1. Trang Chủ
  2. Khoa học xã hội
  3. Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Khảo sát các tham số suy giảm của chùm tia gamma theo năng lượng đối với một số loại vật liệu

Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Khảo sát các tham số suy giảm của chùm tia gamma theo năng lượng đối với một số loại vật liệu

Đề tài Khảo sát các tham số suy giảm của chùm tia gamma theo năng lượng đối với một số loại vật liệu giúp mở rộng phương pháp xác định hai thông số nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff, cho thấy ngoài tính toán lý thuyết và tiến hành thực nghiệm, chúng ta còn có thể dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để xác định các tham số suy giảm cần thiết. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Nguyễn Thị Kim Anh KHẢO

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học xã hội

Số trang 68

Ngày tạo 10/15/2021 8:35:00 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 2.21 M

Tên tệp

Tải Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Khảo sát các tham số... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Nguyễn Thị Kim Anh KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA GAMMA THEO NĂNG LƯỢNG ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tp. Hồ Chí Minh – 5/2018
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Nguyễn Thị Kim Anh KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA GAMMA THEO NĂNG LƯỢNG ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ MSSV: K40.105.072 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM Tp. Hồ Chí Minh – 5/2018
  3. LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành đề tài luận văn một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự cố gắng, nỗ lực của bản thân tôi còn nhận được rất nhiều sự trợ giúp, hướng dẫn nhiệt tình từ thầy cô, các anh chị và các bạn bè trong nhóm nghiên cứu. Trong suốt quá trình tôi tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, tôi đã học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức chuyên môn cũng như những kỹ năng cần thiết cho bản thân. Hôm nay, sau một thời gian dài tiến hành nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn một cách hoàn chỉnh. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: + Thầy hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm. Người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. + Các anh chị và bạn bè trong nhóm nghiên cứu. Những người đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tiến hành nghiên cứu. + Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong toàn bộ thời gian tôi thực hiện luận văn. Tp.HCM, ngày 26 tháng 04 năm 2018 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Kim Anh i
  4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi. Cở sở dữ liệu dùng trong luận văn có trích dẫn rõ ràng, theo đúng quy định. Toàn bộ kết quả trong luận văn là của chính bản thân tôi thực hiện một cách trung thực, khách quan dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy hướng dẫn TS. Hoàng Đức Tâm, các kết quả trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học khác mà tôi không tham gia. Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Kim Anh ii
  5. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ ..................................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT ................................................................................................................................... 5 1.1.Hiệu ứng quang điện................................................................................................... 5 1.2.Tán xạ Compton ......................................................................................................... 6 1.3.Hiệu ứng tạo cặp ......................................................................................................... 7 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 ................................................................................................................................. 9 2.1.Phương pháp Monte Carlo ......................................................................................... 9 2.2.Giới thiệu về chương trình MCNP ........................................................................... 10 2.3.Định nghĩa hình học ................................................................................................. 11 2.3.1.Định nghĩa mặt (surface card) ........................................................................... 11 2.3.2.Định nghĩa ô mạng (cell card) ........................................................................... 