Tính toán mô phỏng detector bán dẫn CdZnTe bằng phương pháp Monte Carlo

Bài viết này trình bày mô hình, kết quả tính toán mô phỏng thu được từ việc sử dụng phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu mô phỏng phổ gamma, tính toán hiệu suất ghi, ma trận phản hồi cho detector bán dẫn CdZnTe(CZT) kích thước 1500 mm3 trang bị trên thiết bị bay trinh sát phóng xạ UAV.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán mô phỏng detector bán dẫn CdZnTe bằng phương pháp Monte Carlo Kỹ thuật điện tử TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG DETECTOR BÁN DẪN CdZnTe BẰNG PHƢƠNG PHÁP MONTE CARLO Đinh Tiến Hùng1*, Phan Huy Anh2, Cao Văn Hiệp1 Tóm tắt: Bài báo này trình bày mô hình, kết quả tính toán mô phỏng thu được từ việc sử dụng phương pháp Monte Carlo trong nghiên cứu mô phỏng phổ gamma, tính toán hiệu suất ghi, ma trận phản hồi cho detector bán dẫn CdZnTe(CZT) kích thước 1500 mm3 trang bị trên thiết bị bay trinh sát phóng xạ UAV. Kết quả tính toán mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm đối với 4 nguồn đồng vị phóng xạ 137 Cs, 60Co, 133Ba và 152Eu. Các kết quả so sánh cho thấy rằng phổ gamma, hiệu suất ghi tuyệt đối của detector phù hợp tốt với các kết quả đo thực nghiệm. Mô hình detector CdZnTe trong nghiên cứu này được áp dụng xây dựng đường cong hiệu suất và tính toán liều bức xạ trên cơ sở phổ gamma thu được.Từ khóa: Thiết bị bay không người lái UAV; Đầu ghi bán dẫn CdZnTe; Phương pháp Monte Carlo; Ma trậnphản hồi; Suất liều gamma môi trường. 1. MỞ ĐẦU Trong nhiều lĩnh vực của khoa học hạt nhân ứng dụng, các detector ghi bức xạgamma được sử dụng để đo phổ năng lượng gamma, phân tích nhận diện đồng vị,xác định hàm lượng đồng vị phóng xạ có trong mẫu, môi trường. Việc sử dụngdetector bán dẫn siêu tinh khiết đã mang lại kết quả chính xác hơn trong việc ghinhận bức xạ gamma trong dải năng lượng rộng so với các loại detector nhấp nháytruyền thống. Tuy nhiên, nhược điểm của các hệ phổ kế sử dụng detector bán dẫnloại này là nhiệt độ làm việc thấp, đòi hỏi các hệ thống làm lạnh bằng ni tơ lỏng(-196℃). Trong các hệ phổ kế đòi hỏi sự chính xác cao, hoạt động trong điều kiệnnhiệt độ phòng trong thời gian dài, các detector bán dẫn CdZnTe (Cadmium-Zinc-Telluride) [1] được ưu tiên sử dụng do loại detector này sở hữu những ưu điểmvượt trội so với các detector bán dẫn Silicon [2, 3] và Germanium [2, 3]. Tuynhiên, do giới hạn trong công nghệ chế tạo tinh thể, thể tích vùng nhạy của cácdetector CdZnTe chỉ dừng lại ở mức vừa và nhỏ. Trong quá trình khảo sát mẫu, đặc biệt là đối với các mẫu môi trường, do hoạtđộ phóng xạ trong mẫu rất thấp (cỡ ppm) để số đếm đảm bảo về mặt thống kê cầnđo trong thời gian rất dài, lượng mẫu lớn. Việc chuẩn hiệu suất với các detector đomôi trường là mối quan tâm hàng đầu. Có nhiều phương pháp được đưa ra để giảiquyết vấn đề này: i) xây dựng đường cong hiệu suất bằng số liệu đo đạc thựcnghiệm [4, 5]; ii) xây dựng các công thức tính toán hiệu suất bằng phương phápgiải tích kết hợp các tham số hình học của detector và mẫu [6, 7]; iii) sử dụngphương pháp mô phỏng [8-10]. Quá trình xác định đường cong hiệu suất bằng thựcnghiệm và thiết lập công thức giải tích rất tốn kém và mất nhiều thời gian, đặc biệtlà các detector có thể tích vùng hoạt nhỏ. Trong nghiên cứu này, hiệu suất ghi củadetector được tính toán thông qua phương pháp mô phỏng Monte Carlo trên phầnmềm MCNP-5 trong dải năng lượng 0÷2000 keV. Các kết quả mô phỏng vớinguồn đồng vị 137Cs, 60Co, 133Ba và 152Eu được so sánh với thực nghiệm. Mô hìnhdetector CdZnTe được áp dụng trong quá trình xây dựng hàm và ma trận phản hồivới mục đích tính toán liều bức xạ từ phổ gamma thu được.148 Đ. T. Hùng, P. H. Anh, C. V. Hiệp, “Tính toán mô phỏng detector … Monte Carlo.”Nghiên cứu khoa học công nghệ 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phần mềm MCNP Phương pháp Monte Carlo [11, 12] là một phương pháp giải số cho bài toán màmô phỏng sự tương tác của những vật thể này với những vật thể khác hay là vớimôi trường dựa trên các mối quan hệ giữa vật thể với vật thể và vật thể với môitrường đơn giản. Phương pháp này mô hình hóa tự nhiên thông qua sự mô phỏngtrực tiếp các lý thuyết động học cần thiết dựa theo yêu cầu của hệ. Phương phápMonte Carlo giải quyết các mô hình tương tác bằng tập hợp các số ngẫu nhiên vàcác hàm phân bố mật độ xác suất đặc trưng cho các quá trình vật lý xảy ra trongmôi trường. Phần mềm MCNP [12] là phần mềm dựa trên phương pháp MonteCarlo được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và sau này là nhóm RadiationTransport (Nhóm X-6) của phòng Vật lý lý thuyết ứng dụng ở phòng Thí nghiệmquốc gia Los – Alamos (Mỹ) để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối vớinotron, gamma, electron mang tính thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tươngtác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng notron,...). MCNP sử dụng các thưviện dữ liệu của các quá trình hạt nhân bao gồm thư viện ENSDF [13] (EvaluatedNuclear Data File), ACTI [14] (Advanced Computational Technology Initiative),ENDL [15] (Evaluated Nuclear Data Library), EPDL [16] (Evaluated Photon DataLibrary), ACTL [17] (Activation Library), các quy luật phân bố thống kê ...