Đánh giá hiệu suất ghi của Detecto nhấp nháy theo năng lượng bức xạ gamma bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
MỤC LỤC
TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
Do đó để xác định μ chúng ta cần biết quá trình nào đóng góp chủ yếu vào sự hấp thụ tổng cộng và tìm sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ của những quá trình này vào năng lượng lượng tử gamma và vào loại môi trường. Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay θ của gamma sau tán xạ. - Khi α rất lớn , tức là khi E>>mec2, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ lệ nghịch với năng lượng E và do trong nguyên tử có Z electron nên sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton được mô tả như sau: Compton constZ E (1.12).
CÁC DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA 1. Khái quát về các detector
Trong trường hợp buồng ion đơn giản hay trong ống đếm tinh thể, các ion và electron được tạo nên bởi các hạt trong khối vật chất của detector chuyển động dưới tác động của điện trường và do đó gây nên dòng điện chạy trong mạch bên ngoài của detector. Detector loại này (ống đếm Geiger – Muller) gọi là ống đếm với sự phóng khí tự lập, giá trị ban đầu của hiệu ứng ion hóa (hoặc mật độ ion hóa ban đầu) không thể nào xác định được mà người ta chỉ có thể kết luận là có hạt bay qua detector hay không mà thôi. Khả năng phân giải năng lượng là một ưu điểm nổi bật của detector bán dẫn so với detector nhấp nháy NaI khiến nó được sử dụng phổ biến hiện nay trong các phép đo năng phổ gamma khi yêu cầu về độ phân giải năng lượng cần được đặt lên hàng đầu.
Nếu trong điều kiện vật lý mà tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện phải đặt cách xa nhau ra (ví dụ tinh thể nhấp nháy phải đặt trong từ trường mà ống nhân quang điện không thể làm việc trong từ trường) thì ta phải dùng phần dẫn quang. Thứ hai, tỉ số giữa năng lượng photon đi ra từ chất nhấp nháy này trên năng lượng mà hạt mất mát trong thể tích chất nhấp nháy được gọi là hiệu suất kỹ thuật hay suất ra kỹ thuật phải tốt tức là đòi hỏi môi trường nhấp nháy phải trong suốt đối với bức xạ nhấp nháy phát ra. Vì xác suất bức xạ electron nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó để giảm tạp âm nhiệt, ta cần hạ thấp nhiệt độ của photocatốt (khi hạ thấp nhiệt độ, thì cứ 100C, số xung tạp âm nhiệt giảm đi cỡ hai lần).
Xác suất gây nên những xung giả tạo loại này tỷ lệ thuận với mật độ electron thứ cấp ở những tầng cuối cùng của ống nhân quang điện, do đó để giảm bớt xung giả tạo, người ta thường giảm hệ số khuếch đại và điện áp nguồn nuôi cho ống nhân quang điện. Trước hết là bản thân chất nhấp nháy có thể không hoàn toàn đồng nhất (ví dụ nồng độ tạp chất hoạt hóa không đều nhau trong toàn thể tích detector) do đó cường độ bức xạ sẽ khác nhau, tùy theo vị trí mà hạt đi qua. - Vấn đề hạn chế của hàm đáp ứng thời gian của đầu dò (do bản chất của loại đầu dò và hệ điện tử) làm trùng phùng số đếm các gamma nối tầng trong nguồn phân rã đa năng dẫn đến sự thêm hoặc mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần.
Hiệu suất giảm ở vùng năng lượng thấp (dưới 120keV) là do cơ chế hấp thụ quang điện của tinh thể detector và sự hấp thụ tia gamma năng lượng thấp trên các lớp bao bọc bên ngoài tinh thể detector tăng lên.
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 1. Giới thiệu
Theo lý thuyết, ước lượng Monte Carlo luôn phân bố chuẩn quanh giá trị thực của bài toán khi N lớn. Độ lệch chuẩn của việc tính toán Monte Carlo khi đó được cho bởi căn bậc hai của phương sai chia cho N. Luật số lớn phát biểu rằng ước lượng phương pháp Monte Carlo của tích phân khi sử dụng n số ngẫu nhiên sẽ hội tụ về giá trị thực của tích phân khi n đủ lớn.
Vế trái của phương trình (2.1) là ước lượng Monte Carlo của tích phân còn vế phải là tích phân thực của hàm giữa a và b. Định lý này rất quan trọng do nó xác định các kết quả tính toán Monte Carlo như những ước lượng phù hợp. Do đó, hai tính toán Monte Carlo lý tưởng cần tạo ra cùng một ước lượng (trong sai số thống kê).