12 2.3.3.Mn Card ............................................................................................................. 13 2.3.4.Chuyển trục tọa độ............................................................................................. 13 2.4.Nguồn tổng quát. ...................................................................................................... 14 2.5.Định nghĩa tally F8 ................................................................................................... 15 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ SUY GIẢM...................................................................... 18 3.1.Cơ sở lý thuyết.......................................................................................................... 18 3.1.1.Hệ số suy giảm .................................................................................................. 18 3.1.2.Nguyên tử số hiệu dụng ..................................................................................... 20 iii
  6. 3.1.3.Mật độ electron hiệu dụng ................................................................................. 21 3.2.Mô hình mô phỏng Monte Carlo .............................................................................. 21 3.2.1.Nguồn phóng xạ ................................................................................................ 21 3.2.2.Vật liệu .............................................................................................................. 23 3.2.3.Đầu dò ............................................................................................................... 25 3.2.4.Mô hình mô phỏng ............................................................................................ 26 3.2.5.Kỹ thuật xử lý phổ cải tiến ................................................................................ 27 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 29 4.1.Kết quả thu được từ mô phỏng ................................................................................. 29 4.1.1.Hệ số suy giảm khối .......................................................................................... 30 4.1.2.Nguyên tử số hiệu dụng ..................................................................................... 36 4.1.3.Mật độ electron hiệu dụng ................................................................................. 41 4.2.Khảo sát dạng hàm mô tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng . 45 Kết luận............................................................................................................................... 52 Kiến nghị và hướng phát triển ............................................................................................ 53 Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 54 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 57 iv
  7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh NDT Kiểm tra không phá mẫu Non Destructive Testing MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo Monte Carlo N - Particle RD Độ lệch tương đối Relative Deviation Zeff Nguyên tử số hiệu dụng Effective atomic number Neff Mật độ electron hiệu dụng Effective electron density v
  8. DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô hình hiệu ứng quang điện ............................................................................ 5 Hình 1.2. Mô hình tán xạ Compton ................................................................................... 6 Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng tạo cặp .................................................................................. 7 Hình 3.1. Các thông số kích thước nguồn gamma chuẩn .................................................. 22 Hình 3.2. Mô tả khối chì chứa nguồn và ống chuẩn trực tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư Phạm Tp. HCM ......................................................................... 22 Hình 3.3. Khối nguồn được mô phỏng trong chương trình MCNP5 ................................ 23 Hình 3.4. Các thông số kích thước và các loại vật liệu của đầu dò NaI(Tl) dùng trong mô phỏng ........................................................................................................................... 25 Hình 3.5. Hình ảnh thực tế đầu dò NaI (Tl) tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư Phạm Tp. HCM............................................................................................... 25 Hình 3.6. Bố trí thí nghiệm xác định các đặc trưng suy giảm của chùm tia gamma qua vật liệu ..................................................................................................................................... 