Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ PHỔ KẾ GAMMA DETECTOR HPGe
2.2. MÔ HÌNH HÓA MCNP5 HỆ PHỔ KẾ GAMMA
2.2.1. Mô tả hình học cấu hình detector – buồng chì – nguồn phóng xạ
Đối với mỗi tính toán bằng chương trình MCNP cần cung cấp tệp các số liệu đầu vào chứa đựng thông tin liên quan đến thư viện các tiết diện, hình học vật lý của nguồn, detector và các vật liệu khác cũng như năng lượng của gamma, các khe năng lượng (tương ứng với kênh trong phổ được đo).
MCNP theo dõi mỗi photon khi nó truyền qua không gian và tương tác với các nguyên tử trong các vật liệu khác nhau có mặt ở đó. Các electron và các photon thứ cấp được tạo ra trong những tương tác này cũng được theo dõi cho đến khi toàn bộ năng lượng của chúng bị mất trong các vật liệu khác nhau hoặc chúng thoát ra khỏi không gian vật lý được bao hàm trong mô hình.
- 23 -
Đối với các tương tác trong thể tích detector, MCNP tạo ra đánh giá số các sự kiện trong mỗi khe năng lượng tức là nó cung cấp phổ mất mát năng lượng. Vì hệ đo không đo trực tiếp năng lượng để lại trong detector nên phổ mô phỏng sẽ khác ở một chừng mực nào đó với phổ đo, thậm chí ngay cả việc mô phỏng các quá trình vật lý xảy ra hoàn toàn chính xác.
Mô tả hình học của hệ nguồn – detector – buồng chì cho MCNP bao gồm các bước sau:
(1) Mô tả cấu trúc hình học của hệ đo bằng cách chia hệ thành từng ô giới hạn bởi các mặt cơ bản như trụ, phẳng. Mỗi ô được chứa bởi vật liệu đồng nhất.
MCNP5 sẽ nhận diện các mặt dựa trên các thông số toạ độ, kích thước trong hệ trục toạ độ lựa chọn. Do hệ có tính đối xứng trục nên được chọn biểu diễn trong hệ toạ độ trụ với trục Oz trùng với trục đối xứng của tinh thể germanium, trục Or theo phương bán kính vuông góc với Oz, gốc toạ độ O là giao điểm giữa Oz và mặt đáy thân buồng chì.
(2) Mô tả chi tiết vật liệu được chứa trong mỗi ô bao gồm thành phần hoá học của vật liệu và mật độ.
(3) Mô tả vị trí, hình học và đặc tính của nguồn đo.
(4) Mô tả cách đánh giá hoặc cách truy xuất kết quả. Vì đối tượng khảo sát là hiệu suất ghi của detector nên thẻ F8 được sử dụng để đánh giá phân bố độ cao xung. Với đánh giá này, các hạt bay vào detector tương tác với vật chất bên trong detector và được chương trình ghi nhận vào các kênh năng lượng tương ứng với năng lượng mà chúng truyền cho detector. Số tia gamma được detector ghi nhận có thể thu được bằng cách thống kê số đếm tại các kênh tương ứng với năng lượng quan tâm. Để việc mô phỏng hệ đo giống với thực nghiệm, các khe năng lượng được chia thành 8192 khe tương ứng với 8192 kênh của hệ phổ kế.
Đối với bài toán hiện tại, cấu hình detector – buồng chì – nguồn được chia làm 28 ô và được lấp đầy bằng vật liệu tương ứng. Các ô gồm có:
Ô 1: Lớp đồng dẫn tín hiệu Ô 2: Lớp boron được cấy ion
- 24 - Ô 3: Tinh thể germanium
Ô 4: Lớp lithium được khuếch tán Ô 5: Vỏ nhôm bảo vệ tinh thể
Ô 6: Khoảng chân không bên trong lớp nhôm Ô 7: Vỏ nhôm ngoài cùng
Ô 8: Lớp kapton Ô 9: Lớp mylar Ô 10: Vỏ cách điện Ô 11: Lõi dây dẫn
Ô 12: Khoảng chân không phía dưới tinh thể Ô 13: Cốc teflon
Ô 14: Que dẫn lạnh bằng đồng Ô 15: Không khí trong buồng chì Ô 16: Lớp đồng bên trong buồng chì Ô 17: Lớp paraffin bên trong buồng chì Ô 18: Lớp thiếc bên trong buồng chì Ô 19: Lớp thiếc phía trên đáy buồng chì Ô 20: Lớp chì bao quanh buồng chì Ô 21: Lớp sắt trên nắp buồng chì
Ô 22: Lớp sắt ở mặt dưới đáy buồng chì Ô 23: Lớp chì trên nắp buồng chì
Ô 24: Lớp đồng trên nắp buồng chì Ô 25: Lớp thiếc trên nắp buồng chì Ô 26: Thành hộp trụ
Ô 27: Chất phóng xạ bên trong hộp trụ Ô 28: Vùng không gian bao quanh buồng chì
Tương ứng với 28 ô trên cần 56 mặt khác nhau để liên kết tạo thành 28 ô với độ quan trọng của 27 ô đầu bằng 1 và ô 28 bằng 0 nghĩa là trong quá trình mô phỏng nếu có hạt nào ra ngoài buồng chì thì chương trình MCNP không xét đến hạt
- 25 -
đó nữa. Hình 2.4 mô tả hệ nguồn – detector – buồng chì được mô hình hóa bằng chương trình MCNP5.
