Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài viết 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; với mục đích 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.
Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT DETECTOR HPGE BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP4C2 Thái Khắc Định*, Nguyễn Thị Thúy Hằng† Mở đầu Các sở máy móc, thiết bị phòng thí nghiệm ln trang bị đầy đủ không ngừng cải tiến nhằm tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho người làm khoa học Tuy nhiên, thực tế lúc có đủ điều kiện cần thiết để thực thí nghiệm mong muốn Khi máy tính đóng vai trò cơng cụ thực hữu ích Sự xuất máy tính không dùng việc nghiên cứu, phân tích, đo đạc kết thực nghiệm, mà sử dụng cơng cụ để mơ thí nghiệm, cung cấp cho kết mà thí nghiệm túy thường gặp phải nhiều khó khăn hạn chế q trình thực Phương pháp mơ nói chung phương pháp Monte Carlo ứng dụng chương trình MCNP cơng cụ hữu dụng, giúp giải vấn đề hóc búa nảy sinh thí nghiệm, lí khác nhau, mà ta thực thực tế Trong báo này, sử dụng chương trình mơ Monte Carlo MCNP4C2, để mơ hệ phổ kế gamma HPGe (High Pure Germanium) GC1518 hãng Canberra Industries, Inc đặt Trung tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh; với mục đích thiết lập, đánh giá đường cong hiệu suất theo lượng detector HPGe để ứng dụng vào cơng việc phân tích đo đạc sau Thực nghiệm đo hiệu suất Detector 2.1 Cấu trúc hệ phổ kế gamma Trong phạm vi báo cáo đề tài, sử dụng chương trình MCNP4C2 để mơ hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn siêu tinh khiết GC1518 hãng Canberra Industries, Inc đặt Trung tâm Hạt nhân * † TS, Khoa Vật lý - ĐH Sư phạm Tp.HCM CN, ĐH Sư phạm Tp.HCM 115 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 TP Hồ Chí Minh Các thành phần hệ phổ kế bao gồm: buồng chì, detector nguồn phóng xạ Detector ống hình trụ bán kính 3,81cm có chiều cao nằm bên buồng chì 8,4cm Các thơng số hình học vật liệu detector nhà sản xuất cung cấp bao gồm: thể tích nhạy detector có dạng hình trụ làm vật liệu germanium siêu tinh khiết (mức độ tạp chất vào khoảng 1010ngun tử/cm3), đường kính ngồi 54mm, chiều cao 32mm Bên thể tích nhạy, có hốc khoan hình trụ với đường kính 7mm cao 17mm Tồn thể tích nhạy cốc chịu lực, đặt cốc bảo vệ nhơm đường kính 76,2mm có độ dày 1,5mm để đảm bảo tránh hấp thụ photon có lượng thấp Khoảng cách từ bề mặt thể tích nhạy đến bề mặt cốc bảo vệ 5mm để tránh va chạm vào bề mặt thể tích nhạy lắp ráp detector Hình 2.1: Mặt cắt dọc detector HPGe, kích thước tính mm Các thơng số kĩ thuật detector HPGe GC1518: + Hiệu suất ghi danh định: 15% so với detector nhấp nháy NaI có kích thước 3inch 3inch, vạch lượng 1332 keV đồng vị 60Co + Độ phân giải lượng: 1,8 keV vạch lượng 1332 keV đồng vị 60Co + Tỉ số đỉnh / Compton 45:1 Buồng chì có dạng hình trụ vành khun đường kính 30cm, đường kính ngồi 50cm tương ứng với chiều cao trong, chiều cao 30cm 50cm Buồng chì cấu tạo 17 chì, dày cỡ 3cm 116 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng đặt chồng khít lên tựa vào khơng cần khung sắt chịu lực Các mặt gia công thành bậc hai liền đặt khít lên để tránh xạ phơng vào buồng chì theo phương nằm ngang Mặt đáy buồng chì có lót lớp đồng thiếc từ lên với bề dày 0,8cm Mặt thành buồng chì bố trí gồm lớp thiếc dày 0,8cm; lớp parafin dày 6,25cm (nửa dưới) 4,75cm (nửa trên) lớp đồng dày 0,6cm kể từ bên ngồi vào Hình 2.2: Mặt cắt dọc buồng chì, kích thước tính cm