26 Hình 3.7. Mô phỏng bố trí thí nghiệm trong không gian 2 chiều (trái) và không gian 3 chiều (phải) trong chương trình MCNP5 .......................................................................... 27 Hình 3.8. Phổ của nguồn 51Cr sau khi được xử lý bằng Colegram ................................... 28 Hình 3.9. Phổ của nguồn 60Co sau khi được xử lý bằng Colegram................................... 28 Hình 4.1 So sánh giá trị Zeff thu được từ mô phỏng với giá trị Zeff tính toán từ NIST ...... 40 Hình 4.2 So sánh giá trị Zeff thu được từ mô phỏng với giá trị Zeff từ thực nghiệm.......... 40 Hình 4.3 So sánh giá trị Neff thu được từ mô phỏng với giá trị Neff tính toán từ NIST ..... 44 Hình 4.4 So sánh giá trị Neff thu được từ mô phỏng với giá trị Neff từ thực nghiệm ......... 44 Hình 4.5. Làm khớp hàm mô tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng cho các loại vật liệu ........................................................................................................... 48 vi
  9. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong MCNP5 ........................................................... 12 Bảng 2.2. Một số biến nguồn thông dụng ......................................................................... 15 Bảng 3.1. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố cấu thành các vật liệu cần đo .......... 24 Bảng 4.1. Giá trị hệ số suy giảm khối (μm) từ mô phỏng tương ứng với các mức năng lượng và vật liệu khác nhau ............................................................................................... 30 Bảng 4.2. Giá trị hệ số suy giảm khối (μm) từ NIST tương ứng với các mức năng lượng và vật liệu khác nhau .............................................................................................................. 32 Bảng 4.3. Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (μm) theo mô phỏng và theo NIST .................................................................................................................................. 33 Bảng 4.4. Giá trị hệ số suy giảm khối (μm) từ thực nghiệm tương ứng với các mức năng lượng và vật liệu khác nhau ............................................................................................... 34 Bảng 4.5. Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (μm) theo mô phỏng và theo thực nghiệm ....................................................................................................................... 35 Bảng 4.6. Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) từ mô phỏng của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau ......................................................................................... 37 Bảng 4.7. Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) từ NIST của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau................................................................................................ 38 Bảng 4.8. Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) từ thực nghiệm của các công trình nghiên cứu liên quan ..................................................................................................................... 39 Bảng 4.9. Giá trị mật độ electron hiệu dụng (Neff) từ mô phỏng của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau ................................................................................... 41 Bảng 4.10. Giá trị mật độ electron hiệu dụng (Neff) từ NIST của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau ......................................................................................... 42 Bảng 4.11. Giá trị mật độ electron hiệu dụng (Neff) từ thực nghiệm của các công trình nghiên cứu liên quan.......................................................................................................... 43 Bảng 4.12. Giá trị các tham số và hệ số tương quan R2 của hàm làm khớp tương ứng với các loại vật liệu .................................................................................................................. 46 Bảng 4.13. Giá trị hệ số suy giảm khối (μm) nội suy từ hàm làm khớp ............................ 49 vii
  10. Bảng 4.14. Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (μm) từ nội suy và từ mô phỏng ................................................................................................................................. 50 Bảng 4.15. Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (μm) từ nội suy và từ NIST viii
