CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TỐI ƯU CỦA CÁC HỘP CHỨA MẪU BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5
2.2. Input của chương trình MCNP5
Mỗi tính toán MCNP5 cụ thể cần được cung cấp tập các số liệu đầu vào chứa đựng thông tin liên quan đến thư viện các tiết diện và mô tả hình học vật lý của nguồn, detector và các vật liệu khác cũng như năng lượng của tia gamma tới, các khe năng lượng (tương ứng với kênh trong phổ được đo) mà trong đó các sự kiện được đánh giá đối với năng lượng bị mất trong thể tích detector và số các photon được phát ra. MCNP5 theo dõi mỗi photon khi nó truyền qua không gian và tương tác với các nguyên tử trong các vật liệu khác nhau có mặt ở đó. Các electron và các photon thứ cấp được tạo ra trong những tương tác này cũng được theo dõi cho đến khi toàn bộ năng lượng của chúng bị mất trong các vật liệu khác nhau hoặc chúng thoát ra khỏi không gian vật lý được bao hàm trong mô hình.
Đối với các tương tác trong thể tích hoạt động detector, MCNP5 tạo ra đánh giá số các sự kiện trong mỗi khe năng lượng tức là nó cung cấp phổ mất mát năng lượng. Vì hệ đo không đo trực tiếp năng lượng để lại trong detector nên phổ mô phỏng sẽ khác ở một chừng mực nào đó với phổ đo, thậm chí nếu phổ mô phỏng không có bất kỳ sự xấp xỉ hay sai số. Đối với detector bán dẫn (Ge), kiểu detector có
đặc trưng rất tuyến tính (tức là biên độ của tín hiệu từ detector tỷ lệ với năng lượng để lại trong nó) và độ phân giải năng lượng rất tốt (tức các đỉnh quan sát được đều rất hẹp) nên sự khác nhau này thường là rất nhỏ.
Như đã trình bày ở trên hệ phổ kế gamma gồm buồng chì, detector, nguồn phóng xạ và hệ thống điện tử rất phức tạp. Tuy nhiên khi tiến hành mô hình hóa hệ phổ kế thì có thể bỏ qua những phần không gian đóng góp không đáng kể vào phổ gamma mô phỏng [6], do đó chỉ cần mô tả cấu trúc hình học và thành phần vật liệu của buồng chì, detector và nguồn phóng xạ. Trong quá trình mô phỏng mode p được sử dụng bởi vì nguyên tố germanium có bậc số nguyên tử Z lớn cho nên sự khác nhau giữa mode p và mode p e là không đáng kể [2]. Mặt khác mô hình chi tiết về tương tác của photon với vật chất cũng được áp dụng, trong mô hình này ngoài việc tính toán đối với các quá trình tương tác quan trọng như hấp thụ quang điện, tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp), tạo cặp còn phải tính toán đối với quá trình tán xạ Thomson (tán xạ kết hợp) và quá trình phát huỳnh quang xảy ra theo sau quá trình hấp thụ quang điện. Đối với mode p quá trình tương tác của electron với vật chất được mô phỏng theo mô hình gần đúng TTB (thick target bremsstrahlung) của chương trình MCNP5. Mô hình gần đúng TTB giả thiết rằng electron được tạo thành di chuyển cùng hướng với photon tới và phát ra bức xạ Bremsstrahlung ngay tức thì.
Khi photon đi xuyên qua vùng nghèo thì sẽ tạo ra các cặp hạt mang điện và được tập hợp về hai điện cực. Thông qua bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích, điện tích của các hạt mang điện chuyển đổi thành xung điện áp. Xung điện áp tỉ lệ với phần năng lượng của photon được giữ lại trong detector. Khi đó phổ phân bố độ cao xung hay còn gọi là phổ gamma mô phỏng được lấy ra bằng thẻ truy xuất kết quả F8 của chương trình MCNP5. Khi được truy xuất bằng thẻ F8, kết quả phân bố độ cao xung được tính bằng số đếm đối với năng lượng (chuẩn theo số quá trình photon phát ra từ nguồn tại năng lượng đó). Ngoài ra do ảnh hưởng của ba hiệu ứng là sự giãn rộng thống kê số lượng các hạt mang điện, hiệu suất tập hợp điện tích và đóng góp của các nhiễu điện tử [10] làm cho các quang đỉnh của phổ gamma thực nghiệm có dạng Gauss. Do đó trong quá trình mô phỏng còn sử dụng lựa chọn GEB (Gaussian energy broadening) của thẻ FT8 (Special treatment for tally) đi kèm với thẻ kết quả phân bố độ cao xung
F8. Với lựa chọn GEB phổ gamma mô phỏng phù hợp tốt hơn với phổ gamma thực nghiệm. Trong phổ gamma mô phỏng quang đỉnh được mở rộng bằng các lấy mẫu ngẫu nhiên theo dạng hàm Gauss:
( ) ( )
2 0
2 2
1 2
E E
P E e σ
σ π
− −
=
(2.1)
Trong đó:
- E là năng lượng photon thuộc phần mở rộng của quang đỉnh, - E0là năng lượng photon tại trung tâm quang đỉnh,
- σ là độ lệch chuẩn.