Vì phương pháp Monte Carlo sử dụng các số ngẫu nhiên nên điều quan trọng ở phương pháp này tạo ra các số ngẫu nhiên phân bố đều trên khoảng (0, 1) và có mật độ xác suất bằng 1. Có nhiều phương pháp tạo ra tập số ngẫu nhiên: phương pháp biến đổi ngược, phương pháp chấp nhận – loại bỏ, phương pháp đồng dư tuyến tính… Trong đó phương pháp đồng dư tuyến tính được dùng phổ biến nhất trong nhiều ngôn ngữ lập trình C, Fortran…Đồng thời cũng là phương pháp chính được sử dụng trong chương trình MCNP. - Trong lĩnh vực khoa học xã hội: toán kinh tế, phân luồng giao thông, nghiên cứu sự phát triển dân số….
- Trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật: Thiết kế lò phản ứng, che chắn bức xạ, điều trị ung thư bằng bức xạ, sắc động lực học lượng tử….
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP [18,48]
Năm 1977, MCNG được hợp nhất với MCP (chương trình Monte-Carlo photon với xử lý vật lý chi tiết đến năng lượng 1 keV) để mô phỏng chính xác các tương tác neutron-photon và từ đó được biết đến với tên gọi MCNP. Trong vài năm gần đây các tính toán bằng phần mềm mô phỏng MCNP đã được triển khai ở Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu &Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố HCM, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, và ở các trường Đại học… Những tính toán này chủ yếu là các tính toán tới hạn lò phản ứng và các phân bố trường liều bức xạ, nghiên cứu detector. Về photon, dữ liệu cung cấp cho các quá trình tương tác với vật chất, nguyên tố có bậc số Z từ 1 đến 94 như tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp, hấp thụ quang điện với khả năng phát bức xạ huỳnh quang và quá trình tạo cặp.
Các tiết diện của gần 2000 phản ứng kích hoạt và liều lượng học cho hơn 400 hạt nhân bia ở các mức kích thích và cơ bản, các tiết diện này có thể sử dụng như hàm phụ thuộc năng lượng trong MCNP để xác định tốc độ phản ứng nhưng không dùng như tiết diện vận chuyển. MCNP tạo ra số hạt phù hợp hợp nhất, sau đó giải quyết vấn đề va chạm của hạt qua hai mô hình: xử lý theo vật lý đơn giản và xử lý theo vật lý chi tiết dựa trên 4 loại tương tác: tán xạ Compton, tán xạ Thomson, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp. Trong hiệu ứng quang điện, năng lượng E của photon tới bị hấp thụ, phát ra một vài photon huỳnh quang và làm bật ra một electron quỹ đạo có năng lượng liên kết e < E và truyền cho electron động năng E − e.
Khi các hạt đập vào mặt đầu dò và đi vào bên trong, chúng sẽ tương tác với các nguyên tử của các vật liệu đầu dò và được ghi nhận vào các kênh tương ứng với năng lượng tổng mà chúng đã truyền cho đầu dò. Khi đánh giá độ cao xung được sử dụng với các khe năng lượng thì chúng ta phải lưu ý vì các số ghi âm từ quá trình không tương tự và các số ghi 0 gây nên do hạt đi qua ô độ cao xung nhưng không để lại năng lượng. Trong thực nghiệm, do ảnh hưởng của 3 hiệu ứng là giãn nở thống kê số lượng hạt mang điện, hiệu ứng tập hợp điện tích và sự đóng góp từ nhiễu tín hiệu của hệ điện tử làm cho các khoảng gamma thực nghiệm toàn phần có dạng đỉnh Gauss.
Bên cạnh đó, các thông tin liên quan đến các thư viện tiết diện, loại bức xạ quan tâm và năng lượng của bức xạ, số khe năng lượng (tương ứng số số kênh trong phổ đo thực) cũng được thể hiện cụ thể. Ở đây, phần hệ phổ kế từ ống nhân quang trở về sau có cấu tạo phức tạp và thiếu thông tin cung cấp từ nhà sản xuất nên chỉ thực hiện mô phỏng đến lớp thủy tinh kết nối đầu dò với ống nhân quang (chi tiết về cấu tạo của detector xem ở phụ lục), phần còn lại của hệ phổ kế được mô phỏng xem như là không khí. Tương ứng với 10 ô ở trên cần 17 mặt khác nhau để liên kết tạo thành 10 ô với độ quan trọng của 9 ô đầu bằng 1 và ô thứ 10 bằng 0 nghĩa là trong quá trình mô phỏng nếu có hạt nào ra ngoài vựng khụng khớ quan tõm xung quanh hệ detector – nguồn thỡ MCNP sẽ khụng theo dừi hạt này nữa.
