Luận văn Nghiên cứu xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn đối với một số mẫu có dạng hình học khác nhau bằng phương pháp monte carlo

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xác định hiệu suất của đầu dò bán dẫn đối với một số mẫu có dạng hình học khác nhau bằng phương pháp monte carlo

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH `Lê Kim Dung NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CÓ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
2. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu mô phỏng, tính toán hiệu suất từ phổ thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Đức Tâm và chưa được công bố trong công trình nào mà không có sự tham gia của tôi. Dữ liệu về phổ thực nghiệm, các số liệu về mẫu đo sử dụng để thực hiện luận văn do ThS. Hồ Văn Doanh làm việc tại trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp. Tác giả luận văn Lê Kim Dung
3. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành chương trình cao học chuyên ngành Vật lí nguyên tử tại trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS. Hoàng Đức Tâm đã tận tâm, tận tình truyền đạt cho tôi các kiến thức quý báu, phương pháp làm việc khoa học, niềm đam mê và cảm hứng làm việc liên tục trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Hồ Văn Doanh, ThS. Huỳnh Đình Chương đã giúp đỡ tôi những công đoạn vô cùng cần thiết trong quá trình tiến hành tìm hiểu thực nghiệm đề tài, xử lý và kiểm tra số liệu. Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy kiến thức chuyên môn, truyền cho tôi cảm hứng và sự đam mê trong công tác nghiên cứu khoa học. Tôi gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo trường Trung Học Phổ Thông Chuyên Bình Long – Bình Phước đã tạo điều kiện tối đa về thời gian để tôi có thể yên tâm học tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ và giúp đỡ để tôi yên tâm trong quá trình học tập. Cảm ơn bạn Phạm Vũ Trân đã giúp đỡ và cùng tôi thảo luận những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài.
4. MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt trong đề tài Danh mục các bảng Danh mục các hình ảnh và đồ thị MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VỚI VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN ........................................................................................... 8 1.1. Tương tác của photon với vật chất ..................................................... 8 1.1.1. Hiện tượng quang điện ........................................................... 9 1.1.2. Hiện tượng tán xạ Compton ................................................. 12 1.1.3. Hiện tượng tán xạ Rayleigh ................................................. 13 1.1.4. Hiện tượng tạo cặp ............................................................... 14 1.2. Một số đặc trưng của đầu dò bán dẫn ............................................... 15 1.2.1. Đầu dò bán dẫn..................................................................... 16 1.2.2. Hiệu suất ghi của đầu dò bán dẫn ........................................ 18 1.2.3. Độ phân giải của đầu dò bán dẫn ......................................... 20 1.3. Hiệu ứng tự hấp thụ .......................................................................... 22 1.4. Hiệu ứng trùng phùng tổng. .............................................................. 23 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO, CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP5 VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT ....................................................................................... 25 2. 1. Phương pháp Monte Carlo .............................................................. 25
5. 2. 2. Chương trình mô phỏng MCNP5 .................................................... 25 2.2.1. Cell Cards ............................................................................. 26 2.2.2. Surface Cards ....................................................................... 27 2.2.3. Data Cards ............................................................................ 29 2.2.4. Cấu trúc chương trình MCNP .............................................. 31 2.2.5. Đánh giá phân bố độ cao xung Tally – F8 ........................... 32 2.2.6. Mô phỏng nguồn và sự tương tác của photon qua chương trình MCNP5 ................................................................................ 33 2.3. Phương pháp xác định hiệu suất ..................................................... 37 2.3.1. Phương pháp thực nghiệm .................................................... 37 2.3.2. Phương pháp mô phỏng dùng chương trình MCNP5 ........... 40 2.3.3. Phương pháp bán thực nghiệm. ............................................ 42 Chương 3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA ĐẦU DÒ BÁN DẪN GMX – 4076PL ĐỐI VỚI MỘT SỐ MẪU CÓ DẠNG HÌNH HỌC KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO ................................................................... 49 3.1. Kết quả xác định FWHM và đường chuẩn năng lượng của đầu dò GMX – 4076PL ............................................................................... 49 3.2. Hệ số hiệu chỉnh trùng phùng tổng. .................................................. 51 3.3. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần ở khoảng cách 5 cm, 10 cm, 18 cm với nguồn chuẩn điểm. .................................................. 54 3.4. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng trụ ............................................................................. 62 3.4.1. Cấu hình của buồng đo, hộp mang lọ chứa mẫu và lọ đựng mẫu .............................................................................................. 62
6. 3.4.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng trụ ..................................................... 66 3.5. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần của đầu dò với mẫu đo hình học dạng Marinelli .................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 76 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 79 PHỤ LỤC ............................................................................................. PL 1 Phụ lục A: input của MCNP5 của nguồn chuẩn điểm ......................... PL 1 Phụ lục B: input của nguồn hình học dạng trụ..................................... PL 5 Phụ lục C: input của nguồn hình học dạng Marinelli .......................... PL 7 Phụ lục D: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ANGLE V3.0 ............ PL 9 Phụ lục E: Chương trình chuyển đổi hiệu suất ETNA ...................... PL 15 Phụ lục F: Hiệu suất của đầu dò GMX – 4076PL đối với nguồn hình học dạng trụ cho mẫu địa chất. ........................................................ PL 18
7. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ETNA Efficiency Transfer for Nuclide Chương trình chuyển đổi Activity measurements – ETNA hiệu suất ETNA FEPE Full Energy Peak Efficiency Hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần FWHM Full Width of Half Maximum Bề rộng một nửa GEB Gaussian Energy Broadenning Nở rộng đỉnh theo phân bố Gauss HPGe High – Purity Germanium Germanium siêu tinh khiết MCNP Monte Carlo N – Particle Mô phỏng Monte Carlo cho hệ nhiều hạt NAA Neutron activation analysis Phương pháp phân tích kích hoạt neutron
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hệ số suy giảm của mẫu địa chất và mẫu sinh học .................................. 22 Bảng 2.1. Một số loại mặt được định nghĩa trong chương trình mô phỏng MCNP có sử dụng trong luận văn ................................................................. 28 Bảng 2.2. Dữ liệu hạt nhân của nguồn điểm được sử dụng trong nghiên cứu ......... 39 Bảng 2.3. Kích thước của đầu dò GMX – 4076 PL ................................................ 41 Bảng 3.1. Số liệu về năng lượng và FWHM để xác định hệ số a, b, c trong lệnh GEB................................................................................................. 50 Bảng 3.2. Kết quả xác định hệ số a, b, c................................................................... 50 Bảng 3.3. Giá trị năng lượng theo kênh để xác định đường chuẩn năng lượng ....... 51 Bảng 3.4. Hiệu suất đỉnh, hiệu suất tổng đưa vào chương trình ETNA, tính hệ số trùng phùng ..................................................................................... 52 Bảng 3.5. Hệ số trùng phùng của các đồng vị sử dụng trong nghiên cứu tính bằng ETNA .............................................................................................. 52 Bảng 3.6. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 5 cm ............... 54 Bảng 3.7. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 10 cm ............. 56 Bảng 3.8. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm xác định bằng thực nghiệm và MCNP5 ở khoảng cách 18 cm ............. 57 Bảng 3.9. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn điểm được chuyển đổi bằng ETNA và ANGLE ở khoảng cách 5 cm .................... 58 Bảng 3.10. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn chuẩn điểm được chuyển đổi bằng ETNA, ANGLE ở khoảng cách 18 cm ... 60 Bảng 3.11. Kích thước của buồng đo ....................................................................... 62 Bảng 3.12. Kích thước của hộp mang lọ chứa mẫu ................................................. 63 Bảng 3.13. Kích thước của lọ đựng mẫu sinh học ................................................... 64
9. Bảng 3.14. Kích thước của lọ đựng mẫu địa chất .................................................... 65 Bảng 3.15. Thành phần vật liệu mẫu địa chất Montana II Soil (NIST-2711a) ........ 65 Bảng 3.16. Thành phần vật liệu mẫu sinh học Oyster Tissue (NIST-1566b) .......... 65 Bảng 3.17. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 5 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 67 Bảng 3.18. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 10 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 68 Bảng 3.19. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 18 cm, mẫu sinh học đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong chương trình MCNP5 ........................................................................... 69 Bảng 3.20. Kích thước của nguồn hình học dạng Marinelli .................................... 72 Bảng 3.21. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn hình học dạng Marinelli bằng MCNP5, ANGLE với mẫu đo địa chất ............... 73 Bảng 3.22. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với nguồn hình học dạng Marinelli bằng MCNP5, ANGLE với mẫu sinh học ................... 74 Bảng PLF.1. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 5 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 18 Bảng PLF.2. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 10 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 19
10. Bảng PLF.3. Hiệu suất đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần đối với mẫu đo hình học dạng trụ được xác định bằng MCNP5, ETNA, ANGLE tại khoảng cách 18 cm, mẫu địa chất đặt nằm ngang (a) và thẳng đứng (a’) trong khai báo MCNP5 ...................................................... PL 20