Đề tài Khảo sát ảnh hưởng của matrix và hiệu ứng mật độ lên hiệu suất đỉnh của hệ phổ kế gamma đầu dò hpge bằng chương trình MCNP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MATRIX VÀ HIỆU ỨNG MẬT ĐỘ LÊN HIỆU SUẤT ĐỈNH CỦA HỆ PHỔ KẾ GAMMA ĐẦU DÒ HPGe BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP SVTH : ĐỖ PHẠM HỮU PHONG CBHD : Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN CN ĐẶNG NGUYÊN PHƯƠNG CBPB : Th.S HUỲNH TRÚC PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH - 2008 Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Bộ môn Vật Lý Hạt nhân, các thầy cô trong Khoa Vật Lý – Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian qua. Em xin cảm ơn cô Trương Thị Hồng Loan, người đã hướng dẫn em hoàn thành khoá luận này và anh Đặng Nguyên Phương, người đã chỉ dạy em rất nhiều kiến thức quý giá. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình cùng tất cả bạn bè, những người luôn giúp đỡ tôi khi khó khăn. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Đỗ Phạm Hữu Phong Khoá luận tốt nghiệp - 1 - MỤC LỤC Danh mục các bảng ............................................................................................... 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................... 5 Lời mở đầu ............................................................................................................. 6 Chương 1 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 1.1. Giới thiệu về mô phỏng ............................................................................. 7 1.1.1. Giới thiệu .......................................................................................... 7 1.1.2. Các loại mô phỏng ............................................................................ 7 1.1.3. Vai trò của mô phỏng ........................................................................ 8 1.2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo ........................................................ 8 1.2.1. Giới thiệu .......................................................................................... 8 1.2.2. Tổng quan về MCNP ........................................................................ 9 1.3. Code MCNP4C2 ....................................................................................... 10 1.3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 10 1.3.2. Cấu trúc file input ............................................................................. 10 1.3.2.1. Cell card .................................................................................... 10 1.3.2.2. Surfaces Card ............................................................................ 11 1.3.2.3. Mn Card .................................................................................... 12 1.3.2.4. Source Card .............................................................................. 13 1.3.3. Tally .................................................................................................. 13 1.3.4. Ví dụ .................................................................................................. 15 Khoá luận tốt nghiệp - 2 - Chương 2 GIỚI THIỆU BỨC XẠ GAMMA VÀ HỆ ĐO HPGE 2.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất ................................................18 2.1.1. Khái quát về tia gamma .................................................................... 18 2.1.2. Hiệu ứng quang điện ......................................................................... 19 2.1.3. Tán xạ Compton ................................................................................ 