  11. MỞ ĐẦU Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT là một trong những kỹ thuật hạt nhân đang được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp, nó gồm nhiều phương pháp như: phương pháp siêu âm, phương pháp chụp ảnh phóng xạ, phương pháp thẩm thấu lỏng, phương pháp dòng điện xoáy,… mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Bên cạnh, những phương pháp trong kỹ thuật NDT còn có hai phương pháp được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm từ trước tới nay đó là phương pháp gamma tán xạ và phương pháp gamma truyền qua vì có tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, y học,….Mặc dù cả hai phương pháp trên đều được rất nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm, nhưng so với phương pháp gamma tán xạ thì phương pháp gamma truyền qua có nhiều ưu điểm hơn như dễ thực hiện và đơn giản về mặt lý thuyết. Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều nghiên cứu áp dụng phương pháp gamma truyền qua để xác định các tham số tương tác của photon với vật chất như: hệ số suy giảm tuyến tính, nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff [2, 4, 5, 6, 9, 10] nhằm đánh giá khả năng che chắn của các vật liệu, đồng thời tìm kiếm các vật liệu che chắn mới. Ngoài ra phương pháp gamma truyền qua còn được ứng dụng trong khảo sát đóng cặn đường ống, thăm dò mực chất lỏng, xác định bề dày vật liệu, xác định kích thước và định vị vị trí cốt thép trong bê tông…Với nhiều ứng dụng và được sử dụng trong nhiều nghiên cứu [6, 8, 9] chứng tỏ phương pháp gamma truyền qua là một phương pháp đáng tin cậy. Công nghệ hạt nhân ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống. Do đó số lượng nguồn bức xạ được sử dụng ngày càng tăng và khả năng tiếp xúc với bức xạ ngày càng cao, vì tính chất của bức xạ có thể gây tổn thương đối với cơ thể sống, nên việc dùng các vật liệu che chắn bức xạ thích hợp là rất cần thiết. Ngoài những vật liệu đơn chất như: đồng, chì, nhôm,… các nhà nghiên cứu đang hướng tới sử dụng các loại vật liệu hợp chất hay hỗn hợp dùng làm vật liệu che chắn với nhiều ưu điểm vượt trội hơn như tính bền, nhẹ, linh động dễ dàng di chuyển và định hình, hiệu quả về mặt chi phí, khả năng chống chịu với các hóa chất độc hại và điều kiện bất lợi của môi trường, thân thiện với môi trường,…. Trong các nghiên cứu gần đây [7, 8, 10] các loại vật 1
  12. liệu tiềm năng có thể dùng trong che chắn bức xạ gồm: nhựa [10], thủy tinh [8], xi măng [7]. Nhựa và thủy tinh là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong đời sống hằng ngày, thay thế các sản phẩm làm từ gỗ, bê tông,…bởi tính chất bền, nhẹ và nhiều màu sắc dễ dàng di chuyển và định hình, hiệu quả về mặt chi phí, khả năng chống chịu với các hóa chất độc hại và điều kiện bất lợi của môi trường, thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, chúng là những hợp chất cao phân tử được đánh giá là các vật liệu tiềm năng dùng trong che chắn bức xạ. Trước đó vào năm 2016, Majunatha và cộng sự [10] đã tiến hành thực nghiệm xác định hệ số suy giảm khối µm, nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff của hai loại nhựa Kapton và PMMA, đây là hai loại nhựa chịu nhiệt được ứng dụng rất nhiều trong ngành hàng không vũ tụ. Sau đó một năm, vào năm 2017 Issa và nhóm nghiên cứu [8] cũng đã tiến hành đánh giá khả năng che chắn của loại thủy tinh borate-tellurite-silicate, đây cũng là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong xây dựng. Mục đích nghiên cứu của đề tài: Hiện nay hầu hết các loại vật liệu dùng trong che chắn là các vật liệu đơn chất như: đồng, chì, nhôm,…Do đó việc xác định nguyên tử số của các vật liệu đơn chất này khá đơn giản như: nguyên tử số Z của vật liệu chính là điện tích hay số thứ tự của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn. Tuy nhiên, đối với các loại vật liệu là hợp chất hay hỗn hợp thì việc xác định nguyên tử số khá phức tạp, nguyên tử số của các loại vật liệu này được gọi là nguyên tử số hiệu dụng Zeff. Ngoài ra, sự suy giảm của bức xạ gamma còn phụ thuộc vào mật độ electron, do đó chúng tôi cũng tiến hành xác định một thông số khác được gọi là mật độ electron hiệu dụng Neff. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành xác định ba tham số chính là hệ số suy giảm khối µm, nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff cho các loại vật liệu hợp chất và hỗn hợp như: nhựa, thủy tinh, xi măng bằng phương pháp Monte Carlo thông qua phần mềm mô phỏng MCNP5. Luận văn sẽ dựa trên thông số chính là hệ số suy giảm khối µm được xác định bằng phương pháp Monte Carlo và kỹ thuật xử lý phổ cải tiến, sau đó dùng thông số này để xác định hai thông số còn lại là nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff. Đồng thời cũng từ kết quả hệ số suy giảm khối µm thu được chúng tôi tiến hành 2
