CHƯƠNG I: DETECTOR BAN DAN SIÊU TINH KHIET HPGe 1.1 Giới thiệu [6| Detector germanium là detector được sử dụng rộng rai trong các nghiên cứu hạt nhắn và ứng dụng. Day lả loại detector ghi nhận tia gamma có độ phan giải năng lượng cao nhất hiện nay. Năng lượng của tia gamma và beta có thể đo được với độ phân giải lên đến 0,1%. Có hai loại detector bán dẫn germanium là detector germanium khuéch tan lithium ký hiệu là Ge (Li) va detector germanium siêu tinh khiét ky higu la HPGe (High Pure Germanium detector).
Ca hai loai detector nay đều có độ nhạy va độ phân giải năng lượng tốt nhưng detector Ge (Li) có một khuyết điểm là nó không ổn định trong môi trường nhiệt độ phòng bởi vì lithium được khuếch tán vào trong vùng nội sẽ bị rò rỉ ra khỏi detector. Vì vậy, sự phát triển của detector vùng nhạy bang chất bán dẫn không khuếch tán lithium với độ tinh khiết cao sẽ giải quyết được van dé nay, Detector Ge là những điôt bán dẫn có cau trúc P-I-N trong đó vùng I là nhạy với bức xạ ion hóa, đặc biệt là tia X và tia gamma. Khi phân cực ngược, sẽ có một điện trường mở rộng qua ving | này (khi đó vùng I còn được gọi là vùng nghèo). Khi các photon tương tác với vật chất trong thé tích vùng nghèo của detector, những phan tử mang điện (bao gồm lỗ trống và electron) được tạo ra vả bị quét bằng điện trường tới hai cực P và N.
Điện tích nảy tỷ lệ với năng lượng mắt đi trong detector khi photon tới và được biến đối thành xung điện bằng bộ tiền khuếch đại nhạy điện tích. Germanium có độ rộng vùng cắm nhỏ cho nên những đetector này được làm lạnh để giảm việc sinh ra phan tử mang điện nhiệt, do đó làm giảm dong rò ngược tới mức có thé chấp nhận được, ngược lại tạp âm do đòng rò gây ra sẽ làm giảm khả năng phân giải của detector. Môi trường làm lạnh phỏ biển nhất hiện nay là nitơ lỏng ở nhiệt độ 77K. Detector được đặt trong buồng chân không và toàn thể nó được đặt trong bình nitơ lỏng LN>.
Do đó bẻ mặt nhạy của detector được chống 4m và chong nhiém ban.2 Các loại detector germanium [2] Có 7 loại chính: © Detector germanium năng lượng cực thấp, ký hiệu Ultra - LEGe. ¢ Detector germanium năng lượng thắp, ký hiệu LEGe. e Detector germanium đồng trục, ký hiệu Coaxial Ge. e Detector germanium điện cực ngược, ký hiệu REGe.
© Detector germanium hình giếng, ký hiệu Well. ® Detector germanium dải rộng, ký hiệu XtRa. e Detector germanium năng lượng mở rộng, ký hiệu BEGe. Ultra LEGe LEGe —— 3 BEGe ere + Coaxial Ge Se kị REGe ———.— Well ——_—ED 0 1 10 100 1000 10000 Năng lượng (keV) Hình 1.1: Khoảng năng lượng ghi nhận của một số loại detector germanium.
Detector sử dụng trong luận văn nay là detector germanium năng lượng thấp LEGe. 13 Độ phân giải năng lượng [3] Độ phân giải năng lượng của detector là tỷ số của FWHM (là bẻ rộng của phân bổ tại tọa độ bằng một nửa độ cao cực đại của đỉnh tại vị trí Hạ) và Hp. Độ phân giải năng lượng cảng tốt thi detector cảng có khả năng tách các đỉnh trong phô nang lượng. Độ phân giải năng lượng là đại lượng không thứ nguyên và được tính theo %.