20 2.1.4. Hiệu ứng tạo cặp ................................................................................21 2.1.5. Hệ số suy giảm .................................................................................. 22 2.2. Hệ đo Germanium siêu tinh khiết (HPGe) ................................................ 23 2.2.1. Cấu tạo detector HPGe của bộ môn Vật lý Hạt nhân ........................23 2.2.2. Buồng chì ...........................................................................................25 2.2.3. Hiệu suất ghi ......................................................................................26 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi ............................................27 Chương 3 KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MATRIX LÊN HIỆU SUẤT GHI 3.1. Mô hình hoá hệ phổ kế gamma với hình học mẫu Marinelli...................... 28 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của matrix lên hiệu suất ghi ...................................... 30 3.2.1. Kết quả mô phỏng ............................................................................. 30 3.2.1.1. Mẫu có matrix là không khí ...................................................... 30 3.2.1.2. Mẫu có mật độ 0,5 g/cm3 ...........................................................31 3.2.1.3. Mẫu có mật độ 1 g/cm3 ..............................................................33 3.2.1.4. Mẫu có mật độ 2 g/cm3 ..............................................................35 3.2.2. Nhận xét ............................................................................................ 37 Chương 4 KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA HIỆU SUẤT GHI VÀO MẬT ĐỘ 4.1. Phương pháp xác định ................................................................................38 Khoá luận tốt nghiệp - 3 - 4.1.1. Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ ...........................................................38 4.1.2. Khảo sát sự thay đổi của hiệu suất theo mật độ ................................ 38 4.2. Kết quả tính ............................................................................................... 40 4.3. Kiểm định kết quả ..................................................................................... 44 4.3.1. Kiểm định hệ số tương quan R .......................................................... 44 4.3.2. So sánh với mẫu chuẩn ‘Soil IAEA-375’...........................................45 4.3.2.1. Phương pháp so sánh ................................................................. 45 4.3.2.2. Kết quả tính và so sánh ............................................................. 47 Kết luận .................................................................................................................. 50 Tài liệu tham khảo .................................................................................................51 Phụ lục .................................................................................................................... 