Các đồng vị phóng xạ hãng North American Scientific đặt Viện nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt bao gồm: 137Cs, 60Co, 54Mn, 22Na 241Am sử dụng báo để xây dựng đường cong hiệu suất detector HPGe GC1518 Tất nguồn phóng xạ gọi nguồn chuẩn có dạng giọt cầu, đường kính 1mm, sản xuất dạng muối kim loại chất phóng xạ, đặt giá đỡ làm nhựa polyacrylic có đường kính 25,4mm với chiều cao tương ứng 3mm Cấu trúc nguồn minh họa hình 2.3 Hình 2.3: Cấu trúc nguồn 137 Cs, 60Co, 54Mn, 22Na 241Am hãng North American Scientific, Inc 117 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 2.2 Hiệu suất Detector thực nghiệm 2.2.1 Công thức tính Hiệu suất theo thực nghiệm detector, xác định chủ yếu dựa vào thông số ban đầu nguồn phóng xạ phần diện tích đỉnh thu tính cơng thức: S E tyUA0U f e tw ln t1 / Trong đó: (E): hiệu suất detector tính vạch lượng E, S: diện tích đỉnh lượng khảo sát, y: hiệu suất phát gamma với lượng E, t: thời gian đo, A0: hoạt độ nguồn lúc sản xuất, Uf: hệ số chuyển đổi từ đơn vị đo hoạt độ phóng xạ khác sang đơn vị Bq, tw: thời gian từ lúc xuất xưởng đến lúc đo, T1/2: chu kỳ bán rã nguồn phóng xạ Do nguồn chuẩn điều kiện đo xác định hiệu suất detector (E) phụ thuộc tỉ lệ với diện tích quang đỉnh S, đó: ε(E) kS Trong đó, k hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào thông số kĩ thuật nguồn chuẩn điều kiện đo 2.2.2 Chuẩn bị thực nghiệm Quá trình thực nghiệm đo phổ hệ phổ kế gamma với detector HPGe GC 1518 Trung tâm Hạt nhân Các nguồn phóng xạ 241Am, 137Cs, 60Co , 54 Mn, 22Na, xem nguồn điểm, đặt đường trục detector vị trí khác nhau, cách bề mặt detector khoảng cách 5cm, 10cm 15cm Nguồn đặt giá đỡ hình trụ khơng đáy tựa 118 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng lên bề mặt detector Hình 2.4 mô tả cách thức thực nghiệm đo phổ gamma nguồn phóng xạ ứng với khoảng cách nguồn – detector khác nhau, đặt buồng chì 5cm, 10cm 15 cm Hình 2.4: Nguồn phóng xạ đặt cách bề mặt detector 5cm 2.1.3 Xây dựng đường cong hiệu suất thực nghiệm Kết hiệu suất thực nghiệm, khoảng cách khác từ nguồn đến detector trình bày Bảng 2.1 Hình 2.5 tương ứng, đó, vạch lượng 59 keV quan tâm đồng vị 241Am, hiệu suất thực nghiệm không detector ghi nhận Bảng 2.1: Dữ liệu thực nghiệm hiệu suất ghi ứng với khoảng cách khác nguồn 241Am, 137Cs, 60Co , 54Mn, 22Na Nguồn 241 Am 22 Na 137 Cs 54 Mn 60 Co 22 Na 60 Co Năng lượng (keV) 59 511 662 834 1173 1274 1332 D = 5cm D = 10cm D = 15cm – – – 0,00760 0,00264 0,00132 0,00580 0,00203 0,00101 0,00414 0,00147 0,00074 0,00325 0,00117 0,00058 0,00298 0,00106 0,00054 0,00287 0,00102 0,00051 119 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 Khoảng cách nguồn - detector 5cm, 10cm 15cm 0.035 Hiệu suất MCNP 5cm 0.03 MCNP 10cm 0.025 MCNP 15cm Thực nghiệm 5cm 0.02 Thực nghiệm 10cm 0.015 Thực nghiệm 15cm 0.01 0.005 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Năng lượng (keV) Hình 2.5: Đường cong hiệu suất thực nghiệm khoảng cách 5cm, 10cm 15cm Từ kết trên, ta nhận thấy đường cong hiệu suất thực nghiệm theo lượng detector bị thay đổi, tiến hành dịch chuyển vị trí nguồn ứng với khoảng cách so với detector 5cm, 10cm 15cm Cụ thể, ứng với vạch lượng định hiệu suất ghi nhận lớn, khoảng cách gần, nghĩa đường cong hiệu suất detector phụ thuộc vào việc thay đổi khoảng cách nguồn – detector Nhưng xây dựng đường cong hiệu suất detector theo lượng cách hoàn chỉnh thực nghiệm, thực tế số nguồn chuẩn