BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe KIỂU p BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe KIỂU p BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh – 2011 3 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ thầy cô, bạn bè và gia đình. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: Thầy TS. Trần Văn Hùng, người hướng dẫn khoa học, đã tận tình hướng dẫn phương pháp nghiên cứu khoa học, chỉ bảo kiến thức và giúp tôi vượt qua những vướng mắc trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy TS. Võ Xuân Ân, người đã gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng góp những ý kiến quý báu, truyền đạt tinh thần làm việc hăng say, lòng tự tin trong nghiên cứu khoa học. Bạn Trịnh Hoài Vinh đã hỗ trợ, giúp đỡ và cùng giải quyết những khó khăn gặp phải trong quá trình làm luận văn một cách rất nhiệt tình. Quý thầy cô Trường Trung học Phổ thông chuyên Lê Quý Đôn Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thời gian, công việc để tôi có thể chuyên tâm hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động viên để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học. 4 MỤC LỤC 0TLỜI CẢM ƠN0T 3 0TMỤC LỤC0T 4 0TBẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT0T 7 0TMỞ ĐẦU0T 8 0TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN0T 11 0T1.1. TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT0T 11 0T1.1.1. Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect)0T 11 0T1.1.2. Tán xạ Compton (Compton scattering)0T 14 0T1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp (pair production)0T 17 0T1.1.4. Tán xạ Rayleigh (Rayleigh scattering)0T 19 0T1.2. DETECTOR GHI BỨC XẠ GAMMA0T 19 0T1.2.1. Các loại detector và nguyên lý hoạt động0T 19 0T1.2.1.1. Detector chứa khí0T 19 0T1.2.1.2. Detector nhấp nháy0T 20 0T1.2.1.3. Detector bán dẫn0T 21 0T1.2.2. Hiệu suất0T 23 0T1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector0T 25 0TCHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP5 0T 26 0T2.1. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO0T 26 0T2.1.1. Giới thiệu chung0T 26 5 0T2.1.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo0T 27 0T2.2. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP50T 28 0T2.2.1. Giới thiệu0T 28 0T2.2.2. Thư viện số liệu và phản ứng hạt nhân trong MCNP50T 30 0T2.2.3. Các mô hình tương tác của photon với vật chất trong MCNP50T 30 0T2.2.4. Các bước thực hiện bài toán mô phỏng0T 36 0T2.2.5. Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F80T 37 0T2.3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG NGHIÊN CỨU HỆ PHỔ KẾ GAMMA0T 40 0T2.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới0T 41 0T2.3.2. Các nghiên cứu trong nước0T 46 0TCHƯƠNG 3: PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe GEM 15P4 KIỂU p 0T 48 0T3.1. XÂY DỰNG INPUT CHO CHƯƠNG TRÌNH MCNP50T 48 0T3.1.1. Hệ phổ kế gamma phông thấp tại Trường ĐHSP TP HCM0T 48 0T3.1.1.1. Detector HPGe GEM 15P40T 49 0T3.1.1.2. Buồng chì0T 52 0T3.1.2. Mô hình hoá hệ phổ kế gamma bằng chương trình MCNP50T 52 0T3.1.3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình0T 55 0T3.1.4. Input mẫu cho bài toán nghiên cứu phân bố hiệu suất0T 59 0T3.2. XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ HIỆU SUẤT0T 60 0T3.2.1. Phân bố hiệu suất theo vị trí đặt nguồn0T 60 0T3.2.2. Phân bố hiệu suất theo năng lượng0T 67 0T3.2.3. Phân bố hiệu suất theo mật độ0T 75 6 0TCHƯƠNG 4: KẾT LUẬN CHUNG0T 90 0TKIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO0T 92 0TTÀI LIỆU THAM KHẢO0T 93 0TPHỤ LỤC0T 99 7 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh ACTL Thư viện số liệu ACTL ACTivation Library CYLTRAN Chương trình mô phỏng Monte Carlo CYLTRAN CYLTRAN An electron/photon transport code DE Thoát đôi Double Escape DETEFF Chương trình mô phỏng