12 al? Độ phân giải R= FHWM Hình 1.2: Định nghĩa độ phân giải năng lượng. Detector có độ phân giải năng lượng càng nhỏ thì cang có kha năng phân biệt được hai bức xạ có năng lượng gần nhau. đN a Độ phgiải ân tết H, H Hình 1.3: Hàm đặc trưng đối với những detector có độ phân giải tương đối tốt va tương đối xấu. 13 Như vay, detector có độ phân giải tốt sẽ cho phổ có bẻ rộng đường cong phân bố nhỏ, đỉnh nhô cao, nhọn, sắc nét và ngược lại.1 Định nghĩa Hiệu suất ghi của detector là xác suất ghi nhận bức xa, bằng tỷ số giữa số bức xạ ghi nhận được trên tổng số bức xạ đi vào detector.
Cơ chế ghi nhận của đầu đò dựa theo tương tác của bức xạ trong môi trường vật chất. Một photon tới tương tác với vật liệu đầu dd theo ba cơ chế chính: hap thụ quang điện, tán xạ Compton va hiệu ứng tạo cặp. Trong ba cơ chế nay thì hap thụ quang điện làm mắt toan bộ năng lượng của photon trong đầu dò. Hai cơ chế kia chỉ chuyển một phần năng lượng cho đầu đò.
Mặc dù các tán xạ được kết thúc bằng hdp thụ quang điện cỏ thể đóng góp vào đỉnh năng lượng toàn phần nhưng vẫn có các trường hợp photon bị thất thoát và do đó chỉ được ghỉ nhận một phần.2 Các loại hiệu suất Dựa vào đặc tính trên để xác định, có hai loại hiệu suất được định nghĩa: Hiệu suất toàn phần (e,): là xác suất mà một photon để lại một năng lượng khác không khi đi vào vùng hoạt của detector. Hiệu suất đỉnh (e,): là xác suất mà một photon để lại toàn bộ năng lượng của nó khi đi vào vùng hoạt của detector. Hiệu suất đỉnh và hiệu suất toàn phần liên hệ với nhau qua công thức: PT= (1.1) được gọi là tỷ số đỉnh - tông hay tỷ số P/T. 14 CHƯƠNG 2: MCNP- TAP HỢP CÁC CONG CỤ MÔ PHONG VẬN CHUYEN BỨC XA BANG PHƯƠNG PHAP MONTE - CARLO 2.
Phương pháp Monte -Carlo [7], [8] 2.1 Giới thiệu Mô phỏng bằng phương pháp Monte - Carlo là phương pháp mô phỏng trên máy tính dựa vào sự phát sinh các số ngẫu nhiên. Phương pháp này cho phép mô phỏng tat cả những bài toán ma có sự tham gia của các yếu tố ngẫu nhiên hoặc đối với nhiêu bài toán mà kết quả của nó rd ràng là một giá trị đúng và không có sự tham gia của các yếu tổ ngẫu nhiên thì ta vẫn có thể xây dựng mối liên hệ giữa kết quả này với một hoặc một vai đại lượng ngẫu nhiên nao đó và khi đó vẫn có thé áp dụng phương pháp Monte - Carlo. Phương pháp Monte - Carlo được ứng dụng rộng rãi trong vật lý thống kê, mô phỏng cấu trúc và tính chất của vật liệu, mô phỏng các bài toán lượng tử nhiễu hạt.2 Hai đặc điểm chính của phương pháp Monte — Carlo - _ Đây là thuật toán đơn giản. Khi mô phỏng ta chỉ cần xây dựng thuật toán cho một sự kiện và lặp đi lặp lại cho tất cả các sự kiện.
Vì vậy mà người ta còn gọi phương pháp này là phương pháp thử thống kê. - Sai số của kết quả nhận được sẽ tỉ lệ với đại lượng VD/N (với D là hằng sé nào đó, N là số sự kiện mô phỏng). Từ công thức này ta thấy nếu muốn giảm sai số thì chỉ cần tăng số sự kiện mô phỏng lên. Như ta đã biết phương trình vận chuyển bức xạ qua vật chất chỉ có thê giải được cho một số cấu hình nhất định.
