Προσομοίωση φορητού ανιχνευτή Γερμανίου με τη μέθοδο Monte Carlo

για τον υπολογισμό της ροής της γ-ακτινοβολίας

Διπλωματική Εργασία

Κυριανάκης Γεώργιος ΑΕΜ : 3926

Επιβλέπων : Καθηγητής Α.Κλούβας

γ – φασματοσκοπία

Η πιο διαδεδομένη μέθοδος μέτρησης

γ-ακτινοβολίας Ιδιαίτερης σημασίας είναι η επί τόπου (in situ)

φασματοσκοπία Αναπτύχθηκε με τη χρήση των ανιχνευτών

γερμανίου

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας

Προσομοίωση φορητού ανιχνευτή υπερκαθαρού Γερμανίου (HPGe) με τη μέθοδο Monte Carlo

Υπολογισμός της ενεργειακής κατανομής της ροής των φωτονίων από φάσματα in situ (επί τόπου) γ-φασματομετρίας

Τυπικό φάσμα γ-ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 500 1000 1500Ενέργεια (keV)

κρού

σει

ς/20

00s

212Pb

214Pb208Tl

214Bi

228Ac 40K

137Cs

Ανιχνευτές υπερκαθαρού Γερμανίου (HPGe)

Χρησιμοποιούν κρυστάλλους Γερμανίου υψηλής καθαρότητας (προσμίξεις τάξης 1010 άτομα/cm3)

Χαρακτηριστικά– Πολύ καλή διακριτική ικανότητα– Δυνατότητα θέρμανσης του κρυστάλλου– Σχετικά μικρός όγκος του δοχείου υγρού αζώτου –

εύκολη μεταφορά– Μικρή απόδοση σε σχέση με τον ανιχνευτή NaI

Άλληλεπιδράσεις γ-ακτινοβολίας με την ύλη

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενοΟλική απορρόφηση – εξαφάνιση προσπίπτοντος φωτονίουΕκπομπή φωτοηλεκτρονίου

Σκέδαση ComptonΠρόσπτωση φωτονίου σε ηλεκτρόνιο και αλλαγή της αρχικής του κατεύθυνσης

Δίδυμη γένεσηΔημιουργία ζεύγους ηλεκτρονίου-ποζιτρονίουΣύντηξη του ποζιτρονίου με ηλεκτρόνιο και παραγωγή δύο φωτονίων

Επίδραση του μέγεθος του ανιχνευτή στη μορφή του φάσματος

Μικροί ανιχνευτές

Επίδραση του μέγεθος του ανιχνευτή στη μορφή του φάσματος

Μεσαίοι ανιχνευτές

Επίδραση του μέγεθος του ανιχνευτή στη μορφή του φάσματος

Μεγάλοι ανιχνευτές

Μέθοδος Monte Carlo

Στοχαστική προσομοίωση με την επιλογή τυχαίων αριθμών

Δειγματοληψία από τις συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας

Εφαρμογή σε πολύπλοκα γεωμετρικά συστήματα

Χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας MCNP4a

Προσομοίωση Ανιχνευτή

Διαδικασία προσομοίωσης

Προσδιορισμός απόδοσης– Πειραματική μέτρηση με πηγή 152Eu σε απόσταση 4m

από τον ανιχνευτή– Προσομοίωση με επίπεδη πηγή στο μπροστινό

παράθυρο του ανιχνευτή

100

500

900

1300

100 500 900 1300 1700

Ενέργεια (keV)

cp

m/φ

ωτό

νια

.cm

-2.s

-1

πειραματικά

νεκρή ζώνη 0.5mm

Διαδικασία προσομοίωσης

Μεταβολή της νεκρής ζώνης για τη σύμπτωση των καμπύλων απόδοσης προσομοίωσης και μετρήσεων

100

500

900

1300

100 500 900 1300 1700

Ενέργεια (keV)

cp

m/φ

ωτό

νια

.cm

-2.s

-1 πειραματικά

χωρίς νεκρή ζώνη

νεκρή ζώνη 0.5mm

νεκρή ζώνη 1mm

νεκρή ζώνη 1.5mm

νεκρή ζώνη 2mm

Διαδικασία προσομοίωσης

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

χτύ

πο

ι (κ

αν

ον

ικο

πο

ιημ

ένο

ι στη

ν κ

ορ

υφ

ή)

πειραματικό φάσμα

φάσμα από MCNP

Προσομοίωση πειραματικού φάσματος 137Cs

Θεώρηση μεταβατικής περιοχής μετά τη νεκρή ζώνη με αυξανόμενη απόδοση στη συλλογή φορτίων

Δημιουργία μεταβατικής περιοχής δέκα(10) ζωνών Εύρεση μίας συνάρτησης μετάβασης

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

χτύ

πο

ι (κ

αν

ον

ικο

πο

ιημ

ένο

ι στη

ν κ

ορ

υφ

ή)

πειραματικό φάσμα

φάσμα από MCNP

Διαδικασία προσομοίωσης

σιγμοειδής συνάρτηση μετάβασης

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ενέργεια (keV)

απ

όδ

οσ

η

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

πειραματικό φάσμα

φάσμα από MCNP

Πορεία της προσομοίωσης

σιγμοειδής συνάρτηση μετάβασης

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ενέργεια (keV)

απ

όδ

οσ

η

Εξομάλυνση αιχμών με χρήση “βηματικής” συνάρτησης

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

πειραματικό φάσμα

φάσμα από MCNP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

χτύ

πο

ι (κ

αν

ον

ικο

πο

ιημ

ένο

ι σ

την

κο

ρυ

φή

)

πειραματικό φάσμα

φάσμα από MCNP

Καθαρισμός φάσματος

Προσομοίωση φασμάτων για ενέργειες από τα 50 έως τα 2050 keV

Επεξεργασία προσομοιωμένων φασμάτων Χρήση προγράμματος καθαρισμού (γλώσσα Fortran)

-500

0

500

1000

1500

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

χτύ

πο

ι

πειραματικό φάσμακαθαρισμένο φάσμα

Υπολογισμός ενεργειακής ροής των φωτονίων

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

ρο

ή (

φω

τόν

ια/c

m2

.s)

0

400

800

1200

0 400 800 1200 1600

Ενέργεια (keV)

cp

m/φ

ωτό

νια

.cm

-2.s

-1

πειραματικά

νεκρή ζώνη 1.5mm

-500

0

500

1000

1500

2000

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

χτύ

πο

ι

πειραματικό φάσμα

καθαρισμένο φάσμα

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0 100 200 300 400 500 600 700

Ενέργεια (keV)

ρο

ή (

φω

τόν

ια/c

m2

.s) Χρήση της απόδοσης του ανιχνευτή

(cpm/φωτόνια•cm-2•sec-1)

Συμπεράσματα

Εύκολη χρήση του κώδικα MCNP Δυνατότητα γρήγορης αλλαγής των

χαρακτηριστικών του μοντέλου του ανιχνευτή, αλλάζοντας το αρχείο εισόδου του MCNP

Αδυναμία καλής αναπαραγωγής κάποιων περιοχών του φάσματος

Χρονοβόρα διαδικασία για την δημιουργία των τελικών φασμάτων για τον καθαρισμό

Θεωρήθηκε απαραίτητη η εισαγωγή μεταβατικής περιοχής για την καλύτερη προσομοίωση των πειραματικών φασμάτων

Γενικά, καλός καθαρισμός του φάσματος