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