Tuy nhiên ngày nay quá trình tương tác của photon và electron được biết rat tốt cũng như dữ liệu tiết diện thì luôn có sẵn. Từ đây ý tưởng sử dụng phương pháp mô phỏng Monte- Carlo cho việc giải quyết các bài toán vận chuyển bức xạ được hình thành. Phương pháp Monte — Carlo mô phóng sự tương tác của những vật thể này với những vật thế khác hay là với môi trường dựa trên các mỗi quan hệ vật thể - vật thé va vật thé - môi trường đơn giản. 15 Nó cé gắng mô hình hóa tự nhiên thông qua sự mô phỏng trực tiếp các lý thuyết động lực học can thiết dựa theo yêu cầu của hệ.
Lời giải được xác định bằng cách lay mẫu ngẫu nhiên của các quan hệ hay là các tương tác vi mô cho đến khi kết quả đồng quy. Do vậy cách thực hiện lời giải bao gồm các hành động hay các phép tính được lặp đi lặp lại. Trong quá trình mô phỏng một photon hoặc electron được xem như “hạt” được sinh ra từ một nguồn bao gồm năng lượng ban đầu, vị trí tương tác, góc tán xạ.trên cơ sở của các tương tác vật lý, bảng tiết diện mở rộng và số giả - ngẫu nhiên. Một hạt được tạo ra bằng cách lấy mẫu một nguồn có năng lượng E từ danh sách của các năng lượng có sẵn kết hợp với vị trí đầu tiên r và hướng tới Q.
Trong không gian pha cho mỗi quá trình tương tác và vị trí mới lại được lấy mẫu kết hợp với năng lượng còn lại và một hướng mới. Quá trình này được lặp lại cho đến khi nguồn hạt và tất cả các hạt thứ cấp đã dé lại toàn bộ năng lượng của nó. Nếu năng lượng này được để lại trong đầu dd, một số đếm sẽ được đưa vào phổ gamma tại năng lượng xấp xi của nó. Quá trình này được lặp lại cho đến số ngẫu nhiên được giới hạn trước.2 Giới thiệu chương trình MCNP [1], [4] MCNP (Monte Carlo N-Particle) là một chương trình máy tính được viết bởi tiến si Thomas N.
Godfrey — nhà lập trình MCNP hàng đầu vào những năm 1975 ~ 1989 và các cộng sự. MCNP là chương trình đa mục đích, ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron mang tính thống kê. Trong MCNP miễn năng lượng tính toán của neutron lả 10”! MeV - 20 MeV, của photon vả electron là 10° MeV — 10° MeV. MCNP sử dung cac thu vién dit liệu của các quá trình hạt nhân, các quy luật phân bố thống kê, số ngẫu nhiên ghi lại các sự kiện của một hạt trong suốt quá trình kế từ khi phát ra từ nguồn đến hết thời gian sông của nó.
Tương tác của photon với vật chất trong MCNP 1], [10] MCNP giải quyết van đề va chạm của photon lên vật chat qua hai mô hình: xử lý theo vật ly đơn giản và chi tiết dya trên lý thuyết của tán xạ Compton, tắn xạ Thomson, hiệu ứng quang điện vả hiệu ứng tạo cặp. Xử lý vật lý đơn giản bỏ qua tán xạ kết hợp và photon huỳnh quang từ sự hap thụ quang điện. Nó chỉ xét đến các photon có năng lượng cao và các electron tự do và điều quan trọng là dự đoán các hiện tượng tiếp theo sau như là: vị trí đặt đầu dò nơi mà tán xạ kết hợp gần như đi thing. Xử lý vật ly chỉ tiết bao gồm tán xạ kết hợp (Thomson) vả tính đến các photon huynh quang sau hap thụ quang điện.1 Tán xạ Compton Hinh 2.1: Tan xa Compton.