52 Khoá luận tốt nghiệp - 4 - DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1 Các kiểu tally 14 Bảng 3.1 Hiệu suất ghi của mẫu không khí 30 Bảng 3.2 Hiệu suất ghi ở mật độ 0,5 g/cm3 31 Bảng 3.3 Hiệu suất ghi ở mật độ 1 g/cm3 33 Bảng 3.4 Hiệu suất ghi ở mật độ 2 g/cm3 35 Bảng 4.1 Hiệu suất ghi của đất ở 0,8 và 1,2 g/cm3 40 Bảng 4.2 Hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của mẫu đất 41 Bảng 4.3 Các hệ số a và b theo mật độ của mẫu đất 43 Bảng 4.4 Các P-giá trị của phép kiểm định 44 Bảng 4.5 Hiệu suất ghi thực của các đồng vị khảo sát 47 Bảng 4.6 Hoạt độ của các đồng vị khảo sát 48 Bảng 4.7 So sánh hoạt độ của các đồng vị khảo sát 48 Khoá luận tốt nghiệp - 5 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Hệ toạ độ Descartes 12 Hình 1.2 Mẫu mô phỏng 15 Hình 2.1 Hiệu ứng quang điện 19 Hình 2.2 Tán xạ Compton 20 Hình 2.3 Hiệu ứng tạo cặp 21 Hình 2.4 Cấu trúc detector HPGe 24 Hình 2.5 Cấu trúc detector HPGe trong mô phỏng MCNP 24 Hình 2.6 Sơ đồ cắt dọc của buồng chì 25 Hình 3.1 Kích thước hộp đựng mẫu dạng Marinelli 28 Hình 3.2 Mẫu đo trong mô phỏng MCNP 29 Hình 3.3 Đồ thị đường cong hiệu suất ở mật độ 0,5 g/cm3 32 Hình 3.4 Đồ thị đường cong hiệu suất ở mật độ 1 g/cm3 34 Hình 3.5 Đồ thị đường cong hiệu suất ở mật độ 2 g/cm3 36 Hình 4.1 Đồ thị hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ của đất 42 Hình 4.2 Phổ gamma của mẫu chuẩn ‘Soil IAEA-375’ 45 Khoá luận tốt nghiệp - 6 - LỜI MỞ ĐẦU Khi trình độ khoa học công nghệ ngày càng cao thì những yêu cầu của con người trong việc khám phá thế giới càng lớn mà những thiết bị nghiên cứu hiện đại như hiện nay cũng chưa thể đáp ứng được. Vì vậy, phương pháp mô phỏng trên máy tính có thể xem như là một công cụ cần thiết để giải quyết các bài toán phức tạp. Trong khoá luận này, chương trình mô phỏng MCNP4C2 đã được sử dụng để mô phỏng về tương tác của hạt gamma. Nội dung khoá luận này chỉ mô phỏng và khảo sát về hiệu suất ghi của đầu dò HPGe đối với tia gamma phát ra từ các mẫu môi trường. Khi tiến hành đo các mẫu môi trường, thường có những khó khăn trong việc tạo mẫu chuẩn sao cho thành phần hoá học cũng như mật độ và nhiều yếu tố khác phải giống với mẫu so sánh. Mục đích của khoá luận là tìm hiểu sự ảnh hưởng của các matrix (chất nền) khác nhau lên hiệu suất ghi và đưa ra một phương pháp để có thể thông qua mật độ mà hiệu chỉnh hiệu suất ghi của các mẫu có cùng một matrix. Khoá luận bao gồm bốn chương : - Về lý thuyết, gồm có hai chương. Chương 1 giới thiệu về chương trình MCNP , chương 2 trình bày về lý thuyết cơ bản của tia gamma và đối tượng được mô phỏng là detector HPGe của Bộ môn Vật lý Hạt nhân. - Về mô phỏng và tính toán kết quả, gồm hai chương. Chương 3 mô phỏng hiệu suất ghi của ba loại matrix khác nhau là đất, nước và nhựa epoxy, chương 4 khảo sát về hệ số hiệu chỉnh sự tự hấp thụ và đưa ra phương pháp tính hiệu suất ghi theo mật độ cho matrix đất. Khoá luận tốt nghiệp - 7 - Chương 1 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 1.1. Giới thiệu về mô phỏng 1.1.1. Giới thiệu Trên thế giới, trong nhiều lĩnh vực khoa học, để đáp ứng nhu cầu tìm hiểu và khám phá của các nhà nghiên cứu, cùng với sự xuất hiện của máy tính thì việc mô phỏng các hiên tượng thí nghiệm trở nên hết sức cần thiết. Mô phỏng chính là sử dụng máy tính kết hợp với các quy luật toán học, vật lý, dựa trên phép tính định lượng khi tương đối hoá các tham số để giải các bài toán, nghiên cứu kết cấu hay quá trình, thực hiện tính toán hay dựng lên các mô hình của các thí nghiệm. 1.1.2. Các loại mô phỏng [4] Để thực hiện một bài toán mô phỏng dù đơn giản hay phức tạp, ta đều phải mô hình hoá và lựa chọn phương thức thích hợp để thực hiện trên máy tính. Dựa trên nhiều tiêu chuẩn, mô phỏng có thể chia thành nhiều loại. Dưới đây là vài loại cơ bản : - Mô phỏng ngẫu nhiên : còn gọi là mô phỏng Monte Carlo, nó áp dụng nguyên tắc gieo các số ngẫu nhiên để mô phỏng các hiện tượng ngẫu nhiên. - Mô phỏng tất định : là phương pháp tính toán có thể đoán trước được. Nếu nó chạy với một dữ liệu vào cụ thể thì các dữ liệu ra không đổi. - Mô phỏng liên tục : bằng việc sử dụng