- Các đánh giá thống kê
1333 3414666 0,06 1582810 0,09 1053929 0,11 Bảng 4.1 Diện tích đỉnh
Bảng 4.1. Diện tích đỉnh
tại các giá trị năng lượng ở khoảng cách 5cm
Bảng 4.2. Diện tích đỉnh tại các giá trị năng lượng
ở khoảng cách 10 cm
Bảng 4.3. Diện tích đỉnh tại các giá trị năng lượng ở
khoảng cách 15 cm
4.2. So sánh hiệu suất mơ phỏng và hiệu suất thực nghiệm Hiệu suất thực nghiệm là hiệu suất đỉnh được định nghĩa:
t . y . A S ε đ Trong đĩ:
Sđ: số đếm đỉnh tồn phần đã trừ phơng và hiệu chỉnh thời gian chết A: hoạt độ của nguồn phĩng xạ ở thời điểm đang đo (tính theo Bq) y: xác suất phát gamma; và t - thời gian đo (s)
Hiệu suất mơ phỏng cĩ được từ việc thu kết quả chạy chương trình MCNP với tệp đầu vào đã xây dựng.
Trong phần này ta sẽ so sánh các kết quả hiệu suất mơ phỏng với các với các hiệu suất thực nghiệm tại một số giá trị năng lượng mà thực nghiệm cĩ thể thực hiện được.
Dưới đây là các bảng so sánh hiệu suất thực nghiệm và mơ phỏng và các đường cong hiệu suất ở các khoảng cách 5cm, 10cm và 15cm
So sánh hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 5 cm: Năng lượng (keV) Hiệu suất thực nghiệm εtn Sai số thực nghiệm(%)
Hiệu suất mơ phỏng εmp Sai số mơ phỏng (%) Tỉ số tn mp ε ε 81 ─ ─ 0,04081 0,051 ─ 88 0,05086 2,06 0,04663 0,047 0,917 122 0,06088 5,56 0,05387 0,044 0,885 136 0,05090 6,99 0,05378 0,044 1,057 276 0,04637 5,99 0,04308 0,049 0,929 302 0,04559 5,65 0,04072 0,051 0,893 356 0,04334 5,47 0,03647 0,053 0,841 384 0,03881 5,98 0,03447 0,055 0,888 511 0,02911 2,09 0,02741 0,061 0,942 662 ─ ─ 0,02049 0,086 ─ 834 ─ ─ 0,01809 0,089 ─ 1115 ─ ─ 0,01431 0,091 ─ 1173 0,01263 2,00 0,01358 0,071 1,075 1275 0,01231 2,00 0,01288 0,075 1,046 1333 0,01148 2,00 0,01225 0,084 1,067
Hình 4.1. Đường cong hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 5cm theo thang đo logarithm (các đường cong được làm khớp theo hàm đa thức bậc 4)
So sánh hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 10 cm: Năng lượng (keV) Hiệu suất thực nghiệm εtn Sai số thực nghiệm(%)
Hiệu suất mơ phỏng εmp Sai số mơ phỏng (%) Tỉ số tn mp ε ε 81 ─ ─ 0,01465 0,083 ─ 88 0,01887 2,23 0,01663 0,078 0,881 122 0,02260 5,73 0,01919 0,073 0,849 136 0,02089 8,43 0,01925 0,073 0,921 276 0,01797 6,16 0,01630 0,079 0,907 302 0,01722 5,73 0,01552 0,081 0,901 356 0,01663 5,49 0,01409 0,085 0,847 384 0,01240 6,22 0,01339 0,087 1,080 511 0,01158 2,09 0,01083 0,097 0,935 662 ─ ─ 0,00879 0,107 ─ 834 ─ ─ 0,00727 0,118 ─ 1115 ─ ─ 0,00580 0,132 ─ 1173 0,00521 2,00 0,00556 0,135 1,067 1275 0,00504 2,00 0,00522 0,139 1,036 1333 0,00477 2,00 0,00503 0,141 1,055
Hình 4.2. Đường cong hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 10 cm theo thang đo logarithm (các đường cong được làm khớp theo hàm đa thức bậc 4)
So sánh hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 15 cm: Năng lượng (keV) Hiệu suất thực nghiệm εtn Sai số thực nghiệm(%)