Monte Carlo DETEFF DETector EFFiciency ĐHSP Đại học Sư phạm - EGS Chương trình mô phỏng Monte Carlo EGS Electron Gamma A Monte Carlo simulation code of the coupled transport of electrons and photon ENDF Thư viện số liệu ENDF Evaluated Nuclear Data File ENDL Thư viện số liệu ENDL Evaluated Nuclear Data Library FWHM Độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại một nữa chiều cao cực đại Full Width at Half Maximum Ge(Li) Detector germanium khuếch tán lithium Germanium(Lithium) GEANT Chương trình mô phỏng Monte Carlo GEANT GEANT A toolkit for the simulation of the passage of particles through matter GESPECOR Chương trình mô phỏng Monte Carlo GESPECOR Germanium SPEctroscopy CORrection Factors HPGe Detector germanium siêu tinh khiết High Purity Gemanium MCNG Chương trình Monte Carlo ghép cặp neutron - gamma Monte Carlo Neutron Gamma MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP Monte Carlo N – Particle P/C Tỉ số đỉnh/Compton Peak/Compton PENELOPE Chương trình mô phỏng Monte-Carlo PENELOPE PENetration and Energy LOss of Positron and Electrons PTN Phòng thí nghiệm - SE Thoát đơn Single Escape TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh - 8 MỞ ĐẦU Việc chế tạo thành công các loại detector bán dẫn germanium siêu tinh khiết (high purity germanium - HPGe) với độ phân giải và hiệu suất đếm cao vào những năm 1980 là một bước ngoặt trong lịch sử phát triển các thiết bị ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma vì nó đã cải thiện đáng kể độ chính xác của các phép phân tích bằng phương pháp hạt nhân. Hiện nay trên thế giới detector HPGe ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các phép đo phổ gamma của các mẫu phóng xạ. Ở nước ta nhiều nơi như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Hạt nhân TPHCM, Trường ĐHSP TPHCM… đã trang bị và ứng dụng hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe trong nghiên cứu khoa học và triển khai ứng dụng. Trong các bài toán do thực tiễn đặt ra như phân tích mẫu môi trường, nghiên cứu sự hấp thụ của gamma trong các môi trường khác nhau để thiết kế che chắn bức xạ… người làm thực nghiệm phải tiến hành đo đạc cường độ chùm tia gamma ở nhiều đỉnh năng lượng đối với các chất nền khác nhau và cách bố trí hình học đo cũng thay đổi tùy theo đặc điểm cụ thể của từng loại mẫu. Để xác định cường độ chùm tia gamma, điều cần thiết là phải biết chính xác hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần ở cấu hình đo tương ứng. Do đó, để sử dụng hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe một cách có hiệu quả đòi hỏi người làm thực nghiệm phải theo dõi sự thay đổi hiệu suất của detector ứng với các đỉnh năng lượng khác nhau, cũng như theo các cách bố trí hình học đo khác nhau. Một trong những công việc đó là cần phải khảo sát sự phân bố hiệu suất c ủa detector HPGe theo vị trí đặt nguồn, theo năng lượng tia gamma và mật độ vật chất xung quanh detector. Có hai cách để giải quyết vấn đề này, đó là cách tiếp cận thực nghiệm và cách tiếp cận mô phỏng. Đối với cách tiếp cận thực nghiệm, để khảo sát phân bố hiệu suất theo các vị trí đặt nguồn khác nhau, ứng với các đỉnh năng lượng khác nhau đòi hỏi 9 người làm thực nghiệm phải chuẩn bị rất nhiều nguồn chuẩn phóng xạ và tiến hành một số rất lớn các phép đo, do đó sẽ gây tốn kém rất nhiều chi phí, thời gian và sức lực. Trong điều kiện như vậy thì cách tiếp cận mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo ứng dụng trong chương trình MCNP5 là một trong những công cụ toán học mạnh để giải quyết vấn đề. Chương trình MCNP5 cho phép mô hình hóa các cấu trúc hình học đo phức tạp bất kì, hơn nữa không cần phải trang bị các nguồn đơn năng khác nhau mà chỉ cần thông số của các nguồn này, chúng có thể lấy từ các bảng số liệu hạt nhân hoặc do nhà sản xuất cung cấp. Như vậy cách tiếp cận mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo ứng dụng trong chương trình MCNP5 sẽ giúp các nhà khoa học vật lí hạt nhân giảm thiểu được rất nhiều chi phí, thời gian và công sức. Trong nước và trên thế giới đã có hàng ngàn công trình sử dụng phương pháp Monte Carlo để chuẩn hiệu suất cho detector gamma [17], [21], [26]. Không chỉ khẳng định hiệu lực trong việc tính toán hiệu suất, các nghiên cứu còn cho thấy nhiều ưu điểm khác của phương pháp này. Một khi đã mô hình hóa chính xác detector, phương pháp Monte Carlo có thể mô phỏng phổ gamma của các nguồn phóng xạ ở nhiều matrix và cấu hình khác nhau [8]; tính toán các hệ số hiệu chỉnh trong các hiệu ứng trùng phùng, hiệu ứng matrix và hiệu ứng mật độ cho một loại mẫu bất kỳ [1], [25], [33]; khảo sát các yếu tố liên quan đến đáp ứng của detector đối với bức xạ gamma tới [4], [12]; thiết kế hệ phổ kế triệt nền Compton [48]. Ngoài ra đây còn là một công cụ lý thuyết mạnh để đánh giá và theo dõi sự thay đổi của hệ phổ kế gamma theo thời gian [7], [9], [42]. Chính nhờ ưu điểm này mà phương pháp Monte Carlo đã được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt các chương trình mô phỏng dựng sẵn như MCNP5 đã góp phần thúc đẩy việc sử dụng phương pháp mô phỏng trong lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân. Từ những phân tích trên chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phân bố hiệu suất của detector HPGe kiểu p bằng chương trình MCNP5”. 10 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này là: (1) xây dựng input cho MCNP5; (2) khảo sát phân bố hiệu suất theo vị trí đặt nguồn; (3) khảo sát phân bố hiệu suất theo năng lượng; (4) khảo sát phân bố hiệu suất theo mật độ vật chất xung quanh detector. Đối tượng nghiên cứu của luận văn này là detector HPGe GEM 15P4 loại p được sản xuất bởi EG&G Ortec (Oak Ridge, Tennessee) đặt tại PTN Vật lý hạt nhân, Trường ĐHSP TPHCM. Phương pháp nghiên cứu của luận văn này là phương pháp mô phỏng Monte Carlo ứng dụng trong chương trình MCNP5 được xây dựng bởi PTN quốc gia Los Alamos, Hoa Kỳ. Trong luận văn này chương trình MCNP5 đã được sử dụng dưới sự cho phép của Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân. Nội dung luận văn sẽ được trình bày trong 4 chương như sau:  Chương 1: TỔNG QUAN, giới thiệu một cách khái quát các vấn đề về tương tác của photon với vật chất, các loại detector và phương pháp tính toán hiệu suất detector.  Chương 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP5, giới thiệu phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP5, các bước thực hiện bài toán mô phỏng, những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài.  Chương 3: PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe GEM 15P4 KIỂU p, trình bày cách thức xây dựng input mẫu cho bài toán nghiên cứu phân bố hiệu suất, xác định phân bố hiệu suất theo vị trí đặt nguồn, theo năng lượng tia gamma và theo mật độ vật chất xung quanh detector.  Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, tổng kết và đánh giá các kết quả đạt được, đưa ra kiến nghị về những hướng nghiên cứu khác liên quan đến nội dung luận văn. [...]... nhiên phân bố đều trên khoảng (0, 1) và có mật độ xác suất bằng 1 Có nhiều phương ph p tạo ra t p số ngẫu nhiên: phương ph p biến đổi ngược, phương ph p ch p nhận - loại bỏ, phương ph p đồng dư tuyến tính… Trong đó phương ph p đồng dư tuyến tính được dùng phổ biến nhất trong nhiều ngôn ngữ l p 28 trình C, Fortran… Đồng thời cũng là phương ph p chính được sử dụng trong chương trình MCNP5 2.2 CHƯƠNG TRÌNH... điện, hiệu suất t p h p điện tích và đóng g p của các nhiễu điện tử làm cho quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm có dạng Gauss Do đó quá trình mô phỏng phổ gamma còn sử dụng tùy chọn GEB (Gauss Energy Broadening) của thẻ FT8 trong chương trình MCNP5 