  13. khớp hàm nhằm đưa ra dạng hàm phù hợp để mô tả quy luật biến thiên của hệ số suy giảm khối theo năng lượng làm cơ sở tiền đề cho các nghiên cứu sau này. Để đánh giá độ tin cậy và tính hiệu quả của phương pháp Monte Carlo, chúng tôi tiến hành mô phỏng toàn bộ quá trình thực nghiệm bằng chương trình mô phỏng MCNP5. Đây là phần mềm mô phỏng các quá trình tương tác hạt nhân được rất nhiều nhà nghiên cứu tin cậy và sử dụng [7,13]. Nhằm tiến đến việc sử dụng phương pháp mô phỏng để thay thế cho các quá trình thực nghiệm trong một số trường hợp hoặc dùng để dự đoán kết quả của các quá trình thực nghiệm nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí. Kết quả mô phỏng là phổ gamma truyền qua ở các mức năng lượng khác nhau: 122 keV, 145 keV, 279 keV, 320 keV, 391 keV, 511 keV, 662 keV, 835 keV, 1115 keV, 1173 keV, 1274 keV, 1332 keV, 1408 keV, 1836 keV ứng với các nguồn 57Co, 141 Ce, 203 Hg, 51Cr, 120 Sn, 22Na, 137 Cs, 54 Mn, 65Zn, 60Co, 22Na, 60Co, 152 Eu, 88Y cho các loại thủy tinh, nhựa và xi măng. Sau đó áp dụng kỹ thuật xử lý phổ cải tiến chúng tôi lấy ra được diện tích đỉnh hấp thụ năng lượng toàn phần, từ đó tính toán hệ số suy giảm khối µm. Đây là thông số quan trọng giúp chúng tôi xác định hai thông số còn lại là nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff. Để đánh giá độ chính xác của kết quả thu được chúng tôi tiến hành tính toán độ lệch tương đối RD (%) giữa kết quả mô phỏng với giá trị tính toán từ cơ sở dữ liệu NIST [15] và kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu liên quan [7, 8, 10]. Ý nghĩa khoa học: Với đề tài “Khảo sát các tham số suy giảm của chùm tia gamma theo năng lượng của một số loại vật liệu” sẽ giúp mở rộng phương pháp xác định hai thông số nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff, cho thấy ngoài tính toán lý thuyết và tiến hành thực nghiệm, chúng ta còn có thể dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để xác định các tham số suy giảm cần thiết. Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy được tầm quan trọng của kỹ thuật xử lý phổ cải tiến áp dụng cho phổ gamma truyền qua nhằm mang đến độ chính xác cao cho kết quả. Ngoài ra nghiên cứu cũng đã tiến hành xây dựng dạng hàm mô tả quy luật biến thiên của hệ số suy giảm khối theo năng lượng đối với một số loại vật liệu làm cơ sở khá quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo. Ý nghĩa thực tiễn: Trong các công trình nghiên cứu trước đây hai thông số suy giảm: nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ electron hiệu dụng Neff chủ yếu được xác định dựa 3
  14. trên tính toán lý thuyết. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn xác định giá trị của các tham số này thông qua tiến hành thực nghiệm với phương pháp gamma truyền qua. Nghiên cứu trong luận văn này, chúng tôi cũng tiến hành xác định giá trị hai thông số suy giảm trên bằng phương pháp gamma truyền qua nhưng không phải bằng thực nghiệm mà bằng phương pháp mô phỏng, giúp mở rộng thêm phương pháp xác định giá trị hai thông số trên. Việc sử dụng thành công phương pháp mô phỏng Monte Carlo giúp tiết kiệm được thời gian, chi phí vì có thể được áp dụng để dự đoán kết quả của quá trình thực nghiệm. Đồng thời trong luận văn này chúng tôi còn tiến hành khảo sát dạng hàm biểu diễn quy luật biến thiên của hệ số suy giảm khối μm theo năng lượng cho một số loại vật liệu, làm cơ sở cho nghiên cứu khác có thể nội suy ra giá trị hệ số suy giảm khối μm của một mức năng lượng bất kỳ từ dạng hàm trên, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu. Nội dung luận văn bao gồm các dnh mục, phụ lục và bốn chương chính trình bày các nội dung như sau: Chương 1. Tổng quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Chương này trình bày về những tương tác của bức xạ gamma với vật chất, đó là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Chương 2. Phương pháp Monte Carlo. Chương này trình bày về đặc điểm của chương trình MCNP và phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vật chất của chương trình MCNP. Chương 3. Mô hình mô phỏng Monte Carlo và việc tính toán các thông số che chắn. Trong chương này, chúng tôi trình bày về cơ sở lí thuyết để xác định nguyên tử số hiệu dụng và mật độ electron hiệu dụng, cũng như các thông tin cần thiết cho việc mô phỏng. Chương 4. Kết quả và thảo luận. Trong chương này, trước hết chúng tôi trình bày các kết quả đạt được từ việc mô phỏng, so sánh với cơ sở dữ liệu của NIST và so với kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu trước [7, 8, 10] thông qua độ lệch tương đối RD (%). Sau đó, chúng tôi trình bày các tham số và hệ số tương quan R2 của dạng hàm khớp được, giá trị nội suy hệ số suy giảm khối μm từ hàm khớp và đánh giá độ lệch RD (%) so với NIST. 4
