Chương 1, khóa luận đã trình bày về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất; chuỗi phân rã của các đồng vị phóng xạ 238 U , 232 Th và các khái niệm liên quan đến hiệu suất ghi đỉnh năng lượng toàn phần của đầu dò. Các vấn đề trên là nền tảng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần vào thành phần nguyên tố của các mẫu chuẩn được đề cập tới trong Chương 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2. Chương trình MCNP6 Chương trình MCNP6 (Monte Carlo N-Particle 6) là một trong số các phiên bản của MCNP với việc bổ sung các quá trình tương tác mới như hiện tượng va chạm quang hạt nhân, hiệu ứng giãn nở Doppler.
MCNP6 hoạt động dựa trên trên quy tắc gieo hạt ngẫu nhiên, sử dụng các quy luật thống kê và có khả năng mô tả hình học ba chiều do đó mang lại lợi thế về mặt chi phí khoa học. Thông qua phần mềm Visual Editor, sử dụng chương trình MCNP6 cần phải mô tả chi tiết về cấu hình, vật liệu và nguồn. Cấu hình đầu dò và nguồn được định nghĩa trong không gian ba chiều. Vật liệu cần xác định được khối lượng riêng, thành phần các đồng vị có mặt trong đó.
MCNP6 có thể mô tả nguồn ở các dạng khác nhau (nguồn điểm, nguồn trụ.) cũng như các thông số nguồn như năng lượng, vị trí, loại bức xạ. Bên cạnh đó, người dùng có thể điều chỉnh dạng hạt, thông lượng hạt, năng lượng mất mát theo các mục đích khác nhau. Một ưu điểm khác của MCNP6 là các tập tin đầu ra của MCNP6 có dung lượng khá nhẹ, giúp người sử dụng tối ưu hóa được thời gian xử lý trong quá trình chạy mô phỏng. Chính vì những ưu điểm trên nên MCNP6 được sử dụng rộng rãi trong ngành Kỹ thuật Hạt nhân.
Cấu trúc tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 Để chạy mô phỏng từ nguồn đến đầu dò, một bài toán sử dụng chương trình MCNP cần có đủ ba Cards tương ứng với ba phần dữ liệu: • Khai báo ô mạng (Cell Cards). • Khai báo dữ liệu (Data Cards). Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 được xác định như sau: 12 Bảng 2. Cấu trúc tập tin đầu vào trong chương trình MCNP6 Mô tả Cấu trúc C HPGe GEM50P4-83 + SHIELDING LEAD + RGU 2.0CM Thẻ tiêu đề C 24-April-2019 C ****************** BLOCK 1: CELL CARDS ******** C ----------------------Cell HPGe---------------- Cell Cards 1 2 -5.3230 (-26 5 -27):(27 -24 5):(-5 6 29 -16):(-6 7 15 -16) IMP:P,E=1 $Ge <Dòng trống> Phân cách giữa Cell Cards và Surface Cards.
C *************BLOCK 2: SURFACE CARDS******* C -----------------------HPGe----------------- Surface Cards C ----------------------PLANE----------------- 1 PZ 0.0 <Dòng trống> Phân cách giữa Surface Cards và Surface Cards. C *************BLOCK 3: DATA CARDS********* MODE P Data Cards C -----------------MATERIAL CARDS---------- M1 13000 -1.6989 Một số lưu ý khi xây dựng tập tin đầu vào: • Không sử dụng phím [Tab] để tạo khoảng trắng trong khi viết tập tin đầu vào, chỉ sử dụng phím [Spacebar]. • Kí tự ‘C’ đặt ở đầu dòng và kí tự ‘$’ ở cuối dòng cho phép người dùng ghi chú những thông tin cần thiết, tiện cho việc sửa chữa. MCNP sẽ không thực hiện các dòng ghi chú này trong khi chạy chương trình.
13 • Trong MCNP, các đơn vị được mặc định như sau: năng lượng (MeV), khối lượng (g), kích thước (centimet), mật độ khối lượng (g/cm3), tiết diện (barn). Nó được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao, hội và bù các vùng không gian tạo bởi các mặt. Mỗi mặt chia không gian thành hai vùng với các giá trị dương và âm tương ứng. Mỗi cell được diễn tả bởi số cell (cell number), số vật chất (material number), mật độ vật chất (material density) và một dãy các mặt (surfaces) có dấu (âm hoặc dương) kết hợp nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng), hội (:), bù (#) để tạo thành cell.
Cú pháp khai báo của một Cell trong Cell Cards [6]: j m d geom params Trong đó: • j là chỉ số Cell. • m là chỉ số vật chất trong Cell. • d là mật độ của vật liệu trong Cell, mang dấu “+” nếu tính theo đơn vị nguyên tử/cm3 và dấu “-“ nếu tính theo đơn vị g/cm3. • geom mô tả các mặt giới hạn Cell.
• params là các tham số tùy chọn như trọng số, lệnh lắp đầy, hệ số chuyển trục tọa độ… Ví dụ về Cell Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2. Cấu trúc thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) trong tập tin đầu vào 14 2. Khai báo mặt (Surface Cards) Để tạo ra các vùng không gian hình học phục vụ cho việc mô phỏng, MCNP cung cấp một số các dạng mặt cơ bản như mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ. Các khối hình học mô phỏng được tạo thành bằng cách kết hợp các vùng không gian giữa các mặt với nhau thông qua các toán tử giao, hội và bù.