Hiệu suất mơ phỏng εmp Sai số mơ phỏng (%) Tỉ số tn mp ε ε 81 ─ ─ 0,007224 0,118 ─ 88 0,009276 3,62 0,008176 0,111 0,881 122 0,011224 5,97 0,009530 0,103 0,849 136 0,010783 10,62 0,009530 0,103 0,884 276 0,009438 6,69 0,008406 0,110 0,891 302 0,008960 5,96 0,008043 0,112 0,898 356 0,008966 5,55 0,007355 0,117 0,820 384 0,006769 6,73 0,007007 0,120 1,035 511 0,006195 2,09 0,005716 0,133 0,923 662 ─ ─ 0,004682 0,146 ─ 834 ─ ─ 0,003883 0,161 ─ 1115 ─ ─ 0,003117 0,179 ─ 1173 0,002904 2,00 0,002985 0,183 1,028 1275 0,002849 2,00 0,002803 0,189 0,984 1333 0,002595 2,00 0,002705 0,193 1,042
Hình 4.3. Đường cong hiệu suất mơ phỏng và thực nghiệm ở khoảng cách 15cm theo thang đo logarithm (các đường cong được làm khớp theo hàm đa thức bậc 4)
Nhận xét:
Từ bảng các bảng so sánh và các đường cong hiệu suất ta thấy:
- Cĩ sự phù hợp giữa đường cong hiệu suất mơ phỏng và đường cong hiệu suất thực nghiệm: hiệu suất tăng nhanh theo năng lượng tia gamma ở vùng năng lượng dưới 100 keV và đạt cực đại trong khoảng năng lượng 120 keV - 150 keV, sau đĩ khi năng lượng tia gamma tăng lên nữa thì hiệu suất giảm dần. Quy luật này là phù hợp lý thuyết và các nghiên cứu về hiệu suất của detector nhấp nháy, cho thấy sự hợp lý của chương trình mơ phỏng.
- Ở vùng năng lượng cao (trên 500 keV), giá trị hiệu suất mơ phỏng phù hợp khá tốt với thực nghiệm; tại vùng năng lượng này giá trị hiệu suất mơ phỏng cao hơn giá trị hiệu suất thực nghiệm. Khi khoảng cách nguồn đến detector tăng lên sự sai biệt giữa mơ phỏng và thực nghiệm cũng giảm xuống. Điều này cĩ thể giải thích là do khi đo đạc ở khoảng cách xa, các tia gamma bức ra từ nguồn bớt loe ra và các chớp sáng nhấp nháy được tạo ra ở phần rìa tinh thể ít đi dẫn tới sự giảm hiện tượng các nhấp nháy sáng thốt ra ngồi tinh thể mà khơng truyền đến ống nhân quang; hơn nữa lớp hoạt chất phĩng xạ của nguồn chuẩn cĩ thể khác biệt so với dạng đĩa trong mơ phỏng, ở khoảng cách càng xa sự tương đồng giữa lớp hoạt chất mơ phỏng và thực tế càng tốt.
- Tại các giá trị năng lượng thấp (dưới 500 keV) sự sai biệt giữa mơ phỏng và thực nghiệm là khá lớn (lên đến hơn 15% ở khoảng cách 5cm và 18% ở khoảng cách 15cm), hiệu suất thực nghiệm ở vùng này cao hơn hiệu suất mơ phỏng. Cĩ thể giải thích cho sự tăng cao của hiệu suất thực nghiệm so với hiệu suất mơ phỏng ở vùng năng lượng này bởi các lí do. Vùng năng lượng này là vùng nhạy của detector và do đĩ các nhiễu ở vùng cũng rất lớn và đĩng gĩp đáng kể vào số đếm.
Bên cạnh đĩ, phơng tự nhiên ở vùng năng lượng này là rất lớn làm ảnh hưởng đến số đếm và cũng làm tăng thêm lượng tạp âm. Tạp âm nhiệt của ống nhân quang và các xung tạp âm so sự ion hĩa các nguyên tử hay phân tử bởi chùm electron thứ cấp bên trong ống nhân quang cũng là một lí do dẫn đến sự tăng số đếm ghi nhận được. Thêm vào đĩ, các sai số do sự tách đỉnh chập cũng cĩ thể là một nguyên nhân.
Kết luận:
Quy luật thay đổi của đường cong hiệu suất mơ phỏng cho thấy sự phù hợp của chương trình mơ phỏng trong việc khảo sát hiệu suất detector. Trong quá trình khảo sát, sự sai khác đường cong hiệu suất thực nghiệm và mơ phỏng làm nảy sinh những vấn đề đáng quan tâm. Trong việc tìm lời giải xác đáng cho các vấn đề này các nghiên cứu tiếp theo cần được thực hiện:
- Khảo sát điện thế hoạt động tối ưu của ống nhân quang. - Khảo sát hệ số nhân của ống nhân quang theo nhiệt độ.
