Xây dựng đường cong hiệu suất Detector HPGe bằng chương trình MCNP4C2

bày tỏ lời cảm ơn chân thành của mình đến tất cả mọi người: – Cảm ơn TS. Thái Khắc Định, ThS. Võ Xuân Ân – Hai người thầy đã truyền cho em nhiệt tình nghiên cứu khoa học, kiến thức chuyên môn, đóng góp những ý kiến và kinh nghiệm quý báu, những động viên và chỉ bảo tận tình. – Cảm ơn quý thầy cô khoa Vật Lý trường ĐH Sư phạm TP HCM đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, cần thiết trong suốt thời gian học tập tại môi trường sư phạm này. – Cảm ơn TS. Trần Văn Luyến, cũng như Phòng An toàn bức xạ và môi trường – Trung tâm hạt nhân TP HCM đã chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực hiện luận văn. – Cảm ơn quý thầy cô và các anh chị trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, khoa Vật Lý trường ĐH KHTN TP HCM đã dành thời gian giúp đỡ em trong quá trình tìm hiểu đề tài. – Cảm ơn các bạn luôn quan tâm, động viên mình trong suốt thời gian thực hiện luận văn. – Xin gửi lời tri ân đến bố mẹ, gia đình, về tình thương của mọi người đã dành cho con. Sinh viên Nguyễn Thị Thúy Hằng LỜI MỞ ĐẦU Chúng ta đều biết rằng lịch sử phát triển tri thức nhân loại gắn liền với quá trình cải tiến và không ngừng hoàn thiện của khoa học, là một quá trình tiến lên từ những cái chưa biết đến cái đã biết, từ những tri thức chưa hoàn chỉnh, chưa đầy đủ đến những tri thức ngày càng hoàn chỉnh và chính xác hơn. Vì vậy nghiên cứu và phát triển khoa học luôn được xem là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc định hướng sự phát triển của toàn xã hội. Các cơ sở máy móc, thiết bị trong các phòng thí nghiệm luôn được trang bị đầy đủ và không ngừng cải tiến nhằm tạo nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho người làm khoa học. Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào chúng ta cũng có đủ các điều kiện cần thiết để thực hiện các thí nghiệm như mong muốn. Lúc này máy tính đóng vai trò là một công cụ thực sự hữu ích. Sự xuất hiện của máy tính không chỉ dùng trong việc nghiên cứu, phân tích, đo đạc các kết quả thực nghiệm mà nó còn được sử dụng như một công cụ để mô phỏng thí nghiệm, cung cấp cho chúng ta những kết quả mà các thí nghiệm thuần túy thường gặp phải nhiều khó khăn và hạn chế trong quá trình thực hiện. Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP4C2 để mô phỏng hệ phổ kế gamma HPGe (High Pure Germanium) GC1518 của hãng Canberra Industries, Inc. đặt tại Trung tâm Hạt nhân TP Hồ Chí Minh. Mục đích của khóa luận nhằm thiết lập, đánh giá đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector HPGe để ứng dụng vào công việc phân tích và đo đạc sau này. Khóa luận gồm 5 chương: – Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT: giới thiệu các loại tương tác chính của photon với môi trường vật chất trong detector. – Chương 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP: tổng quan về mô phỏng, đặc biệt là phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu khoa học, đồng thời giới thiệu sơ lược các kiến thức cơ bản của chương trình MCNP. – Chương 3: HỆ PHỔ KẾ GAMMA SỬ DỤNG DETECTOR HPGE GC 1518: giới thiệu về một số đặc trưng cơ bản của hệ phổ kế: hiệu suất, độ phân giải và tỉ số đỉnh/Comton. Cấu trúc của hệ phổ kế cũng được đề cập khá chi tiết trong chương này. – Chương 4: XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT DETECTOR HPGE GC 1518: xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng của detector germanium siêu tinh khiết trong mô phỏng MCNP4C2 ở các khoảng cách khác nhau từ nguồn đến detector và so sánh kết quả tính toán trong mô phỏng với việc đo đạc trong thực nghiệm. – Chương 5: KẾT LUẬN CHUNG. CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT Người ta quan sát được hiện tượng hạt nhân thông qua sự tương tác của bức xạ hạt nhân phát ra từ hiện tượng đó với vật chất. Năng lượng trao đổi (mất mát) của bức xạ trong quá trình tương tác sẽ tạo ra các xung điện. Hình dạng xung, biên độ xung và tần số xung cũng như độ rộng xung và khoảng cách xung sẽ cho thông tin về bức xạ: loại bức xạ, năng lượng bức xạ, cường độ bức xạ và thời gian sống của trạng thái hạt nhân 5 . 