các phương trình vi phân và giải tích số, máy tính sẽ giải phương trình một cách tuần hoàn và sử dụng kết quả thu được để thay đổi trạng thái, số liệu xuất ra. Khoá luận tốt nghiệp - 8 - - Mô phỏng rời rạc : người ta ghi lại một dãy các sự kiện đã được sắp xếp theo thời gian, khi mô phỏng các sự kiện này sẽ tạo ra các sự kiện mới. 1.1.3. Vai trò của mô phỏng Mô phỏng có một vai trò khá quan trọng trong thực tế. Nó không chỉ giúp các nhà khoa học kiểm tra lại kết quả các thí nghiệm mà còn giúp họ đưa ra dự đoán cho các thí nghiệm. Mô phỏng được sử dụng để giải các bài toán lớn, có nhiều thông số bất ổn định và nhiều yếu tố ngẫu nhiên, không theo một quy luật nào cả. Mô phỏng là phương pháp tối ưu nhất để tiết kiệm chi phí và thời gian. Để tiến hành mô phỏng phải trải qua nhiều giai đoạn : - Xác định vấn đề hay hệ thống cần mô phỏng. - Xác định mô hình mô phỏng và các thông số của mô hình. - Chạy mô phỏng và phân tích kết quả. - Kiểm tra tính chính xác của kết quả so với thực tế. 1.2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo [4] 1.2.1. Giới thiệu Phương pháp Monte Carlo là phương pháp giải số, áp dụng cho việc mô phỏng sự tương tác giữa các vật thể hay vật thể với môi trường nhờ lý thuyết cơ học và động lực học, dựa theo yêu cầu của hệ cần mô phỏng. Đây là một phương pháp ngẫu nhiên, nhờ sự phát sinh các số ngẫu nhiên để tính toán. Phương pháp này thường được dùng để mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên của hệ, nó không liên quan đến thời gian nên không thể sử dụng để mô phỏng các đại lượng phụ thuộc thời gian. Khoá luận tốt nghiệp - 9 - Phương pháp Monte Carlo phụ thuộc rất nhiều vào tập hợp các số ngẫu nhiên. Trên máy tính, các số ngẫu nhiên trong các ngôn ngữ lập trình thường chỉ có giá trị từ 0 đến 1, trong khi phạm vi của các đại lượng cần mô phỏng thì rất rộng lớn. Vì vậy ta cần có những kĩ thuật thích hợp để mô phỏng bài toán. Phương pháp này được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thống kê, lượng tử, mô phỏng cấu trúc vật liệu và cả trong kinh tế nữa. Trên thực tế, nó được sử dụng trong nghiên cứu thị trường chứng khoán, nghiên cứu sự vận chuyển bức xạ, tính toán và thiết kế lò phản ứng 1.2.2. Tổng quan về MCNP Thuật ngữ “phương pháp Monte Carlo” xuất hiện từ Thế chiến thứ hai khi tiến hành các mô phỏng ngẫu nhiên trong quá trình chế tạo bom nguyên tử. MCNP (Monte Carlo N-Particle) được phát triển bởi nhóm Monte Carlo tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ. Đây là chương trình phổ biến để mô phỏng tương tác giữa neutron, gamma, electron với nhau hay với môi trường. MCNP được cung cấp từ Trung tâm Thông tin che chắn Bức xạ (RSICC) ở Oak Ridge, Tennessee và Ngân hàng dữ liệu OECD/NEA ở Pháp. MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên tử năng lượng liên tục từ các nguồn dữ liệu ENDF (Evaluated Nuclear Data File), ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) và ACTL (the Activation Library). MCNP từ khi ra đời cho đến nay có rất nhiều phiên bản, mỗi phiên bản kế tiếp đều được cập nhập thêm các tính năng mới : - Phiên bản MCNP3, 3A và 3B ra đời vào thập niên 1980 tại Los Alamos. - Năm 1993, MCNP4A ra đời. Khoá luận tốt nghiệp - 10 - - Năm 1997, MCNP4B xuất hiện với việc cập nhật thêm các tính năng về photon. - Năm 2000, phiên bản 4C ra đời kèm thêm các tính năng về electron. - Phiên bản MCNPX 2.4.0 ra đời năm 2002. - MCNP5 vào năm 2003 xuất hiện với các mức năng lượng, chủng loại hạt được mở rộng. 1.3. Code MCNP4C2 1.3.1. Giới thiệu Chương trình MCNP4C2, cũng giống như các phiên bản khác, sử dụng việc gieo số ngẫu nhiên tuân theo các quy luật phân bố, ghi lại quá trình sống của một hạt khi nó được phát ra từ nguồn. Chương trình có nhiều ứng dụng như thiết kế lò phản ứng, an toàn tới hạn, che chắn và bảo vệ, vật lý trị liệu Trong phạm vi của khoá luận chỉ giới hạn sử dụng chương trình này để tính hiệu suất ghi của detector. 