- Tiến hành đo đạt cĩ che chắn buồng chì để đánh gia sự ảnh hưởng của phơng mơi trường. - Nghiên cứu nâng cao hiệu quả tách đỉnh chập bằng phương pháp mơ phỏng.
KẾT LUẬN CHUNG
Phương pháp mơ phỏng nổi bật lên như là một cơng cụ đắc lực để giải quyết các vấn đề hĩc búa trong nghiên cứu gặp phải mà vì các lý do khác nhau mà ta khơng thể giải quyết được trong thực tế, ý nghĩa phương pháp mơ phỏng của cịn thể hiện ở chỗ phương pháp này xây dựng các mơ hình khảo sát làm định hướng cho việc nghiên cứu. Thơng qua việc thực hiện luận văn, người thực hiện đã bước đầu tiếp cận và áp dụng phương pháp nghiên cứu khoa học này - phương pháp mơ phỏng Monte Carlo.
Với mục tiêu học tập phương pháp nghiên cứu khoa học mới và nâng cao hiệu quả sử dụng detector nhấp nháy, luận văn đã đạt được các kết quả sau:
- Mơ hình hĩa và tính tốn hiệu suất mơ phỏng đối với detector nhấp nháy NaI(Tl) của phổ kế Gamma Rad 76BR76 đặt tại Phịng thí nghiệm Vật lý hạt nhân thuộc trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh bằng chương trình MCNP4C2
- Xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng mơ phỏng và đường cong hiệu suất theo năng lượng thực nghiệm. Đường cong hiệu suất mơ phỏng cho thấy sự phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu đã cĩ về hiệu suất của detector nhấp nháy
- Khảo sát so sánh hiệu suất mơ phỏng với hiệu suất thực nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy hiệu suất mơ phỏng phù hợp với hiệu suất thực nghiệm ở vùng năng lượng trên 500 keV và cịn ở vùng năng lượng dưới 500 keV hiệu suất thực nghiệm cĩ giá trị cao hơn mơ phỏng. Việc so sánh và giải thích kết quả so sánh định hướng đến nhiều nghiên cứu mới gĩp phần nâng cao hiệu quả sử dụng detector.
Do điều kiện thực nghiệm cịn thiếu thốn, khả năng và hiểu biết cĩ giới hạn của người thực hiện, luận văn cịn mắc phải khá nhiều hạn chế:
- Chưa quan tâm đúng mức đến các nhiễu của ống nhân quang điện cũng như chưa khảo sát điện thế tối ưu của detector.
- Chưa thực hiện được tách đỉnh phổ chập một cách triệt để cĩ thể thu được các giá trị thực nghiệm thật tin cậy ở vùng năng lượng thấp (dưới 500 keV) để từ đĩ cĩ thể đánh giá thật xác đáng các kết quả mơ phỏng.
- Chưa thiết lập được điều kiện thực nghiệm tốt nhất – che chắn hệ đo để giảm nhiễu mơi trường. Từ đĩ cũng chưa cĩ sự quan tâm đúng mức đến các sai số do mơi trường gây ra.
- Việc thực hiện mơ phỏng hồn tồn dựa trên các thơng số kĩ thuật mà nhà sản xuất đưa ra mà chưa quan tâm đến việc hiệu chỉnh các thơng số này như: bề dày lớp chết, các sai số của các thơng số kĩ thuật…
Các đề xuất nghiên cứu tiếp theo:
- Khảo sát điện thế hoạt động tối ưu của detector.
- Khảo sát hệ số nhân của ống nhân quang theo nhiệt độ để cĩ thể đánh giá tạp âm nhiệt của ống nhân quang.
- Nghiên cứu hiệu suất trong điều kiện cĩ che chắn và tiến hành thực hiện mơ phỏng khảo sát hàm đáp ứng của detector, từ đĩ phục vụ cho việc nâng cao hiệu quả tách đỉnh chập trong phổ gamma.
- Nghiên cứu các vấn đề hiệu chỉnh các thơng số kĩ thuật của detector như bề dày lớp chết và sự ảnh hưởng đến hiệu suất vào các yếu tố khác khoảng cách, hình học mẫu…
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Trần Khắc Ân, Cao Văn Chung, Trần Văn Hùng (2007), “Sử dụng code MCNP4C xác định vị trí liều cực tiểu trong thùng hàng ở các tỷ trọng hàng chiếu khác nhau phục vụ cơng tác vận hành
máy chiếu xạ STSV-Co60/B tại trung tâm nghiên cứu và triển khai cơng nghệ bức xạ”, Báo cáo
Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ Hạt nhân tồn quốc lần thứ VII, Đà Nẵng, trang 39.