1.1 BỨC XẠ HẠT NHÂN 5 Bức xạ hạt nhân bao gồm các bức xạ được phát ra do sự biến đổi về cấu trúc của hạt nhân, trạng thái hạt nhân (kể cả sự sắp xếp lại lớp vỏ điện tử của nguyên tử). Cơ chế dò bức xạ dựa trên cơ sở năng lượng bức xạ sẽ truyền một phần hay toàn bộ cho môi trường vật chất của detector. Mỗi loại bức xạ có một cơ chế truyền năng lượng khác nhau. Các bức xạ hạt nhân thường gặp: 1.1.1 Bức xạ proton Bức xạ proton bao gồm proton, hạt nhân hay còn gọi là hạt anpha () và các hạt nhân khác phát xạ với năng lượng lên tới 10MeV trong các biến đổi hạt nhân. Khi các hạt này đi xuyên qua các môi trường vật chất, chúng sẽ mất dần năng lượng do xảy ra các quá trình ion hóa và kích thích nguyên tử. Dù có rất nhiều va chạm trên suốt quỹ đạo nhưng vì electron rất nhẹ so với hạt tới cho nên chỉ một phần năng lượng nhỏ mất mát trong một lần va chạm, do đó độ lệch của hạt không đáng kể và tầm hạt dịch chuyển thường tỉ lệ tuyến tính với năng lượng và gần như tỉ lệ nghịch với mật độ vật hấp thụ. Đối với 4 2 He proton, tầm hạt dịch chuyển cỡ vài centimeter trong không khí ở điều kiện thường và hạt  có năng suất ion hóa cao hơn của proton. 1.1.2 Electron Vì khối lượng nhỏ nên electron hay còn gọi là tia beta () có vận tốc lớn hơn rất nhiều và khả năng xuyên sâu có thể so sánh với proton. Độ mất mát năng lượng trung bình trong mỗi lần va chạm lớn (cỡ 50%) và độ lệch so với phương ban đầu lớn. Như vậy electron sẽ nhanh chóng bị hấp thụ sau một số ít lần va chạm. Quá trình mất năng lượng cũng do sự ion hóa và kích thích nguyên tử. 1.1.3 Tia gamma () và tia X Tia  và tia X là các bức xạ điện từ hay photon. Khi bị hấp thụ, chúng sẽ gây kích thích hạt nhân hoặc tạo ra electron do hiệu ứng quang điện. Đối với photon có năng lượng lớn (E  1,022MeV) có thể xảy ra quá trình tạo cặp electron và positron, khi đó phần năng lượng còn lại sẽ chuyển thành động năng của các hạt vừa tạo ra này. 1.1.4 Neutron Đối với neutron, vì không mang điện tích nên neutron không trực tiếp ion hóa nguyên tử. Thay vào đó neutron có thể tạo ra các bức xạ ion hóa thứ cấp qua các phản ứng hạt nhân, tạo ra proton giật lùi hoặc tạo ra phản ứng phân hạch các hạt nhân nặng khi chúng bắt neutron. 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT Theo thuyết lượng tử năng lượng thì bức xạ  chính là tập hợp gồm các photon riêng biệt được phát ra từ nguồn với năng lượng xác định E hν và động lượng tương ứng hp λ . Khi đi vào môi trường vật chất, chúng sẽ không bị trường Coulomb của hạt nhân nguyên tử hoặc electron giữ lại (bức xạ  không mang điện tích) mà có thể tương tác với các electron liên kết hoặc các electron tự do của môi trường vật chất, khi đó năng lượng của chúng sẽ bị hấp thụ hoàn toàn hoặc một phần trước khi thoát khỏi detector thông qua 3 quá trình tương tác chính: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp. Trong quá trình tương tác chúng sẽ tạo nên một chuỗi các photon và electron thứ cấp, tiếp tục di chuyển trong môi trường vật chất làm xảy ra các quá trình tương tác khác và năng lượng được giữ lại. 