next history, the tfc bin quantities would change as follows: estimated quantities value at nps value at nps+1 mean 2.87664E-02 2.87664E-02 relative error 7.82027E-04 7.82027E-04 variance of the variance 5.75875E-07 5.75875E-07 shifted center 2.87664E-02 2.87664E-02 figure of merit 5.45025E+04 5.45025E+04 value(nps+1)/value(nps)-1 0.000001 0.000000 -0.000001 0.000000 0.000001 the 100 largest history tallies appear to have a maximum value of about 1.00000E+00 the large score tail of the empirical history score probability density function appears to have no unsampled regions =================================================================================================================================== results of 10 statistical checks for the estimated answer for the tally fluctuation chart (tfc) bin of tally tfc bin mean -relative error - variance of the variance figure of merit -pdfbehavior behavior value decrease decrease rate value decrease decrease rate value behavior slope desired random observed random passed? yes