Luận văn Hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) bằng phương pháp Monte Carlo

ò NaI(Tl) hình trụ kích thước 3 3in có phần dẫn quang rất mỏng chủ yếu đóng vai trò liên kết tinh thể và ống nhân quang.  Tinh thể nhấp nháy Chất nhấp nháy sử dụng trong ghi bức xạ hạt nhân phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản. Thứ nhất, chất nhấp nháy có hiệu suất phải cao, tức tỷ số năng lượng của các nháy sáng trên năng lượng bức xạ hao phí trong chất nhấp nháy phải lớn. Thứ hai, một chất nhấp nháy tốt phải không hấp thụ ánh sáng phát ra bên trong nó. Ngoài ra để đảm bảo khả năng phân giải thời gian cao thì thời gian phát sáng của bản nhấp nháy cần phải nhỏ. Có hai loại chất nhấp nháy được sử dụng phổ biến là chất nhấp nháy vô cơ và hữu cơ. Chất nhấp nháy vô cơ có thành phần cơ bản là muối halogen của kim loại kiềm được chế tạo ở dạng đơn tinh thể, pha thêm một lượng nhỏ chất hoạt tính (~0,1%) làm xuất hiện các mức tạp chất gọi là tâm bắt nhằm kích hoạt quá trình phát huỳnh quang. Trong giới hạn của đề tài chỉ trình bày tinh thể NaI(Tl) thuộc chất nhấp nháy vô cơ. Tinh thể nhấp nháy sử dụng phổ biến nhất là NaI được kích hoạt bởi Thallium (0,1%) có cường độ sáng rất cao, sử dụng tốt trong hệ phổ kế gamma. Vì tinh thể này dễ hút ẩm nên nó được đặt trong vỏ nhôm kín về ba phía, mặt còn lại nối với ống nhân quang điện. Cơ chế hình thành nháy sáng sẽ được giải thích trên cơ sở lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn. Các electron trong nguyên tử phân bố trên các mức năng lượng, khi không bị kích thích các electron chiếm đầy vùng hóa trị. Các trạng thái kích thích cao hơn thì các electron sẽ nằm trong vùng dẫn. Khi bức xạ đi vào tinh thể nhấp nháy, nó ion hóa và kích thích các phân tử chất nhấp nháy trong vùng hóa trị tạo ra lượng lớn các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống mang điện tích dương bắt các electron trong nguyên tử trở thành nguyên tử trung hòa. Các electron được tạo ra nhận được năng lượng tối thiểu bằng với độ rộng năng lượng của vùng trống sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Sau đó nhảy xuống vùng cấm và bị các tâm bắt giữ lại. Electron tồn tại ở trạng thái kích thích với thời gian cỡ nano giây 15 tùy thuộc vào bản chất tinh thể sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra ánh sáng trong vùng nhìn thấy, đó là ánh sáng nhấp nháy. Hình 1.11. Nguyên tắc nhấp nháy [5]  Ống nhân quang điện Khi bức xạ bị hấp thụ thì sẽ phát ra ánh sáng nhấp nháy. Ánh sáng này được dẫn qua cửa sổ quang có thể là thủy tinh hoặc thạch anh và đập vào bề mặt photocathode. Những ánh sáng nhấp nháy sẽ làm bật các electron từ lớp màn cảm quang của photocathode giúp chuyển đổi ánh sáng thành các quang electron. Cường độ ánh sáng càng lớn thì electron bật ra càng nhiều nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu trong ghi nhận. Vì vậy, các electron này sẽ được gia tốc và hội tụ thông qua điện trường, gọi là lưới hội tụ hướng các electron này tới dynode. Dynode này có nhiệm vụ làm tăng lượng electron lên bởi nó được chế tạo bằng vật liệu có công thoát điện tử nhỏ và khi bị các electron bắn phá sẽ bức xạ những electron thứ cấp. Những electron thứ cấp này lại được gia tốc và hội tụ tại dynode tiếp theo, quá trình này được lặp đi, lặp lại và điều này làm tăng lượng electron lên rất nhiều. Cuối quá trình là bản anode đóng vai trò thu góp điện tích và tạo xung lối ra. Sau đó, xung này sẽ được khuếch đại qua mạch khuếch đại. Như vậy, ống nhân quang điện không những đóng vai trò biến tín hiệu quang học thành tín hiệu điện mà còn khuếch đại chúng lên rất nhiều lần so với ban đầu. Trong thực nghiệm do hiện tượng bức xạ electron nhiệt từ những dynode có thể gây ra những tạp âm nhiệt hoặc có thể hệ thống điện áp không ổn định làm thăng giáng thống kê lớn thậm chí là bị dịch phổ. Với những lí do này có thể làm xuất hiện biên độ tạp âm gây khó khăn 16 trong quá trình xử lý phổ. Chẳng hạn, nếu biên độ xung lớn hơn biên độ tạp âm phải dùng bộ hạn chế biên độ. Nếu tạp âm quá cao phải tìm cách giảm đến mức tối thiểu, thông thường cần hạ thấp nhiệt độ của photocathode để làm giảm tạp âm nhiệt vì xác xuất bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ. 1.2.3. Khả năng phân giải và hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy  Khả năng phân giải năng lượng của đầu dò Là một đại lượng quan trọng được đánh giá qua độ rộng các đỉnh phổ. Độ phân giải tốt giúp nhận biết các đỉnh kề nhau, giúp ghi nhận được các nguồn yếu khi nó nằm chồng lên miền liên tục. Đại lượng FWHM được sử dụng đánh giá độ phân giải năng lượng là bề rộng toàn phần tại một nửa chiều cao đỉnh, ta có mối quan hệ giữa FWHM và độ lệch chuẩn  của phân bố đỉnh [7]: FWHM 2 2 ln2 2,355    (1.21) Tùy thuộc vào loại đầu dò và năng lượng gamma tới mà FWHM có thể thay đổi và thường được làm khớp theo năng lượng có dạng [8]: 2FWHM = a b E c E  (1.22) Trong phổ gamma dạng của đỉnh phổ không hoàn toàn tuân theo phân bố Gauss và đại lượng dùng để chỉ ra đặc trưng của phần đuôi của đỉnh là FWTM, bề rộng toàn phần ở một phần mười chiều cao của đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần. Hình 1.12. Các đại lượng độ phân giải đỉnh FWHM và FWTM [7] 17  Hiệu suất ghi của đầu dò Một gamma tới tương tác với với vật liệu đầu dò chủ yếu theo 3 cơ chế là hấp thụ quang điện sẽ truyền toàn bộ năng lượng của gamma tới trong đầu dò, còn tán xạ Compton và tạo cặp chỉ truyền một phần năng lượng hoặc kết thúc của hai quá trình này bằng hấp thụ quang điện cũng sẽ đóng góp vào đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần. Dựa trên đặc tính này về cơ bản có thể chia hiệu suất ghi (xác suất ghi nhận bức xạ) của đầu dò thành hai loại là hiệu suất toàn phần và hiệu suất đỉnh. Hiệu suất toàn phần là xác suất các photon phát ra từ nguồn để lại bất cứ năng lượng khác không trong thể tích vùng hoạt động của đầu dò. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là xác suất một photon để lại toàn bộ năng lượng của nó trong vùng thể tích hoạt động của đầu dò, được tính bằng tỉ số giữa tổng số các sự kiện để lại toàn bộ năng lượng trong đầu dò và tổng số các photon phát ra từ nguồn. Trong phổ phân bố độ cao xung vi phân, các sự kiện mất năng lượng toàn phần được thể hiện bởi đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, tổng số các sự kiện này có thể thu được diện tích đỉnh năng lượng toàn phần bởi một tích phân đơn giản. Phần còn lại trong phổ là những bức xạ chỉ mang một phần năng lượng của bức xạ tới. Hình 1.13. Diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần trong phổ gamma phân bố độ cao xung [7] Từ định nghĩa về hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ta có: Đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần 18     Soá ñeám ñænh haáp thuï naêng löôïng toaøn phaàn N Soá photon phaùt ra töø nguoàn ; Hieäu suaát ñænh       Soá photon phaùt ra töø nguoàn Hoaït ñoä phoùng xaï A ; Thôøi gian t  Suy ra: N A. .tI   (1.23) với  là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần; N là diện tích đỉnh năng lượng toàn phần (số đếm); t là thời gian đo (giây); I là hiệu suất phát gamma với năng lượng tương ứng; A là hoạt độ nguồn phóng xạ tại thời điểm đo (Bq). Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là một trong những đại lượng được nghiên cứu trong đề tài bởi nó khá nhạy với các thông số kỹ thuật của đầu dò nên thường được dùng để hiệu chỉnh các thông số này. 19 CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP 2.1. Giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP  Phương pháp Monte Carlo Là phương pháp thử thống kê sử dụng một loạt các thuật toán lấy mẫu ngẫu nhiên để thu được kết quả số, được đặt theo tên của một thành phố ở Monaco, nơi nổi tiếng với các sòng bạc. Việc sử dụng phương pháp này để mô hình hóa các quá trình vật lý và cho phép đánh giá các hệ thống phức tạp đồng thời khắc phục nhiều hạn chế trong thực nghiệm, cho kết quả đáng tin cậy. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã có rất nhiều chương trình mô phỏng vận chuyển hạt bằng phương pháp Monte Carlo đã ra đời và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Phương pháp Monte Carlo là một công cụ hữu hiệu trong tính toán và giải quyết các vấn đề trong nhiều ngành khoa học trong đó có vật lý hạt nhân. Đây là phương pháp được xây dựng dựa trên các nền tảng cơ bản. Thứ nhất, tạo ra dãy số ngẫu nhiên phân bố đều trên khoảng (0, 1). Thứ hai, là luật số lớn nhằm đảm bảo cho sự ổn định của các giá trị trung bình càng gần với giá trị kì vọng của các biến ngẫu nhiên khi phép thử đủ lớn. Cuối cùng là định lý giới hạn trung tâm mô tả cách ước lượng Monte Carlo tiến đến giá trị thực hay hội tụ về một biến ngẫu nhiên nào đó khi kích cỡ mẫu được tăng lên và điều kiện của định lý là cả giá trị trung bình và phương sai của phân bố phải hữu hạn.Một số thành phần chính trong phương pháp Monte Carlo Hình 2.1. Minh họa nguyên tắc hoạt động của phương pháp Monte Carlo Monte Carlo Lấy mẫu Ghi nhận Ước lượng sai số Giảm phương sai Số ngẫu nhiên Phân bố xác suất Kết quả 20 Các bước cần thực hiện trong một bài toán mô phỏng là mô hình hóa, tìm phương thức để thể hiện các tính toán trên máy tính và cuối cùng là mô phỏng.  Giới thiệu chung về chương trình mô phỏng MCNP MCNP là sản phẩm của việc ứng dụng phương pháp Monte Carlo tại trung tâm thí nghiệm Quốc gia Los-Alamos, Mỹ. Chương trình mô phỏng đầu tiên mang tên MCS được viết năm 1963, sau đó là MCN có thể giải các bài toán neutron tương tác với vật chất trong hình học ba chiều thông qua việc sử dụng các thư viện số liệu vật lý để tính toán. Năm 1973, MCN kết hợp với chương trình Monte Carlo gamma xử lý các photon năng lượng cao mang tên MCG cho ra MCNG (chương trình mô phỏng neutron- gamma). Sau đó nó hợp nhất với MCP (chương trình Monte Carlo photon tính toán chi tiết đến năng lượng của photon là 1 keV) để mô phỏng các tương tác neutron-photon và trở thành MCNP. Ngày nay MCNP có nghĩa là Monte Carlo N hạt có thể là neutron, photon hoặc electron, chương trình được các nhà nghiên cứu hoàn thiện và phát triển mạnh mẽ qua nhiều phiên bản như MCNP3, MCNP4, MCNP4A, MCNP4B, MCNP4C, MCNP4C2 và gần đây nhất là MCNP5 có bổ sung thêm hiệu ứng giãn nở Doppler cùng với thư viện tiết diện được cập nhật. Đây là công cụ tính toán rất mạnh để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân như các quá trình phân rã, tương tác bức xạ với vật chất, giải quyết các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian,... Chương trình MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh viết bằng FORTRAN và 1000 dòng lệnh C với khoảng 400 chương trình con. Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân chủ yếu được cung cấp từ các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới. Trong khoảng nhiều năm trở lại đây các tính toán bằng phần mềm mô phỏng MCNP đã được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ Tp. HCM, Viện năng lượng Nguyên tử Việt Nam và các trường đại học, Những nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phổ ghi nhận bức xạ, phân tích an toàn che chắn, nghiên cứu các loại đầu dò, phân bố trường liều bức xạ, Trong đề tài này, chương trình MCNP5 được sử dụng để mô phỏng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) để tính toán xác định hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần. 21 2.2. Các đặc trưng của chương trình mô phỏng MCNP Trong chương trình MCNP quá trình vận chuyển hạt được mô phỏng từng bước, đối với mỗi lịch sử hạt sẽ được tạo ra bởi dãy các số ngẫu nhiên với loại hạt phát ra từ nguồn khảo sát. Sau đó, các thủ tục nguồn phát như loại nguồn sẽ được chương trình gọi ra. Các thông số của hạt như vị trí, năng lượng, hướng phát, sẽ được tạo bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên theo như phân bố được khai báo trong tệp đầu vào. Trong đề tài này sẽ khảo sát các nguồn phát gamma với điểm giao các vết của hạt với mặt biên của cell sẽ được tính toán, các tiết diện tương tác dựa vào thư viện dữ liệu để tìm khoảng cách dương nhỏ nhất từ vị trí hạt đến mặt biên của cell từ đó cho biết mặt kế tiếp mà hạt hướng tới. Nếu khoảng cách đến lần va chạm kế tiếp lớn hơn khoảng cách dương nhỏ nhất hạt sẽ ra khỏi cell đang ở. Các tally ghi nhận vết sẽ được tính