Khi đánh giá các quang đỉnh trong phổ gamma, thay cho độ lệch chuẩn σ người ta thường dùng độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại một nửa chiều cao cực đại FWHM =2 2 ln 2σ =2, 35 .σ Giá trị FWHM của các quang đỉnh trong phổ gamma phụ thuộc vào E và biểu diễn bằng công thức bán thực nghiệm như sau:
FWHM = +a b E+cE2 (2.2) Trong đó:
- FWHM là độ rộng đỉnh năng lượng toàn phần tại nửa chiều cao cực đại
- a, b và c là các hằng số được xác định bằng phương pháp khớp bình phương tối thiểu công thức bán thực nghiệm (2.2) đối với một số vạch năng lượng photon của các nguồn phóng xạ chuẩn. Đưa giá trị của các hằng số a, b và c đã xác định vào input của chương trình MCNP5, giá trị của các hệ số này lấy từ thẻ xử lý đặc biệt cho tally của input được trình bày trong pục lục 2 và đơn vị của nó tính bằng MeV, MeV1/2 nhưsau:
FT8 GEB abc (a = 0,00071, b = 0,00075 và c = 0,46493)
Một input điển hình của chương trình MCNP5 được xây dựng để mô phỏng phổ gamma của các nguồn phóng xạ của hộp đựng mẫu hình trụ và dạng Marinelli được trình bày trong phục lục 2. Trong đó dòng 1 và 2 là các dòng tiêu đề và dòng thông báo bắt đầu khai báo thẻ ô tương ứng, các dòng từ 3 đến 58 khai báo các thẻ ô (cell card), dòng 59 là dòng trống phân cách, dòng 60 là dòng thông báo bắt đầu khai báo thẻ mặt, các dòng từ 61 đến 147 khai báo các thẻ mặt, dòng 148 là dòng trống phân cách, dòng 149 thông báo bắt đầu khai báo thẻ dữ liệu, các dòng còn lại khai báo các thẻ dữ liệu (data card). Cụ thể là dòng 150 mô tả mode p được sử dụng. Với mode p, quá trình vận chuyển của electron được tính toán theo mô hình gần đứng TTB (thick target bremsstrahlung). Dòng 221 mô tả thẻ xử lý đặc biệt FT8 với lựa chọn GEB (gaussian energy broadening). Dòng 226 mô tả thẻ truy xuất kết quả phân bố độ cao xung theo năng lượng F8. Dòng 230 mô tả kỹ thuật cắt năng lượng. Dòng 232 và 233 mô tả điều kiện kết thúc quá trình mô phỏng gồm số photon phát ra từ nguồn và thời gian tính toán tương ứng đối với hộp đựng mẫu hình trụ và dòng 207 mô tả thẻ xử lý đặc biệt FT8 với lựa chọn GEB (gaussian energy broadening), dòng 227 mô tả thẻ truy xuất kết quả phân bố độ cao xung theo năng lượng F8, dòng 231 mô tả kỹ thuật cắt năng lượng. Dòng 233 và 234 mô tả điều kiện kết thúc quá trình mô phỏng gồm số photon phát ra từ nguồn và thời gian tính toán tương ứng đối với hộp đựng mẫu dạng Marinelli. Nếu trong input có các dòng bắt đầu bằng kí tự ‘‘c’’
thì các dòng đó không có ý nghĩa hoặc tạm thời bỏ đi, khi chạy MCNP5 sẽ không xử lý các dòng này.