Trong quá trình mô phỏng MODE P được sử dụng. Đối với MODE P quá trình tương tác của electron với vật chất được mô phỏng theo mô hình gần đúng TTB (thick target bremsstrahlung) của chương trình MCNP5. Với MODE P được sử dụng thì MCNP5 sẽ áp dụng xử lý vật lý chi tiết cho đến 10 MeV,giá trị này đã bao hàm khoảng năng lượng khảo sát của luận văn.
Để phổ gamma thu được từ quá trình mô phỏng giống với phổ gamma thực nghiệm sử dụng tùy chọn GEB của thẻ FT8, các tham số của tùy chọn GEB đi kèm theo đánh giá F8 được xác định bằng việc làm khớp các số liệu thực nghiệm theo dạng: FWHM=a+b E+cE2 và thu được kết quả [1]:
a = 0,00071 ± 0,00003
b = 0,00075 ± 0,00005 (2.1)
c = 0,46493 ± 0,09193
. (a) (b)
Hình 2.4. Cấu hình buồng chì (a) – detector (b) được mô hình hóa bằng MCNP5.
- 26 -
2.2.2. Dữ liệu đầu vào của chương trình MCNP5
Một tệp dữ liệu đầu vào điển hình của chương trình MCNP5 trong mô phỏng phổ gamma của các nguồn phóng xạ được trình bày ở bảng 1 trong phụ lục B.
Trong đó, các dòng 1 và 2 là dòng tiêu đề và dòng thông báo bắt đầu khai báo thẻ ô tương ứng, các dòng từ 3 đến 39 khai báo các thẻ ô (cell card), dòng 40 là dòng phân cách, dòng 41 đến 42 là dòng thông báo bắt đầu khai báo thẻ mặt, các dòng từ 43 đến 104 khai báo các thẻ mặt (surface card), dòng 105 là dòng phân cách, dòng 106 thông báo bắt đầu khai báo dữ liệu, các dòng còn lại khai báo các thẻ dữ liệu.
Cụ thể là dòng 107 mô tả mode p được sử dụng. Với mode p, quá trình vận chuyển của electron được tính toán theo mô hình gần đúng TTB (thick target bremsstrahlung). Dòng 146 và 147 mô tả thẻ xử lý đặc biệt FT8 với lựa chọn GEB (gaussian energy broadening) và mô tả thẻ truy xuất kết quả phân bố độ cao xung theo năng lượng thẻ F8. Dòng 151 mô tả kỹ thuật cắt năng lượng. Dòng 153 và dòng 154 mô tả điều kiện kết thúc quá trình mô phỏng gồm số photon phát ra từ nguồn và thời gian tính toán tương ứng. Ngoài các dòng thông báo, các dòng bắt đầu bằng kí tự "c" còn lại là không có ý nghĩa hoặc tạm thời bỏ đi, khi chạy MCNP5 sẽ không xử lý các dòng này.
2.2.3. Độ tin cậy của chương trình
Để có thể sử dụng được tệp dữ liệu đầu vào đã xây dựng cho bài toán trong luận văn, điều quan trọng là phải chứng minh độ tin cậy hay độ chính xác của chương trình mô phỏng bằng cách so sánh các kết quả thu được từ chương trình MCNP5 với kết quả thực nghiệm. Độ tin cậy của tệp dữ liệu đầu vào trong chương trình MCNP5 đối với hệ phổ kế gamma HPGe GC1518 đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP. HCM được kiểm chứng trong công trình [1]. Tệp dữ liệu đầu vào này được sử dụng để thực hiện các tính toán tiếp theo trên hệ phổ kế gamma này bằng chương trình MCNP5. Trong luận văn này chúng tôi dựa trên cơ sở bộ số liệu như đã mô tả trong công trình nói trên để mô tả bài toán một cách thích hợp.
- 27 -