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 3  7 Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác mà năng lượng E hν của photon tới bị các electron liên kết hấp thụ hoàn toàn và bứt ra khỏi nguyên tử, gọi là các quang electron. electron quang điện photon tới Hình 1.1 : Hiệu ứng quang điện Năng lượng giật lùi của hạt nhân xem như không đáng kể, lúc này động năng của electron được xác định: eE h iν - E (1.1) Trong đó, Ei là năng lượng liên kết của electron ở tầng thứ i. Vì vậy, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng của photon tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử. Hình 1.2 Tiết diện hấp thụ  của hiệu ứng quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của tia  tới và điện tích Z của môi trường tương tác, cụ thể: – Nếu năng lượng của photon tới chỉ lớn hơn năng lượng liên kết của electron thì tiết diện hấp thụ 3,51σ E , nghĩa là nó giảm nhanh khi tăng năng lượng. – Nếu năng lượng của photon tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết thì tiết diện hấp thụ  giảm chậm hơn theo quy luật E-1. – Do năng lượng liên kết thay đổi theo bậc số nguyên tử Z nên tiết diện hấp thụ quang điện  tỷ lệ với Z, cụ thể là Z5, nghĩa là nó tăng rất nhanh đối với các nguyên tố nặng. Khi đó ta có được mối liên hệ giữa tiết diện hấp thụ quang điện  với năng lượng của tia  tới và điện tích Z của môi trường tương tác: 5 3,5 Zσ E  , khi iE E 5Zσ E  , khi E iE (1.2) Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế trong tương tác của photon với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp và ngay cả với vật liệu hấp thụ có Z lớn, đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với những tia  có năng lượng thấp và xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện sẽ lớn ngay cả với những tia  có năng lượng cao đối với những vật liệu nặng. Tuy nhiên hiệu ứng này không thể xảy ra với electron tự do vì với electron tự do: Định luật bảo toàn năng lượng: 20 e 0h 2ν m c E m c   (1.3) Mà: hν p c  (1.4) Suy ra: hν pc (1.5) Do đó năng lượng toàn phần của electron là: 2 e 0E E m c  (1.6) Suy ra: (1.7) 20E hν m c  Vì vậy: (1.8) 20E pc m c  Rõ ràng (1.8) không thỏa mãn hệ thức: 2 2 2 40E= p c + m c (1.9) Bên cạnh việc tạo ra các electron quang điện, tương tác này còn tạo ra các lỗ trống ở các lớp vỏ electron của nguyên tử. Lỗ trống này nhanh chóng bị lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hoặc tạo chuyển dời từ một electron khác ở các lớp cao hơn trong nguyên tử. Từ đó một hay nhiều tia X đặc trưng sẽ được tạo ra. Trong hầu hết các trường hợp, các tia X này sẽ bị hấp thụ trở lại thông qua hiện tượng hấp thụ quang điện. Trong một vài trường hợp, sự phát electron Auger sẽ thay cho các tia X đặc trưng. 1.2.2 Tán xạ Compton 7 Tán xạ Compton là quá trình tương tác của photon có năng lượng h với electron của nguyên tử, trong đó photon truyền một phần năng lượng cho electron và lệch đi so với hướng ban đầu với năng lượng h’ (h’< h). Do năng lượng của photon tới lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là tự do. Hiệu ứng này giống hệt nhau đối với tất cả các electron và do đó tiết diện hiệu dụng tương ứng tỉ lệ với bậc số nguyên tử Z của môi trường vật chất, chúng thường xảy ra với năng lượng của photon vào khoảng m0c2 và trở nên quan trọng hơn các hiệu ứng khác khi môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z nhỏ. electron Compton photon tới photon thứ cấp Hình 1.3 : Hiệu ứng Compton Khi photon tới va chạm với electron tự do (giả sử ban đầu đứng yên), sau va chạm photon bị tán xạ và lệch đi góc  so với phương ban đầu, còn electron được đánh bật ra khỏi phạm vi nguyên tử và chuyển động hợp với phương của photon tới một góc . Hình 1.4 Theo định luật bảo toàn động lượng: ep p' p     (1.10) Theo định luật bảo toàn năng lượng: ehν hν' E  (1.11) Từ (2.1), ta có: e hν hν' cosθ p cosφ c c   (1.12) e hν'0 sinθ - p sinφ c  (1.13) Theo lý thuyết tương đối:  2e e e 0p E E + 2m c (1.14) Trong đó: h = 6,626.10-34 Js, hằng số Planck, m0 = 9,1.10-31kg, khối lượng nghỉ của electron, c = 3.108 m/s, vận tốc ánh sáng trong chân không, m0c2 = 0,51 MeV, năng lượng nghỉ của electron, hν hν'p , p' c c   lần lượt là động lượng của photon ngay trước và sau khi va chạm, ep mv , động lượng của electron, 2 eE mc - m c 20 , động năng của electron, 0 2 2 mm v1- c  , khối lượng khi electron chuyển động với vận tốc v. Đặt 2 0 hνα m c  , từ các hệ thức trên, ta có: a) Độ thay đổi bước sóng 0 hΔλ λ' - λ (1- cosθ) m c   (1.15) Đặt -10c 0 hλ 2,426.10 cm m c   gọi là bước sóng Compton. Dễ thấy rằng độ thay đổi bước sóng theo một phương xác định không phụ thuộc vào bản chất của vật tán xạ cũng như năng lượng của photon tới. b) Năng lượng của photon tán xạ 2 0m chν ' 11- cosθ α   (1.16) 2 0 hνhν hν1 (1- co θ) m c   s (1.17) c) Liên hệ giữa góc lệch  và  1- cosθcotgφ (1 α) (1 α) tg sinθ 2    θ (1.18) 2 0 hν θcotgφ (1 ) tg m c 2   (1.19) d) Động năng của electron tán xạ eE hν - hν' (1.20) e α(1- cosθ)E hν 1 α(1- cosθ)  (1.21) Thực tế các electron của nguyên tử bị photon va chạm có năng lượng liên kết nhỏ hơn năng lượng của photon tới đều xảy ra hiệu ứng Compton. Khi năng lượng của photon tới cỡ năng lượng liên kết của electron thì tiết diện hiệu dụng đối với hiêu ứng quang điện thường rất lớn so với tiết diện hiệu dụng của hiệu ứng Compton, cho nên quá trình tán xạ Compton trở thành thứ yếu. Khi năng lượng của photon tăng thì ngược lại, lúc này hiệu ứng quang điện trở thành cơ chế tương tác thứ yếu, quá trính tán xạ Compton trở nên chiếm ưu thế trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết trung bình của electron trong nguyên tử. 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 7 Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác, trong đó photon bị biến mất trong trường lực hạt nhân và sinh ra một cặp electron và positron, đồng thời truyền toàn bộ năng lượng cho cặp electron – positron và hạt nhân giật lùi. Quá trình tương tác chỉ xảy ra chủ yếu với photon có năng lượng lớn hơn 20hν 2m c 1,022MeV.  positron photon tới photon hủy cặp electron Hình 1.5: Hiệu ứng tạo cặp Trong thực tế, xác suất xảy ra hiệu ứng này là rất thấp, trừ khi năng lượng của bức xạ  đạt đến khoảng vài MeV, do đó sự tạo cặp chỉ chiếm ưu thế ở vùng năng lượng cao. Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân. Theo định luật bảo toàn năng lượng: - + 2 0e e hν E E 2m c   (1.22) ( TA  0: động năng hạt nhân giật lùi ) Hiệu ứng tạo cặp không thể xảy ra trong chân không, vì trong trường hợp này: + - + 2 2 2 4 2 2 2 4 0 0e e e h e-ν p c m c p c m c p c p c      (1.23) Mà: + e-e hν p p c   (1.24) Suy ra: + -e ehν p c p c   (1.25) Rõ ràng có sự mâu thuẫn giữa hai phương trình (1.23) và (1.25). Các electron và positron được tạo ra sẽ mau chóng được làm chậm trong môi trường, quá trình xảy ra theo 3 trường hợp 2 : (1) Electron và positron được tạo ra và tiếp tục vận chuyển, quá trình vận chuyển của photon xem như chấm dứt. (2) Electron và positron được tạo ra và kết thúc. Nếu positron có năng lượng nhỏ hơn năng lượng kết thúc của electron thì không có photon sinh ra do hủy cặp. (3) Năng lượng của photon tới triệt tiêu khi tạo cặp electron – positron, khi đó positron hủy với electron tại điểm tương tác lúc này cả hạt và phản hạt đều biến mất và tạo ra hai photon có cùng năng lượng 0,511MeV nhưng có hướng ngược nhau. Sự hấp thụ năng lượng để xảy ra quá trình tạo cặp sẽ tăng theo năng lượng của photon tới và trở nên đáng kể ở năng lượng cao và môi