XÂY D ỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ ĐO GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC
2.1. Nguồn và hộp chứa nguồn
Nguồn phóng xạ được mô phỏng trong luận văn này là nguồn đồng vị 137Cs phát gamma đơn năng ứng với năng lượng 661,657 keV có chu kỳ bán rã là 30,05 năm [4].
Trong phép đo tán xạ ngược, ta chỉ quan tâm đến các sự kiện photon phát ra từ nguồn tán xạ lên bia rồi đi đến đầu dò và được ghi nhận. Tuy nhiên, photon phát ra từ nguồn có tính đẳng hướng nên sẽ có một lượng nhất định các photon đi trực tiếp từ nguồn đến đầu dò mà không tán xạ lên bia, hoặc tán xạ với các góc khác nhau, gây ra các số đếm không mong muốn. Do đó, nguồn phóng xạ cần được đặt bên trong hộp chứa nguồn, kết hợp với việc sử dụng ống chuẩn trực để thu hẹp chùm tia đi từ nguồn đến bia.
Hình 2.1. Mô hình nguồn phóng xạ 137Cs
Ống chuẩn trực là một khối trụ rỗng bằng chì chiều dài 20cm, đường kính trong 1cm, đường kính ngoài 5cm. Ống sẽ được bố trí vào hộp chứa nguồn từ phía trước của hộp, vừa khít với lỗ 5cm đã được gia công sẵn. Sau khi mô phỏng xong hộp chứa nguồn, phần nhô ra bên ngoài của ống chuẩn trực là 10cm.
Ống chuẩn trực nguồn Nguồn 137Cs
Hinh 2.2. Mô hình ống chuẩn trực nguồn 2.2. Đầu dò và ống chuẩn trực
Một mô hình đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) được xây dựng dựa trên mẫu đầu dò 76BR76 NaI(Tl) của hãng Amptek, gồm có các thành phần sau:
Hình 2.3. Các thông số đường kính trong và loại vật liệu của đầu dò NaI(Tl) dùng trong mô phỏng [5]
Bảng 2.1. Mật độ của các vật liệu được sử dụng trong đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) [5]
Vật liệu Al Silicon Al2O3 NaI(Tl)
Mật độ (g/cm3) 2,700 2,329 3,970 3,667
Gắn với tinh thể NaI(Tl) là ống nhân quang điện, việc mô phỏng các chi tiết của nhân quang điện là khá phức tạp và không thực sự cần thiết vì ảnh hưởng đến
kết quả không thực sự rõ ràng. Vì vậy, để khắc phục vấn đề này, chúng tôi mô phỏng ống nhân quang điện như là một ống nhôm hình trụ đặc với đường kính 83,2 mm và độ dày 30 mm [2]. Ống chuẩn trực là một khối trụ làm bằng chì và ở tâm có một lỗ rỗng hình trụ đường kính 9,5 cm được biểu diễn như hình 2.4.
Hình 2.4. Mô hình khối đầu dò 2.3. Bia tán xạ
Mô hình của bia tán xạ là một tấm phẳng làm bằng vật liệu C, Al, Fe, Cu, Zn, Sn, Ag, Au và Pb, có kích thước bề mặt 50cm x 50cm. Hàm lượng của các nguyên tố thành phần vật liệu được lấy trên trang dữ liệu NIST [4].
Trong hệ đo gamma tán xạ ngược được xây dựng, bia tán xạ đặt tại vị trí cách nguồn 34cm và cách bề mặt của tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) 31cm, đồng thời góc tạo bởi bia và hướng của photon tới là 900. Trong chương trình MCNP5, bề dày và thành phần vật liệu của bia có thể thay đổi một cách dễ dàng, do đó ta có thể tiến hành các phép mô phỏng khảo sát theo bề dày và vật liệu của bia.
2.4. Mô hình mô phỏng
Hệ đo gamma tán xạ trong mô phỏng được bố trí như hình 2.5. Nguồn phóng xạ được đặt trong buồng chì nằm trên đường thẳng vuông góc với bề mặt của vật liệu cần đo và đầu dò được bố trí để thu nhận được tia tán xạ tại góc 1200. Sự thay đổi cường độ photon tán xạ từ việc thay đổi bề dày của bia vật liệu sẽ làm cơ sở cho việc tính toán bề dày của bia.
Hình 2.5. Bố trí mô hình đo bề dày của bia vật liệu trong mô phỏng
Hình 2.6. Cấu hình hệ đo xác định độ dày của thành bình trong MCNP5
Hình 2.7. Mô hình 3D của hệ đo trong MCNP5 2.5. Đường chuẩn năng lượng của hệ đo
Để xác định được năng lượng đỉnh tán xạ trong mô phỏng, cần phải biết được mối tương quan giữa vị trí kênh và năng lượng đỉnh gamma của hệ đo [2].
Việc xây dựng đường chuẩn năng lượng được thực hiện qua các bước sau:
Bước 1. Đo phổ của nguồn phát gamma chuẩn (đã biết trước năng lượng), gồm 11 mức năng lượng của 8 nguồn khác nhau (bảng 2.2).
Bước 2. Xác định vị trí kênh của các đỉnh phổ xuất hiện.
Bước 3. Thiết lập đường chuẩn năng lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu (được thực hiện bằng chương trình Origin 9.0.1) như hình 2.8.
Bước 4. Ghi nhận kết quả thu được, đường chuẩn năng lượng tuyến tính có dạng:
E (keV) = a*Ch + b (2.1)
trong đó: Ch là vị trí kênh, E (keV) là năng lượng ứng với vị trí kênh Ch, a và b là các hệ số phụ thuộc vào cấu hình của hệ đo.
Đường chuẩn năng lượng của đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với MCA được cài đặt
ở chế độ 8192 kênh có dạng:
E = 0,20407*Ch 13,5363− (2.2)
Bảng 2.2. Bảng số liệu được sử dụng để xây dựng đường chuẩn năng lượng của hệ
đo
Hình 2.8. Đồ thị làm khớp năng lượng theo vị trí kênh
Nguồn Năng lượng E (keV) Kênh Ch
109Cd 88,034 484,43
152Eu 121,782 654,85
152Eu 244,697 1260,60
152Eu 344,279 1754,24
22Na 511,000 2586,79
137Cs 661,657 3321,00
54Mn 834,838 4178,14
65Zn 1115,539 5530,57
60Co 1173,228 5817,33
22Na 1274,537 6298,27
60Co 1332,492 6585,70
2.6. Tổng kết chương 2
Trong chương này, chúng tôi đã đưa ra một mô hình thiết kế cho hệ mô phỏng gamma tán xạ ngược. Các thông số của mô hình được mô phỏng bằng chương trình MCNP5 sao cho đảm bảo điều kiện an toàn bức xạ và thuận lợi cho việc đo đạc ngoài hiện trường. Bên cạnh đó, tác giả cũng trình bày đường chuẩn năng lượng đầu dò NaI(Tl) 8192 kênh.