1.3.2. Cấu trúc file input [5] 1.3.2.1. Cell card Dựa trên hệ trục toạ độ Descartes, MCNP lấy các mặt biên của một khối vật chất để mô tả, tạo thành các cell. Với nhiều cell kết hợp lại, MCNP có thể mô phỏng khá chính xác một cấu trúc hình học ba chiều của lò phản ứng, buồng chiếu xạ Cấu trúc cơ bản của một cell card : j m d geom params Trong đó j : chỉ số cell (1 ≤ j ≤ 99999). m : số vật chất chứa trong cell, nếu cell trống thì m = 0. Khoá luận tốt nghiệp - 11 - d : khối lượng riêng của cell. Nếu mật độ vật chất tính bằng số nguyên tử/cm3 thì có giá trị dương, nếu tính bằng đơn vị g/cm3 thì có giá trị âm. geom : phần mô tả hình học của cell, gồm chỉ số các mặt tuỳ theo vùng giới hạn. params : các tham số tuỳ chọn (imp, u, lat ). 1.3.2.2. Surfaces Card Trong MCNP4C2 có rất nhiều loại mặt hình học được sử dụng như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ, mặt nón, ellipsoid Mỗi loại mặt đều có một kí hiệu riêng đã được thống nhất (xem phụ lục). Cấu trúc cơ bản của một mặt bao gồm : j a data j : chỉ số mặt (1 ≤ j ≤ 99999). a : kí hiệu loại mặt. data : các hệ số của mặt cần mô tả (đơn vị là cm). Nếu xét trường hợp trong không gian chỉ có một mặt, thì mặt này sẽ chia không gian thành hai vùng riêng biệt. Giả sử có một điểm I (x,y,z) thoả mãn điều kiện của mặt đó, tức là I = f(x,y,z) = 0, khi đó điểm I nằm trên mặt đó, nếu I âm thì nó ở bên trong mặt và được gán dấu âm, nếu I dương thì nó ở bên ngoài mặt và có dấu dương. Quy ước về chiều của mặt có thể được xác định một cách đơn giản hơn. Trong hệ toạ độ Descartes, các trục x, y, z có hướng như hình 1.1. nếu có một mặt bất kì thì dấu của mặt là : - Vùng phía trên mặt này mang dấu “+”, phía dưới mang dấu “ – “. Khoá luận tốt nghiệp - 12 - - Vùng bên phải mang dấu “+”, bên trái mang dấu “ – “. - Vùng bên ngoài mang dấu “+”, bên trong mang dấu “ – “. - Vùng phía trước mang dấu “+”, phía sau mang dấu “ – “. Các toán tử thường dùng trong MCNP4C2 : - Toán tử giao (một khoảng trắng). - Toán tử hợp ( : ). - Phần bù các vùng trong không gian ( # ). 1.3.2.3. Mn Card Mn card được dùng để mô tả vật liệu được lấp đầy trong cell. Cấu trúc : ZAIDi fractioni Trong đó : ZAID = ZZZAAA.nnX ZZZ, AAA là các số liệu nguyên tử. nn : tiết diện tương tác. X : loại hạt đến. fraction : mô tả thành phần các nguyên tố cấu tạo nên vật liệu, tổng các thành phần bằng 1. O x z y Hình 1.1. Hệ toạ độ Descartes Khoá luận tốt nghiệp - 13 - Nếu bài toán không liên quan đến neutron thì AAA có thể viết là 000 còn nnX được bỏ đi. 1.3.2.4. Source Card Phần này dùng để mô tả các nguồn phát ra tia phóng xạ. Source card là phần khá phức tạp với nhiều phần hỗ trợ. Dưới đây chỉ trình bày một cách đơn giản nhất về Source card. Nguồn phát sử dụng trong mô phỏng có nhiều loại như : - Nguồn tổng quát (SDEF). - Nguồn mặt (SSR/SSW). - Nguồn tới hạn (KCODE). Cấu trúc : SDEF CEL POS ERG WGT TME PAR DIR SDEF : loại nguồn. CEL : chỉ số của các cell có chứa nguồn. POS : vị trí của nguồn (mặc định là 0 0 0). ERG : năng lượng phát tính bằng MeV (mặc định 14 MeV). WGT : trọng số của nguồn (mặc định là 1). TME : thời gian (mặc định là 0). PAR : loại hạt (n, n p, n p e, p e và e). DIR : hướng phát. Ngoài ra, để hỗ trợ thêm còn có các phần SIn, SPn card và các Tally. 1.3.3. Tally [4] Chương trình MCNP cung cấp cho người d