trường vật chất có bậc số nguyên tử Z khá lớn. CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP 2.1 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 2.1.1 Giới thiệu về mô phỏng 6 Trong những năm đầu thập niên 50 sau thế chiến thứ II, cùng với sự phát triển của các lĩnh vực quan trọng như: vật lí hạt nhân, lý thuyết nguyên tử, các nghiên cứu về vũ trụ, năng lượng hạt nhân hoặc chế tạo các thiết bị phức tạp, việc giải quyết những vấn đề này đòi hỏi dựa trên các kỹ thuật toán học ưu việt, trong khi hệ thống kỹ thuật có vào thời bấy giờ gặp phải nhiều khó khăn và hạn chế. Mặt khác, sự phát triển của máy tính điện tử trong thời gian này đã cho phép chúng ta có thể ứng dụng để tính toán và mô tả định lượng các hiện tượng được nghiên cứu, do đó phạm vi giải các bài toán được mở rộng, hình thành nên việc thử nghiệm trên máy tính và chính thức khai sinh ra phương pháp mô phỏng. Người ta thường sử dụng máy tính để mô phỏng hệ thống, bao gồm những phương tiện, các quy trình công nghệ, vật liệu hay các quá trình vật lý, thông qua một số giả thiết dưới dạng mô hình. Nếu các hệ thức hợp thành mô hình thuộc loại đơn giản ta có thể dùng phương pháp toán học để nhận được chính xác các thông tin cần thiết, đó chính là phương pháp giải tích. Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống cần nghiên cứu thường rất phức tạp, không thể giải quyết bằng phương pháp giải tích, khi đó phải dùng đến phương pháp mô phỏng trên máy tính. Mô phỏng liên quan đến phiên bản máy tính hóa của mô hình được chạy theo thời gian để nghiên cứu những ảnh hưởng của các tương tác xác định. Mô phỏng là xử lí mô hình nhưng được trình bày dưới dạng số học trên máy tính xem dữ kiện đầu vào ảnh hưởng thế nào đến kết quả đầu ra. Mô phỏng có tính lặp trong phát triển: xây dựng mô hình, hiểu biết từ mô hình và tiếp tục các phép lặp cho đến mức hiểu biết thích hợp. 2.1.2 Phương pháp Monte Carlo 2 Phương pháp Monte Carlo là kỹ thuật định hướng máy tính, điểm nổi bật nhất là tất cả các quá trình vật lý của hạt thực được mô phỏng đầy đủ bằng "hạt mô hình". Hiện nay, phương pháp Monte Carlo đã được chứng tỏ là công cụ mạnh mẽ và linh hoạt để tính toán quá trình vận chuyển của hạt thực, nó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu lò phản ứng và thiết kế che chắn nguồn bức xạ, đó là những công việc mà không thể được mô tả một cách thỏa đáng bằng những kỹ thuật toán học khác. Về nguyên tắc, phương pháp Monte Carlo chính là việc thực hiện các vấn đề thực nghiệm trên máy tính bằng việc mô phỏng các quá trình vật lý thực tế có liên quan đến các tính chất của hạt thực. Sự mô phỏng các quá trình vật lý bằng phương pháp Monte Carlo xuất phát từ việc sử dụng các số ngẫu nhiên để xác định kết quả của sự kiện ngẫu nhiên kế tiếp. Vì thế phương pháp Monte Carlo cũng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu quá trình vận chuyển của tia  trong môi trường vật chất của detector. Phương pháp Monte Carlo cho phép xây dựng một chuỗi các quá trình tương tác của hạt bằng cách sử dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên cùng với các quy luật xác suất có thể mô tả tất cả các tính chất của một hạt thực và quá trình hạt đi lại ngẫu nhiên trong môi trường vật chất. Quá trình tương tác của một "hạt mô hình" được theo dõi cho đến khi thông tin về hạt ít hơn giới hạn cho phép, khi đó quá trình sống của hạt được xem như kết thúc. Một hạt mới được phát ra từ nguồn, quá trình vận chuyển của hạt mới lại tiếp tục diễn ra tương tự. Phương pháp Monte Carlo chủ yếu dựa vào các khái niệm thống kê, vì thế thường cho lời giải không duy nhất. Đây là hạn chế lớn nhất của phương pháp Monte Carlo, do đó hiển nhiên