toán và cập nhật những thông tin mới của hạt. Sau khi hạt qua mặt biên hoặc quá trình va chạm đã kết thúc, hạt tiếp tục được tính toán xác định khoảng cách đến mặt biên kế tiếp, cứ như vậy cho đến khi hạt mất trong quá trình va chạm, chương trình sẽ kiểm tra xem có hạt thứ cấp nào được tạo ra, nếu không thì lịch sử hạt sẽ kết thúc. Đồng thời chương trình sẽ kiểm tra các điều kiện như số lịch sử hạt, thời gian chạy chương trình, nếu thỏa thì thông tin sẽ được đưa vào tally kết quả, chương trình sẽ kết thúc và kết quả được in ra. Qui trình mô phỏng trong MCNP được thực hiện qua các bước sau: Phần quan trọng trong MCNP là xây dựng tệp số liệu đầu vào cung cấp các thông tin về cấu trúc hình học, vật liệu đo, thông số nguồn, loại hạt quan tâm, số hạt cần gieo, Một tệp đầu vào chuẩn gồm có: Tệp đầu vào • Định nghĩa ô • Định nghĩa mặt • Định nghĩa vật liệu MCNP • Khởi tạo • Tính toán hình học • Xử lý tiết diện tương tác • Mô phỏng các quá trình • Xuất kết quả Tệp đầu ra • Nội dung tệp đầu vào • Các bảng thông tin • Các đánh giá thống kê • Kết quả tally 22 Ngoài ra có thể sử dụng $ để ghi chú sau câu lệch hoặc C ở đầu dòng để ghi chú cả dòng.  Cell Card Cell là một vùng không gian được bao kín bởi các mặt. Mỗi cell card được mô tả thông qua các chỉ số cell, chỉ số vật chất, mật độ vật chất và các mặt biên sẽ được định nghĩa trong phần surface card, mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị âm hoặc dương được kết hợp với nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:) và bù (#). Cú pháp: j m d geom params Trong đó: j chỉ số cell m chỉ số vật chất trong cell, m = 0 để chỉ cell trống d khối lượng riêng của cell; mang dấu “+” nếu xét theo đơn vị [nguyên tử/cm3] và dấu “-” nếu là [g/cm3] geom mô tả hình học của cell được giới hạn bởi các mặt params các tham số tùy chọn như độ quan trọng (imp), Ví dụ: C CELL OF DETECTOR Tiêu đề và thông tin về tệp đầu vào (nếu cần) Định nghĩa ô mạng (Cell card) ......................... .......................................................... Dòng trống Định nghĩa mặt (Surface card) ......................... .......................................................... Dòng trống Định nghĩa dữ liệu (Data card) ......................... .......................................................... Dòng trống 23 1 1 -3.670 (2 -3 -7) IMP: P=1 $ Crystal NaI(Tl) of detector 2 2 -3.970 (2 -3 7 -8): (3 -4 -8) IMP: P=1 $ Aluminium oxide reflector  Surface Card Là khối định nghĩa các mặt tạo nên cell bằng cách cung cấp các hệ số của các phương trình giải tích mặt hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt. Để xác định về phương, chiều của loại mặt đơn giản chương trình đã qui ước với mặt phẳng vuông góc với trục tọa độ thì vùng phía chiều dương trục tọa độ mang dấu “+”, ngược lại mang dấu “-”. Đối với mặt trụ, cầu, thì vùng bên ngoài mặt mang dấu “+”, bên trong mang dấu “-”. Cách viết định nghĩa mặt được thể hiện qua cú pháp: j a list Trong đó: j chỉ số mặt a kí hiệu loại mặt list các tham số định nghĩa mặt Bảng 2.1. Một số loại mặt cơ bản được định nghĩa trong MCNP Kí hiệu Loại Mô tả Hàm Tham số P Mặt phẳng Mặt phẳng thường Ax+By+Cz-D=0 ABCD PX  trục X x-D=0 D PY  trục Y y-D=0 D PZ  trục Z z-D=0 D SO Mặt cầu Tâm tại gốc tọa độ x2+y2+z2-R2=0 R CX Mặt trụ Trên trục X y2+z2-R2=0 R CY Trên trục Y x2+z2-R2=0 R CZ Trên trục Z x2+y2-R2=0 R Chỉ số cell Chỉ số vật liệu Mật độ Không gian cell Độ quan trọng của cell 24 Ví dụ: 16 PZ 21.285 17 CZ 0.25 $ Radius of source 18 CZ 1.17  Data Card Là khối định nghĩa dữ liệu gồm có Mode card (Mode), Source card (SDEF), Tally card (Fn, En), Material card (Mm), Card ngừng chương trình (NPS hoặc CTME), + Mode card là phần khai báo loại hạt X mà ta muốn xét Cú pháp: Mode X với X = N, P, E lần lượt tương ứng cho trường hợp neutron, photon và electron + Source card là phần mô tả nguồn với các dạng khác nhau như nguồn tổng quát (SDEF), nguồn mặt (SSR), thông qua các thông số nguồn bao gồm năng lượng, loại hạt, vị trí, hướng bay, Đối với nguồn tổng quát thì Card SDEF được sử dụng. Cú pháp: SDEF các biến nguồn = thông số Một số biến nguồn thông dụng: ERG mô tả năng lượng hạt phát ra từ nguồn; Nếu là nguồn đơn năng chỉ phát ra một mức năng lượng ta có thể khai báo ERG = giá trị năng lượng. Nếu là nguồn phát ra nhiều hơn một mức năng lượng ta có thể mô tả thông qua cú pháp ERG = Dn với n là chỉ số của phân bố dạng liên tục, dạng điểm (A) hoặc vạch đơn năng (L). Sau đó, sử dụng các card mô tả phân bố nguồn như SIn card để khai báo các giá trị của phân bố, sử dụng SPn card khai báo xác suất của phân bố. Trong mô phỏng phổ gamma thường dùng mô hình phân bố dạng vạch đơn năng. PAR loại hạt phát ra từ nguồn với qui ước; 1: neutron, 2: photon, 3: electron POS tọa độ vị trí nguồn (x y z) AXS vector tham chiếu cho RAD và EXT RAD bán kính quét từ POS hoặc từ AXS 25 EXT khoảng cách từ POS dọc theo AXS Đối với RAD và EXT khai báo tương tự như ERG thông qua SIn và SPn Cú pháp: SIn option1 Ii SPn option2 Pi Trong đó: n chỉ số của phân bố option1 mô hình phân bố option2 phân bố xác suất hoặc chỉ số của hàm phân bố dựng sẵn Ii các giá trị của biến. Pi chỉ số của hàm dựng sẵn. Bảng 2.2. Một số hàm dựng sẵn cho phân bố xác suất nguồn. Biến nguồn Chỉ số hàm Mô tả phổ phân bố DIR, RAD, EXT -21 a Hàm mũ:   a p x c x ∣ ∣ Mặc định: a=1 (DIR), a=2 (RAD), a=0 (EXT). DIR, EXT -31 a Hàm exponential:    p c exp a   Mặc định: a=0 TME, X, Y, Z -41 a b Phân bố Gaussian theo thời gian:      2 p t c exp 1.6651092 t b / 2a      + Tally card dùng để truy xuất các kết quả mô phỏng như dòng hạt, thông lượng hạt, năng lượng hạt để lại,... chương trình sẽ chuẩn kết quả về trên một hạt nguồn. Có nhiều loại tally tính toán khác nhau liên quan đến nhiều thông số ta sẽ chọn loại tally phù hợp với thông tin cần quan tâm. Do tính chất của đề tài nên sẽ tập trung vào loại tally phân bố độ cao xung hay tally F8, có chức năng cho kết quả về sự phân bố năng lượng của xung được tạo ra trong cell. 26 Cú pháp: F8:pl Si Trong đó: pl loại hạt cần ghi nhận (N, P, E) Si chỉ số của cell cần khảo sát (đối với đầu dò thường là cell tinh thể) Khi tally độ cao xung được dùng với các khoảng chia (bin) năng lượng, nó tương ứng với năng lượng mỗi hạt để lại trong đầu dò ở các kênh xác định, các số đếm 0 được tạo ra bởi các hạt đi qua đầu dò mà không để lại năng lượng hoặc các xung mang năng lượng nhỏ hơn so với bin 0 sẽ không được theo dõi và được tính vào bin năng lượng này. Khai báo các bin năng lượng qua cú pháp: En E1 ... Ek Trong đó: n chỉ số của tally; n=0 khai báo năng lượng chung cho tất cà tally Ei chặn trên của bin năng lượng thứ i (i=1,...,k) cho tally Fn Trong thực nghiệm phổ gamma ghi nhận bởi đầu dò NaI(Tl) cho đỉnh năng lượng toàn phần thường có dạng đỉnh Gauss. Vì vậy trong mô phỏng cần dùng đến FTn card nhằm khai báo các hiệu chỉnh nở rộng dạng Gauss GEB cho tally để thu được phổ gamma mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm thông qua làm khớp 2FWHM a b E c E   từ kết quả thực nghiệm tính toán được các hệ số a, b, c. Cú pháp: FT8 GEB a b c Ví dụ: E0 0 1E-5 0.00013621 8124I 1.658205 5 FT8 GEB -0.0137257 0.0739501 -0.152982 F8:P 1 + Material card là card định nghĩa tính chất vật liệu trong cell Cú pháp: Mm ZZZAAA1 fraction1 ZZZAAA2 fraction2 ... Trong đó: 27 m chỉ số của vật chất trong cell ZZZ số hiệu nguyên tử AAA số khối fraction tỉ lệ đóng góp của các đồng vị trong vật liệu. Trường hợp thể hiện tỉ lệ này theo số nguyên tử thì fraction mang dấu “+”, mang dấu “-” nếu việc mô tả theo tỉ lệ khối lượng Ví dụ: M1 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(T1) M2 13027 -0.529251 8016 -0.470749 $ Aluminium oxide Ngoài ra các card ngừng chương trình được dùng để kết thúc quá trình làm việc nếu các card NPS hoặc CTME đạt đến ngưỡng qui định. Cú pháp: NPS N Hoặc CTME x Trong đó: N tổng số lịch sử hạt cần chạy. x thời gian tối đa (phút) chạy chương trình. Phần mô tả Cell card, Surface Card và Data Card được thể hiện chi tiết trong phần phụ lục 4. Với các thông tin nhận được từ tệp đầu vào chương trình sẽ sử dụng các thư viện dữ liệu hạt nhân để tính toán. Khi kết thúc quá trình mô phỏng, chương trình sẽ in một dữ liệu đầu ra với thông tin được xuất lần lượt là nội dung tệp đầu vào, các bảng thông tin, các đánh giá thống kê và kết quả của tally phục vụ cho người sử dụng.  Sai số tương đối Trong chương trình MCNP sai số tương đối được đánh giá thông qua giá trị R. Sai số tương đối (R) là tỉ số của độ lệch chuẩn và trị trung bình. Sau mỗi quá trình mô phỏng R sẽ được tính toán và xác định: 28 x S R x  (2.1) Độ lệch chuẩn của x được xác định:   N 2 i2 2 2i 1 x x S x x N 1        (2.2) với N i i 1 1 x x N    là giá trị trung bình của quá trình mô phỏng; N là tổng số lịch sử hạt; ix là đặc trưng đánh giá của lịch sử thứ i, N 2 i2 i 1 x x N   . Phương sai của x được cho bởi: 2 2 2 2 x S 1 S (x x N N )   (2.3) Vậy ta được:   1/2 1/2 N 22 ii 1 22 N ii 1 x1 x 1 R 1 N x N x                            (2.4) Với thông tin về R được xuất ra sau mỗi quá trình mô phỏng cho phép người dùng đánh giá những đóng góp khác nhau vào kết quả truy xuất của một quá trình mô phỏng. Bảng 2.3. Chú giải sai số tương đối R R Ý nghĩa của kết quả >0,5 Không có ý nghĩa 0,2 - 0,5 Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp 0,1-0,2 Chưa tin cậy hoàn toàn < 0,1 Tin cậy (ngoại trừ đối với đầu dò điểm/vòng) < 0,05 Tin cậy đối với đầu dò điểm/vòng Kết quả quả truy xuất tốt khi 1 ~R N , vì vậy để giảm R một nửa cần tăng số lịch sử hạt lên 4 lần nhưng đối với kết quả xuất có chiều hướng xấu thì R có thể tăng khi số lịch sử hạt tăng. 29 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT VÀ HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐẦU DÒ NHẤP NHÁY 3.1. Xây dựng bộ số liệu đầu vào 3.1.1. Mô tả hệ đo  Cấu tạo của đầu dò nhấp nháy Gamma-Rad Đầu dò nhấp nháy Gamma-Rad được sản xuất bởi hãng Amptek là thiết bị dùng cho việc đo phổ gamma. Về cơ bản Gamma-Rad bao gồm tinh thể NaI(Tl) kích thước 76 76mm (3  3in) được nối với ống nhân quang điện. Ngoài ra trong thực nghiệm còn có máy tính cài đặt các chương trình ghi nhận và xử lý phổ kèm theo. Hình 3.1. Cấu tạo về mặt kỹ thuật của Gamma-Rad 5 76 76mm [14] Các thông số của đầu dò dùng trong mô phỏng dựa vào thông tin từ nhà sản xuất (Amptek, USA). Phần quan trọng của đầu dò là tinh thể NaI được chế tạo dạng trụ tròn có kích thước là 7676 mm có pha một hàm lượng rất nhỏ hoạt chất Thalium (Tl). Mặt trước tinh thể được thiết kế từ trong ra ngoài gồm 3 lớp: lớp bột oxít nhôm, lớp silicon và lớp nhôm bao bên ngoài. Trong đó, lớp bột oxít nhôm dày 1mm đóng vai trò lớp phản xạ và liên kết, lớp silicon dày 2mm và lớp vỏ nhôm dày 1,5mm đóng vai trò bảo vệ đầu dò. Xung quanh tinh thể từ trong ra ngoài gồm 2 lớp: lớp bột oxít nhôm dày 2mm và lớp nhôm bao bọc bên ngoài dày 1,6 mm. Mặt sau tinh thể được nối với ống nhân quang 30 điện, do tính phức tạp của ống nhân quang nên nó được mô phỏng là khối nhôm dày 30mm. Hình 3.2. Cấu tạo chi tiết của đầu dò [8]  Bộ nguồn chuẩn Bộ nguồn phóng xạ chuẩn dùng trong thực nghiệm [8] gồm có 7 nguồn: 152Eu, 109Cd, 60Co, 54Mn, 22Na, 65Zn, 137Cs. Mặt trên cùng của nguồn có dán một lớp decal ghi các thông tin về nguyên tố phóng xạ, hoạt độ, chu kì bán rã, ngày sản xuất, công ty sản xuất. Thông tin chi tiết về các nguồn sử dụng trong đề tài được trình bày trong phần phụ lục 1. Hình 3.3. Bộ nguồn chuẩn 31  Xây dựng tệp đầu vào Để xây dựng một tệp đầu vào cho bài toán mô phỏng hiệu suất của đầu dò theo năng lượng gamma cần các số liệu về thông số kỹ thuật, bố trí hình học, vật liệu của hệ đầu dò–nguồn. Ngoài ra loại bức xạ quan tâm, năng lượng bức xạ và số các bin năng lượng tương ứng với số kênh trong phổ đo thực nghiệm đều sẽ được mô tả chi tiết trong tệp đầu vào. Bố trí hình học hệ nguồn và đầu dò đặt cách 20 cm và trong mô phỏng hệ được chia lần lượt thành 14 ô cơ bản 1: tinh thể NaI(Tl); 2: lớp nhôm ôxít; 3: lớp silicon; 4: lớp vỏ nhôm; 5: ống nhân quang điện (khối nhôm đồng trục); 6: lớp hoạt chất phóng xạ; 7: lớp mylar; 8: lớp decal; 9: hộp chứa nguồn; 10: giá đỡ; 11,12 và 13: phần không khí xung quanh đầu dò và nguồn; 14: phần không gian bên ngoài vùng quan tâm. Mỗi ô được giới hạn bởi các mặt phẳng cầu hoặc trụ và được lắp đầy bởi vật liệu tương ứng với một thành phần của hệ với thông tin chi tiết các loại vật liệu này được giới thiệu trong phụ lục 2 và 3. (a) (b) Hình 3.4. Minh họa các mặt cắt của đầu dò và nguồn được vẽ bằng MCNP5 a). Minh họa mặt cắt dọc và ngang của đầu dò. b). Minh họa mặt cắt dọc của nguồn. 