[2] Võ Xuân Ân (2008), “Mơ phỏng phổ hạt nhân phĩng xạ bằng phương pháp Monte Carlo”, Luận án tiến sĩ, ĐH. Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh.
[3] Nguyễn Minh Cảo (2007), “ Giáo trình Detector các hạt cơ bản”.
[4] Trần Phong Dũng, Châu Văn Tạo, Nguyễn Hải Dương (2005), “Phương pháp ghi bức xạ ion
hĩa”, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[5] Ngơ Quang Huy (2006), “Cơ sở vật lý hạt nhân”, Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
[6] Ngơ Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2006), “Mơ phỏng các phổ gamma phức tạp đo
trên hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe bằng chương trình MCNP”, Tạp chí phát triển Khoa
học & Cơng nghệ, Đại học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, tập 9, số 9, trang 63-70.
[7] Ngơ Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2007), “Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số
vật lý đến hiệu suất đếm của detector bán dẫn siêu tinh khiết bằng chương trình MCNP4C2”,
Tạp chí phát triển Khoa học và Cơng nghệ, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, tập 10, số 5,
trang 21-26.
[8] Võ Văn Hồng (2004), "Mơ phỏng trong vật lý", Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí
Minh.
[9] Trần Ái Khanh (2007), “ Khảo sát hiệu suất của detector HPGe với hình học mẫu lớn bằng
phương pháp Monte Carlo”, Luận văn thạc sĩ vật lý, ĐH. Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh.
[10] Trương Thị Hồng Loan (2010), “Mơ phỏng Monte Carlo một số bài tốn trong vật lý hạt
nhân”, Luận án tiến sĩ, ĐH. Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh.
[11] Trương thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh và Trần Thiện Thanh (2007), “Mơ phỏng Monte Carlo đường cong hiệu suất đỉnh của đầu dị HPGe trong hệ
phổ kế gamma mơi trường sử dụng chương trình MCNP4C2”, Tạp chí phát triển Khoa học
&Cơng nghệ, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, tập 10, số 5, trang 33-40.
[12] Đặng Nguyên Phương (2006), “Khảo sát dường cong hiệu suất của đầu dị HPGe bằng chương trình MCNP”, Khĩa luận tốt nghiệp đại học, ĐH. Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh.
[13] Trần Thiện Thanh (2007), “ Hiệu chỉnh trùng phùng tổng trong hệ phổ kế gamma sử dụng
[14] Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Xuân Hải, Trần Tuấn Anh, Nguyễn Kiên Cường (2007), “Ứng dụng MCNP4C2 xác định cấu hình che chắn tối ưu cho hệ phổ kế cộng biên độ các xung trùng
phùng”, Báo cáo Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ Hạt nhân tồn quốc lần thứ VII, Đà Nẵng,
trang 55. Tiếng Anh
[15] Beattie R.J.D. and Byrne J. (1972), "A Monte Carlo Program for Evaluating the Response of a
Scintillation Counter to Monoenergetic Gamma Rays", Nucl. Instrum. Methods., 104 163-168.
[16] Belluscio M., de Leo R., Pantaleo A. and Vox A. (1974), "Efficiencies and Response Functions
of NaI(Tl) Crystals for Gamma Rays from Thick Disk Sources", Nucl. Instrum. Methods., 118
553-563.
[17] César Marques Salgado, Claudio C. Conti and Paulo H.B. Becker (2006), "Determination of HPGe Detector Response using MCNP5 for 20-150 keV Xrays", Appl. Rad. and Isot., 64 700- 705.
[18] Briesmeister J.F., Ed. (2001), “MCNP4C2- Monte Carlo N-particle Transport Code System”,
Los Alamos National Laboratory, LA-13709-M.
[19] Debertin K. and Helmer R.G. (1988), “Gamma And X-Ray Spectrometry With Semiconductor
Detector”, Amsterdam, North-Holland.
[20] Hayez H. H. Al-Ghorabie (2003), “The use of the EGS4 simulation code to evaluate the response of NaI(Tl) detector for photons in the energy range <300 keV”, Umm Al-Qura Univ. J.
Sci. Med. Eng. Vol 15, No.2, pp.81-93.
[21] García-Talavera M., Neder H., Daza M.J. and Quintana B. (2000), "Towards a Proper
Modeling of Detector and Source Characteristics in Monte Carlo Simulations", Appl. Rad. and
Isot., 52 777-783.