  15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT Tia gamma có bản chất là sóng điện từ gồm các photon không mang điện, nên khi xuyên qua vật chất tia gamma không ion hóa trực tiếp vật chất. Tuy nhiên, khi photon tương tác với nguyên tử của vật chất nó có thể làm bứt các electron hay tạo ra các cặp electron-positron, đây là các hạt mang điện sẽ trực tiếp ion hóa vật chất và tạo ra các hạt điện tích khác. Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày nguyên tắc và các công thức đặc trưng của ba dạng tương tác cơ bản giữa photon và vật chất gồm: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton (hay còn gọi là tán xạ không kết hợp) và hiệu ứng tạo cặp. 1.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của chùm tia gamma với electron nguyên tử mà trong đó toàn bộ năng lượng và động năng của photon tới sẽ được truyền cho các electron, electron hấp thụ hoàn toàn năng lượng từ photon sẽ bứt ra khỏi nguyên tử trở thành electron quang điện (hay quang electron). Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng quang điện [14] Theo thuyết lượng tử ánh sáng, động năng của electron bứt ra [3] K e = hν − A (1.1) với A là công thoát, Ke là động năng electron, Eγ = hν là năng lượng photon tới. Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra với các electron có năng lượng thấp (< 1 MeV). Quá trình hấp thụ quang điện có hiệu suất lớn nhất khi tương tác xảy ra với các electron 5
  16. liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử (lớp K) và hầu như không xảy ra với các electron tự do. Khi electron bứt ra sẽ để lại lỗ trống trên quỹ đạo, các electron ở các quỹ đạo bên ngoài sẽ chuyển xuống lấp đầy lỗ trống đồng thời phát ra tia X đặc trưng, do đó hiệu ứng quang điện thường đi kèm với việc phát ra tia X đặc trưng. Tiết diện của hiệu ứng quang điện chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng của chùm tia gamma tới và điện tích Z của hạt nhân nguyên tử. Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế ở vùng năng lượng thấp và vật liệu hấp thụ có Z lớn. Tiết diện hấp thụ quang điện được xác định theo công thức [1]: σqđ ≈ Z5.E−7/2 γ (1.2) 1.2. Tán xạ Compton Tán xạ Compton hay còn gọi là tán xạ không kết hợp là quá trình tương tác giữa photon với electron tự do ở lớp ngoài, trong đó photon sẽ truyền một phần năng lượng cho electron, electron hấp thụ năng lượng từ photon sẽ bứt ra khỏi nguyên tử, photon bị mất một phần năng lượng sau tương tác sẽ lệch phương so với quỹ đạo ban đầu. Electron bay ra Photon tán xạ Hình 1.2 Mô hình tán xạ Compton [14] Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, động năng của electron sau tán xạ [3] h λc (1 − cosθc ) Ke = Eγ + E'γ = h  h’ = h  = Eγ (1.3) 1 + λc (1 + cosθc ) 1 + λc (1 − cosθc ) Năng lượng của photon sau tán xạ [3]: 6
  17. 1 E'γ = Eγ (1.4) 1 + λc (1 − cosθc ) với  h hay E: Năng lượng photon ban đầu  h’ hay E 'γ : Năng lượng của photon sau khi tán xạ h  λc = , m0c2 = 511 keV là năng lượng nghỉ của electron. m0 .c2  θc : Góc tán xạ của chùm tia gamma, có thể thay đổi từ 0o đến 180o. Khi góc tán xạ lớn hơn 90o, ta có hiện tượng gamma tán xạ ngược. Tán xạ Compton chủ yếu xảy ra đối với chùm tia gamma tới có năng lượng vào cỡ vài MeV, khi chùm tia gamma tương tác với các electron tự do ở lớp ngoài cùng. Tiết diện tán xạ Compton chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng photon tới và điện tích hạt nhân nguyên tử. Tán xạ Compton chiếm ưu thế trong vùng năng lượng khoảng vài MeV [1], đối với vật liệu có Z lớn. Tiết diện tán xạ Compton [1]: σc ≈ Z.E−1 γ (1.5) 1.3. Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác của tia gamma với toàn bộ nguyên tử, quá trình này diễn ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc của electron. Trong đó, bức xạ gamma sẽ biến mất trong môi trường vật chất sinh ra một cặp electron - positron đồng thời hạt nhân nguyên tử bị giật lùi. Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng tạo cặp [14] 7
  18. Điều kiện xảy ra hiệu ứng tạo cặp là năng lượng tối thiểu của tia gamma phải bằng tổng năng lượng nghỉ của hai electron, tức là năng tượng của photon tới phải lớn hơn hoặc bằng 1022 keV (Eγ ≥ 1022keV). Hiệu ứng tạo cặp chỉ chiếm ưu thế ở vùng gamma có năng lượng cao trên 10 MeV [1]. Tiết diện xảy ra hiệu ứng tạo cặp tăng khi năng lượng của chùm tia gamma tới tăng và điện tích hạt nhân Z lớn. Tiết diện xảy ra hiệu ứng tạo cặp [1]: σtc ≈ Z2.lnE (1.6) Xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp tăng đối với các nguyên tố có Z cao như chì, Uranium. Trong chì, xấp xỉ 20% số tương tác với tia gamma 1,5 MeV là hiệu ứng tạo cặp và tỉ lệ là 50% đối với tia gamma có năng lượng là 2 MeV. Đối với carbon tỉ lệ tương ứng là 2% và 4% [17]. 8