ứng với vùng lượng thấp bị giới hạn Tính tốn hiệu suất mơ phổ gamma chương trình MCNP4C2 3.1 Mô hệ phổ kế gamma Để xây dựng đường cong hiệu suất detector theo lượng cách xác đầy đủ, đặc biệt nguồn phát tia gamma vùng lượng thấp, việc sử dụng chương trình mơ Monte Carlo MCNP4C2 xem phương pháp hữu ích trình đến thiết lập đường cong hiệu suất tính tốn hồn chỉnh cách bổ sung số nguồn 120 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng phát xạ gamma có lượng E thấp số nguồn thực nghiệm, cụ thể E 500 keV Trong chương trình mơ Monte Carlo MCNP4C2, hệ phổ kế gamma sử dụng detector germanium siêu tinh khiết mơ hình hóa thơng qua việc mơ tả input Cấu trúc hình học thành phần vật liệu detector buồng chì mơ chương trình MCNP4C2 trình bày Hình 3.1 3.2 tương ứng Hình 3.1: Cấu hình detector HPGe Hình 3.2: Cấu hình buồng chì Các nguồn chọn mơ MCNP4C2 trình bày Bảng 3.1 Bảng 3.1: Các nguồn phóng xạ chọn mơ MCNP4C2 Nguồn Năng lượng ( keV) Xác suất phát photon 241 Am 59 35,9 109 Cd 88 3,61 57 Co 122 85,6 57 Co 136 10,68 113 Sn 255 1,82 113 Sn 392 64,02 22 Na 511 179,79 137 Cs 662 85,21 54 Mn 834 99,98 60 Co 1173 99,86 22 Na 1274 99,94 60 Co 1332 99,98 121 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 3.2 Xây dựng đường cong hiệu suất chương trình MCNP4C2 Việc xây dựng đường cong hiệu suất tính tốn chương trình mô Mone Carlo MCNP4C2, tiến hành 12 vạch lượng gồm 59 keV (241Am), 88 keV (109Cd), 122 keV (57Co), 136 keV (57Co), 255 keV (113Sn), 392 keV (113Sn), 511 keV (22Na), 662 keV (137Cs), 834 keV (54Mn), 1173 keV (60Co), 1274 keV (22Na) 1332 keV (60Co); vị trí đặt nguồn cách detector 5cm, 10cm 15cm; có nghĩa cần phải mơ tả input chương trình cho 36 trường hợp khác Kết chạy chương trình mơ phải đảm bảo số đếm đóng góp quang đỉnh lớn 10000, nghĩa sai số phép đo hiệu suất tính tốn khơng lớn 1% cho tất trường hợp Kết hiệu suất tính tốn theo lượng detector chương trình MCNP4C2 thay đổi vị trí nguồn trình bày Bảng 3.2 Hình 3.3 tương ứng Bảng 3.2: Hiệu suất mô nguồn lượng Nguồn Năng lượng ( keV) D = 5cm D = 10cm D = 15cm 241 Am 59 0,00383 0,00082 0,00054 109 Cd 88 0,00176 0,00485 0,00265 57 Co 122 0,03022 0,00923 0,00491 57 Co 136 0,02917 0,00904 0,00476 113 Sn 255 0,01784 0,00571 0,00306 113 Sn 392 0,01103 0,00362 0,00193 22 Na 511 0,00857 0,00283 0,00151 137 Cs 662 0,00650 0,00215 0,00114 54 Mn 834 0,00510 0,00168 0,00090 60 Co 1173 0,00372 0,00123 0,00066 22 Na 1274 0,00347 0,00115 0,00061 60 Co 1332 0,00330 0,00109 0,00058 122 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng Khoảng cách nguồn - detector cm, 10 cm 15 cm 0.035 MCNP 5cm 0.03 MCNP 10cm MCNP 15cm Hiệu suất 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Năng lượng (keV) Hình 3.3: Đường cong hiệu suất tính tốn chương trình MCNP4C2 khoảng cách 5cm, 10cm 15cm Bảng 3.2 Hình 3.3 cho thấy dạng đường cong hiệu suất detector theo lượng thay đổi rõ khoảng cách từ nguồn đến detector thay đổi Trong đó, ứng với mức lượng cụ thể, hiệu suất ghi lớn khoảng cách từ nguồn đến detector gần, chẳng hạn, xét vạch lượng 136 keV, khoảng cách 15cm hiệu suất detector có giá trị 0,00476; khoảng cách 10cm 5cm kết hiệu suất tính tốn 0,00904 0,02917 Ngồi ra, với đường cong hiệu suất xây dựng từ kết tính tốn MCNP4C2 nhận thấy giá trị hiệu suất detector đạt cực đại vạch 122 keV với khoảng cách nguồn – detector thay đổi, nghĩa vùng lượng thấp 122 keV hiệu suất detector có xu hướng tăng dần theo lượng, ngược