32 Tương ứng với 14 ô cần nhiều mặt phẳng, trụ để liên kết tạo ra các ô với độ quan trọng của 13 ô đầu là 1 và trong quá trình mô phỏng các hạt bay ra phần không gian bên ngoài vùng quan tâm thì quá trình theo dõi hạt sẽ kết thúc nên độ quan trọng của ô 14 được gán bằng 0. Trong bài toán này sự đánh giá phân bố độ cao xung F8 được sử dụng, các hạt bay vào đầu dò, tương tác với vật chất và truyền năng lượng cho đầu dò và được chương trình ghi nhận vào các kênh năng lượng tương ứng. Để mô phỏng giống với thực nghiệm thì các bin năng lượng được chia thành 8192 bin tương ứng với 8192 kênh của hệ phổ kế. Các tham số của GEB cho việc hiệu chỉnh lại tally F8 được xác định bằng việc làm khớp các số liệu thực nghiệm theo dạng 2FWHM = a b E c E  với các hệ số [8]: a = - 0,0137257 MeV; b = 0,0739501 MeV; c = - 0,152982 MeV. Quá trình mô phỏng sẽ kết thúc khi số lịch sử hạt đạt 109 hạt. 3.1.2. Kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào Trước khi tiến hành các khảo sát hay hiệu chỉnh lại các thông số kỹ thuật của đầu dò ta cần kiểm tra khả năng mô phỏng của tệp đầu vào, đầu tiên ta sẽ dùng chương trình MCNP5 để mô phỏng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với các thông số hình học của đầu dò được giữ như nhà sản xuất đã cung cấp, sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm [8], từ đó rút ra kết luận.  So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm Hình 3.5a, b, c và 3.5d biểu diễn phổ gamma thu được từ mô phỏng bằng chương trình MCNP5 và dữ liệu thực nghiệm lần lượt theo từng nguồn 22Na, 137Cs, 60Co, 152Eu với các thông số đầu dò cung cấp bởi nhà sản xuất và bề dày lớp phản xạ Al2O3 theo nghiên cứu [8] là 1,0 mm. Từ hình vẽ 3.5 cho thấy khả năng đáp ứng phổ từ mô phỏng so với thực nghiệm là có sự phù hợp tốt. Đối với một số nguồn 54Mn, 109Cd, 65Zn việc so sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 5. 33 Hình 3.5. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 22Na, 137Cs, 60Co, 152Eu  So sánh hiệu suất ghi giữa mô phỏng và thực nghiệm Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng được xác định bởi công thức:   FEPSimul N N (3.1) với  Simul là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng; FEPN là số đếm của diện tích đỉnh năng lượng toàn phần, N là số photon phát ra ứng với đỉnh năng lượng quan tâm. 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 100000 S o á ñ e ám /k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 22 Na 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 100000 S o á ñ e ám /k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 137 Cs 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 100000 S o á ñ e ám /k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 60 Co 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 S o á ñ e ám /k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 152 Eu a) b) c) d) 34 Bảng 3.1. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng và thực nghiệm với các thông số của nhà sản xuất và lớp Al2O3 dày 1mm Năng lượng (keV) FEPE 310 (mô phỏng) FEPE 310 (thực nghiệm [8]) Độ lệch tương đối (%) Tỉ số  Simul Exp RD (%) = 100     Simul Exp Exp Simul Exp   88,03 5,90 5,96 1,09 0,99 511 3,65 3,63 0,42 1,00 661,66 2,99 2,98 0,31 1,00 834,85 2,49 2,49 0,06 1,00 1115,54 1,98 1,97 0,53 1,01 1173,23 1,87 1,85 0,93 1,01 1274,54 1,78 1,75 1,86 1,02 1332,49 1,71 1,69 1,33 1,01 RD (%) = 100     Simul Exp Exp là độ lệch tương đối giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực nghiệm [8] Hình 3.6. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng và thực nghiệm 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 T æ s o á Naêng löôïng (keV) 35  Nhận xét Từ hình 3.5, 3.6 và bảng 3.1 cho ta thấy về khả năng đáp ứng phổ gamma của các nguồn được dùng trong mô phỏng và thực nghiệm có sự phù hợp tốt và độ lệch tương đối của hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giữa thực nghiệm và mô phỏng là dưới 2% cho tất cả năng lượng khảo. Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với dữ liệu đã được công bố trong công trình [8]. Vậy tệp đầu vào cho kết quả về khả năng đáp ứng phổ và hiệu suất mô phỏng là tốt và trên cơ sở này chúng tôi sẽ khảo sát các thông số kĩ thuật khác gồm ống nhân quang điện (PMT) được thay thế bởi khối nhôm hình trụ đồng trục, silicon, lớp vỏ nhôm, khảo sát đầu dò nhưng chỉ giữ lại tinh thể NaI(Tl) và sau đó thêm từng lớp vật liệu bao quanh tinh thể lần lượt là Al2O3, lớp silicon, lớp vỏ nhôm. 3.2. Khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của đầu dò  Khảo sát PMT Bảng 3.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày PMT khác nhau của đầu dò Bề dày PMT(cm) E(keV) 88,03 511 661,66 834,85 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 310 0 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 1 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 2 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 3 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 4 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 5 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 6 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 7 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 8 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 9 5,89 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 36 Hình 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày PMT khác nhau của đầu dò Từ bảng 3.2 và kết quả thể hiện thông qua hình 3.7 cho thấy, khi thay đổi bề dày PMT từ 0 đến 9 cm thì hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần được tính cho sáu nguồn điểm 109Cd, 60Co, 54Mn, 22Na, 65Zn, 137Cs ứng với tám mức năng lượng thì kết quả hầu như không thay đổi. Bảng 3.3. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT Bề dày (cm) E (keV) 88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 RD (%) = 100     Simul Exp Exp 0 1,09 0,43 0,29 0,05 0,54 1,03 1,85 1,38 1 1,09 0,42 0,32 0,05 0,53 0,97 1,86 1,35 2 1,09 0,42 0,32 0,06 0,53 0,94 1,85 1,34 3 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33 4 1,09 0,43 0,31 0,06 0,53 0,94 1,86 1,33 5 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,92 1,84 1,34 6 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,92 1,84 1,34 7 1,09 0,43 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33 8 1,09 0,42 0,36 0,06 0,53 0,94 1,86 1,33 9 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33 37 Hình 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày PMT của đầu dò Từ bảng 3.3 cho thấy độ lệch tương đối giữa mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm [8] đều dưới 2% và hiệu suất ghi của đầu dò chỉ thay đổi 0,01% đến 0,11% giữa các kết quả tính toán khi tăng 1cm bề dày PMT cho mỗi lần mô phỏng. Kết quả này được thể hiện thông qua hình 3.8. Vậy bề dày lớp PMT có ảnh hưởng không đáng kể đến kết quả mô phỏng đầu dò. Kết quả này khác với công bố trong công trình [9]. Theo nghiên cứu của Shi và cộng sự thì bề dày của lớp nhôm này là 3 cm tuy nhiên khảo sát của chúng tôi cho thấy rằng độ dày của lớp nhôm ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần.  Khảo sát các lớp vật liệu bao quanh tinh thể Hình 3.9. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tình theo mô phỏng đẩu dò chỉ với khối tinh thể và thực nghiệm [8] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 T æ so á Naêng löôïng (keV) NaI(Tl) 38 Bảng 3.4. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò chỉ với khối tinh thể NaI(Tl) Năng lượng (keV) FEPE 310 (mô phỏng) FEPE 310 (thực nghiệm [8]) Độ lệch tương đối (%) Tỉ số Simul Exp    Simul Exp RD (%) = 100     Simul Exp Exp 88,03 5,62 5,96 5,72 0,94 511 3,56 3,63 1,93 0,98 661,66 3,51 2,98 17,76 1,18 834,84 2,29 2,49 8,17 0,92 1115,5 2,17 1,97 10,08 1,10 1173,2 1,90 1,85 2,70 1,03 1274,3 1,68 1,75 4,27 0,96 1332,5 1,72 1,69 1,81 1,02 Từ bảng 3.4 cho thấy khi mô phỏng đầu dò chỉ với khối tinh thể NaI(Tl) thì kết quả mô phỏng bị lệch rất lớn so với thực nghiệm mà đặc biệt là đỉnh 662,66 keV có độ lệch là 17,76% và đỉnh 1115,5 keV là 10,08% so với dữ liệu thực nghiệm [8]. Đối với các đỉnh năng lượng còn lại là dưới 10%. Vậy các lớp vật liệu bao quanh tinh thể có ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò. Hình 3.10. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3 và thực nghiệm [8] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 T æ so á Naêng löôïng (keV) 2 3NaI(Tl) Al O 39 Bảng 3.5. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với khối tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 dày 1mm Năng lượng (keV) FEPE 310 (mô phỏng) FEPE 310 (thực nghiệm [8]) Độ lệch tương đối (%) Tỉ số Simul Exp    Simul Exp RD (%) = 100     Simul Exp Exp 88,03 5,31 5,96 10,91 0,89 511 3,44 3,63 5,30 0,95 661,66 3,41 2,98 14,30 1,14 834,84 2,23 2,49 10,63 0,89 1115,54 2,12 1,97 7,51 1,08 1173,23 1,85 1,85 0,05 1,00 1274,34 1,64 1,75 6,34 0,94 1332,49 1,68 1,69 0,34 1,00 Từ hình 3.10 cho thấy độ lệch giữa hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm là rất lớn đối với một số đỉnh năng lượng. Kết quả được chỉ rõ trog bảng 3.5, đối với các đỉnh 88,03 keV là 10,91%, đỉnh 661,66 keV là 14,30% và đỉnh 834,84 keV có độ lệch tương đối là 10,63%. Vậy khi đầu dò chỉ được khai báo tinh thể NaI(Tl) và lớp Al2O3 thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò. Hình 3.11. Tỉ số giữa hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần tính theo mô phỏng đẩu dò với khối tinh thể, lớp Al2O3, lớp silicon và thực nghiệm [8] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 T æ so á Naêng löôïng (keV) 2 3NaI(Tl) Al O Si  40 Bảng 3.6. So sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm [8] khi mô phỏng đầu dò với khối tinh thể NaI(Tl), lớp Al2O3 và lớp silicon dày 2mm Năng lượng (keV) FEPE 310 (mô phỏng) FEPE 310 (thực nghiệm [8]) Độ lệch tương đối (%) Tỉ số Simul Exp    Simul Exp RD (%) = 100     Simul Exp Exp 88,03 4,86 5,96 18,38 0,82 511 3,31 3,63 8,94 0,91 661,66 3,29 2,98 10,33 1,10 834,84 2,18 2,49 12,52 0,87 1115,54 2,06 1,97 4,61 1,05 1173,23 1,80 1,85 2,95 0,97 1274,34 1,60 1,75 8,72 0,91 1332,49 1,64 1,69 2,88 0,97 Từ bảng 3.6 cho thấy độ lệch khá lớn giữa hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm đối với các đỉnh 88,03 keV là 18,38%, đỉnh 661,66 keV là 10,33% và đỉnh 834,84 keV có độ lệch tương đối là 12,52%. Và độ lệch này được thể hiện thông qua hình 3.11. Vậy các lớp vật chất bao quanh tinh thể này có ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của đầu dò.  Khảo sát lớp vỏ nhôm Hình 3.12. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò 41 Bảng 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng với các giá trị bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò Bề dày lớp vỏ nhôm (cm) E (keV) 88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 310  0 5,90 3,70 3,03 2,52 2,00 1,89 1,80 1,73 0,05 6,06 3,68 3,02 2,50 2,00 1,89 1,79 1,72 0,1 5,97 3,67 3,01 2,50 1,99 1,88 1,78 1,72 0,15 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 0,2 5,81 3,62 2,97 2,48 1,97 1,86 1,77 1,71 0,25 5,74 3,60 2,96 2,46 1,96 1,85 1,77 1,70 0,3 5,66 3,58 2,94 2,45 1,95 1,84 1,76 1,69 0,35 5,60 3,56 2,93 1,79 1,94 1,83 1,76 1,68 0,4 5,54 3,53 2,91 2,42 1,94 1,82 1,75 1,68 0,45 5,48 3,50 2,89 2,41 1,93 1,82 1,74 1,67 0,5 5,41 3,47 2,86 2,39 1,91 1,81 1,73 1,66 0,55 5,32 3,43 2,84 2,37 1,90 1,80 1,71 1,64 0,6 5,24 3,39 2,81 2,35 1,89 1,78 1,70 1,63 Từ bảng 3.7 và kết quả thể hiện thông qua hình 3.12 cho thấy, khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể từ 0 đến 0,6 cm ( mỗi lần mô phỏng tăng 0,05 cm) thì hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần càng giảm. Hình 3.13. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp nhôm trước tinh thể đầu dò 42 Bảng 3.8. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày lớp nhôm trước tinh thể của đầu dò Bề dày lớp vỏ nhôm (cm) E (keV) 88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 RD (%) = 100     Simul Exp Exp 0 1,03 1,92 1,60 1,13 1,58 2,19 2,89 2,40 0,05 1,62 1,50 1,19 0,60 1,43 2,25 2,20 2,05 0,1 0,23 1,02 0,91 0,34 1,12 1,85 1,84 1,69 0,15 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33 0,2 2,47 0,19 0,25 0,57 0,09 0,44 1,41 0,91 0,25 3,69 0,81 0,84 1,07 0,33 0,01 1,15 0,49 0,3 5,00 1,43 1,35 1,63 0,77 0,46 0,63 0,06 0,35 6,09 2,03 1,80 1,87 1,37 0,95 0,42 0,35 0,4 6,98 2,62 2,45 2,63 1,67 1,41 0,14 0,75 0,45 8,05 3,47 3,12 3,18 2,15 1,37 0,31 1,15 0,5 9,20 4,47 3,95 4,15 2,97 2,16 1,39 1,87 0,55 10,71 5,57 4,62 4,78 3,40 2,92 2,42 2,68 0,6 12,12 6,61 5,70 5,61 4,14 3,69 2,89 3,39 Bảng 3.8 cho thấy lớp vỏ nhôm có bề dày nhỏ hơn 0,1cm hoặc lớn hơn 0,15 cm thì độ lệch tương đối là trên 2%. Với bề dày lớp vỏ nhôm 0,1 cm và 0,15 cm có độ lệch tương đối là dưới 2%. Và kết quả này được thể hiện qua hình 3.13. Và bề dày lớp nhôm trước tinh thể chúng tôi đề nghị là 0,15 cm.  Khảo sát lớp Silicon Hình 3.14. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần theo mô phỏng khi thay đổi lớp silicon trước tinh thể 43 Bảng 3.9. Hiệu suất mô phỏng đầu dò với các giá trị bề dày lớp silicon Bề dày lớp silicon (cm) E (keV) 88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 310  0 6,25 3,70 3,03 2,52 2,00 1,89 1,80 1,73 0,02 6,19 3,70 3,03 2,52 2,00 1,86 1,79 1,71 0,04 6,17 3,69 3,03 2,51 2,00 1,90 1,79 1,73 0,06 6,13 3,69 3,02 2,51 2,00 1,89 1,79 1,73 0,08 6,09 3,68 3,02 2,51 2,00 1,89 1,79 1,72 0,1 5,91 3,58 3,01 2,50 2,00 1,89 1,78 1,72 0,12 6,04 3,67 3,01 2,50 1,99 1,89 1,79 1,72 0,14 6,00 3,67 3,01 2,50 1,99 1,88 1,78 1,72 0,16 5,94 3,66 3,00 2,49 1,99 1,88 1,78 1,72 0,18 5,92 3,65 3,00 2,49 1,98 1,88 1,77 1,71 0,2 5,90 3,65 2,99 2,49 1,98 1,87 1,78 1,71 0,22 5,86 3,64 2,99 2,49 1,98 1,86 1,78 1,71 0,24 5,84 3,63 2,98 2,48 1,98 1,86 1,78 1,71 0,26 5,80 3,62 2,98 2,48 1,97 1,86 1,78 1,71 0,28 5,78 3,62 2,97 2,48 1,97 1,86 1,77 1,70 0,3 5,75 3,61 2,97 2,47 1,96 1,85 1,77 1,70 0,32 5,72 3,60 2,96 2,47 1,97 1,85 1,78 1,70 0,34 5,70 3,59 2,96 2,46 1,96 1,85 1,77 1,70 0,36 5,67 3,59 2,95 2,46 1,96 1,84 1,76 1,69 0,38 5,64 3,58 2,94 2,45 1,96 1,84 1,77 1,69 0,4 5,70 3,57 2,93 2,45 1,95 1,84 1,76 1,69 Từ hình 3.14 cho thấy hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần giảm rất ít khi thay đổi từng 0,02 cm cho mỗi lần mô phỏng, kết quả cụ thể được thể hiện thông qua bảng 3.9 cho thấy khi thay đổi bề dày lớp silicon trước tinh thể từ 0 đến 0,4 cm thì hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần có giảm. 44 Bảng 3.10. Độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi bề dày lớp silicon Bề dày lớp silicon (cm) E (keV) 88,03 511 661,66 834,84 1115,54 1173,23 1274,54 1332,49 RD (%) = 100     Simul Exp Exp 0 4,84 1,96 1,75 1,26 1,68 2,26 2,93 2,41 0,02 3,84 1,90 1,67 1,01 1,55 0,74 2,50 1,19 0,04 3,51 1,70 1,55 0,93 1,66 2,45 2,39 2,21 0,06 2,83 1,55 1,44 0,82 1,58 2,32 2,09 2,10 0,08 2,25 1,39 1,30 0,72 1,48 2,20 2,01 2,00 0,1 0,90 1,50 1,16 0,51 1,33 2,06 1,83 1,90 0,12 1,35 1,11 1,01 0,48 1,20 1,94 2,10 1,78 0,14 0,74 0,96 0,90 0,36 0,90 1,81 1,65 1,68 0,16 0,32 0,81 0,77 0,15 0,90 1,68 1,49 1,56 0,18 0,70 0,66 0,58 0,05 0,65 1,56 1,36 1,45 0,2 1,09 0,42 0,31 0,06 0,53 0,93 1,86 1,33 0,22 1,62 0,22 0,21 0,10 0,45 0,75 1,65 1,19 0,24 2,06 0,00 0,07 0,26 0,37 0,60 1,59 1,05 0,26 2,62 0,20 0,13 0,35 0,23 0,44 1,54 0,91 0,28 3,09 0,40 0,30 0,49 0,23 0,29 1,23 0,78 0,3 3,47 0,60 0,46 0,71 0,29 0,15 1,40 0,65 0,32 3,97 0,80 0,59 0,92 0,19 0,01 1,51 0,50 0,34 4,41 0,99 0,78 1,08 0,57 0,14 1,15 0,37 0,36 4,91 1,19 0,99 1,23 0,47 0,32 0,79 0,22 0,38 5,29 1,40 1,22 1,41 0,61 0,49 1,06 0,08 0,4 4,31 1,60 1,55 1,57 0,77 0,64 0,62 0,05 Kết quả từ bảng 3.10 cho thấy rằng với bề dày lớp silicon trong khoảng 0,14 cm đến 0,22 cm, độ lệch tương đối hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần là dưới 2% cho tất cả năng lượng được khảo sát, với các bề dày khác có độ lệch tương đối là trên 2%. Kết quả biểu diễn thông qua hình 3.15. Chúng tôi đề nghị bề dày lớp silicon cần khai báo cho tệp đầu vào khi mô phỏng đầu dò là 0,2 cm. 45 Hình 3.15. Độ lệch tương đối khi thay đổi bề dày của lớp silicon trước tinh thể đầu dò 46 KẾT LUẬN Trong đề tài này, chúng tôi đã được tiếp cận chương trình MCNP5 để mô phỏng đầu dò NaI(Tl) với sự thay đổi các thông số kỹ thuật của đầu dò, bởi theo thời gian các thông số này có thể bị thay đổi và làm cho hiệu suất ghi của đầu dò giảm so với ban đầu. Đại lượng được dùng đánh giá sự thay đổi các thông số này là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần. Từ kết quả thu được của đề tài, chúng tôi đưa ra được một số kết luận sau: - Trong quá trình mô phỏng, ống nhân quang điện có thể thay thế bằng khối nhôm hình trục đặc. Khác với đề xuất của Shi rằng bề dày ống nhôm này là 3cm, kết quả nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra, việc chọn độ dày này bằng bao nhiêu không ảnh hưởng lớn đến hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần cũng như dạng hàm đáp ứng. Do vậy, về cơ bản có thể chọn độ dày này sao cho phù hợp với yêu cầu của mô phỏng. - Khi chúng tôi mô phỏng chỉ với khối tinh tinh thể NaI(Tl) thì kết quả tính toán hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần có độ lệch tương đối lớn nhất giữa mô phỏng với thực nghiệm lên đến 17,76%. Ngoài ra, khi chỉ thêm các lớp Al2O3 dày 1mm, lớp silicon dày 2mm thì độ lệch tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm là khá lớn đối với một số nguốn. Điều này khẳng định rằng việc thực hiện mô phỏng phải khai báo đầy đủ các thông số kỹ thuật. - Khi mô phỏng đầu dò với sự thay đổi bề dày lớp vỏ nhôm trước tinh thể và lớp silicon thì kết quả tính toán chỉ ra rằng bề dày lớp nhôm 0,15 cm và lớp silicon dày 0,2 cm có độ lệch tương đối giữa hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mô phỏng và thực nghiệm là dưới 2%. Vì vậy chúng tôi để nghị với hai thông số này không cần phải hiệu chỉnh khi khai báo các thông số kỹ thuật của đầu dò. 47 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, Nxb Khoa học và kỹ thuật. [2] Nguyễn Xuân Hải (2010), Đầu dò bán dẫn và ứng dụng. [3] Ngô Quang Huy, Đỗ Quang Bình, Võ Xuân Ân (2007), “Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vật lý đến hiệu suất ghi của Detector bán dẫn siêu tinh khiết bằng chương trình MCNP4C2”, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ, Tập 10- Số 05/2007, 21-25. [4] Trần Phong Vũ – Châu Văn Tạo – Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi bức xạ ion hóa, Nxb Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh. Tiếng Anh [5] M. Noguchi (2006), Introduction to Nuclear Radiation. [6] E. Nardi (1970), “A note on Monte Carlo calculations in NaI crystals”, Nuclear Instruments and Methods 83 (1970), 331-332. [7] Glenn F. Knoll (1999), Radiation Detection and Measurement, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY USA. [8] Hoang Duc Tam, Huynh Dinh Chuong, Tran Thien Thanh, Chau Van Tao (2016), “A Study of the effect of Al2O3 reflector on response function of NaI(Tl) detector”, Radiation Physics and Chemistry 125 (2016), 88-93. [9] Hu-Xia Shi, Bo-Xian Chen, Ti-Zhu Li, Pi Yun (2002), “Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response functions for an NaI(Tl) detector”, Appied Radiation and isotopes 57 (2002), 517-524. [10] Hoang Duc Tam, Tran Thien Thanh, Chau Van Tao (2013), “ Evaluation of the total and intrinsic efficiencies of a 3in3in NaI(Tl) crystal by using the hybrid Monte Carlo method”, Science & Technology development journal, Volume 16- 15/2013, 26-34. 48 [11] P.De Biever and P. D. P. Taylor, Int. J. Mass Spectrom.Ion Phys.123, 149 (1993). [12] William K. Leo (1987), Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag, Germany. [13] X-5 Monte Carlo team (2003), MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, Volume I: Overview and Theory, LA-UR-03-1987. Los Alamos National Laboratory. [14] [15] [16] [17] [18] 49 PHỤ LỤC Phụ lục 1. Đặc trưng của một số nguồn phóng xạ Nguồn Chu kì bán rã Tia Năng lượng Hệ số phát gamma (T1/2) (keV) (%) 22Na 2,6 năm γ 511 (-) 180,7 (2) 1274,537 (7) 99,94 (13) 54Mn 313 ngày γ, β 834,848 (3) 99,9752 (5) 60Co 5,27 năm γ, β 1173,228 (3) 99,85 (3) 1332,492 (4) 99,9826 (6) 65Zn 244 ngày γ 1115,539 (2) 50,22 (11) 511 (-) 2,842 (13) 109Cd 463 ngày γ 88,0336 (10) 3,66 (5) 137Cs 30,05 năm γ, β 661,657 (3) 84,99 (20) 152Eu 13,522 năm γ, β 121,7817 (3) 28,41 (13) 244,6974 (8) 7,55 (4) 344,2785 (12) 26,59 (12) Phụ lục 2. Tính chất của một số nguyên tố Z Nguyên tố Z/A Mật độ (g/cm3) Thành phần (tỉ lệ khối lượng) 13 Al: Aluminum 0,48181 2,699E+00 1 14 Si: Silicon 0,49848 2,33E+00 28: 0,922297 29: 0,046832 30: 0,030871 50 Phụ lục 3. Tính chất của một số hợp chất Nguyên tố và vật liệu Z/A Mật độ (g/cm3) Thành phần (tỉ lệ khối lượng) Air, Dry (near sea level) 0,49919 1,21E-03 6: 0,000124 7: 0,755268 8: 0,231781 18: 0,012827 Plastic Scintillator, Vinyltoluene 0,54141 1,03E+00 1: 0,085000 6: 0,915000 Polyethylene Terephthalate, (Mylar) 0,52037 1,38E+00 1: 0,041960 6: 0,625016 8: 0,333024 Polymethyl Methacrylate 0.53937 1,19E+00 1: 0,080541 6: 0,599846 8: 0,319613 Aluminum oxide --- 3,97E+00 13: 0,529251 8: 0,470749 Silicon dioxide --- 2,32E+00 8: 0,532565 14: 0,467435 Các thông tin về tinh thể NaI(Tl) được cung cấp bởi nhà sản xuất có mật độ vật chất là 3.67 g/cm3 và thành phần vật chất tính theo tỉ lệ số nguyên tử lần lượt là 11: 0,499; 53: 0,500; 81: 0,001. 51 Phụ lục 4. Tệp đầu vào điển hình của chương trình MCNP mô phỏng xác định hiệu suất ghi của đầu dò nhấp nháy C INPUT FILE SIMULATE GAMMA SPECTROMETRY BY NAI(T1) DETECTOR C THIS SYSTEM INCLUDING: SOURCE + DETECTOR C SOURCE: 22Na DISTANCE OF SOURCE-DETECTOR: 20 CM C *********** BLOCK 1: CELL CARDS ************ C CELL OF DETECTOR 1 1 -3.670 (2 -3 -7) IMP:P=1 $ CRYSTAL NaI(T1) OF DETECTOR 2 2 -3.970 (2 -3 7 -8):(3 -4 -8) IMP:P=1 $ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR 3 3 -2.330 (4 -5 -8) IMP:P=1 $ SILICON PAD 4 4 -2.699 (2 -5 8 -9):(5 -6 -9) IMP:P=1 $ ALUMINIUM BODY WALL 5 4 -2.699 (1 -2 -9) IMP:P=1 $ PMT (ALUMINIUM) C CELL OF SOURCE 6 0 (12 -13 -17) IMP:P=1 $ ACTIVE SOURCE 7 5 -1.380 (13 -15 -17) IMP:P=1 $ MYLAR REPLACE EPOXY PLUG 8 6 -1.190 (15 -16 -19) IMP:P=1 $ REPLACE DECAL LAYER 9 7 -1.032 (11 -12 -20):(12 -15 17 -20):(15 -16 19 -20) IMP:P=1 $ SOURCE CAPSULE 10 6 -1.190 (10 -11 18 -21):(11 -14 20 -21) IMP:P=1 $ SOURCE SUPPORT 11 8 -0.001205 (10 -11 -18) IMP:P=1 $ AIR 12 8 -0.001205 (14 -16 20 -21) IMP:P=1 $ AIR C OTHERS 13 8 -0.001205 (-99) (-1:9:6) (-10:21:16) IMP:P=1 $ AIR 14 0 (99) IMP:P=0 C ********** BLOCK2 2: SURFACE CARDS ********** C SURFACE OF DETECTOR 52 1 PZ -10.4 $ PMT_3CM 2 PZ -7.4 3 PZ 0.2 $ GOC TOA DO 4 PZ 0.3 $ Al2O3_01CM 5 PZ 0.5 $ SI_02CM 6 PZ 0.65 $ Al_015CM 7 CZ 3.8 $ RADIUS OF NaI(T1) 8 CZ 4.0 9 CZ 4.16 C SURFACE OF SOURCE 10 PZ 20.55 11 PZ 20.65 12 PZ 20.927 13 PZ 20.928 14 PZ 21.05 15 PZ 21.245 16 PZ 21.285 17 CZ 0.25 $ RADIUS OF SOURCE 18 CZ 1.17 19 CZ 1.20 20 CZ 1.27 21 CZ 3.50 C OTHERS 99 SO 30.0 C ************** BLOCK 3: DATA CARD *********** MODE P SDEF ERG=D1 PAR=2 POS=0 0 20.927 AXS=0 0 1 RAD=D2 EXT=D3 SI1 L 0.511 1.274537 SP1 0.643885405 0.356114595 53 SI2 0 0.25 SP2 -21 1 SI3 0.0 0.001 SP3 -21 0 E0 0 1E-5 0.00013621 8124I 1.658205 5 FT8 GEB -0.0137257 0.0739501 -0.152982 F8:P 1 RAND GEN=2 SEED=9219741426499971445 STRIDE=152917 HIST=1 NPS 10E8 M1 11023 0.499 53127 0.500 81205 0.001 $ NaI(Tl) M2 13027 -0.529251 8016 -0.470749 $ ALUMINIUM OXIDE M3 14028 -0.922297 14029 -0.046832 14030 -0.030871 $ SILICON M4 13027 -1.000 $ ALUMINIUM M5 1001 -0.041960 6012 -0.625016 8016 -0.333024 $ MYLAR M6 1001 -0.080541 6012 -0.599846 8016 -0.319613 $ POLYMETHYL METHACRYLATE M7 1001 -0.085 6012 -0.915 $ PLASTIC VINYLTOLUENE M8 6012 -0.000124 7014 -0.755268 8016 -0.231781 18040 -0.012827 $ DRY AIR 54 Phụ lục 5. So sánh phổ thực nghiệm và mô phỏng lần lượt của nguồn 65Zn, 109Cd, 137Cs 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 S o á ñ e ám /K e ân h Keânh Moâ phoûng Thöïc nghieäm 65Zn 200 300 400 500 600 700 500 1000 1500 2000 2500 3000 S o á ñ e ám /k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 109 Cd 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 1 10 100 1000 10000 100000 S o á ñ e ám / k e ân h Keânh MCNP5 Thöïc nghieäm 54 Mn