Khóa luận Nghiên cứu phương pháp mới xác định các thông số kỹ thuật của đầu dò nai (tl)

Mở đầu.1

CHƯƠNG 1. TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT.3

1.1. Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất .3

1.1.1. Hiệu ứng quang điện.3

1.1.2. Hiệu ứng Compton.5

1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp.6

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5.8

2.1. Phương pháp Monte Carlo.8

2.2. Chương Trình MCNP5 .9

2.2.1. Cấu trúc của một tập tin đầu vào (file input) trong chương trình MCNP5. .9

2.2.2. Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input).10

2.2.3. Cell cards .10

2.2.4. Surface Cards.11

2.2.5. Data Cards.13

CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU

CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL) .16

3.1. Đầu dò NaI(Tl).16

3.1.1. Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl).17

3.1.2. Cấu hình và thông số kỹ thuật của Detector NaI(Tl) .20

3.1.3. Mô hình hóa hệ đo thực nghiệm trong mô phỏng MCNP5. .22

3.2. Phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl).24

3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 𝐴𝑙2𝑂3.24

3.2.2. Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl).27

3.2.3. Phương pháp xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl).29

pdf64 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 14/02/2022 | Lượt xem: 317 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Nghiên cứu phương pháp mới xác định các thông số kỹ thuật của đầu dò nai (tl), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
(cell), một cell được giới hạn bởi các mặt tạo thành một không gian kín chứa đầy vật liệu bên trong. Một file input trong MCNP5 gồm có ba phần chính: 10 Thẻ tiêu đề (Title Card) Thẻ khai báo ô mạng (Cell Card) .. .. Khoảng cách dòng Thẻ khai báo mặt (Surface Card) .. .. Khoảng cách dòng Thẻ dữ liệu (Data Card) .. .. 2.2.2. Tiêu đề của một tập tin đầu vào (file input) Tiêu đề của một file input trong MCNP5 cho phép người sử dụng mô tả những thông tin quan trọng về mô hình được mô phỏng. Tiêu đề này sẽ được lặp lại trong một tập tin đầu ra (file output), người sử dụng thường đặt tiêu đề để phân biệt hoặc mô tả nội dung trong các file input. Trong phần tiêu đề của một file input thì không có dòng trống. 2.2.3. Cell cards Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Card: j m d geom Params Trong đó:  j là chỉ số cell.  m là số vật liệu, số vật liệu cho phép người dùng mô tả vật liệu trong cell ở Data Card. 11  d là mật độ của vật liệu: Đối với số dương cho phép người dùng mô tả mật độ nguyên tử, đơn vị tính bằng: nguyên tử/ 3cm . Đối với số âm cho phép người dùng mô tả mật độ khối lượng, đơn vị tính bằng: g/ 3cm .  geom cho phép người dùng mô tả hình học của cell bằng cách sử dụng các mặt được định nghĩa trong phần Surface Card. Ví dụ: Cell Material Density geom 1 2 -2,69 -10 11 -12 2.2.4. Surface Cards Cú pháp để khai báo một mặt trong Suface Card: j a list Trong đó:  j: chỉ số mặt.  a: một từ khóa được mặc định sẵn cho phép người dùng khai báo mặt theo dạng hình học đã được định nghĩa từ trước. Ví dụ: Px cho phép người dùng khai báo mặt phẳng vuông góc với trục ox. C/x cho phép người dùng khai báo mặt trụ song song với trục ox.  list được khai báo bằng một giá trị cụ thể tương ứng với mặt a. 12 Bảng 2.1. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP5 [1]. Ký hiệu từ khoá Loại mặt Mô tả tính chất Phương trình Danh sách tham số P Mặt phẳng Tổng quát Ax+ By+Cz - D = 0 A B C D PX Mặt phẳng  ox x - D=0 D PY Mặt phẳng  oy y - D = 0 D PZ Mặt phẳng  oz z - D=0 D S Mặt cầu Tổng quát 2 2 2 2(x - x) +(y - y) +(z - z) - R = 0 x y z R SX Tâm  trục ox 2 2 2 2(x - x) + y + z - R = 0 x R SY Tâm  trục oy 2 2 2 2x +(y - y) + z - R = 0 y R SZ Tâm  trục oz 2 2 2 2x + y +(z - z) - R = 0 z R SO Tâm  gốc toạ độ 2 2 2 2x + y + z - R = 0 R C/X Mặt trụ Trục ox 2 2 2(y - y) +(z - z) - R = 0 y z R C/Y Trục oy 2 2 2(x - x) +(z - z) - R = 0 x z R C/Z Trục oz 2 2 2(x - x) +(y - y) - R = 0 x y R CX Trục  ox 2 2 2y + z - R = 0 R CY Trục  oy 2 2 2x + z - R = 0 R CZ Trục  oz 2 2 2x + y - R = 0 R K/X Mặt nón Trục ox 2 2(y - y) +(z - z) - t(x - x)= 0 2 1x y z t  K/Y Trục oy 2 2(x - x) +(z - z) - t(y - y)= 0 2 1x y z t  K/Z Trục oz 2 2(x - x) +(y - y) - t(z - z)= 0 2 1x y z t  KX Trục  ox 2 2y + z - t(x - x )= 0 2 1x t  KY Trục  oy 2 2x + z - t(y - y )= 0 2 1y t  KZ Trục  oz 2 2x + y - t(z - z )= 0 2 1z t  13 2.2.5. Data Cards Thẻ dữ liệu (Data Card) là một phần rất quan trọng trong mã (code) của chương trình MCNP5 cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng. a) Khai báo nguồn Trong chương trình MCNP5 người sử dụng có thể khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW), nguồn tổng quát (SDEF). Thông thường để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn phù hợp với bài toán cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát. Người dùng có thể khai báo một nguồn bất kỳ bằng nguồn tổng quát với cú pháp: SDEF Tham số 1 Tham số 2 Tham số 3 Bảng 2.2. Các định nghĩa tham số trong MCNP5 [1]. Thông số Ý nghĩa Giá trị mặc định ERG Năng lượng (MeV) 14 MeV NRM Ký hiệu mặt thông thường + 1 POS Vị trí tâm nguồn 0,0,0 RAD Khoảng cách giữa tâm nguồn đến mặt bên (bán kính). 0 EXT Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS. 0 AXS Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT Không mặc định WGT Trọng số hạt 1 PAR Loại hạt 1=nơtron đối với Mode N, NP hoặc NPE 2=photon đối với Mode P hoặc PE 3=electron đối với Mode E 14 Ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát ta có thể gán giá trị phù hợp với bài toán thực tế, những giá trị được gán là một giá trị cụ thể. Trong thực tế khi khảo sát nguồn gồm nhiều mức năng lượng để thuận tiện cho việc tính toán có thể sử dụng gán giá trị bằng Dn ứng với mô tả từ những thẻ SIn, SBn, SPn. Thẻ SIn được xây dựng dựa trên cú pháp [1], [8]. SIn option 1I 2I . kI  n: chỉ số phân bố  option: mô hình phân bố  H là dạng histogram  L là dạng rời rạc  A là dạng bảng  S là chỉ số của hàm liên tục  iI giá trị của biến hoặc chỉ số phân bố SPn f a b  f ký hiệu của hàm phân bố được định nghĩa trong MCNP5  a, b là tham số của hàm f. SBn f a b Các đại lượng n, option, f, a, b tương tự trong SPn nhưng f chỉ nhận một trong hai giá trị -21 và -31. b) Tally F8 Tally F8 đóng vai trò như một detector vật lý cho phép ghi nhận xung, cung cấp thông tin về năng lượng bị mất trong một cell. Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với năng lượng toàn phần bị mất trong detector [1]. Ví dụ khai báo một tally F8: ghi nhận hạt photon ở cell 1 thường là cell chứa vật liệu tinh thể, bán dẫn Cú pháp: F8:p 1 15 b) Khai báo vật liệu (Material Card) Khai báo vật liệu cho phép người dùng khai báo vật liệu tương ứng với các cell đã được định nghĩa từ trước. Cú pháp khai báo: Mm ZAID1 FRACTION1 ZAID2 FRACTION2 m: chỉ số vật liệu tương ứng với cell có cùng chỉ số sẽ lấp đầy vật liệu này ZAID1: số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZ.AAA với: ZZZ là số hiệu nguyên tử AAA là số khối FRACTION: tỉ lệ mà vật liệu có số khối A và số proton Z đóng góp vào thành phần cấu tạo nên vật liệu. Nếu tính theo tỉ lệ nguyên tử thì FRACTION mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm nếu tính theo tỉ lệ khối lượng. 16 CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ NAI(TL) VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA ĐẦU DÒ NAI(TL) 3.1. Đầu dò NaI(Tl) Đầu dò nhấp nháy là một trong những loại đầu dò lâu đời nhất trong lĩnh vực đo bức xạ hạt nhân. Khoảng thời gian đầu các hạt mang điện được phát hiện bởi những xung ánh sáng, chúng được quan sát khi các hạt nằm trên màn kẽm sunfat, ánh sáng này có thể nhận biết bởi mắt thường. Khả năng mới để ghi nhận bức xạ mở ra vào năm 1948, khi các nhà khoa học phát hiện ra tinh thể NaI là một chất phát ra các xung ánh sáng khi bị kích thích và họ có thể gia tăng kích thước của loại tinh thể này. Sự kết hợp giữa tinh thể NaI và ống nhân quang điện (PhotoMultiplier) là một bước ngoặc đánh dấu sự thành công về khả năng ghi nhận bức xạ. Mạng tinh thể là nguyên nhân làm mất năng lượng của các bức xạ, một phần năng lượng mất đi chuyển thành ánh sáng nhìn thấy, vì thế người ta dựa vào tính chất phát ra ánh sáng nhấp nháy của tinh thể NaI để đo bức xạ và hạt không mang điện. Tinh thể NaI tinh khiết là loại chất nhấp nháy ở nhiệt độ rất thấp 192o C , để có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng thí nghiệm người ta pha thêm một lượng Thallium. Sự pha tạp thêm một lượng Thallium vào tinh thể NaI tạo ra một số mức năng lượng xen phủ giữa vùng hóa trị (Valance band) và vùng dẫn (Conduction band), những mức năng lượng giữa hai vùng được gọi là vùng kích hoạt, việc tạo ra một vùng năng lượng ở giữa giúp cho các electron nhảy lên vùng dẫn và các lỗ trống trở về vùng hóa trị dễ hơn. Phản ứng biểu diễn quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào tinh thể NaI(Tl) [4]: 2 2 0 0 h + Tl Tl e + Tl (Tl )* e + Tl Tl h + Tl (Tl )* (Tl )* Tl photon                   17 Hình 3.1. Cơ chế phát ra ánh sáng trong tinh thể NaI(Tl) [4]. Theo lý thuyết vùng năng lượng của tinh thể NaI(Tl), khi bức xạ gamma đi vào tương tác với các electron ở vùng hóa trị của nguyên tử, bức xạ truyền một phần năng lượng cho electron làm ion hóa nguyên tử tạo thành một cặp e (electron) và h (lỗ trống). Electron nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, lỗ trống được tạo ra kết hợp với ion Tl  tạo thành 2Tl  ở trạng thái cơ bản (Activator Ground State), các ion 2Tl  bắt các electron tự do ở vùng dẫn trở thành ( )*Tl ở trạng thái kích thích sau đó trở về trạng thái cơ bản Tl  phát ra ánh sáng. 3.1.1. Hiệu suất của đầu dò NaI(Tl) Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần (Full Energy Peak Efficiency-FEPE) được tính dựa trên tỉ số giữa số đếm mà đầu dò ghi nhận được trong vùng đỉnh ứng với năng lượng iE trên tổng số photon phát ra từ nguồn có cùng năng lượng. Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần được tính theo công thức: FEPE N AI t   (3.1) Trong đó:  FEPE : hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần.  N: tổng số đếm trừ phông trong vùng đỉnh năng lượng xuất hiện. 18  I : xác suất phát tương ứng với đỉnh năng lượng cần tính.  t: thời gian đo. 0A : hoạt độ của đồng vị phóng xạ tại thời điểm bắt đầu tiến hành phép đo. Đối với nguồn có chu kỳ bán rã ngắn trong khi đo có sự suy giảm về hoạt độ của nguồn nên khi tính toán phải sử dụng hoạt độ của nguồn ở công thức (3.2) để tính hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần: 0 e tA A  số phân rã/giây. (3.2) Đối với nguồn có chu kỳ bán rã dài thì: 1te   , do vậy có thể xem A 0A . Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình học của đầu dò NaI(Tl), hình học nguồn, vị trí giữa nguồn với đầu dò theo công thức: intFEPE g   (3.3)  int : hiệu suất nội của đầu dò, được định nghĩa: int p i N N   (3.4) Với: pN tổng số photon ghi nhận từ đầu dò. iN tổng số photon đi vào đầu dò.  g : hiệu suất hình học được tính: 4 g    (3.5)   : góc khối giữa nguồn và đầu dò NaI(Tl), độ lớn của gốc khối được xác định bởi công thức: 2 1 A dS R    (3.6) 19 Đối với nguồn có thể tích nhỏ và đặt cách xa detector, ta có thể xem nguồn như một nguồn điểm, khi đó góc khối giữa nguồn và detector được tính theo công thức: 2 2 2 (1 ) d d r     (3.7) Hình 3.2. Hình mô tả góc khối của nguồn phóng xạ đối với đầu dò NaI(Tl). Trong đó: R là bán kính của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí nguồn. A là một phần diện tích của mặt cầu mà mặt cắt của đầu dò chiếu lên. D là khoảng cách từ nguồn tới đầu dò. r là bán kính của đầu dò NaI(Tl). R Ω r Nguồn điểm Đầu dò NaI(Tl) d 20 3.1.2. Cấu hình và thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl) Hình 3.3. Hình học của đầu dò NaI(Tl) được mô phỏng bằng phần mềm MCNP5. Đầu dò NaI(Tl) được bọc bên ngoài bởi một lớp nhôm màu xanh đậm, lớp kế tiếp là không khí màu vàng, tiếp theo là lớp nhôm oxit thường được gọi là lớp phản xạ có màu xanh nhạt, bên trong là tinh thể NaI(Tl) màu xanh lá trên hình 3.3. Không khí NaI(Tl) Nhôm oxit Nhôm 21 Bảng 3.1. Các thông số của đầu dò NaI(Tl). Đầu dò NaI(Tl) Đối tượng Thông số của nhà sản xuất Lớp vỏ nhôm bên ngoài Bề dày 0,1 cm Chiều dài 8,14 cm Mật độ 2,699 3gcm Lớp không khí bên trong Bề dày 0,1 cm Chiều dài 7,79 cm Mật độ 0,001205 3gcm Lớp nhôm oxit Bề dày 0,16 cm Chiều dài 7,78 cm Mật độ 0,55 3gcm Tinh thể NaI(Tl) Bán kính 3,81 cm Chiều dài 7,62 cm Mật độ 3,67 3gcm 22 (a) Nguồn đặt phía trước đầu dò NaI(Tl) (b) nguồn đặt bên cạnh đầu dò NaI(Tl) 3.1.3. Mô hình hóa hệ đo thực nghiệm trong mô phỏng MCNP5. Thí nghiệm 1: Nguồn phóng xạ 133 Ba được đặt trong ống chuẩn trực bằng đồng, ống chuẩn trực đặt phía trước và bên cạnh đầu dò NaI. Thông số của các nguồn: Nguồn : 133 Ba Ngày sản xuất: 15/5/2013 Hoạt độ: 43,7.10 (3%) Bq Hằng số phân rã: 92,0842(12).10 s Ngày đo: 15/05/2013 Thời gian đo: 25500 s Hình 3.4. Mô phỏng thí nghiệm 1 trong chương trình MCNP5. NaI(Tl) Nguồn Ba-133 N g u ồ n B a -1 3 3 23 Thí nghiệm 2: Nguồn 133Ba , 137Cs , 241Am , 152Eu phát photon năng lượng thấp: 31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV, 121 keV. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm. Thí nghiệm 3: Nguồn 137Cs , 22Na , 60Co , 152Eu phát photon năng lượng cao: 662 keV, 1274 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1408 keV. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm. Bảng 3.2 Thông số của các nguồn phóng xạ. Hình 3.5. Nguồn đặt cách đầu dò 40 cm, sử dụng hệ thống điều khiển để điều chỉnh khoảng cách với sai số 0,01 mm. Nguồn Ngày sản xuất Hoạt độ (  Ci) λ (1/s) Ngày đo Hoat độ (Bq) Thời gian đo (s) 133 Ba 15/05/2013 12:00 1 -92,09.10 19/09/2018 08:29 39960 25500 137 Cs 15/05/2013 12:00 1 -107,31.10 19/09/2018 15:39 38258 63000 241 Am 01/12/2013 12:00 1 -115,08.10 26/12/2018 10:32 34303 1000 152 Eu 15/12/2007 00:00 100 -91,63.10 18/09/2018 09:39 3630810 5300 60 Co 15/12/2007 00:00 10 -94,17.10 18/09/2018 11:16 379990 13500 22 Na 15/05/2013 12:00 1 -98,44.10 20/09/2018 09:17 37333 89600 Nguồn Đầu dò 24 3.2. Phương pháp xác định các thông số tối ưu của đầu dò NaI(Tl) 3.2.1 Phương pháp xác định mật độ tối ưu của lớp phản xạ 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑 Để theo dõi chùm tia photon đi qua các môi trường đến trước bề mặt lớp phản xạ 2 3Al O và đi vào tinh thể NaI(Tl), chúng tôi thực hiện mô phỏng chùm tia photon 31 keV phát ra từ nguồn 133 Ba đến bề mặt tinh thể lần lượt là 510 photon và 610 photon tương ứng với hình 3.2.a và 3.2.b trong hình mô phỏng các hạt để lại toàn bộ năng lượng tương ứng với một chấm đỏ. (a) (b) Hình 3.6. Ảnh chụp bởi mô phỏng đường đi chùm tia photon trong chương trình MCNP5. Từ kết quả mô phỏng cho thấy:  Chùm hạt photon 31 keV đi tới đầu dò, hầu như để lại toàn bộ năng lượng trên bề mặt tinh thể.  Nếu tăng cường độ photon phát ra từ nguồn thì số lượng photon đi qua lớp phản xạ 2 3Al O đến bề mặt tinh thể và số lượng photon để lại toàn bộ năng lượng trong tinh thể đều tăng. Điều này cho thấy cường độ của chùm photon tại bề mặt tinh thể tỉ lệ với số đếm của đỉnh năng lượng 31 keV, vì hầu như các photon tới bề mặt đều không đi ra khỏi tinh thể. 25 Gọi k là hệ số tỉ lệ giữa diện tích đỉnh và cường độ chùm tia đến bề mặt tinh thể NaI(Tl). Ta có: . i iE E N k I I (3.8) 1 0. .I . n i i i i d EN k I e      (3.9) Trong đó: k là hằng số có đơn vị là: cms . I là xác suất phát photon tương ứng với năng lượng iE của photon tới. iE I là cường độ của chùm tia photon đến bề mặt đầu dò. i là các hệ số suy giảm tuyến tính của các môi trường tương ứng với khoảng cách id mà chùm tia photon truyền qua trước khi đến bề mặt tinh thể. Theo công thức (3.1) và (3.9) ta có: 10 .I n i i i i d E K I e AI t        (3.10) Mục đích của thí nghiệm đầu tiên là khảo sát hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mật độ của lớp phản xạ 2 3Al O , nên trong mô phỏng chúng tôi thay đổi mật độ lớp phản xạ và giữ nguyên các yếu khác. Gọi 1 là hệ số suy giảm tuyến tính theo mật độ lớp 2 3Al O , 1d là