lại hiệu suất giảm dần vùng lượng lớn 122 keV nguồn phóng xạ: + Tại vạch ứng với vùng lượng thấp xạ gamma (E < 122 keV): trước photon phát từ nguồn, đến tương tác vùng thể tích 123 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 nhạy detector, chúng phải trải qua trình trao đổi mát lượng với vật liệu bên ngồi detector, chẳng hạn lớp nhơm bảo vệ, khơng khí, bề dày lớp chết…, photon mang lượng thấp, phần lớn lượng chúng bị vật liệu giữ lại lượng hao phí khơng detector ghi nhận, lý hiệu suất detector trường hợp thường nhỏ tăng dần lượng photon tăng + Tại vạch ứng với vùng lượng cao xạ gamma (E > 122 keV): trường hợp này, photon phát từ nguồn mang lượng lớn, thể tích nhạy detector có giá trị giới hạn, photon mang lượng lớn có nhiều khả khỏi vùng làm việc detector hơn, kết hiệu suất ghi giảm Kết thảo luận Số liệu hiệu suất thực nghiệm kết tính tốn hiệu suất chương trình mơ Monte Carlo MCNP4C2 detector HPGe trình bày Hình 4.1 trường hợp khoảng cách nguồn – detector 5cm, hình 4.2 trường hợp 10cm trường hợp 15cm Hình 4.3 tương ứng Khoảng cách nguồn - detector cm 0.035 MCNP 0.03 Thực nghiệm Hiệu suất 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Năng lượng (keV) Hình 4.1: So sánh đường cong hiệu suất theo lượng khoảng cách 5cm thực nghiệm mơ MCNP 124 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng Khoảng cách nguồn - detector 10 cm 0.01 0.009 MCNP 0.008 Thực nghiệm Hiệu suất 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Năng lượng (keV) Hình 4.2: So sánh đường cong hiệu suất theo lượng khoảng cách 10cm thực nghiệm mô MCNP Khoảng cách nguồn - detector 15 cm 0.006 MCNP Hiệu suất 0.005 Thực nghiệm 0.004 0.003 0.002 0.001 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Năng lượng (keV) Hình 4.3: So sánh đường cong hiệu suất theo lượng khoảng cách 15cm thực nghiệm mô MCNP 125 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 Việc mô đường cong hiệu suất detector theo lượng nguồn điểm chương trình mơ MCNP4C2 tương đối phù hợp với kết thực nghiệm, dựa việc so sánh đường cong hiệu suất tính tốn với đường cong hiệu suất thực nghiệm Hình 4.1, 4.2 4.3 tương ứng khoảng cách nguồn detector 5cm, 10cm 15cm Đồng thời q trình mơ phỏng, việc xây dựng đường cong hiệu suất detector hồn chỉnh với đóng góp nguồn phát gamma có lượng thấp Đường cong hiệu suất theo lượng mô MCNP4C2 nằm phía so với thực nghiệm, cụ thể so sánh kết đo đạc thực nghiệm với việc tính tốn hiệu suất mơ MCNP4C2, ta thấy kết tính tốn mơ dựa số liệu cung cấp hãng Canberra Industries, Inc ln lớn hơn, với mức sai biệt trung bình 15,67% vị trí 5cm; 7,95% vị trí 10cm vị trí 15cm 14,9%; nghĩa kết hiệu suất mô dựa số liệu nhà sản xuất cao so với thực nghiệm Sự phù hợp với kết thực nghiệm cho thấy đường cong hiệu suất mô phỏng, mà xây dựng dựa MCNP4C2 đủ tin cậy để nghiên cứu mô vấn đề liên quan đến hệ phổ kế Như phương pháp mơ đường cong hiệu suất với chương trình MCNP4C2, hỗ trợ cho người làm thực nghiệm xây dựng đường cong hiệu suất theo lượng đủ xác cho hệ đo ta khơng có nhiều nguồn chuẩn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Kenneth Shultis and Richard E Faw (2006), An MCNP Primer, Kansas State University, Manhattan [2] J F Briesmeister (2000), MCNP – A General Purpose Monte Carlo N – Particle Transport Code, Version 4C2, Los Alamos, LA [3] G F Knoll, Radiation Detection and Measurement, third edition, John Wiley & Sons, Inc., New Yord 126 