[22] Ghanem S.A. (2000), "Monte Carlo Calculations of the Response Features for NaI Detectors",
Appl. Rad. and Isot., 53 877-880.
[23] Grosswendt B. (1974), "Berechnung der Elektronen-Bremsstrahlspektren in NaJ, CsJ, Si und
Ge", Nucl. Instrum. Methods., 116 97-104.
[24] Grosswendt B. and Waibel E. (1975), "Determination of Detector Efficiencies for Gamma Ray
Energies up to 12 MeV", Nucl. Instrum. Methods., 131 143-156.
[25] Gardner R.P. and Doster J.M. (1982), “Treatment of the Si(Li) detector response as a
probability density function”, Nucl. Instr. and Meth., 198 381-390.
[26] Hashem Miri Hakimabad, Hamed Panjeh, Alireza Vejdani-Noghreiyan (2007), “Nonlinear
Response Function of a 3×3 in. NaI Scintillation Detector”, Asian J. Exp. Sci., Vol. 21, No. 1,
[27] Hasse G., Tail D. and Wiechen A. (1993), “Monte Carlo simulation of several gamma – emitting source and detector arrangements for determining corrections of self attenuation and
coincidence summation in gamma spectrometry”, Nucl. Instr. and Meth., A329 483-492
[28]. He T., Gardner R.P. and Verghese K. (1990), “An improved Si(Li) detector response
function”, Nucl. Instr. and Meth. , A299 354-366.
[29] R. L. Heath (1997), “ Sciltillation Spectrometry”, γ – ray Spectrometry Center, Ihado National
Engineering & Environmental Laboratory
[30] R. L. Heath (1998), “ Gamma - Ray Spectrum Catalogue Ge and Si Detector spectra, Fourth
Edition”, γ – ray Spectrometry Center, Ihado National Engineering & Environmental Laboratory
[31] Hoover A.S. (2007), “Characterization of the virtual point detector effect for coaxial HPGe
detectors using Monte Carlo simulation”, Nucl. Instr. and Meth., A572 839-843.
[32] Hurtado S., García - León M. and García - Tenorio R. (2004), "Monte Carlo Simulation of the Response of a Germanium Detector for Low-level Spectrometry Measurements using GEANT4", Appl. Rad. and Isot., 61 139- 143
[33] Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Di Yun (2002), “Precise Monte Carlo simulation of
gamma ray response functions for an NaI(Tl) detector”, Appl. Radiat. Isot., 57 517-524.
[34] Huy N.Q., Binh D.Q., An V.X. (2007), “Study on the increase of inactive germanium layer in a
high purity germanium detector after a long time operation applying MCNP code”, Nucl. Instr.
and Meth., A573 384-388
[35] Knoll G.F. (1999), “Radiation Detection and Measurement, Third Edition”, John Wiley & Sons,
Inc., New York
[36] Martin Schlager (2007), “Precise modelling of coaxial germanium detectors in preparation for
a mathematical calibration”, Nucl. Instr. and Meth., A580 137-149
[37] N. Ghal-Eh, G.R. Etaati and M. Mottaghian (2010), “Monte Carlo Simulation of Inorganic Scintillators Response to Gamma Rays: A Comparative Study”, World Appl. Sci. J., 8 (6): 784-
788
[38] Orion and L. Wielopolski (2000), “Response Function of the BGO and NaI(Tl) Detectors
Using Monte Carlo Simulations”, IN VIVO BODY COMPOSITION STUDIES Annals of the New
York Academy of Science, 904: 271-5
[39] Peterman B.F., Hontzeas S. and Rystephanick R.G. (1972), "Monte Carlo Calculations of Relative Efficiencies of Ge(Li) Detectors", Nucl Instrum. Methods., 104 461-468.
[40] Rieppo R. (1976), “Monte Carlo Calculation of the Self Absorption of gamma rays in a Volume Shaped Source Connecting a Face – Type and a Well – Type NaI- Detector” ,
International Journal of Applied Radiation and Isotopes, 27, p. 605-607.
[41] Robin P. Gardner *, Avneet Sood (2003), “A Monte Carlo simulation approach for generating NaI detector response functions (DRFs) that accounts for non-linearity and variable flat continua”, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 213 (2004) 87–99
[42] Sánchez F., Navarro E., Ferrero J.L., Moreno A. and Roldán C., Baeza A. and Paniagua J. (1991), “A Monte Carlo based method of including gamma self absorption for the analysis of