Cú pháp khai báo một mặt trong Suface Cards như sau: j n a list Trong đó: • j là chỉ số mặt. • n bỏ qua hoặc bằng 0 nếu không chuyển toạ độ. • a là kí hiệu loại mặt. Ví dụ: Px khai báo mặt phẳng vuông góc với trục Ox.
• list là các tham số định nghĩa mặt. Trong mô phỏng của khóa luận sử dụng một số loại mặt cơ bản như mặt trụ, mặt phẳng, mặt cầu và mặt elip. Các phương trình giải tích và tham số tương ứng được thể hiện ở Bảng 2. Các loại mặt được định nghĩa trong MCNP6 [6] Ký Mô tả Phương trình Tham số hiệu Mặt phẳng PZ z−D =0 D ⊥ trục OZ Mặt trụ trên CZ x 2 + y2 − R 2 = 0 R trục OZ Mặt cầu tâm x 2 + y2 + ( z − z ) − R 2 = 0 2 SZ zR trên trục Oz Mặt xuyến 2 ellipse hoặc ( x − x ) + ( y − y ) − A 2 2 ( ) + 2 TZ tròn trục z − z −1 = 0 x y z ABC song song B2 C 2 với trục OZ 15 Ví dụ về Surface Cards trong tập tin đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2.
Cấu trúc thẻ khai báo mặt (Cell Cards) trong tập tin đầu vào 2. Khai báo thẻ dữ liệu (Data Cards) Thẻ dữ liệu (Data Cards) là một phần quan trọng của chương trình MCNP6, cho phép người dùng khai báo thông tin về loại bức xạ ghi nhận, nguồn và vật liệu cấu tạo trong những ô mạng. Chương trình MCNP6 cho phép khai báo nhiều loại nguồn sao cho phù hợp với bài toán cần mô phỏng như: nguồn tổng quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW). Để giới hạn về một bài toán người sử dụng sẽ khai báo cụ thể những tính chất của nguồn cần khảo sát như: không gian, loại bức xạ, năng lượng, hướng phát.
Trong mô phỏng của khóa luận này sử dụng nguồn tổng quát (SDEF). Cú pháp khai báo nguồn tổng quát trong Data Cards như sau: SDEF Thông số 1 Thông số 2 Thông số 3 … Các định nghĩa về tham số được đưa ra trong Bảng 2. Trong mô phỏng của khóa luận, ngoài những giá trị mặc định của các thông số trong khai báo nguồn tổng quát còn sử dụng thêm các thẻ như SIn, SPn, F8. Trong đó Tally F8 (F8) đóng vai trò như một đầu dò 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 mất trong đầu dò. Ví dụ về Source Cards trong tệp đầu vào của khóa luận được mô tả qua Hình 2. Các định nghĩa tham số trong MCNP6 [6] Thông số Ý nghĩa CELL Số hiệu cell của nguồn AXS Vectơ tham chiếu cho RAD và EXT POS Toạ độ vị trí nguồn, mặc định: (0,0,0) RAD Bán kính quét từ POS hoặc từ AXS, mặc định: 0 EXT Khoảng cách từ POS dọc theo trục AXS ERG Năng lượng (MeV), mặc định 14 MeV PAR Loại hạt phát ra từ nguồn, 1: neutron, 2: photon, 3: electron Hình 2. Cấu trúc thẻ khai báo nguồn (Source Cards) trong tập tin đầu vào Khai báo vật liệu (Material Cards) Material Cards mô tả loại vật liệu được lấp đầy trong cell trong quá trình mô phỏng.
Các thành phần trong vật liệu được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố thành phần và tỉ lệ phần trăm của nguyên tố đó trong vật chất. Cú pháp khai báo: Mm ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 … Trong đó: m là chỉ số của vật liệu. ZAID là số hiệu xác định đồng vị có dạng ZZZAAA (với ZZZ là số hiệu nguyên tử, AAA là số khối). Trong khi khai báo đồng vị, số hiệu nguyên tử 17 ZZZ không nhất thiết phải viết đủ 3 chữ số, đối với các đồng vị tự nhiên AAA=000.
Ví dụ để khai báo đồng vị 168 O có thể viết 8016 hoặc 8000. fraction là tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu. Tỉ lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu sẽ được tính theo tỉ lệ số nguyên tử có trong hợp chất nếu mang giá trị dương, hoặc theo tỉ lệ khối lượng nếu mang giá trị âm. Ví dụ về Material Cards trong file input của khóa luận được mô tả qua Hình 2.
Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu (Material Cards) trong tập tin đầu vào Trong đó, các thông số từ dòng M1 đến M8 là vật liệu tham khảo từ quy định về vật liệu mô tả trong MCNP [8], M9 là vật liệu của mẫu chuẩn [9,11]. Hệ phổ kế sử dụng đầu dò HPGe Hệ phổ kế được dùng trong khóa luận này là hệ phổ kế gamma phông thấp đặt tại Viện y tế công cộng được đưa ra trong Hình 2. Hệ bao gồm: đầu dò HPGe GEMP4- 83; bộ tiền khuếch đại; thiết bị Lynx DSA tích hợp nguồn nuôi cao thế, khối khuếch đại, bộ biến đổi tương tự thành số và khối phân tích đa kênh, đầu dò được làm lạnh bằng Ni-tơ lỏng; buồng chì che chắn. Các thông số của đầu dò do nhà sản suất cung cấp được đưa ra trong Bảng 2.
Hệ phổ kế được kết nối với máy tính thông qua cổng cáp, việc ghi nhận và xử lí phổ được thực hiện bằng chương trình chuyên dụng Meastro. Hệ phổ kế gamma sử dụng đầu dò HPGe Bảng 2.