sai số thống kê tồn tại trong kết quả. Để giảm bớt sai số đến mức có thể chấp nhận được, thông thường đòi hỏi một lượng rất lớn số các quá trình tương tác của hạt từ khi "sinh ra" đến khi "mất đi", nhưng lại tốn kém quá nhiều thời gian tính toán. Việc tính toán bằng phương pháp Monte Carlo cho phép chỉ ra sự khác nhau giữa lý thuyết và thực nghiệm vì lẽ tốc độ ghi nhận của máy tính nói chung là thấp so với quá trình đo đạc thực tế. Tuy nhiên phương pháp Monte Carlo có tính ưu việt đối với sự đa dạng của cách bố trí hình học đo và quá trình vật lý phức tạp với khả năng thực sự hơn hẳn các cách khảo sát quá trình vận chuyển khác. Mô phỏng một quá trình vật lý bằng phương pháp Monte Carlo, có thể phân biệt theo hai dạng cơ bản sau: – Phương pháp tương tự: là việc sử dụng thủ tục lấy mẫu ngẫu nhiên và sơ đồ hoá sao cho tương tự với quá trình vật lý thực tế. Ở phương pháp này có tính đồng nhất cao giữa các hạt vật lý và các "hạt mô hình" thường được đi kèm bằng chương trình máy tính. – Phương pháp không tương tự: thường được sử dụng để cải thiện hiệu quả thống kê, do đó, phương pháp này cho phép rút gọn đáng kể sai số thống kê của phương pháp Monte Carlo xung quanh giá trị trung bình. Tuy nhiên, đối với phương pháp không tương tự, các "hạt mô hình" thường khó đồng nhất với các hạt thực, vì thế cần phải có một chương trình máy tính hoàn thiện để phù hợp với trực giác vật lý của chúng ta.  22.2 CHƯƠNG TRÌNH MCNP 2.2.1 Giới thiệu về chương trình MCNP MCNP (Monte Carlo N-Particle) là chương trình máy tính được viết theo phong cách của Thomas N. K. Godfrey, nhà lập trình MCNP hàng đầu trong những năm 1975-1989. MCNP là chương trình đa mục đích, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt neutron, photon và electron riêng biệt hoặc kết hợp neutron/photon, neutron/photon/electron, photon/electron và electron/photon trong môi trường vật chất. Trong MCNP miền năng lượng tính toán của neutron là 10-11MeV – 20MeV, của photon và electron là 10-3MeV – 103MeV. Thư viện số liệu hạt nhân và tiết diện tương tác phụ thuộc liên tục vào năng lượng của bức xạ neutron, photon và electron cung cấp cho chương trình MCNP được chuẩn bị từ các hệ thống dữ liệu ENDF (Evaluated Nuclear Data File), ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) và ACTL (Activation Library) tại Livermore và các đánh giá của Applied Nuclear Science Group (ANSG T-2) tại Los Alamos, sau đó chúng được mã hoá ở dạng thích hợp (chẳng hạn NJOY) để cung cấp cho MCNP. Cho đến nay, đã có rất nhiều phiên bản MCNP ra đời với việc không ngừng cập nhật các tính năng mới để nâng cấp chương trình và được cung cấp tới người sử dụng thông qua Trung tâm Thông tin An toàn bức xạ ở Oak Ridge, Tennesse, USA. Các phiên bản của MCNP bao gồm: – Trong suốt thập niên 1980, các phiên bản MCNP3 (1983), MCNP3A (1986) và MCNP3B (1988) lần lượt ra đời tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. – Phiên bản MCNP4 (1990): MCNP4A (1993), MCNP4B (1997) với việc tăng cường các quá trình vật lý của photon. Đến năm 2000, MCNP4C2 ra đời với các tính năng của electron được cập nhật. – Năm 2003, phiên bản MCNP5 được công bố cùng với việc cập nhật các quá trình tương tác mới: va chạm quang hạt nhân… – Ngoài ra còn có thêm phiên bản MCNPX 2.4.0 ra đời vào năm 2002 với các mức năng lượng và chủng loại hạt được mở rộng. 2.2.2 Các bước thực hiện quá trình mô phỏng Quá trình mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng MCNP được thực hiện theo lưu đồ sau: Đối với bài toán cụ thể, trước tiên người sử dụng cần phải tạo lập một tập tin input, trong đó có chứa các thông tin cần thiết để mô tả bài toán. Những vấn đề được mô tả trong tập tin input phải thoả mãn các chuẩn mực của chương trình MCNP.  Về đơn vị: + độ dài tính bằng cm + năng lượng tính bằng MeV + thời gian tính bằng shake (10-8s) + nhiệt độ tính bằng MeV (kT) + mật độ nguyên tử tính bằng nguyên tử/barn-cm + mật độ khối lượng tính bằng g/cm3 + tiết diện tương tác tính bằng barn (10-24cm2) + số tạo nhiệt tính bằng MeV/va chạm + tỉ số khối lượng nguyên tử tính theo khối lượng neutron 1,008664967 với hằng số Avogadro 0,59703109.10-24  Về cấu trúc của tập tin INPUT: Các dòng thông báo Tuỳ ý Một hoặc nhiều dòng trống phân cách Một dòng khai báo tiêu đề bài toán Các thẻ ô . . Các thẻ mặt . . Một hoặc nhiều dòng trống phân cách Các thẻ dữ liệu . . Một hoặc nhiều dòng trống khai báo kết thúc (tuỳ ý) – Về thẻ ô (cell card): Thẻ ô được mô tả như sau: j m d geom params hoặc j LIKE n BUT list Trong đó: j - số thẻ ô (1  j  99999). m - số thẻ vật liệu (m=0 nếu ô không có vật liệu, m0 nếu ô có vật liệu) d - mật độ vật chất, bỏ trống nếu ô không có vật liệu (d là số dương nếu đơn vị của d là 1024nguyên tử/cm3, d là số âm nếu đơn vị của d là g/cm3) geom - mô tả hình học của ô params (tuỳ ý) - mô tả các tham số của ô n - tên của một ô khác list - các từ khoá mô tả các thuộc tính khác nhau giữa ô thứ n và ô thứ j – Về thẻ mặt (surface card): Thẻ mặt được mô tả như sau: j n a list Trong đó: j - số thẻ mặt (1  j  99999). j* nếu là bề mặt phản chiếu, j+ nếu là bề mặt giới hạn trắng n=0 hoặc bỏ trống khi không có dịch chuyển toạ độ, n>0 mô tả số thẻ TRn, n<0 mô tả bề mặt j lặp lại với bề mặt n a - từ khoá thay thế phương trình biểu diễn bề mặt 1  list  10 - các tham số của phương trình biểu diễn bề mặt – Về thẻ dữ liệu (data card): Có các kiểu thẻ số liệu như sau: + Thẻ MODE: mô tả loại hạt vận chuyển, MCNP có thể chạy theo các MODE như sau: MODE N chỉ tính cho neutron MODE N P tính cho neutron, photon được tạo ra từ neutron MODE P chỉ tính cho photon MODE E chỉ tính cho electron MODE P E tính cho photon và electron MODE N P E tính cho neutron, photon được tạo ra từ neutron và electron + Thẻ IMP (cell important cards): mô tả độ quan trọng tương đối của ô. IMP:n x1 x2 … xi … xI Trong đó: n=N nếu là neutron, n=P nếu là photon, n=E nếu là electron. N, P hoặc P, E hoặc N, P, E xi - độ quan trọng của ô thứ i I - số ô có trong bài toán Vì đây là loại thẻ mô tả độ quan trọng của mỗi ô, do đó ta có thể khai báo trực tiếp thẻ IMP sau các mặt trong mỗi ô (cell cards) thay vì đưa vào trong khối thẻ dữ liệu (data cards). + Thẻ SDEF (source cards): mô tả nguồn bao gồm các tham số cơ bản như sau: POS = x y z vị trí nguồn CEL = số ô ô chứa nguồn ERG = năng lượng năng lượng hạt nguồn WGT = trọng số trọng số hạt nguồn TME = thời gian thời điểm bắt đầu tính đối với nguồn PAR = 1 hoặc 2 hoặc 3 1 - N, N P, N P E ; 2 - P, P E ; 3- E Một số phần hỗ trợ cho thẻ nguồn:  Thẻ SIn (soure information): mô tả thông tin nguồn: SIn option Ii … Ik Trong đó: n: số phân bố Option: H: chỉ ô nguồn (histogram bin boundaries) L: nhiều ô nguồn rời rạc A: nguồn điểm S: số phân bố kế tiếp Ii ... Ik: giá trị của nguồn hoặc số phân bố  Thẻ SPn (soure probability): mô tả xác suất nguồn. SPn option Pi … Pk hoặc: SPn f a b Trong đó: n: số phân bố Option: D: cho phân bố H hoặc L trên thẻ SI C: số cell phân bố tích lũy V: số cell phân bố tỉ lệ với thể tích Pi … Pk: xác suất giữa nhiều nguồn f, a, b : các tham số  Thẻ SBn (soure bias): mô tả biến nguồn SBn: option Bi … Bk hoặc: SBn f a b Tương tự như khai báo thẻ SP, trong đó: Bi … Bk: các xác suất biến đổi nguồn + Thẻ truy xuất kết quả (tally card): bao gồm các kiểu truy xuất kết quả được trình bày trong bảng 2.1: Bảng 2.1: Các loại tally KÍ HIỆU TALLY MÔ TẢ F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E Dòng phân tích qua bề mặt F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Thông lượng mặt trung bình F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Thông lượng cell trung bình F5a:N hoặc F5a:P Thông lượng điểm hay đầu dò F6:N hoặc F6:N,P hoặc F6:P Năng lượng trung bình để lại trong cell F7:N Năng lượng mất mát trong phân hạch F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E Phân bố năng lượng theo độ cao xung được tạo ra trong detector + Thẻ vật liệu: mô tả vật liệu chứa trong ô: Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 … Trong đó: m - số thẻ vật liệu tương ứng với tham số m trên thẻ ô ZAIDi - số nhận diện đồng vị phóng xạ thứ i fractioni - tỉ phần đồng vị phóng xạ thứ i. + Thẻ kết thúc tính toán: MCNP có thể kết thúc tính toán theo những cách như sau: NPS N : MCNP sẽ kết thúc tính toán sau N quá trình Trong đó: N - số quá trình của hạt CTME x : MCNP sẽ kết thúc tính toán sau thời gian x Trong đó: x - khoảng thời gian (phút) để chạy chương trình  Tuỳ thuộc vào yêu cầu của bài toán cần truy xuất kết quả, MCNP sẽ tạo ra một tập tin OUTPUT, trong đó có chứa các bảng thông tin tóm tắt kết quả chuẩn, các bảng số liệu được yêu cầu truy xuất. CHƯƠNG 3 HỆ PHỔ KẾ GAMMA DÙNG DETECTOR HPGe GC1518 3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA 3  7 3.1.1 Hiệu suất Về nguyên tắc, tất cả detector sẽ cho xung ra khi có bức xạ tương tác với môi trường vật chất của detector. Đối với các bức xạ không mang điện như gamma hoặc neutron thì khi đi vào detector chúng phải qua nhiều quá trình tương tác thứ cấp trước khi có thể được ghi nhận vì những bức xạ này có thể truyền qua khoảng cách lớn giữa hai lần tương tác và như thế chúng có thể thoát ra ngoài vùng làm việc của detector. Vì vậy hiệu suất của detector (detection efficiency) thường nhỏ hơn 100%. Lúc này, hiệu suất của detector rất cần thiết để liên hệ số đếm xung với số photon hoặc neutron tới detector. Hiệu suất đếm của detector có thể được chia làm hai loại: hiệu suất tuyệt đối (absolute effect) và hiệu suất thuần (intrinsic effect):  Hiệu suất tuyệt đối: số xung được ghi nhận  abs = (3.1) số bức xạ phát ra từ nguồn  Hiệu suất thuần: số xung được ghi nhận  int = (3.2) số bức xạ tới detector So với hiệu suất tuyệt đối thì hiệu suất thuần tiện lợi nhiều hơn vì nó hầu như không phụ thuộc vào yếu tố hình học giữa detector với nguồn mà chỉ phụ thuộc vào vật liệu detector, năng lượng bức xạ tới và bề dày vật lý của detector theo hướng bức xạ tới. Sự phụ thuộc nhỏ vào khoảng cách giữa nguồn và detector vẫn còn vì quãng đường trung bình của bức xạ xuyên qua detector sẽ thay đổi một ít theo khoảng cách này. Ngoài ra, nếu dựa trên bản chất của bức xạ được ghi nhận, hiệu suất đếm của detector có thể được phân loại như sau:  Hiệu suất toàn phần (total efficiency): là hiệu suất được tính cho detector trong trường hợp tất cả các tương tác dù có năng lượng thấp cũng giả sử được ghi nhận. Trong phân bố độ cao xung vi phân giả thiết trong hình 3.1, diện tích toàn phần dưới đỉnh phổ là tổng tất cả các xung không để ý đến biên độ được ghi nhận, có thể được chỉ ra từ định nghĩa của hiệu suất toàn phần. Trong thực tế, bất kỳ hệ đo nào cũng đòi hỏi các xung được ghi nhận phải lớn hơn một mức ngưỡng xác định nào đó được đặt ra nhằm loại các nhiễu do thiết bị tạo ra. Như thế, chúng ta chỉ có thể tiến tới thu được hiệu suất toàn phần lý tưởng bởi việc đặt mức ngưỡng này càng thấp càng tốt.  Hiệu suất đỉnh (peak efficiency): là hiệu suất được tính cho detector trong trường hợp giả sử chỉ có những tương tác mà làm mất hết toàn bộ năng lượng của bức xạ tới mới được ghi nhận. ._.