bề dày lớp 2 3Al O , ta có thể viết lại công thức (3.11): 2 1 10 n i i i i d d E kI e e At        (3.11) Từ mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ khối và hệ số hấp thụ tuyến tính: 2 3t m Al O    1[ ]cm (3.12) Với 2 3 3 [ ]Al O gcm  là mật độ của lớp 2 3Al O . Khi thay đổi giá trị mật độ của lớp 2 3Al O , và cố định các yếu tố khác thì : 26 20 n i i i dkI e Const C At      12 3m Al O i d E Ce       (3.13) Ta có thể khai triển MacLaurin cho phương trình (3.13): 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2( ) ( ) (1 ..... ) 2! !i n m AL O Al O m AL O Al O E m AL O Al O d d C d n               (3.14) Bảng 3.3. Dữ liệu hệ số suy giảm khối từ NIST và thông số của lớp phản xạ từ nhà sản xuất. Dữ liệu từ NIST và thông số của Nhà sản xuất Thông số của đầu dò (30,973kev)m 2 10,6408 gcm  2 3Al O  30,55 gcm 2 3Al O d 0,16 cm Dựa dữ liệu của bảng 3.3. ứng với mật độ 30,55 gcm , cho thấy: 2 3 2 3 0,0564 0,5m Al O Al Od   (3.15) Ta có thể lấy khai triển gần đúng bậc nhất của phương trình (3.15) 2 3 2 3 2 3 (1 ) iE m AL O Al O Al O C d        (3.16) Với ,   là các hệ số dương, cho thấy khi tăng 2 3Al O  thì hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần giảm. Độ nhạy của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần theo mật độ phụ thuộc vào hệ số  . Trong phương pháp xác định mật độ của lớp phản xạ, chúng tôi xây dựng mô hình và lựa chọn nguồn 133 Ba có đỉnh năng lượng 31 keV sao cho phù hợp với việc xác định mật độ lớp phản xạ mà không bị ảnh hưởng khi khảo sát thêm hai thông số bán kính và chiều dài tinh thể bởi vì ba nguyên nhân sau: i. Nguồn được đặt trong ống chuẩn trực nên yếu tố thông số bán kính đầu dò sẽ không ảnh hưởng. 27 ii. Nguồn sử dụng mức năng lượng thấp cho thấy các photon hầu như không đi đến đáy tinh thể nên không bị ảnh hưởng bởi thông số chiều dài. iii. Theo công thức (3.16), nếu chọn mức năng lượng thấp thì hệ số hấp thụ khối ( m ) của lớp phản xạ sẽ lớn kéo theo hệ số  lớn. Như vậy, sử dụng nguồn phát photon năng lượng thấp thuận lợi khi khảo sát hiệu suất theo thông số mật độ ( 2 3Al O  ) trong mô phỏng, bởi công thức (3.16) cho ta mối liên hệ giữa thông số mật độ đối với hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần thông qua hệ số  . 3.2.2. Phương pháp xác định bán kính tối ưu của tinh thể NaI(Tl) Trong thí nghiệm 2 sử dụng các nguồn: 133 Ba , 137 Cs , 241 Am , 152 Eu phát photon năng lượng thấp là 31 keV, 81 keV, 32 keV, 59 keV,121 keV. Nguồn được đặt cách đầu dò 40cm và bỏ đi sự chuẩn trực của nguồn, mô phỏng đường đi của photon được thực hiện với 710 hạt với hai mức năng lượng thấp nhất và lớn nhất là 31 keV và 121 keV trong thí nghiệm. (a) photon 31 keV (b) photon 121 keV Hình 3.7. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trên bề mặt đầu dò. 28 Kết quả mô phỏng cho thấy:  Các photon ứng với hai mức năng lượng 31 keV, 121 keV đa số đều để lại năng lượng ngay bề mặt tinh thể NaI(Tl), số lượng hạt để lại năng lượng dần dần giảm về phía sau tinh thể NaI(Tl).  