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Thái Khắc Định, Nguyễn Thị Thúy Hằng [4] Canberra (2000), Catalogue – Germanium detector, Canberra Industries Inc [5] Nguyễn Đình Gẫm (2002-2003), giáo trình Thiết bị ghi xạ hạt nhân, Trường ĐHKHTN TPHCM [6] Võ Văn Hồng (2004), giáo trình Mơ vật lý, Trường ĐHKHTN, NXB ĐHQG TPHCM [7] Trần Phong Dũng - Châu Văn Tạo - Nguyễn Hải Dương (2005), Phương pháp ghi xạ ion hóa, Trường ĐHKHTN, NXB ĐHQG TPHCM [8] Lê Văn Ngọc (2006), Bài giảng lớp tập huấn MCNP, Trường ĐHKHTN Tóm tắt Bài báo đề cập đến việc sử dụng chương trình mô Monte Carlo MCNP4C2 để mô hệ phổ kế gamma HPGe (High Pure Germanium) GC1518 hãng Canberra Industries, Inc đặt Trung tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh với mục đích thiết lập, đánh giá đường cong hiệu suất theo lượng detector HPGe để ứng dụng vào cơng việc phân tích đo đạc sau Chúng xây dựng đường cong hiệu suất tính tốn chương trình mơ Mone Carlo MCNP4C2 tiến hành 12 vạch lượng gồm 59 keV (Am241), 88 keV (Cd 109), 122 keV (Co57), 136 keV (Co 57), 255 keV (Sn 113), 392 keV (Sn113), 511 keV (Na22), 662 keV (Cs137), 834 keV (Mn54), 1173 keV (Co 60), 1274 keV (Na22) 1332 keV (Co60); vị trí đặt nguồn cách detector 5cm, 10cm 15cm Đường cong hiệu suất mơ sau so sánh với đường cong thực nghiệm xây dựng vạch 59 keV (Am241), 511 keV (Na22), 662 keV (Cs137), 834 keV (Mn 54), 1173 keV (Co60), 1274 keV (Na22) 1332 keV (Co60) Kết cho thấy có phù hợp tốt đường cong hiệu suất xây dựng từ chương trình mơ từ thực nghiệm 127 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 Abstract Building the efficiency curve of HPGe detector by simulation method using MCNP4C2 program The article is about Monte Carlo MCNP4C2 program is used to simulate gamma-ray spectrometry GC1518 with HPGe (High Pure Germanium) detector of Canberra Industries, Inc at Centre for Nuclear Techniques in HCM city The aim of this research is establishing and assessing the energy-dependent efficiency curve of HPGe detector in order to serve analyses and measurements later With Monte Carlo MCNP4C2, the simulated efficiency curve was one after the other conducted at 12 peaks of energy including 59 keV (Am241), 88 keV (Cd 109), 122 keV (Co57), 136 keV (Co57), 255 keV (113Sn), 392 keV (Sn 113), 511 keV (Na22), 662 keV (Cs137), 834 keV (Mn54), 1173 keV (Co60), 1274 keV (Na22) and 1332 keV (Co 60) for the three locations of source that were placed at 5cm, 10cm and 15cm far from detector After that, these simulated efficiency curves were compared with the experimental efficiency curve at peaks 59 keV (Am 241), 511 keV (Na22), 662 keV (Cs137), 834 keV (Mn54), 1173 keV (Co 60), 1274 keV (Na22) and 1332 keV (Co 60) The findings show that there is a pretty good agreement between the efficiency curves built by simulated program and the ones from experimenting 128 ... HỌC ĐHSP TP HCM Số 18 năm 2009 3.2 Xây dựng đường cong hiệu suất chương trình MCNP4C2 Việc xây dựng đường cong hiệu suất tính tốn chương trình mơ Mone Carlo MCNP4C2, tiến hành 12 vạch lượng gồm... Việc mô đường cong hiệu suất detector theo lượng nguồn điểm chương trình mơ MCNP4C2 tương đối phù hợp với kết thực nghiệm, dựa việc so sánh đường cong hiệu suất tính tốn với đường cong hiệu suất. .. vấn đề liên quan đến hệ phổ kế Như phương pháp mô đường cong hiệu suất với chương trình MCNP4C2, hỗ trợ cho người làm thực nghiệm xây dựng đường cong hiệu suất theo lượng đủ xác cho hệ đo ta