Ge dedektörünün zamana bağlı Monte Carlo yöntemi ve genetik algoritma ile gerçekçi modellenmesi
Realistic modeling of germanium detector by using time dependent Monte Carlo method and genetic algorithm
Yazar: AYHAN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. MEHMET TOMBAKOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Genetik algoritma tekniği = Genetic algorithm technique ; Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation ; Olasılık yoğunluk fonksiyonu = Probability density function

Özet:
Radyasyon dedektörlerinin Monte Carlo yöntemi ile benzetimi, gerek birincil aktivite ölçümü amaçlı olarak dedektör verimlerinin elde edilmesi, gerek referans ölçümlerden elde edilen değerlerin farklı sayım geometrisi ve gama enerjileri için transferi, gerekse ileri gama spektrometrisindeki bir takım sayım düzeltmelerinin yapılması amaçlarıyla yoğun olarak kullanılmakta ve literatürde bu konuda birçok çalışma yer almaktadır. Büyük hacimli yüksek saflıkta germanyum dedektörlerinin üretiminin kısıtlı olduğu dönemlerde, özellikle bu sayım düzeltmeleri ihmal edilebilir veya kolayca ihmal edilebilecek düzeye getirilebilir durumdaydı. Ancak son yıllarda, üretilen dedektör hacimlerinin büyümesiyle birlikte bu sayım düzeltmeleri daha önemli bir hal almıştır. Düzeltme faktörlerinden biri olan gerçek eş-zamanlı gama düzeltmesi hakkında çok sayıda makale ve kitap bulunmaktadır. Diğer bir düzeltme faktörü olan rastlantısal eş-zamanlı gama düzeltmesi için ise literatürde çok sınırlı sayıda çalışma yer almakta ve bunların tamamına yakını benzetime değil deneysel sonuçlara dayalı düzeltmeleri içermektedir. Dedektör hacminin büyümesinin getirdiği önemli bir sorun da bu dedektörlerle elde edilen deney sonuçlarının benzetim çalışmalarıyla tekrar üretilebilirliğinin zorlaşmasıdır. Bu çalışmada ilk olarak, rastlantısal eş-zamanlı gama çakışması düzeltmelerinin zamana bağlı Monte Carlo benzetimi ile gerçekleştirilmesine yönelik bir yöntem önerilmektedir. Bu yöntemde, standart olarak benzetimler için sıklıkla kullanılan MCNPX kodu bir arayüz programı yardımı ile kısa zaman aralıkları için peş peşe koşulmuş ve sonuçlar birleştirilerek benzetimin zamana bağlı hale gelmesi sağlanmıştır. Arayüz programında kullanılan zaman parametreleri ise deneysel olarak elde edilmiştir. Bu deneylerde, büyük ölçüde rastgele sinyal üretecinin ürettiği sinyallerin değerlendirilmesinden faydalanılmıştır. Zamana bağlı benzetim sonucunda yüksek aktiviteli bir 137Cs kaynağı için rastlantısal eş-zamanlı çakışma düzeltme faktörü hesaplanmış ve deneysel karşılaştırmada sonucun %2 bağıl hata ile örtüştüğü görülmüştür. Bu kısımda paralize edilebilir ve paralize edilemez modellerle yapılan benzetimlerin sonuçları da tartışılmıştır. Çalışmanın devamında, büyük hacimli yüksek saflıkta germanyum dedektörlerinin benzetimlerinde deneysel sonuçların tekrar üretilebilirlik sorunu için, benzetimlerde kullanılmak üzere eşdeğer bir geometrinin tanımlanması öngörülmüştür. Bu amaçla, 59,5-1836,1 keV arasında yüksek olasılıkla 12 enerjide gama ışını yayan bir referans karışık-nokta kaynak, dedektörün etrafına 74 farklı konumda yerleştirilmiştir. Elde edilen verim sonuçlarını tekrar üretebilen eşdeğer bir geometriye genetik algoritma kullanılarak ulaşılmıştır. Sonuçlar, modellemelerde, büyük hacimli bu tip dedektörler için gerçek boyutlardan daha küçük boyutların kullanılması gerektiğini göstermiştir. Çalışmanın her iki kısmında da eş-zamanlı gama çakışmalarının MCNPX kodundan elde edilen olasılık yoğunluk ve kümülatif dağılım fonksiyonları ile elde edilmesine yönelik bir yöntem önerilmiştir.

Abstract:
Simulation of radiation detectors using the Monte Carlo method is extensively utilized for various purposes such as obtaining detector efficiencies for primary activity measurements, transferring values obtained from reference measurements to different counting geometries and gamma energies, and performing certain counting corrections in advanced gamma spectrometry. There are numerous studies in the literature on these topics. During periods when the production of large-volume high-purity germanium detectors was limited, these counting corrections could be neglected or easily reduced to a negligible level. However, in recent years, with the increase in the volumes of produced detectors, these counting corrections have become more significant. There are many articles and books available on one of the correction factors, which is the true coincidence gamma correction. On the other hand, there are very limited studies in the literature regarding the random-coincidence gamma correction, and almost all of them include corrections based on experimental results rather than simulations. An important issue arising from the increase in the detector volume is the difficulty in reproducing experimental results obtained with these detectors through simulation studies. In this study, firstly, a method is proposed for performing corrections for random summing effects in gamma spectrometry using time-dependent Monte Carlo simulation. In this method, the MCNPX code, commonly used for simulations, is iteratively run for short time intervals through an interface program, and the results are combined to make the simulation time-dependent. The time parameters used in the interface program are obtained experimentally, primarily by evaluating signals generated by a random pulse generator. Using the time-dependent simulation, the correction factor for chance coincidence was calculated for a 137Cs point source having 370 kBq activity, and the experimental comparison showed a relative error of 2%. The results of simulations performed with paralyzable and nonparalyzable models are also discussed in this part of the study. In the rest of the study, it is proposed to define an equivalent geometry for problems in reproducing experimental results in the simulations of large-volume high-purity germanium detectors. For this purpose, a reference mixed-point gamma source emitting 12 gamma rays with high emission probabilities between 59.5-1836.1 keV was placed around the detector at 74 different positions. A genetic algorithm was used to reach an equivalent geometry that can reproduce the experimental efficiency results. The results indicated that smaller dimensions than the actual sizes should be used in the modeling for such large-volume detectors. In both parts of the study, a method that uses the probability density and cumulative distribution functions obtained from the MCNPX code was proposed for correcting random and true summing effects of coincident gamma rays.