Hình 3.4. cho thấy các photon mang năng lượng 31 keV để lại toàn bộ năng lượng sát mép ngay bề mặt tinh thể, còn đối với các photon năng lượng 121 keV để lại năng lượng sâu hơn bên trong tinh thể. Sự ảnh hưởng bởi bán kính tinh thể NaI lên hiệu suất hình học dựa trên công thức (3.5), (3.7). Hiệu suất nội của đầu dò phụ thuộc vào bán kính R của tinh thể và khoảng cách d giữa nguồn với đầu dò. Đối với đầu dò có kích thước tinh thể NaI(Tl) 76,2x76,2 2mm . Từ nghiên cứu của Mowlavi [3], đường biểu diễn hiệu suất nội theo tỉ số d/R được biểu diễn ở hình 3.5. Hình 3.8. Đường biểu diễn hiệu suất nội của đầu dò NaI(Tl) theo tỉ số d/R. Trong phương pháp xác định bán kính tối ưu, chúng tôi bỏ đi chuẩn trực nguồn và lựa chọn các nguồn năng lượng thấp sao cho sự ảnh hưởng của bán kính tinh thể NaI(Tl) rõ rệt hơn. Trong thí nghiệm này tỉ số d/R là 10,5. 29 3.2.3. Phương pháp xác định chiều dài tối ưu của tinh thể NaI(Tl) Trong thí nghiệm 3 sử dụng các nguồn: 137 Cs , 60 Co , 22 Na , 152 Eu phát photon năng lượng cao là 662 keV, 1173 keV, 1332 keV, 1274 keV,1408 keV. Nguồn được đặt cách đầu dò 40 cm. Hình 3.9. Ảnh chụp mô phỏng nguồn phát photon để lại năng lượng trong tinh thể NaI(Tl). Kết quả mô phỏng cho thấy:  Các photon có năng lượng 662 keV hầu hết để lại toàn bộ năng lượng ở gần vùng phía đầu tinh thể, đối với photon năng lượng 1274 keV thì để lại năng lượng phân bố đều hơn.  Do khoảng cách giữa nguồn và đầu dò của thí nghiệm 2 và thí nghiệm 3 là như nhau nên khi so sánh hình 3.7 với hình 3.9 thì các photon năng lượng cao bỏ lại năng lượng phía đáy tinh thể nhiều hơn, cho thấy ảnh hưởng từ chiều dài tinh thể rõ ràng hơn các photon năng lượng thấp. Do vậy mà chúng tôi sử dụng nguồn năng lượng cao để khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dài tinh thể đối với hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần. (a) photon 662 keV (b) photon 1274 keV 30 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong chương này, luận văn trình bày kết quả của ba thí nghiệm về hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần khi thay đổi các thông số của đầu dò NaI(Tl). Đối với thí nghiệm 1, kết quả hiệu suất đỉnh năng lượng 31 keV được trình bày theo sự thay đổi mật độ của lớp phản xạ thay đổi từ 0,4-3,6 3gcm , dữ liệu thu được sẽ khớp hàm tuyến tính theo phương trình (3.16). Sau khi tìm các hệ số của phương trình từ dữ liệu mô phỏng sẽ thay giá trị hiệu suất thực nghiệm để nội suy tìm mật độ tối ưu giữa mô phỏng và thực nghiệm. Đối với thí nghiệm 2, luận văn sẽ trình bày kết quả hiệu suất của các đỉnh năng lượng 31 keV, 32 keV, 59 keV, 81 keV, 121 keV theo bán kính tinh thể NaI(Tl) thay đổi từ 3,72cm đến 3,87 cm. Đối với thí nghiệm 3, luận văn trình bày kết quả về hiệu suất của các mức năng lượng 662 keV, 1173 keV, 1274 keV, 1332 keV, 1408 keV theo chiều dài tinh thể NaI(Tl) khoảng thay đổi từ 7,48-7,78 cm. Sau đó tiến hành so sánh giữa dữ liệu từ mô phỏng MCNP5 và dữ liệu thực nghiệm, từ đó xây dựng hàm khớp phù hợp cho dữ liệu mô phỏng. Dựa vào hàm khớp dùng phương pháp nội suy để tìm bán kính và chiều dài tinh thể tối ưu. Từ các thông số tối ưu của ba thí nghiệm vừa tìm được chúng tôi thực hiện lại mô phỏng cho mô hình sử dụng các thông số mới sau đó so sánh hiệu suất của mô phỏng và thực nghiệm. 31 4.1. Kết quả xác định mật độ của lớp phản xạ Bảng 4.1. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản xạ phía trước đầu dò NaI(Tl). Đỉnh năng lượng 31 keV – Nguồn đặt trước đầu dò Mật độ lớp phản xạ ( 3gcm ) Mô phỏng Diện tích đỉnh Hiệu suất 4( 10 )FEPE  0,4 303770 6,47 0,6 296738 6,32 0,8 291127 6,20 1,0 285065 6,07 1,2 279607 5,96 1,4 275008 5,86 1,6 269511 5,74 1,8 262967 5,60 2,0 257620 5,49 2,2 252891 5,39 2,4 247913 5,28 2,6 242900 5,18 2,8 238641 5,09 3,0 233545 4,98 3,2 228748 4,87 3,4 223859 4,77 3,6 219638 4,68 Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính: 2 3Al O     Tham số Giá trị ( 410 ) Sai số ( 410 )  6,64 0,01  -0,56 0,01 2R 0,9978 32 Bảng 4.2. Dữ liệu mô phỏng hiệu suất của đỉnh năng lượng 31 keV theo mật độ lớp phản xạ bên cạnh đầu dò NaI(Tl). Đỉnh năng lượng 31 keV – Nguồn đặt bên cạnh đầu dò Mật độ lớp phản xạ ( 3gcm ) Mô phỏng Diện tích đỉnh Hiệu suất 4( 10 )FEPE  0,4 299554 6,38 0,6 293154 6,25 0,8 286961 6,12 1,0 281129 5,99 1,2 275423 5,87 1,4 270162 5,76 1,6 264801 5,64 1,8 259112 5,52 2,0 253999 5,41 2,2 248308 5,29 2,4 242573 5,17 2,6 238311 5,08 2,8 233297 4,97 3,0 228725 4,87 3,2 223944 4,77 3,4 219589 4,68 3,6 214870 4,58 Dữ liệu hàm khớp dạng hàm tuyến tính: 2 3Al O     Tham số Giá trị ( 410 ) Sai số ( 410 )  6,56 0,02  -0,56 0,01 2R 0,9977 33 (a) (b) Bảng 4.3. Dữ liệu thực nghiệm và mật độ tối ưu của lớp phản xạ được nội suy từ dữ liệu hàm khớp. Năng lượng 31 keV Lần đo Thực nghiệm Mật độ tối ưu 3( )gcm Sai số 3( )gcm Hiệu suất 4( 10 )FEPE  Sai số ( 410 ) Nguồn đặt trước đầu dò NaI(Tl) 1 5,53 0,18 1,99 0,32 2 5,55 0,18 1,97 0,32 3 5,54 0,18 1,98 0,32 4 5,59 0,18 1,89 0,32 5 5,57 0,18 1,93 0,32 6 5,46 0,17 2,13 0,32 7 5,57 0,18 1,93 0,32 Nguồn đặt bên cạnh NaI(Tl) 1 5,45 0,17 2,14 0,31 2 5,44 0,17 2,15 0,31 3 5,50 0,18 2,06 0,32 4 5,55 0,18 1,96 0,32 5 5,43 0,17 2,17 0,31 Mật độ trung bình (g.𝒄𝒎−𝟑) 2,02 0,32 Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn hiệu suất đỉnh năng lượng theo mật độ lớp phản xạ của hai đỉnh 31 keV(a) nguồn đặt trước đầu dò, 31 keV(b) nguồn đặt bên cạnh đầu dò. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,00044 0,00046 0,00048 0,00050 0,00052 0,00054 0,00056 0,00058 0,00060 0,00062 0,00064 0,00066 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum of Squares 97,04853 Pearson's r -0,99891 Adj. R-Square 0,99767 Value Standard Error FEPE Intercept 6,55198E-4 1,56547E-6 FEPE Slope -5,59672E-5 6,76112E-7 Mật độ -3gcm H iệ u s u ất 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,00046 0,00048 0,00050 0,00052 0,00054 0,00056 0,00058 0,00060 0,00062 0,00064 0,00066 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum of Squares 88,49881 Pearson's r -0,99896 Adj. R-Square 0,99779 Value Standard Error FEPE Intercept 6,63503E-4 1,5064E-6 FEPE Slope -5,53785E-5 6,51269E-7 Mật độ -3gcm H iệ u s u ất 34 Sai số của mật độ lớp phản xạ được tính theo công thức lan truyền sai số: 2 2 2 2 2 2 2 1 1 ( ) ( ) ( ) Ex                 (4.1) Vì bên trong đầu dò bao quanh tinh thể cùng là một lớp phản xạ do vậy mật độ của lớp phản xạ được lấy trung bình giữa số liệu nội suy từ mặt trước và mặt bên của tinh thể, tính toán cho thấy mật độ trung bìn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_phuong_phap_moi_xac_dinh_cac_thong_so_k.pdf
Tài liệu liên quan