  19. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Trong những nghiên cứu gần đây, việc áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để giải quyết các bài toán về vật lý hạt nhân ngày càng phổ biến vì nhiều tiện ích mà nó mang lại như tiết kiệm thời gian và chi phí. Các chương trình mô phỏng Monte Carlo cũng ngày càng được cải tiến để có thể hỗ trợ người dùng một cách tốt nhất và nó đã trở thành một công cụ hữu hiệu để giải quyết các bài toán phức tạp mà không thể giải được bằng các phương pháp thông thường, chẳng hạn như mô phỏng tương tác của bức xạ với vật chất ở nhiều vùng năng lượng khác nhau, tính toán tối ưu của lò phản ứng, khảo sát đáp ứng của đầu dò,… Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu một chương trình mô phỏng dựa trên phương pháp Monte Carlo được nhiều nhà nghiên cứu hiện nay tin dùng đó là chương trình MCNP, cụ thể là phiên bản MCNP5, đồng thời cũng giới thiệu sơ lược về phương pháp Monte Carlo. 2.1. Phương pháp Monte Carlo Phương pháp Monte Carlo là một lớp các thuật toán để giải quyết nhiều bài toán trên máy tính theo kiểu không tất định (không dự đoán trước được kết quả từ dữ liệu đầu vào), thường bằng cách sử dụng việc gieo ngẫu nhiên. Phương pháp Monte Carlo được xây dựng dựa trên nền tảng các số ngẫu nhiên, luật số lớn và định lý giới hạn trung tâm. Tên gọi của phương pháp này được đặt theo tên của một thành phố ở Monaco, nơi nổi tiếng với các sòng bạc, có thể là do phương pháp này dựa vào việc gieo số ngẫu nhiên. Phương pháp Monte Carlo đã xuất hiện vào khoảng thế kỉ 18, tuy nhiên phương pháp này không được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Mãi đến thời kỳ chiến tranh thế giới thứ hai phương pháp Monte Carlo mới thực sự được sử dụng như một công cụ nghiên cứu trong việc chế tạo bom nguyên tử. Năm 1946, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Los Alamos, dẫn đầu bởi Nicholas Metropolis, John von Neumann và Stanislaw Ulam, đã đề xuất việc ứng dụng các phương pháp số ngẫu nhiên trong tính toán vận chuyển neutron trong các vật liệu phân hạch, Do tính chất bí mật của công việc, dự án này được đặt mật danh “Monte Carlo” và đây cũng là tên gọi của phương pháp này về 9
  20. sau. Các tính toán Monte Carlo được viết bởi John von Neumann và chạy trên máy tính điện tử đa mục đích đầu tiên trên thế giới ENIAC. Đến khoảng những năm 1970, các lý thuyết về phương pháp dần được hoàn thiện với độ phức tạp và độ chính xác cao hơn. 2.2. Giới thiệu về chương trình MCNP MCNP (Monte Carlo N-Particle) là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon và electron (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng neutron,…). Chương trình ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và hiện nay là nhóm Methods Group (nhóm XTM) của phòng Aplied Theoretical & Computational Physics Divission (X division) ở trung tâm Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory – Mỹ). Trong mỗi hai hoặc ba năm họ lại cho ra một phiên bản mới của chương trình, và cụ thể trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phiên bản MCNP5. Chương trình MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh được viết bằng FORTRAN và 1000 dòng lệnh C, trong đó có khoảng 400 chương trình con. Đây là công cụ tính toán rất mạnh có thể mô phỏng vận chuyển neutron, photon và electron, giải các bài toán vận chuyển không gian 3 chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các lĩnh vực từ thiết kế lò phản ứng đến an toàn bức xạ, vật lý y học với nhiều miền năng lượng neutron, photon và electron khác nhau. Chương trình được thiết lập rất tốt cho phép người dùng sử dụng các dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện dữ liệu tương tác hạt nhân. Chương trình điều khiển các quá trình tương tác bằng cách gieo số ngẫu nhiên theo quy luật thống kê cho trước và mô phỏng thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết thường rất lớn. Tại Việt Nam, trong khoảng 10 năm trở lại đây, các tính toán mô phỏng bằng chương trình MCNP đã được trển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TPHCM, viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam,… và đặc biệt là Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Kĩ thuật Hạt Nhân Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM và Bộ môn Vật lý Hạt Nhân trường Đại học Sư Phạm TPHCM đã được đưa vào 10
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược