BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ
TRƯƠNG THÀNH SANG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MỚI
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT
CỦA ĐẦU DÒ NaI(Tl)
Chuyên ngành: Vật lí Hạt nhân
TP. Hồ Chí Minh –năm 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MỚI
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT
CỦA ĐẦU DÒ NaI(Tl)
Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM
Người thực hiện: TRƯƠNG THÀNH SANG
TP. Hồ Chí Minh –năm 2019
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm
thành phố Hồ Chí Minh để hoàn thành chương trình Cử nhân Vật lý khóa 41, tôi xin
chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Ts. Hoàng Đức Tâm đã tận tâm chỉ bảo và giúp
đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm khóa luận. Bên cạnh đó, những ngày được làm
việc cùng nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy Hoàng Đức Tâm tại phòng
thí nghiệm Vật lý Hạt nhân đã mang lại cho tôi nhiều kiến thức mới và phương pháp
làm việc khoa học, chính những điều này đã tạo cho tôi niềm đam mê và yêu thích
lĩnh vực mà tôi được đào tạo tại trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Huỳnh Đình Chương đã hỗ trợ tôi rất nhiều
trong quá trình thực hiện mô phỏng và thực nghiệm của luận văn. Tôi xin cảm ơn quý
Thầy, Cô trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã truyền
đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn trong quá trình học tập và nghiên cứu tại
trường.
Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã
ủng hộ và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn trong quá trình học tập.
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Chữ cái viết tắt Tiếng anh Tiếng việt
FEPE Full Energy Peak Efficency
NaI(Tl) Sodium Iodide Thallium Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần Tinh thể Natri Iot Thallium
ENIAC Máy tính tích hợp điện tử
MCNP MCS Electronic Numerical Interagrator Computer Monte Carlo N-Particle Monte Carlo Simulation
MCN Monte Carlo Neutron
MCNG Monte Carlo Neutron-Gamma
ANSI American Nation Standards Institute Monte Carlo N-hạt Mô phỏng Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo Neutron Mô phỏng Monte Carlo Neutron-Gamma Tổ chức Chuẩn Quốc gia Hoa kỳ
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP5 ................................................ 12
Bảng 2.2 Các định nghĩa tham số trong MCNP5 .......................................................... 13
Bảng 3.1 Các thông số của đầu dò NaI(Tl) ................................................................... 21
Bảng 3.2 Thông số của các nguồn phóng xạ ................................................................. 23
Bảng 3.3. Dữ liệu hệ số suy giảm khối từ Nist và thông số của lớp phản xạ từ nhà sản
xuất ................................................................................................................................ 26
Bảng 4.1. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản
xạ phía trước đầu dò NaI(Tl). ........................................................................................ 31
Bảng 4.2. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo
mật độ lớp phản xạ phía trước đầu dò NaI(Tl).............................................................. 32
Bảng 4.3. Dữ liệu thực nghiệm và mật độ tối ưu của lớp phản xạ được nội suy từ dữ liệu
hàm khớp ....................................................................................................................... 33
Bảng 4.4. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV, 81 keV theo bán
kính tinh thể NaI(Tl) ..................................................................................................... 34
Bảng 4.5. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 32 keV, 59 keV theo bán
kính tinh thể NaI(Tl) ..................................................................................................... 35
Bảng 4.6. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 121 keV theo
bán kính tinh thể NaI(Tl) ............................................................................................... 36
Bảng 4.7. Dữ liệu so sánh mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo mô phỏng
và thực nghiệm .............................................................................................................. 38
Bảng 4.8. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 662 keV và 964 keV theo chiều tinh thể NaI(Tl) .................................................................................................... 39
Bảng 4.9. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1173 keV và 1274 keV theo
chiều tinh thể NaI(Tl) .................................................................................................... 40
Bảng 4.10. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1332 keV và 1408 keV theo
chiều tinh thể NaI(Tl) .................................................................................................... 41
Bảng 4.11. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực nghiệm
....................................................................................................................................... 43
Bảng 4.12. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực
1
nghiệm giữa mô hình ban đầu và mô hình tối ưu cả ba thông số ................................. 44
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại, một electron ở lớp
vỏ ngoài cùng hấp thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại ............................. 4
Hình 1.2 Hiệu ứng Compton .......................................................................................... 5
Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp .............................................................................................. 6
Hình 1.4. Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguồn tới đầu dò ........................... 7
Hình 1.5. Phổ đo bức xạ gamma năng lượng 1408 keV ................................................. 7
Hình 3.1. Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thể NaI(Tl) ............................................ 17
Hình 3.2: Hình mô tả góc khối của nguồn phóng xạ đối với đầu dò NaI(Tl) ............... 19
Hình 3.3. Hình học của đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng phần mềm MCNP5 ..... 20
Hình 3.4. Mô phỏng thí nghiệm 1 trong chương trình MCNP5 ................................... 22
Hình 3.5. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm, sử dụng hệ thống điều khiển để điều chỉnh
khoảng cách với sai số 0,01 mm ................................................................................... 23
Hình 3.6. Ảnh chụp bởi mô phỏng đường đi chùm tia gamma trong chương trình MCNP5
....................................................................................................................................... 24
Hình 3.7. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trên bề mặt đầu dò
....................................................................................................................................... 27
Hình 3.8. Đường biểu diễn hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) theo tỉ số d/R ................ 28
Hình 3.9. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trong tinh thể
NaI(Tl). .......................................................................................................................... 29
Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn hiệu suất đỉnh năng lượng theo mật độ lớp phản xạ của hai
đỉnh 31 keV(a) nguồn mặt trước đầu dò, 31 keV(b) nguồn đặt bên cạnh đầu dò ......... 33
Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo bán kính tinh thể
NaI(Tl) ........................................................................................................................... 37
Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo chiều dài tinh thể
NaI(Tl) ........................................................................................................................... 42
MỤC LỤC
Mở đầu ............................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT .............................................3
1.1. Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất .................................................................................3
1.1.1. Hiệu ứng quang điện .....................................................................................................3
1.1.2. Hiệu ứng Compton ........................................................................................................5
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp ...........................................................................................................6
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 ....................8
2.1. Phương pháp Monte Carlo ...................................................................................................8
2.2. Chương Trình MCNP5 ........................................................................................................9
2.2.1. Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình MCNP5. ..................9
2.2.2. Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input) ................................................................10
2.2.3. Cell cards ....................................................................................................................10
2.2.4. Surface Cards ..............................................................................................................11
2.2.5. Data Cards...................................................................................................................13
CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU
CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL) ........................................................................................................................16
3.1. Đầu dò NaI(Tl)...................................................................................................................16
3.1.1. Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) ......................................................................................17
3.1.2. Cấu hình và thông số kỹ thuật của Detector NaI(Tl) ..................................................20
3.1.3. Mô hình hóa hệ đo thực nghiệm trong mô phỏng MCNP5. .......................................22
3.2. Phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl) .........................................24
3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 𝐴𝑙2𝑂3 .....................................24
3.2.2. Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl) .......................................27
3.2.3. Phương pháp xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) ......................................29
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................30
4.1. Kết quả xác định mật độ của lớp phản xạ ..........................................................................31
4.2. Kết quả xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl) ......................................................34
4.3. Kết quả xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) ......................................................39
KẾT LUẬN ..................................................................................................................................45
Mở đầu
Ngày nay, nhiều kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng vào đời sống đặc biệt là
những kỹ thuật được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, năng lượng, môi trường. Việc
bắt đầu sử dụng nguồn phóng xạ làm ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành.
Các máy đo phóng xạ môi trường trở thành những công cụ cơ bản cho phép người sử
dụng kiểm tra về hoạt độ phóng xạ từ môi trường. Hệ phổ kế gamma là một trong
những hệ thống phát hiện bức xạ được sử dụng rộng rãi nhất. Trong phép đo phóng
xạ cần có kiến thức chính xác về hiệu suất ghi của máy đo bởi chỉ một phần của bức
xạ đi vào vật liệu tương tác bên trong nên hiệu suất ghi không đạt 100%. Một trong
những đầu dò có hiệu suất cao để đo hoạt độ môi trường là đầu dò sử dụng chất nhấp
nháy rắn điển hình như hệ đo phổ gamma NaI(Tl) bao gồm một đầu dò NaI(Tl) và
máy phân tích đa kênh MCA, hiệu suất ghi bức xạ phụ thuộc vào nhiều tham số của
đầu dò. Nhiều phần mềm đã phát triển rất sớm từ những năm 1940 cho phép người
dùng tính toán phù hợp với mô hình thực nghiệm mà không cần làm việc trực tiếp với
nguồn phóng xạ. Phần mềm mô phỏng MCNP5 dựa trên phương pháp Monte Carlo
được xây dựng bởi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos,
MCNP5 được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng vì sự phù hợp của mô phỏng
so với thực nghiệm.
Phần mềm MCNP5 cho phép người sử dụng mô phỏng lại quá trình vận chuyển
hạt từ những dữ liệu đầu vào của mô hình thực nghiệm, trong mô phỏng để tính được
hiệu suất ghi của đầu dò cần xác định được số hạt để lại năng lượng trong tinh thể.
Trong quá trình photon phát ra từ nguồn trên đường đi nó phải qua các vật liệu môi
trường và các lớp che chắn tinh thể. Hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần
được tính giữa thực nghiệm và mô phỏng bao giờ cũng có sự chệnh lệch tùy thuộc
vào các thông số đầu vào. Sự phù hợp giữa tính toán hiệu suất từ mô phỏng và thực
nghiệm cần có những nghiên cứu liên quan giữa các thông số đầu vào đối với kết quả
tính toán. Khi tính hiệu suất bằng phương pháp gamma truyền qua thì các yếu tố chính
1
ảnh hưởng đến kết quả là các thông số của đầu dò NaI(Tl) được cung cấp từ nhà sản
xuất, việc hiệu chỉnh các yếu tố này trước khi mô phỏng sẽ cho kết quả tối ưu hơn. Sự
ảnh hưởng của lớp phản xạ bao quanh tinh thể đã được nghiên cứu bởi Tam và cộng
sự [5]. Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi bề dày lớp phản xạ hiệu suất cũng
thay đổi và phụ thuộc tuyến tính theo bề dày lớp phản xạ , sự hiệu chỉnh thông
số này cho thấy sự phù hợp với độ lệch dưới 2% giữa kết quả mô phỏng và thực
nghiệm ở các mức năng lượng trải dài từ 88 keV- 1332 keV. Thay vì hiệu chỉnh thông
số bề dày lớp phản xạ chúng tôi hiệu chỉnh các thông số khác, đồng thời đưa ra phương
pháp xây dựng một quy trình để tách rời sự ảnh hưởng của từng thông số lên bài toán,
sau đó đưa ra mô hình tối ưu giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Theo những nội dung trên nên luận văn được chia thành bốn chương. Chương
một trình bày cơ sở lý thuyết về tương tác giữa bức xạ gamma và vật chất, những
tương các cơ bản như: quang điện, Compton và tạo cặp.
Chương hai giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP5.
Chương ba trình bày về mô hình thực nghiệm và phương pháp xác định các
thông số tối ưu. Trong chương này nghiên cứu về ba phương pháp để xác định lần
lượt các thông số mật độ lớp phản xạ, bán kính tinh thể NaI(Tl), và chiều dài tinh thể
NaI(Tl).
Chương bốn sẽ trình bày về kết quả của các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl)
thu được đối với từng phương pháp, từ kết quả thu được sẽ thay lại các thông số này
vào mô phỏng, sau đó tiến hành so sánh hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần
2
giữa mô phỏng và thực nghiệm và thảo luận về các thông số tối ưu với mô hình mới.
CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT
1.1. Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất
Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng lượng cao ứng với bước
sóng nhỏ hơn . Bức xạ gamma thực chất là các hạt photon, chúng có tính chất
của cả sóng và hạt, khi đi vào vật liệu photon tương tác với các electron, thường xảy
ra ba hiệu ứng: quang điện, Compton và tạo cặp. Do xảy ra tương tác giữa photon và
electron, khi truyền qua vật liệu bia một phần cường độ của chùm tia bị suy giảm, vì
vậy số đếm photon suy giảm về số lượng tùy thuộc vào độ dày vật liệu bia và năng
lượng photon tới.
Quy luật suy giảm của cường độ chùm tia photon đi qua vật liệu được tính theo
công thức:
(1.2)
trong đó:
d (cm) là bề dày vật liệu.
( ) là hệ số suy giảm tuyến tính đối với vật liệu bia, do hệ số tuyến tính phụ
thuộc vào mật độ bia nên người ta thường sử dụng hệ số suy giảm khối để mô tả sự
suy giảm của cường độ photon truyền qua.
(1.3)
Với: , là mật độ của bia.
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Thí nghiệm nổi tiếng của Heinrich Hertz vào năm 1887 là một trong những điều
kỳ lạ trong lịch sử khoa học, ông phát hiện ra sóng điện từ xác nhận lý thuyết sóng
của James Maxwell, ông cũng là người khám phá ra hiệu ứng quang điện dẫn đến tính
chất hạt ánh sáng [6].
Abert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của Max Plank đã giải
thích thành công hiện tượng quang điện. Giả thuyết photon mang năng lượng lớn hơn
3
năng lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử đi vào kim loại truyền hết
năng lượng cho electron, theo định luật bảo toàn năng lượng thì động năng cực đại
của electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại bằng hiệu năng lượng photon tới và năng
lượng liên kết của electron với hạt nhân nguyên tử.
Hình 1.1. Đường cong năng lượng của electron trên bề mặt kim loại, một
electron ở lớp vỏ ngoài cùng hấp thụ một photon năng lượng bật ra khỏi kim loại [6].
(1.4)
trong đó:
là động năng cực đại của electron.
là năng lượng của photon tới.
là năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân.
Năng lượng liên kết của electron giảm dần theo các lớp K, L, M, N… Nếu năng
lượng của photon nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K thì hiệu ứng quang
điện chỉ xảy ra cho các electron ở lớp xa hạt nhân hơn. Mỗi một nguyên tử có cấu trúc
4
năng lượng ở các lớp vỏ electron khác nhau nên xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện
không những phụ thuộc vào năng lượng của photon tới mà còn phụ thuộc vào số hiệu
nguyên tử.
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng Compton là sự va chạm giữa photon và electron tự do, trong thực tế
thì electron không tự do mà là những electron liên kết với hạt nhân trong nguyên tử
môi trường. Đối với photon đi vào môi trường có năng lượng lớn hơn nhiều so với
năng lượng liên kết của electron ta có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron và
xem như bài toán va chạm giữa photon với các electron tự do.
Hình 1.2. Hiệu ứng Compton[2].
Sự va chạm giữa photon với các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử (xem
như electron tự do) được gọi là tán xạ Compton. Sau tán xạ photon thay đổi phương
chuyển động và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi
nguyên tử. Theo định luật bảo toàn năng lượng:
(1.5)
Trong đó:
là động năng cực đại của electron.
là năng lượng của photon tới.
là năng lượng của photon sau tán xạ Compton.
Trên cơ sở tính toán dựa trên bảo toàn năng lượng và động lượng có xét đến
tương đối tính, năng lượng của photon và electron sau khi tán xạ theo góc lần lượt
5
được tính theo công thức (1.6) và (1.7) [2]:
(1.6)
(1.7)
1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp là sự tương tác giữa một photon có năng lượng lớn hơn 1022
keV với hạt nhân nguyên tử, kết quả là sự biến mất của photon cùng với sự xuất hiện
cặp electron và positron. Positron sau đó nhanh chóng bị hủy do tương tác với các
electron khác từ môi trường và sinh ra hai photon với năng lượng 511 keV.
Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp [2].
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
(1.8)
Hiêu ứng tạo cặp xảy ra bên ngoài tinh thể tạo thành photon được ghi nhận ở
đỉnh năng lượng 511 keV, nếu hiệu ứng tạo cặp xảy ra bên trong tinh thể và các photon
6
được tạo thành sau đó thoát ra thì sẽ ghi nhận các đỉnh thoát đơn hoặc thoát đôi.
Hình 1.4. Các hiệu ứng xảy ra khi bức xạ truyền từ nguồn tới đầu dò [2].
Trong ghi nhận bức xạ từ phổ gamma các hiệu ứng quang điện, Compton và tạo
Kênh
cặp được thể hiện trong hình 1.5.
7
Hình 1.5. Phổ đo bức xạ gamma năng lượng 1408 keV.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG
TRÌNH MCNP5
2.1. Phương pháp Monte Carlo
Sự ra đời của máy tính điện tử đầu những năm 1940 là một bước ngoặc quan
trọng đối với sự phát triển của xã hội loài người. Kích thước của những hệ máy tính
điện tử khi ấy rất cồng kềnh, điển hình như máy tính ENIAC được thiết kế bởi hai nhà
khoa học Mỹ là John Mauchy và J. Presper Eckert. Bởi vì việc tính toán bằng máy
tính vẫn còn phức tạp, người vận hành phải sử dụng bằng những máy điện cơ, nên các
kỹ sư phải lựa chọn phương pháp giải toán phù hợp với khối lượng tính toán từ máy
tính. Một trong những phương pháp phù hợp với máy tính điện tử là giải toán bằng
phương pháp số. Tuy nhiên, ý tưởng giải toán bằng phương pháp số đã xuất hiện từ
rất sớm nhưng chưa được quan tâm. Năm 1777, nhà toán học người Pháp Georges-
Louis Leclerc Comte de Buffon đã đưa ra một bài toán nổi tiếng về tính số hết sức
kỳ lạ. Bài toán của Buffon là một thí nghiệm tung những chiếc kim trên mặt bàn nơi
được vẽ sẵn những vạch kẻ song song, dựa vào sự ngẫu nhiên của những chiếc kim
rơi cắt những vạch kẻ ông tính được gần đúng số . Thí nghiệm được lăp lại bởi
R.Zilin’ski với 5000 lần tung kết quả thu được: [7]. Khi mô phỏng lại bài
toán của Buffon với số lần tung càng lớn thì kết quả hội tụ về giá trị . Kết quả
cho thấy hiệu quả của việc giải bài toán bằng phương pháp sử dụng yếu tố ngẫu nhiên.
Năm 1944, John von Neumann và Stanislaw Ulam Christened đã đề xuất ứng dụng
phương pháp số ngẫu nhiên vào các công trình tính toán trong dự án chế tạo bom
nguyên tử của Mỹ, dự án này được đặt ẩn danh “Monte Carlo”. Tên gọi Monte Carlo
đề cập tới sòng bạc Monte Carlo ở vương quốc Monaco.
Cơ sở của phương pháp Monte Carlo dựa trên luật số lớn và định lý giới hạn
trung tâm. Một trong những ý tưởng cơ bản của phương pháp là sử dụng mô hình toán
bằng các phép thử ngẫu nhiên tương ứng để giải gần đúng các bài toán tất định. Ngày
nay, cùng với sự phát triển của máy tính hiện đại thì phương pháp Monte Carlo là
8
trung tâm cho các mô phỏng cần thiết trong nhiều lĩnh vực khoa học.
2.2. Chương Trình MCNP5
MCNP (Monte carlo N-Particle) là chương trình mô phỏng được xây dựng bởi
phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, MCNP cũng là một công cụ tính toán rất
mạnh dựa trên phương pháp Monte Carlo. Tiền thân của MCNP là một chương trình
Monte Carlo vận chuyển hạt mang tên MCS được phát triển từ năm 1963. Ban đầu
MCS được xây dựng để mô phỏng quá trình vận chuyển hạt, phiên bản được phát triển
tiếp theo của MCS là MCN với mục đích giải các bài toán tương tác của neutron với
vật chất. Các phiên bản sau đó của MCN được xây dựng với những mục đích khác
nhau. Năm 1973 MCN và MGG hợp nhất tạo thành MCNG (chương trình ghép cặp
neutron-gamma) là tiền thân của MCNP.
MCNP5 được công bố vào năm 2003 viết bằng ANSI-Standard fortran 90 cùng
với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm hạt nhân, hiệu
ứng giãn nở Droppler [1]. Chương trình MCNP5 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế
giới bởi tính linh hoạt và dễ sử dụng so với những chương trình mô phỏng khác. Người
dùng có thể tự viết mã (code) hoặc sử dụng những thanh công cụ như cell, data, tally…
để khai báo trực tiếp. Một ưu điểm khác của MCNP5 là người sử dụng có thể kiểm
tra tập tin đầu vào thông số hình học được vẽ trên phần mềm Vised.exe. Bên cạnh đó,
các tập tin đầu ra của MCNP5 rất nhẹ trong quá trình chạy mô phỏng giúp người sử
dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý.
2.2.1. Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình
MCNP5.
Một file input trong chương trình MCNP5 mô tả hình học, vật liệu và nguồn xác
định từ một mô hình mà người dùng muốn khảo sát quá trình vận chuyển hạt. Hình
học được định nghĩa bởi ô mạng (cell), một cell được giới hạn bởi các mặt tạo thành
một không gian kín chứa đầy vật liệu bên trong. Một file input trong MCNP5 gồm có
9
ba phần chính:
Thẻ tiêu đề (Title Card)
Thẻ khai báo ô mạng (Cell Card)
………..
………..
Khoảng cách dòng
Thẻ khai báo mặt (Surface Card)
………..
………..
Khoảng cách dòng
Thẻ dữ liệu (Data Card)
………..
…………..
2.2.2. Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input)
Tiêu đề của một file input trong MCNP5 cho phép người sử dụng mô tả những
thông tin quan trọng về mô hình được mô phỏng. Tiêu đề này sẽ được lặp lại trong
một tập tin đầu ra (file output), người sử dụng thường đặt tiêu đề để phân biệt hoặc
mô tả nội dung trong các file input. Trong phần tiêu đề của một file input thì không
có dòng trống.
2.2.3. Cell cards
Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Card:
j m d geom Params
Trong đó:
j là chỉ số cell.
m là số vật liệu, số vật liệu cho phép người dùng mô tả vật liệu trong cell ở
10
Data Card.
d là mật độ của vật liệu:
Đối với số dương cho phép người dùng mô tả mật độ nguyên tử, đơn vị tính
bằng: nguyên tử/ .
Đối với số âm cho phép người dùng mô tả mật độ khối lượng, đơn vị tính bằng:
g/ .
geom cho phép người dùng mô tả hình học của cell bằng cách sử dụng các mặt
được định nghĩa trong phần Surface Card.
Ví dụ:
Material Density geom Cell
-2,69 -10 11 -12 1 2
2.2.4. Surface Cards
Cú pháp để khai báo một mặt trong Suface Card:
j a list
Trong đó:
j: chỉ số mặt.
a: một từ khóa được mặc định sẵn cho phép người dùng khai báo mặt theo dạng
hình học đã được định nghĩa từ trước.
Ví dụ: Px cho phép người dùng khai báo mặt phẳng vuông góc với trục ox.
C/x cho phép người dùng khai báo mặt trụ song song với trục ox.
11
list được khai báo bằng một giá trị cụ thể tương ứng với mặt a.
Bảng 2.1. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP5 [1].
Loại mặt
Mô tả tính chất
Phương trình
Danh sách tham số
Ký hiệu từ khoá
Tổng quát
P
PX
Mặt phẳng
ox
Mặt phẳng
PY
Mặt phẳng
oy
PZ
Mặt phẳng
oz
Tổng quát
S
Tâm
trục ox
SX
Mặt cầu
Tâm
trục oy
SY
Tâm
trục oz
SZ
Tâm
gốc toạ độ
SO
Trục
ox
C/X
Trục
oy
C/Y
Trục
oz
C/Z
Mặt trụ
Trục
ox
CX
Trục
oy
CY
Trục
oz
CZ
Trục
ox
K/X
Trục
oy
K/Y
Trục
oz
K/Z
Mặt nón
Trục
ox
KX
Trục
oy
KY
Trục
oz
KZ
12
2.2.5. Data Cards
Thẻ dữ liệu (Data Card) là một phần rất quan trọng trong mã (code) của chương
trình MCNP5 cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn
và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng.
a) Khai báo nguồn
Trong chương trình MCNP5 người sử dụng có thể khai báo nhiều loại nguồn sao
cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt
(SSR/SSW), nguồn tổng quát (SDEF). Thông thường để giới hạn về một bài toán
người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn phù hợp với bài toán cần
khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.
Người dùng có thể khai báo một nguồn bất kỳ bằng nguồn tổng quát với cú pháp:
SDEF Tham số 1 Tham số 2 Tham số 3 …
Thông số Ý nghĩa ERG
Năng lượng (MeV)
Giá trị mặc định 14 MeV
NRM
Ký hiệu mặt thông thường
+ 1
POS
Vị trí tâm nguồn
0,0,0
RAD
Khoảng cách giữa tâm nguồn đến mặt bên (bán kính).
0
EXT
0
Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS.
AXS
Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT
Không mặc định
1
WGT
Trọng số hạt
1=nơtron đối với Mode N, NP hoặc NPE
2=photon đối với Mode P hoặc PE
PAR
Loại hạt
3=electron đối với Mode E
13
Bảng 2.2. Các định nghĩa tham số trong MCNP5 [1].
Ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát
ta có thể gán giá trị phù hợp với bài toán thực tế, những giá trị được gán là một giá trị
cụ thể. Trong thực tế khi khảo sát nguồn gồm nhiều mức năng lượng để thuận tiện
cho việc tính toán có thể sử dụng gán giá trị bằng Dn ứng với mô tả từ những thẻ SIn,
SBn, SPn.
Thẻ SIn được xây dựng dựa trên cú pháp [1], [8].
SIn option ….
n: chỉ số phân bố
option: mô hình phân bố
H là dạng histogram
L là dạng rời rạc
A là dạng bảng
S là chỉ số của hàm liên tục
giá trị của biến hoặc chỉ số phân bố
SPn f a b
f ký hiệu của hàm phân bố được định nghĩa trong MCNP5
a, b là tham số của hàm f.
SBn f a b
Các đại lượng n, option, f, a, b tương tự trong SPn nhưng f chỉ nhận một trong
hai giá trị -21 và -31.
b) Tally F8
Tally F8 đóng vai trò như một detector vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp
thông tin về năng lượng bị mất trong một cell. Các bin năng lượng trong tally F8 tương
ứng với năng lượng toàn phần bị mất trong detector [1].
Ví dụ khai báo một tally F8: ghi nhận hạt photon ở cell 1 thường là cell chứa vật
liệu tinh thể, bán dẫn…
14
Cú pháp: F8:p 1
b) Khai báo vật liệu (Material Card)
Khai báo vật liệu cho phép người dùng khai báo vật liệu tương ứng với các cell
đã được định nghĩa từ trước.
Cú pháp khai báo:
Mm ZAID1 FRACTION1 ZAID2 FRACTION2
m: chỉ số vật liệu tương ứng với cell có cùng chỉ số sẽ lấp đầy vật liệu này
ZAID1: số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZ.AAA với:
ZZZ là số hiệu nguyên tử
AAA là số khối
FRACTION: tỉ lệ mà vật liệu có số khối A và số proton Z đóng góp vào thành
phần cấu tạo nên vật liệu. Nếu tính theo tỉ lệ nguyên tử thì FRACTION mang dấu
15
dương, ngược lại mang dấu âm nếu tính theo tỉ lệ khối lượng.
CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC
THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL)
3.1. Đầu dò NaI(Tl)
Đầu dò nhấp nháy là một trong những loại đầu dò lâu đời nhất trong lĩnh vực đo
bức xạ hạt nhân. Khoảng thời gian đầu các hạt mang điện được phát hiện bởi những
xung ánh sáng, chúng được quan sát khi các hạt nằm trên màn kẽm sunfat, ánh sáng
này có thể nhận biết bởi mắt thường. Khả năng mới để ghi nhận bức xạ mở ra vào
năm 1948, khi các nhà khoa học phát hiện ra tinh thể NaI là một chất phát ra các xung
ánh sáng khi bị kích thích và họ có thể gia tăng kích thước của loại tinh thể này. Sự
kết hợp giữa tinh thể NaI và ống nhân quang điện (PhotoMultiplier) là một bước ngoặc
đánh dấu sự thành công về khả năng ghi nhận bức xạ.
Mạng tinh thể là nguyên nhân làm mất năng lượng của các bức xạ, một phần
năng lượng mất đi chuyển thành ánh sáng nhìn thấy, vì thế người ta dựa vào tính chất
phát ra ánh sáng nhấp nháy của tinh thể NaI để đo bức xạ và hạt không mang điện.
Tinh thể NaI tinh khiết là loại chất nhấp nháy ở nhiệt độ rất thấp , để có thể
sử dụng ở nhiệt độ phòng thí nghiệm người ta pha thêm một lượng Thallium. Sự pha
tạp thêm một lượng Thallium vào tinh thể NaI tạo ra một số mức năng lượng xen phủ
giữa vùng hóa trị (Valance band) và vùng dẫn (Conduction band), những mức năng
lượng giữa hai vùng được gọi là vùng kích hoạt, việc tạo ra một vùng năng lượng ở
giữa giúp cho các electron nhảy lên vùng dẫn và các lỗ trống trở về vùng hóa trị dễ
hơn.
16
Phản ứng biểu diễn quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào tinh thể NaI(Tl) [4]:
Hình 3.1. Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thể NaI(Tl) [4].
Theo lý thuyết vùng năng lượng của tinh thể NaI(Tl), khi bức xạ gamma đi vào
tương tác với các electron ở vùng hóa trị của nguyên tử, bức xạ truyền một phần năng
lượng cho electron làm ion hóa nguyên tử tạo thành một cặp (electron) và (lỗ
trống). Electron nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, lỗ trống được
tạo ra kết hợp với ion tạo thành ở trạng thái cơ bản (Activator Ground State),
các ion bắt các electron tự do ở vùng dẫn trở thành ở trạng thái kích thích
sau đó trở về trạng thái cơ bản phát ra ánh sáng.
3.1.1. Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl)
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency-FEPE) được
tính dựa trên tỉ số giữa số đếm mà đầu dò ghi nhận được trong vùng đỉnh ứng với
năng lượng trên tổng số photon phát ra từ nguồn có cùng năng lượng. Hiệu suất
đỉnh năng lượng toàn phần được tính theo công thức:
(3.1)
Trong đó:
: hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần.
17
N: tổng số đếm trừ phông trong vùng đỉnh năng lượng xuất hiện.
: xác suất phát tương ứng với đỉnh năng lượng cần tính.
t: thời gian đo.
: hoạt độ của đồng vị phóng xạ tại thời điểm bắt đầu tiến hành phép đo.
Đối với nguồn có chu kỳ bán rã ngắn trong khi đo có sự suy giảm về hoạt độ
của nguồn nên khi tính toán phải sử dụng hoạt độ của nguồn ở công thức (3.2) để tính
hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần:
số phân rã/giây. (3.2)
Đối với nguồn có chu kỳ bán rã dài thì: , do vậy có thể xem A .
Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình
học của đầu dò NaI(Tl), hình học nguồn, vị trí giữa nguồn với đầu dò theo công thức:
(3.3)
: hiệu suất nội của đầu dò, được định nghĩa:
(3.4)
Với:
tổng số photon ghi nhận từ đầu dò.
tổng số photon đi vào đầu dò.
: hiệu suất hình học được tính:
(3.5)
: góc khối giữa nguồn và đầu dò NaI(Tl), độ lớn của gốc khối được xác định
bởi công thức:
18
(3.6)
Đối với nguồn có thể tích nhỏ và đặt cách xa detector, ta có thể xem nguồn như
một nguồn điểm, khi đó góc khối giữa nguồn và detector được tính theo công thức:
R
Nguồn điểm
r
Đầu dò NaI(Tl)
Ω
d
(3.7)
Hình 3.2. Hình mô tả góc khối của nguồn phóng xạ đối với đầu dò NaI(Tl).
Trong đó:
R là bán kính của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí nguồn.
A là một phần diện tích của mặt cầu mà mặt cắt của đầu dò chiếu lên.
D là khoảng cách từ nguồn tới đầu dò.
19
r là bán kính của đầu dò NaI(Tl).
Không khí
NaI(Tl)
Nhôm oxit
Nhôm
3.1.2. Cấu hình và thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl)
Hình 3.3. Hình học của đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng phần mềm
MCNP5.
Đầu dò NaI(Tl) được bọc bên ngoài bởi một lớp nhôm màu xanh đậm, lớp kế
tiếp là không khí màu vàng, tiếp theo là lớp nhôm oxit thường được gọi là lớp phản
20
xạ có màu xanh nhạt, bên trong là tinh thể NaI(Tl) màu xanh lá trên hình 3.3.
Bảng 3.1. Các thông số của đầu dò NaI(Tl).
Đầu dò NaI(Tl) Đối tượng Thông số của nhà sản xuất
0,1 Bề dày Lớp vỏ nhôm 8,14 Chiều dài bên ngoài
2,699 Mật độ
0,1 Bề dày Lớp không khí 7,79 Chiều dài bên trong
0,001205 Mật độ
0,16 Bề dày
Lớp nhôm oxit 7,78 Chiều dài
0,55 Mật độ
3,81 Bán kính
Tinh thể NaI(Tl) 7,62 Chiều dài
21
3,67 Mật độ
3.1.3. Mô hình hóa hệ đo thực nghiệm trong mô phỏng MCNP5.
Thí nghiệm 1: Nguồn phóng xạ được đặt trong ống chuẩn trực bằng đồng,
ống chuẩn trực đặt phía trước và bên cạnh đầu dò NaI.
Thông số của các nguồn:
Nguồn : Ngày sản xuất: 15/5/2013
Hoạt độ: Hằng số phân rã:
Ngày đo: 15/05/2013
Thời gian đo: 25500 s
Nguồn Ba-133
NaI(Tl)
N g u ồ n B a - 1 3 3
(b) nguồn đặt bên cạnh đầu (a) Nguồn đặt phía trước đầu dò
dò NaI(Tl) NaI(Tl)
22
Hình 3.4. Mô phỏng thí nghiệm 1 trong chương trình MCNP5.
Thí nghiệm 2: Nguồn , , phát photon năng lượng thấp: ,
31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV, 121 keV. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm.
Thí nghiệm 3: Nguồn , , phát photon năng lượng cao: ,
662 keV, 1274 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1408 keV. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm.
Nguồn Ngày sản xuất
λ (1/s)
Ngày đo
Thời gian đo (s)
Hoạt độ ( Ci)
Hoat độ (Bq)
1
39960
25500
1
38258
63000
1
34303
1000
100
3630810
5300
10
379990
13500
1
37333
89600
15/05/2013 12:00 15/05/2013 12:00 01/12/2013 12:00 15/12/2007 00:00 15/12/2007 00:00 15/05/2013 12:00
19/09/2018 08:29 19/09/2018 15:39 26/12/2018 10:32 18/09/2018 09:39 18/09/2018 11:16 20/09/2018 09:17
Bảng 3.2 Thông số của các nguồn phóng xạ.
Nguồn
Đầu dò
Hình 3.5. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm, sử dụng hệ thống điều khiển để điều
23
chỉnh khoảng cách với sai số 0,01 mm.
3.2. Phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl)
3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑
Để theo dõi chùm tia photon đi qua các môi trường đến trước bề mặt lớp phản
xạ và đi vào tinh thể NaI(Tl), chúng tôi thực hiện mô phỏng chùm tia photon
31 keV phát ra từ nguồn đến bề mặt tinh thể lần lượt là photon và photon
tương ứng với hình 3.2.a và 3.2.b trong hình mô phỏng các hạt để lại toàn bộ năng
lượng tương ứng với một chấm đỏ.
(a) (b)
Hình 3.6. Ảnh chụp bởi mô phỏng đường đi chùm tia photon trong chương
trình MCNP5.
Từ kết quả mô phỏng cho thấy:
Chùm hạt photon 31 keV đi tới đầu dò, hầu như để lại toàn bộ năng lượng trên
bề mặt tinh thể.
Nếu tăng cường độ photon phát ra từ nguồn thì số lượng photon đi qua lớp
phản xạ đến bề mặt tinh thể và số lượng photon để lại toàn bộ năng lượng trong
tinh thể đều tăng. Điều này cho thấy cường độ của chùm photon tại bề mặt tinh thể tỉ
lệ với số đếm của đỉnh năng lượng 31 keV, vì hầu như các photon tới bề mặt đều
24
không đi ra khỏi tinh thể.
Gọi k là hệ số tỉ lệ giữa diện tích đỉnh và cường độ chùm tia đến bề mặt tinh
thể NaI(Tl).
Ta có:
(3.8)
(3.9)
Trong đó:
k là hằng số có đơn vị là: .
là xác suất phát photon tương ứng với năng lượng của photon tới.
là cường độ của chùm tia photon đến bề mặt đầu dò.
là các hệ số suy giảm tuyến tính của các môi trường tương ứng với khoảng
cách mà chùm tia photon truyền qua trước khi đến bề mặt tinh thể.
(3.10)
Mục đích của thí nghiệm đầu tiên là khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng
toàn phần theo mật độ của lớp phản xạ
, nên trong mô phỏng chúng tôi
thay đổi mật độ lớp phản xạ và giữ nguyên các yếu khác. Gọi
là hệ số suy
giảm tuyến tính theo mật độ lớp
,
là bề dày lớp
, ta có thể viết lại
công thức (3.11):
Theo công thức (3.1) và (3.9) ta có:
Từ mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ khối và hệ số hấp thụ tuyến tính:
(3.11)
(3.12)
Với là mật độ của lớp . Khi thay đổi giá trị mật độ của lớp
25
, và cố định các yếu tố khác thì :
(3.13)
Ta có thể khai triển MacLaurin cho phương trình (3.13):
(3.14)
Bảng 3.3. Dữ liệu hệ số suy giảm khối từ NIST và thông số của lớp phản xạ từ
nhà sản xuất.
Thông số của đầu dò Dữ liệu từ NIST và thông số của Nhà sản xuất
Dựa dữ liệu của bảng 3.3. ứng với mật độ , cho thấy:
Ta có thể lấy khai triển gần đúng bậc nhất của phương trình (3.15)
(3.15)
Với
là các hệ số dương, cho thấy khi tăng
thì hiệu suất đỉnh
năng lượng toàn phần giảm. Độ nhạy của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần
theo mật độ phụ thuộc vào hệ số
.
(3.16)
Trong phương pháp xác định mật độ của lớp phản xạ, chúng tôi xây dựng mô
hình và lựa chọn nguồn có đỉnh năng lượng 31 keV sao cho phù hợp với việc
xác định mật độ lớp phản xạ mà không bị ảnh hưởng khi khảo sát thêm hai thông số
bán kính và chiều dài tinh thể bởi vì ba nguyên nhân sau:
i. Nguồn được đặt trong ống chuẩn trực nên yếu tố thông số bán kính đầu dò sẽ
26
không ảnh hưởng.
ii. Nguồn sử dụng mức năng lượng thấp cho thấy các photon hầu như không đi
đến đáy tinh thể nên không bị ảnh hưởng bởi thông số chiều dài.
iii. Theo công thức (3.16), nếu chọn mức năng lượng thấp thì hệ số hấp thụ khối
) của lớp phản xạ sẽ lớn kéo theo hệ số
( lớn. Như vậy, sử dụng nguồn phát
)
photon năng lượng thấp thuận lợi khi khảo sát hiệu suất theo thông số mật độ (
trong mô phỏng, bởi công thức (3.16) cho ta mối liên hệ giữa thông số mật độ đối với
hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thông qua hệ số .
3.2.2. Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl)
Trong thí nghiệm 2 sử dụng các nguồn: , , , phát photon
năng lượng thấp là 31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV,121 keV. Nguồn được đặt cách
đầu dò 40cm và bỏ đi sự chuẩn trực của nguồn, mô phỏng đường đi của photon được
thực hiện với hạt với hai mức năng lượng thấp nhất và lớn nhất là 31 keV và 121
keV trong thí nghiệm.
(a) photon 31 keV (b) photon 121 keV
Hình 3.7. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trên bề
27
mặt đầu dò.
Kết quả mô phỏng cho thấy:
Các photon ứng với hai mức năng lượng 31 keV, 121 keV đa số đều để lại năng
lượng ngay bề mặt tinh thể NaI(Tl), số lượng hạt để lại năng lượng dần dần giảm về
phía sau tinh thể NaI(Tl).
Hình 3.4. cho thấy các photon mang năng lượng 31 keV để lại toàn bộ năng
lượng sát mép ngay bề mặt tinh thể, còn đối với các photon năng lượng 121 keV để
lại năng lượng sâu hơn bên trong tinh thể.
Sự ảnh hưởng bởi bán kính tinh thể NaI lên hiệu suất hình học dựa trên công
thức (3.5), (3.7).
Hiệu suất nội của đầu dò phụ thuộc vào bán kính R của tinh thể và khoảng cách
d giữa nguồn với đầu dò. Đối với đầu dò có kích thước tinh thể NaI(Tl) 76,2x76,2
. Từ nghiên cứu của Mowlavi [3], đường biểu diễn hiệu suất nội theo tỉ số d/R
được biểu diễn ở hình 3.5.
Hình 3.8. Đường biểu diễn hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) theo tỉ số d/R.
Trong phương pháp xác định bán kính tối ưu, chúng tôi bỏ đi chuẩn trực nguồn
và lựa chọn các nguồn năng lượng thấp sao cho sự ảnh hưởng của bán kính tinh thể
28
NaI(Tl) rõ rệt hơn. Trong thí nghiệm này tỉ số d/R là 10,5.
3.2.3. Phương pháp xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl)
Trong thí nghiệm 3 sử dụng các nguồn: , , , phát photon
năng lượng cao là 662 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1274 keV,1408 keV. Nguồn được
đặt cách đầu dò 40 cm.
(b) photon 1274 keV (a) photon 662 keV
Hình 3.9. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trong tinh thể
NaI(Tl).
Kết quả mô phỏng cho thấy:
Các photon có năng lượng 662 keV hầu hết để lại toàn bộ năng lượng ở gần
vùng phía đầu tinh thể, đối với photon năng lượng 1274 keV thì để lại năng lượng
phân bố đều hơn.
Do khoảng cách giữa nguồn và đầu dò của thí nghiệm 2 và thí nghiệm 3 là như
nhau nên khi so sánh hình 3.7 với hình 3.9 thì các photon năng lượng cao bỏ lại năng
lượng phía đáy tinh thể nhiều hơn, cho thấy ảnh hưởng từ chiều dài tinh thể rõ ràng
hơn các photon năng lượng thấp. Do vậy mà chúng tôi sử dụng nguồn năng lượng cao
để khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dài tinh thể đối với hiệu suất đỉnh năng lượng
29
toàn phần.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này, luận văn trình bày kết quả của ba thí nghiệm về hiệu suất
đỉnh năng lượng toàn phần khi thay đổi các thông số của đầu dò NaI(Tl).
Đối với thí nghiệm 1, kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng 31 keV được trình bày
theo sự thay đổi mật độ của lớp phản xạ thay đổi từ 0,4-3,6 , dữ liệu thu được
sẽ khớp hàm tuyến tính theo phương trình (3.16). Sau khi tìm các hệ số của phương
trình từ dữ liệu mô phỏng sẽ thay giá trị hiệu suất thực nghiệm để nội suy tìm mật độ
tối ưu giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Đối với thí nghiệm 2, luận văn sẽ trình bày kết quả hiệu suất của các đỉnh năng
lượng 31 keV, 32 keV, 59 keV, 81 keV, 121 keV theo bán kính tinh thể NaI(Tl) thay
đổi từ 3,72cm đến 3,87 cm. Đối với thí nghiệm 3, luận văn trình bày kết quả về hiệu
suất của các mức năng lượng 662 keV, 1173 keV, 1274 keV, 1332 keV, 1408 keV
theo chiều dài tinh thể NaI(Tl) khoảng thay đổi từ 7,48-7,78 cm. Sau đó tiến hành so
sánh giữa dữ liệu từ mô phỏng MCNP5 và dữ liệu thực nghiệm, từ đó xây dựng hàm
khớp phù hợp cho dữ liệu mô phỏng. Dựa vào hàm khớp dùng phương pháp nội suy
để tìm bán kính và chiều dài tinh thể tối ưu.
Từ các thông số tối ưu của ba thí nghiệm vừa tìm được chúng tôi thực hiện lại
mô phỏng cho mô hình sử dụng các thông số mới sau đó so sánh hiệu suất của mô
30
phỏng và thực nghiệm.
4.1. Kết quả xác định mật độ của lớp phản xạ
Bảng 4.1. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp
phản xạ phía trước đầu dò NaI(Tl).
Đỉnh năng lượng 31 keV – Nguồn đặt trước đầu dò
Mô phỏng Mật độ lớp phản xạ Hiệu suất ( ) Diện tích đỉnh
303770 296738 291127 285065 279607 275008 269511 262967 257620 252891 247913 242900 238641 233545 228748 223859 219638
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính: 6,47 6,32 6,20 6,07 5,96 5,86 5,74 5,60 5,49 5,39 5,28 5,18 5,09 4,98 4,87 4,77 4,68
Tham số
Giá trị ( ) 6,64 Sai số ( ) 0,01
-0,56 0,01
31
0,9978
Bảng 4.2. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp
phản xạ bên cạnh đầu dò NaI(Tl).
Đỉnh năng lượng 31 keV – Nguồn đặt bên cạnh đầu dò
Mô phỏng Mật độ lớp phản xạ Hiệu suất ( ) Diện tích đỉnh
299554 293154 286961 281129 275423 270162 264801 259112 253999 248308 242573 238311 233297 228725 223944 219589 214870 6,38 6,25 6,12 5,99 5,87 5,76 5,64 5,52 5,41 5,29 5,17 5,08 4,97 4,87 4,77 4,68 4,58
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
Tham số
32
Giá trị ( ) 6,56 -0,56 0,9977 Sai số ( ) 0,02 0,01
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Mật độ
Mật độ (b)
(a)
Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn hiệu suất đỉnh năng lượng theo mật độ lớp phản xạ của
hai đỉnh 31 keV(a) nguồn đặt trước đầu dò, 31 keV(b) nguồn đặt bên cạnh đầu dò.
Bảng 4.3. Dữ liệu thực nghiệm và mật độ tối ưu của lớp phản xạ được nội suy từ dữ
liệu hàm khớp.
Thực nghiệm Sai số Hiệu suất Năng lượng 31 keV Lần đo
Sai số ) ( Mật độ tối ưu
Nguồn đặt trước đầu dò NaI(Tl)
Nguồn đặt bên cạnh NaI(Tl)
33
1,99 1,97 1,98 1,89 1,93 2,13 1,93 2,14 2,15 2,06 1,96 2,17 2,02 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,31 0,31 0,32 0,32 0,31 0,32 0,18 5,53 1 0,18 5,55 2 0,18 5,54 3 0,18 5,59 4 0,18 5,57 5 0,17 5,46 6 0,18 5,57 7 0,17 5,45 1 0,17 5,44 2 0,18 5,50 3 0,18 5,55 4 5 0,17 5,43 Mật độ trung bình (g.𝒄𝒎−𝟑)
Sai số của mật độ lớp phản xạ được tính theo công thức lan truyền sai số:
(4.1)
Vì bên trong đầu dò bao quanh tinh thể cùng là một lớp phản xạ do vậy mật độ
của lớp phản xạ được lấy trung bình giữa số liệu nội suy từ mặt trước và mặt bên của
.
tinh thể, tính toán cho thấy mật độ trung bình của lớp phản xạ được nội suy từ hàm
khớp là so với dữ liệu cung cấp từ nhà sản xuất 0,55
4.2. Kết quả xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl)
Bảng 4.4. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV, 81 keV theo bán
kính tinh thể NaI(Tl).
Hiệu suất 31 keV Hiệu suất 81 keV Bán kính tinh thể (cm) Sai số ) ( Sai số ) (
16,29 16,36 16,46 16,55 16,63 16,73 16,80 16,87 16,98 17,07 17,17 17,27 17,37 17,45 17,53 17,63 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 17,27 17,36 17,46 17,55 17,64 17,73 17,82 17,92 18,02 18,09 18,21 18,29 18,39 18,49 18,59 18,69 3,72 3,73 3,74 3,75 3,76 3,77 3,78 3,79 3,80 3,81 3,82 3,83 3,84 3,85 3,86 3,87 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
Tham số
34
Giá trị ( ) -17,2 9,00 0,9990 Sai số ( ) 0,27 0,07 Giá trị ( ) -17,7 9,41 0,9999 Sai số ( ) 0,14 0,04
Bảng 4.5. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 32 keV, 59 keV theo bán
kính tinh thể NaI(Tl).
Hiệu suất đỉnh 32 keV Hiệu suất đỉnh 59 keV Sai số ) ( Sai số ) (
16,64 16,72 16,83 16,93 17,01 17,12 17,20 17,30 17,38 17,48 17,57 17,68 17,78 17,87 17,95 18,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 18,80 18,90 19,00 19,10 19,20 19,30 19,40 19,50 19,60 19,70 19,80 19,91 20,01 20,11 20,21 20,32 Bán kính tinh thể (cm) 3,72 3,73 3,74 3,75 3,76 3,77 3,78 3,79 3,80 3,81 3,82 3,83 3,84 3,85 3,86 3,87 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
35
Giá trị ( ) -18,30 9,40 0,9990 Sai số ( ) 0,16 0,04 Giá trị ( ) -18,88 10,10 0,9999 Sai số ( ) 0,06 0,02 Tham số
Bảng 4.6. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 121 keV theo bán kính
tinh thể NaI(Tl).
Bán kính tinh thể (cm) Hiệu suất đỉnh 121 keV Sai số ) (
3,72 3,73 3,74 3,75 3,76 3,77 3,78 3,79 3,80 3,81 3,82 3,83 3,84 3,85 3,86 3,87 15,80 15,89 15,97 16,06 16,14 16,23 16,32 16,41 16,49 16,58 16,67 16,76 16,85 16,94 17,03 17,12
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
36
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Sai số ( ) 0,09 0,02 Tham số Giá trị ) ( -16,80 8,77 0,9999
V e k
V e k
2 3
1 3
h n ỉ đ
h n ỉ đ
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Bán kính (cm)
Bán kính (cm)
V e k
V e k
9 5
1 8
h n ỉ đ
h n ỉ đ
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Bán kính (cm)
Bán kính (cm)
V e k 1 2 1
h n ỉ đ
t ấ u s
u ệ i H
Bán kính (cm)
Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo bán kính tinh
37
thể NaI(Tl).
Bảng 4.7. Dữ liệu so sánh mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo mô phỏng
và thực nghiệm.
16,40
19,61
19,51%
3,73
0,07
1,39%
31
16,83
20,01
18,87%
3,74
0,07
1,05%
32
19,48
20,25
3,92%
3,77
0,06
2,16%
59
17,52
18,22
3,96%
3,74
0,06
0,65%
81
121
16,32
17,15
5,09%
3,78
0,06
1,10%
3,76
0,03
Hiệu suất mô phỏng Độ lệch (*) Độ lệch (**) Đỉnh năng lượng ( keV) Hiệu suất thực nghiệm Sai số (cm) Bán kính tối ưu (cm)
Bán kính ước tính
Vì trong thí nghiệm sử dụng nhiều đỉnh năng lượng để khảo sát sự ảnh hưởng
bởi bán kính tinh thể NaI(Tl) đối với hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần, các giá trị
bán kính tối ưu được nội suy từ hàm khớp độc lập với nhau, do vậy để tính giá trị bán
kính sao cho hiệu suất được tối ưu so với thực nghiệm, chúng tôi sử dụng phương
pháp tính trung bình có trọng số để ước tính giá trị bán kính, theo công thức (4.2), Với
sai số của bán kính được tính theo công thức (4.3):
(4.2)
(4.3)
Độ lệch (*) là độ lệch giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giữa thực
38
nghiệm so với mô phỏng sử dụng các thông số từ nhà sản xuất ở thí nghiệm 2.
Độ lệch (**) là độ lệch giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của thực
nghiệm với mô phỏng sau khi đã tối ưu thông số bán kính với giá trị
.
so với thông số của nhà sản xuất đưa ra là
Kết quả cho thấy độ lệch giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của thực
nghiệm và mô phỏng đối với vùng năng lượng từ 31keV-121keV sau khi đã tối ưu
thông số mật độ và bán kính giảm xuống dưới 2,16%.
4.3. Kết quả xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl)
Bảng 4.8. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 662 keV và 964 keV theo
chiều dài tinh thể NaI(Tl).
Hiệu suất đỉnh 662 keV
Hiệu suất đỉnh 964 keV
Chiều dài tinh thể (cm)
Sai số ) (
Sai số ) (
(
(
) 8,99 9,00 9,01 9,02 9,03 9,04 9,05 9,06 9,07 9,08 9,09 9,10 9,10 9,11 9,12 9,13
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
7,48 7,50 7,52 7,54 7,56 7,58 7,60 7,62 7,64 7,66 7,68 7,70 7,72 7,74 7,76 7,78
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
Tham số
Giá trị ) ( 5,46 0,47 0,9978
Sai số ) ( 0,04 0,01
) 6,64 6,65 6,66 6,67 6,68 6,69 6,70 6,71 6,72 6,73 6,74 6,75 6,76 6,77 6,78 6,79 Giá trị ( ) 3,065 0,478 0,9999
Sai số ( ) 0,006 0,001
39
Bảng 4.9. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1173 keV và 1274 keV
theo chiều dài tinh thể NaI(Tl).
Hiệu suất đỉnh 1274 keV
Chiều dài tinh thể (cm)
Sai số ) (
Sai số ) (
Hiệu suất đỉnh 1173 keV
(
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
) 5,30 5,30 5,31 5,32 5,33 5,34 5,35 5,35 5,36 5,37 5,38 5,39 5,40 5,41 5,41 5,42
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
5,67 5,68 5,69 5,70 5,71 5,72 5,73 5,74 5,74 5,75 5,76 5,77 5,78 5,79 5,80 5,81
7,48 7,50 7,52 7,54 7,56 7,58 7,60 7,62 7,64 7,66 7,68 7,70 7,72 7,74 7,76 7,78
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
Tham số
Giá trị ( ) 2,064 0,432 0,9995
Sai số ( ) 0,009 0,001
Sai số ( ) 0,019 0,003
Giá trị ( ) 2,271 0,455 0,9999
40
Bảng 4.10. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 1332 keV và 1408 keV
theo chiều dài tinh thể NaI(Tl).
Hiệu suất đỉnh 1332 keV
Hiệu suất đỉnh 1408 keV
Chiều dài tinh thể (cm)
Sai số ) (
Sai số ) (
(
(
7,48 7,50 7,52 7,54 7,56 7,58 7,60 7,62 7,64 7,66 7,68 7,70 7,72 7,74 7,76 7,78
) 5,11 5,12 5,13 5,13 5,14 5,15 5,16 5,17 5,18 5,19 5,20 5,20 5,21 5,22 5,23 5,24
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính:
Tham số
Giá trị ( ) 1,869 0,434 0,9999
Sai số ( ) 0,007 0,001
) 4,88 4,88 4,89 4,90 4,91 4,92 4,93 4,94 4,94 4,95 4,96 4,97 4,98 4,99 4,99 5,00 Giá trị ( ) 1,723 0,422 0,9999
Sai số ( ) 0,007 0,001
41
V e k 2 6 6
V e k 4 6 9
h n ỉ đ
h n ỉ đ
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Chiều dài (cm)
Chiều dài (cm)
V e k
3 7 1 1
V e k 4 7 2 1
h n ỉ đ
h n ỉ đ
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Chiều dài (cm)
Chiều dài (cm)
V e k
V e k
2 3 3 1
8 0 4 1
h n ỉ đ
h n ỉ đ
t ấ u s
t ấ u s
u ệ i H
u ệ i H
Chiều dài (cm)
Chiều dài (cm)
Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của các đỉnh năng lượng theo chiều dài tinh
42
thể NaI(Tl).
Bảng 4.11. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực
nghiệm.
Độ lệch (**)
Chiều dài tối ưu (cm)
Độ lệch (***)
Đỉnh năng lượng ( keV)
Sai số Chiều dài (cm)
Hiệu suất thực nghiệm ) (
Hiệu suất mô phỏng ) (
16,405
16,436
1,39%
-
-
0,19%
31
16,835
16,794
1,05%
-
-
0,25%
32
19,483
19,162
2,16%
-
-
1,65%
59
17,523
17,528
0,65%
-
-
0,03%
81
16,323
16,094
1,10%
-
-
1,40%
121
9,018
9,021
0,45%
7,54
0,589
0,03%
662
6,672
6,528
2,80%
7,24
0,414
2,21%
964
5,593
1173
5,700
2,54%
7,31
0,370
1,91%
5,172
1274
5,318
2,97%
7,26
0,368
2,82%
4,920
1332
5,134
5,05%
7,05
0,341
4,34%
4,539
1408
4,902
8,73%
6,68
0,366
7,99%
7,54
0,589
Chiều dài Tối ưu
Độ lệch (***) là độ lệch giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của thực
và chiều dài d=7,54
nghiệm với mô phỏng sau khi đã tối ưu tất cả các thông số , bán kính
.
Từ dữ liệu hệ số của hàm khớp cho thấy hệ số giảm dần khi năng lượng
của nguồn tăng. Đối với các photon năng lượng cao hơn 662 keV khả năng để lại toàn
43
bộ năng lượng thấp bên trong tinh thể, sự ảnh hưởng của thông số chiều dài lên hiệu
suất đỉnh năng lượng cao giảm dần theo năng lượng. Do vậy, độ lệch ban đầu của các
đỉnh này so với mô phỏng nằm ngoài khoảng thay đổi bán kính dùng để nội suy chiều
dài tối ưu. Nên phải nội suy lại chiều dài tối ưu từ dữ liệu của đỉnh năng lượng 662
keV để đưa vào mô phỏng và tính lại hiệu suất cho tất cả đỉnh năng lượng.
Bảng 4.12. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của các đỉnh năng lượng và hiệu suất thực
nghiệm giữa mô hình ban đầu và mô hình tối ưu cả ba thông số.
Độ lệch (***)
Đỉnh năng lượng ( keV)
Độ lệch (*)
Hiệu suất thực nghiệm ) (
Hiệu suất mô phỏng ) (
16,405
19,61
19,51%
0,19%
31
16,835
20,01
18,87%
0,25%
32
19,483
20,25
3,92%
1,65%
59
17,523
18,22
3,96%
0,03%
81
16,323
17,15
5,09%
1,40%
121
9,018
9,06
0,48%
0,03%
662
6,672
6,71
0,63%
2,21%
964
5,700
6,09
8,95%
1,91%
1173
5,318
5,62
8,70%
2,82%
1274
5,134
5,41
9,91%
4,34%
1332
4,902
5,16
13,60%
7,99%
1408
44
KẾT LUẬN
Đề tài nghiên cứu phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò bán dẫn
NaI(Tl) đối với hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần cho vùng năng lượng từ
31 keV-1408 keV.
Từ dữ liệu mô phỏng cho đầu dò NaI(Tl) đối với các thông số cung cấp bởi nhà
sản xuất, chúng tôi tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần đối với các đỉnh
năng lượng từ 31 keV-1408 keV. Việc lựa chọn những mức năng lượng để xây dựng
mô hình phù hợp với từng phương pháp, chúng tôi lựa chọn mô hình thực nghiệm sao
cho tách rời sự ảnh hưởng của từng thông số với nhau.
Phương pháp Mote Carlo sử dụng mô phỏng bằng chương trình MCNP5 để
tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần cho vùng năng lượng 31 keV-
1408 keV, kết quả ban đầu tính toán cho thấy có sự chênh lệch nhiều so với hiệu suất
đỉnh năng lượng hấp thụ toàn phần từ thực nghiệm. Sau khi sử dụng phương pháp để
tìm các thông số tối ưu từ các vật liệu bên trong đầu dò NaI(Tl), kết quả thu dựa trên
sự so sánh hiệu suất tính từ thực nghiệm và mô phỏng.
Ba thông số tối ưu mới được tính là mật độ lớp phản xạ, bán kính tinh thể và
chiều dài tinh thể trong các mô hình khác nhau. Kết quả tính thông số mật độ tối ưu
của lớp phản xạ là dựa trên mô phỏng so sánh sự ảnh hưởng của mật độ
lớp phản xạ đối với hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV đối với mô hình nguồn
được chuẩn trực. Kết quả tính bán kính tối ưu tinh thể NaI(Tl) là 3,755 cm, sự ảnh
hưởng của bán kính tinh thể đối với hiệu suất của vùng năng lượng thấp từ 31 keV-
121 keV đối với mô hình nguồn đặt cách xa đầu dò ở khoảng cách 40 cm. Kết quả
tính chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) là 7,54 cm dựa trên sự ảnh hưởng của chiều
dài tinh thể đối với vùng năng lượng cao 662 keV-1408 keV.
Từ những thông số tối ưu mới, chúng tôi thay đổi dữ liệu đầu vào trong mô
phỏng từ chương trình MCNP5 để tính lại hiệu suất đỉnh năng lượng hấp thụ toàn
phần, sau đó tiến hành so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy độ chênh
45
lệch giữa hiệu suất mô phỏng từ độ lệch hiệu suất của các đỉnh năng lượng từ 31 keV-
1274 keV giữa mô phỏng so với thực nghiệm giảm đáng kể sau khi tối ưu ba thông số
mật độ lớp phản xạ, bán kính và chiều dài tinh thể dưới 2,3%, đối với những mức
năng lượng lớn như 1332 keV và 1408 keV độ lệch giữa mô phỏng so với thực nghiệm
46
là 4,34% và 7,99%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Briesmeister J. F., (2000), MCNP A General Monte Carlo N-Particle
Transport code version 4C, Los Alamos Natl. Lab, pp 14, 57-58.
[2] Landsberger S., Tsoulfanidis N., (2015), Measurement and Detection Of
Radiation, pp-142-143.
[3] Mowlavi A. A., Najafabadi R. z., Faygh R. K., (2005), “Calculation of
Intrinsic Efficiency of NaI(Tl) Detector Using MCNP Code”, International
Journal of Pure and Applied, pp 129-136.
[4] Spieler H., (1999), Scintillation Detectors. Introduction to Radiation
Detectors and Electronics,Lecture Notes, pp 14.
[5] Tam H. D., Chuong H. D., Thanh T. T., Tao C. V., (2016), “A sudy of the
effect of reflector on response function of NaI(Tl) detector”,
Radiation Physics and Chemistry, 125, pp 88-93.
[6] Tipler P. A., Llewellyn R. a., (2008), Modern Physics - Vol.2, Fifth Edition,
pp 129-130.
[7] Nguyễn quý Hỷ, (2008), Phương pháp mô phỏng số Monte Carlo, NXB Đại
học Quốc Gia Hà Nội, trang 11.
[8] Đặng nguyên Phương (2012), hướng dẫn sử dụng MCNP cho hệ điều hành
47
windows, trang 7.
Phụ lục
Phụ lục A: file input của thí nghiệm 1.
C THE INPUT FILE TO SIMULATE THE MEASUREMENT OF SCAN
DETECTOR, Density Al2O3 0.4-3,6 g/cm^3, 31 keV Peak.
C ********** BLOCK 1: CELL CARDS **********
C CELL CARDS OF DETECTOR
1 5 -3.67 (5 -3 -8) IMP:P=1 $ CRYSTAL NaI OF DETECTOR
2 6 -0.4 (5 -4 -12) (3:8) IMP:P=1 $ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR
4 8 -2.648 (6 -5 -9) IMP:P=1
5 3 -2.699 (7 -6 -11) IMP:P=1
6 3 -2.699 (6 -1 -10) (2:9) IMP:P=1 $ ALUMINIUM BODY WALL
7 4 -0.001205 (6 -1 -11 10) IMP:P=1
17 4 -0.001205 (5 -2 -9) (12:4) IMP:P=1
C CELL CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
8 10 -1.032 (21 -22 -24) IMP:P=1 $ ACTIVE VOLUME OF SOURCE
9 10 -1.032 (31 -23 -25) (-21:22:24) IMP:P=1
10 4 -0.001205 (31 -32 -34 25) IMP:P=1
11 4 -0.001205 (35 -36 37 -38 32 -23 25) IMP:P=1
12 4 -0.001205 (30 -31 -33) IMP:P=1
13 2 -8.960 (35 -36 37 -38 30 -31 33) IMP:P=1
14 2 -8.960 (35 -36 37 -38 31 -32 34) IMP:P=1
C OTHERS
15 4 -0.001205 (-40) (1:-7:11) (-30:23:-35:36:-37:38) IMP:P=1
16 0 (40) IMP:P=0
C ********** BLOCK 2: SURFACE CARDS **********
C SURFACE CARDS OF DETECTOR
48
1 PZ 0.0
2 PZ -0.05
3 PZ -0.22
4 PZ -0.06
5 PZ -7.84
6 PZ -8.14
7 PZ -11.14
8 CZ 3.81
12 CZ 3.97
9 CZ 4.0
10 CZ 4.05
11 CZ 4.13
C SURFACE CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
21 1 PZ 1.767
22 1 PZ 1.767001
23 1 PZ 2.125
24 1 CZ 0.25
25 1 CZ 1.27
30 1 PZ 0.0
31 1 PZ 1.49
32 1 PZ 1.99
33 1 CZ 0.145
34 1 CZ 1.30
35 1 PX -4.135
36 1 PX 4.135
37 1 PY -3.945
38 1 PY 3.945
C OTHERS
49
40 SO 30.0
C ********** BLOCK 3: DATA CARDS **********
MODE P
*TR1 0 0 0.0 0 90 90 90 0 90 90 90 0 1
SDEF ERG=D1 PAR=2 POS=0 0 1.767 AXS=0 0 1 RAD=D2 EXT=D3
CEL=8
SI1 L 0.030973 0.0531622 0.0796142 0.0809979 &
0.1606121 0.2232368 0.2763989 0.3028508 0.3560129 0.3838485
SP1 0.469256996 0.008396404 0.010397417 0.12908491 0.002503227 &
0.00177737 0.028092643 0.071957971 0.243456494 0.035076568
SI2 0 0.25
SP2 -21 1
SI3 0 0.000001
SP3 -21 0
E0 0 1E-5 2.148E-5 2029I 0.24378388
FT8 GEB -0.001038 0.061384 0.220071
F8:P 1
RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1
NPS 3000000000
M2 29065 -0.3083 29063 -0.6917 $ COPPER MATERIAL
M3 13027 -1.000 $ ALUMINIUM
M4 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY
AIR
M5 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(Tl)
M6 13027 -0.529411 8016 -0.470589 $ ALUMINIUM OXIDE
M8 8016 -0.532565 14028 -0.467435 $ SILICA SIO2
50
M10 1001 -0.085 6012 -0.915 $ PLASTIC SCINTILLATOR
Phụ lục B: file input của thí nghiệm 2.
C THE INPUT FILE TO SIMULATE THE MEASUREMENT OF SCAN
DETECTOR NaI(Tl), Radius of NaI(Tl) Crytal 3.72cm, Source Ba-133 31 keV
Peak.
C ********** BLOCK 1: CELL CARDS **********
C CELL CARDS OF DETECTOR
1 5 -3.67 (5 -3 -8) IMP:P=1 $ CRYSTAL NaI OF DETECTOR
2 6 -2.02 (5 -4 -9) (3:8) IMP:P=1 $ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR
4 8 -2.648 (6 -5 -12) IMP:P=1
5 3 -2.699 (7 -6 -11) IMP:P=1
6 3 -2.699 (6 -1 -10) (2:12) IMP:P=1 $ ALUMINIUM BODY WALL
7 4 -0.001205 (6 -1 -11 10) IMP:P=1
17 4 -0.001205 (5 -2 -12) (12:4) IMP:P=1
C CELL CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
8 10 -1.032 (21 -22 -24) IMP:P=1 $ ACTIVE VOLUME OF SOURCE
9 10 -1.032 (31 -23 -25) (-21:22:24) IMP:P=1
C OTHERS
15 4 -0.001205 (-40)#1#2#4#5#6#7#17#8#9 IMP:P=1
16 0 (40) IMP:P=0
C ********** BLOCK 2: SURFACE CARDS **********
C SURFACE CARDS OF DETECTOR
1 1 PZ -0.0
2 1 PZ -0.05
3 1 PZ -0.22
4 1 PZ -0.06
5 1 PZ -7.84
47
6 1 PZ -8.14
7 1 PZ -11.14
8 1 CZ 3.72
9 1 CZ 3.88
12 1 CZ 3.91
10 1 CZ 3.96
11 1 CZ 3.97
C SURFACE CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
21 PZ 1.767
22 PZ 1.767001
23 PZ 2.125
24 CZ 0.25
25 CZ 1.27
31 PZ 1.49
C OTHERS
40 SO 70.0
C ********** BLOCK 3: DATA CARDS **********
MODE P
*TR1 0 0 -38.51 0 90 90 90 0 90 90 90 0 1
SDEF ERG=0.0309731 PAR=2 POS=0 0 1.767 AXS=0 0 1 RAD=D2
EXT=D3 CEL=8
SI2 0 0.25
SP2 -21 1
SI3 0 0.000001
SP3 -21 0
E0 0 1E-5 7.5435E-4 2023I 1.78561875
FT8 GEB -0.001761 0.067682 0.099273
F8:P 1
48
RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1
NPS 3000000000
M3 13027 -1.000 $ ALUMINIUM
M4 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY
AIR
M5 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(Tl)
M6 13027 -0.529411 8016 -0.470589 $ ALUMINIUM OXIDE
M8 8016 -0.532565 14028 -0.467435 $ SILICA SIO2
M10 1001 -0.085 6012 -0.915 $ PLASTIC SCINTILLATOR
Phụ lục C: file input của thí nghiệm 3.
C THE INPUT FILE TO SIMULATE THE MEASUREMENT OF SCAN
DETECTOR NaI(Tl), Length of NaI(Tl) Crytal 7.48-7.78 cm, Source Na-22, 511
keV Peak.
C ********** BLOCK 1: CELL CARDS **********
C CELL CARDS OF DETECTOR
1 5 -3.67 (5 -3 -8) IMP:P=1 $ CRYSTAL NaI OF DETECTOR
2 6 -2.02 (5 -4 -9) (3:8) IMP:P=1 $ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR
4 8 -2.648 (6 -5 -12) IMP:P=1
5 3 -2.699 (7 -6 -11) IMP:P=1
6 3 -2.699 (6 -1 -10) (2:12) IMP:P=1 $ ALUMINIUM BODY WALL
7 4 -0.001205 (6 -1 -11 10) IMP:P=1
17 4 -0.001205 (5 -2 -12) (12:4) IMP:P=1
C CELL CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
8 10 -1.032 (21 -22 -24) IMP:P=1 $ ACTIVE VOLUME OF SOURCE
9 10 -1.032 (31 -23 -25) (-21:22:24) IMP:P=1
C OTHERS
15 4 -0.001205 (-40)#1#2#4#5#6#7#17#8#9 IMP:P=1
49
16 0 (40) IMP:P=0
C ********** BLOCK 2: SURFACE CARDS **********
C SURFACE CARDS OF DETECTOR
1 1 PZ -0.0
2 1 PZ -0.05
3 1 PZ -0.22
4 1 PZ -0.06
5 1 PZ -7.70
6 1 PZ -8.00
7 1 PZ -11.00
8 1 CZ 3.76
9 1 CZ 3.92
12 1 CZ 3.95
10 1 CZ 4.00
11 1 CZ 4.01
C SURFACE CARDS OF COLLIMATOR AND RADIOACTIVE SOURCE
21 PZ 1.767
22 PZ 1.767001
23 PZ 2.125
24 CZ 0.25
25 CZ 1.27
31 PZ 1.49
C OTHERS
40 SO 70.0
C ********** BLOCK 3: DATA CARDS **********
MODE P
*TR1 0 0 -38.51 0 90 90 90 0 90 90 90 0 1
SDEF ERG=0.511 PAR=2 POS=0 0 1.767 AXS=0 0 1 RAD=D2 EXT=D3
50
CEL=8
SI2 0 0.25
SP2 -21 1
SI3 0 0.000001
SP3 -21 0
E0 0 1E-5 7.5435E-4 2023I 1.78561875
FT8 GEB -0.001761 0.067682 0.099273
F8:P 1
RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1
NPS 3000000000
M3 13027 -1.000 $ ALUMINIUM
M4 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY
AIR
M5 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(Tl)
M6 13027 -0.529411 8016 -0.470589 $ ALUMINIUM OXIDE
M8 8016 -0.532565 14028 -0.467435 $ SILICA SIO2
51
M10 1001 -0.085 6012 -0.915 $ PLASTIC SCINTILLATOR