Khi đó phổ gamma mô phỏng phù h p tốt với phổ gamma thực nghiệm Dựa trên cơ sở phổ gamma mô phỏng này hiệu suất tính toán của detector được xác định bằng. .. Những tính toán này chủ yếu là các tính toán tới hạn lò phản ứng và các phân bố trường liều bức xạ 30 Trong luận văn này, phương ph p mô phỏng Monte Carlo dựa trên cơ sở chương trình MCNP5 đã được sử dụng để mô hình hóa cấu hình detector - buồng chì và nghiên cứu phân bố hiệu suất của detector 2.2.2 Thư viện số liệu và phản ứng hạt nhân trong MCNP5 MCNP5 sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên... - Phần bức xạ đi khỏi detector - Góc nhìn của nguồn đối với detector - Vấn đề hạn chế của hàm đ p ứng thời gian của detector làm trùng phùng số đếm các gamma nối tầng trong nguồn phân rã đa năng dẫn đến sự thêm hoặc mất số đếm ở đỉnh năng lượng toàn phần 26 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PH P MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN BỨC XẠ MCNP5 2.1 PHƯƠNG PH P MONTE CARLO 2.1.1 Giới thiệu chung Phương ph p. .. hoạt của detector 24 Hiệu suất đỉnh và hiệu suất toàn phần được liên hệ với nhau qua tỉ số đỉnh / toàn phần, gọi là tỉ số P/ T P /T = p εt (1.9) Do xác suất của mỗi cơ chế tương tác phụ thuộc vào năng lượng của photon tới nên hiệu suất đỉnh và tỉ số P/ T cũng phụ thuộc vào năng lượng Trong đo đạc thực nghiệm trên hệ phổ kế gamma, khái niệm hiệu suất được hiểu là hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần... g p trong quang đỉnh R R R R R R của phổ gamma thực nghiệm (N pe ), cường độ phát xạ của tia gamma (y) và hoạt độ R R nguồn đo (A) tương ứng Trong tính toán MCNP5, hiệu suất của detector được xác định bằng công thức [27] 25 εc = N pc Ns (1.12) Trong đó: ε c , N s , N pc lần lượt là hiệu suất tính toán, số photon phát ra từ nguồn theo mọi hướng và số photon đóng g p vào quang đỉnh của phổ gamma mô phỏng... đối của hiệu suất tính toán được xác định theo công thức Uc = 1 N pc (1.13) 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi của detector Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất detector bao gồm: - Phần bức xạ đi trực ti p từ vật liệu phóng xạ vào detector - Phần bức xạ sẽ tán xạ ngược vào detector sau khi phát ra từ vật liệu phóng xạ nhưng không đi đến detector - Phần bức xạ bị h p thụ bởi l p bao bọc detector. .. nhận một phần Dựa vào đặc điểm trên, có hai loại hiệu suất được định nghĩa [19], [23]: - Hiệu suất toàn phần (total efficiency) ε t : đó là xác suất của một photon phát ra từ R R nguồn để lại bất cứ năng lượng nào khác không trong thể tích vùng hoạt của detector - Hiệu suất đỉnh (peak efficiency) ε p : được xác định bằng xác suất của một photon R R phát ra từ nguồn để lại toàn bộ năng lượng của nó trong... và năng lượng của tia gamma tán xạ sau đó lại được xác định bằng việc lấy mẫu theo các hàm phân bố xác suất thích h p Các sản phẩm con cháu (electron quang điện, electron vỏ K, tia X của quá trình quang điện; electron và tia gamma tán xạ của quá trình tán xạ Compton; electron, positron và các photon hủy c p của quá trình tạo c p ) sẽ ti p tục tương tác bên trong thể tích hoạt động của detector cho đến... lớn nhất, nâng cao hiệu suất của detector bằng cách chế tạo các đơn tinh thể bán dẫn lớn hơn hoặc lựa chọn hình học đo giữa nguồn và detector thích h p 1.2.2 Hiệu suất Hiệu suất ghi của detector được xác định như là tỉ lệ phần trăm của bức xạ ion hóa đi vào detector và được ghi nhận Cơ chế ghi nhận của detector dựa theo tương tác của bức xạ trong môi trường vật chất của detector Một photon tới tương . SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe KIỂU p BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5. 3: PHÂN BỐ HIỆU SUẤT CỦA DETECTOR HPGe GEM 1 5P4 KIỂU p 0T 48 0T3.1. XÂY DỰNG INPUT CHO CHƯƠNG TRÌNH MCNP50 T 48 0T3.1.1. Hệ phổ kế gamma phông th p tại