- Trang Chủ
- Khoa học xã hội
- Khoá luận tốt nghiệp: So sánh kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua trong xác mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP
Xem mẫu
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
TRỊNH THỊ NGỌC HUYỀN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
SO SÁNH
KỸ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC
VÀ KỸ THUẬT GAMMA TRUYỀN QUA
TRONG XÁC MẬT ĐỘ DUNG DỊCH
BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP
Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý
Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2018
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
SO SÁNH
KỸ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC
VÀ KỸ THUẬT GAMMA TRUYỀN QUA
TRONG XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ DUNG DỊCH
BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP
Sinh viên thực hiện: Trịnh Thị Ngọc Huyền
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hoàng Đức Tâm
Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2018
- LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi xin chân thành cảm ơn những người luôn đồng
hành và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm – người đã
tận tình tạo điều kiện và hướng dẫn tôi. Sự tin tưởng của thầy đã tạo động lực to lớn
để tôi hoàn thành khóa luận này.
Chân thành gửi lời cảm ơn đến anh chị trong nhóm nghiên cứu đã tận tình giải
đáp thắc mắc và hỗ trợ tôi trong cả quá trình thực hiện.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên
tôi cho đến khi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Trịnh Thị Ngọc Huyền.
- DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
FWHM Full Width at Haft Maximum Bề rộng toàn phẩn một nửa
cực đại
NDE Non – Destructive Evaluation Kỹ thuật không phá hủy vật
liệu
MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình Monte Carlo
RD Relative Deviation Độ lệch tương đối
- DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17] ......................... 9
Bảng 2.2. Các thông số nguồn liên quan đến nguồn [17] ......................................... 15
Bảng 2.3. Các khai báo tallies [17] ........................................................................... 15
Bảng 2.4. Đánh giá ý nghĩa sai số tương đối [17]..................................................... 16
Bảng 2.5. Danh sách dung dịch [12, 13] ................................................................... 17
Bảng 3.1. Thông số diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh của 10 dung dịch ........ 24
Bảng 3.2. Thông số diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh của 10 dung dịch. ...... 26
Bảng 3.3. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai)
................................................................................................................................... 26
Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất)
................................................................................................................................... 28
Bảng 3.5. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma truyền qua. ................ 30
- DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hiệu tượng quang điện ................................................................................ 3
Hình 1.2. Hiện tượng tán xạ Compton ........................................................................ 5
Hình 2.1. Ống trụ ...................................................................................................... 13
Hình 2.2. Thông số tinh thể NaI [1] .......................................................................... 18
Hình 2.3. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược trong MCNP5 ............... 19
Hình 2.4. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua trong MCNP5................... 19
Hình 2.5. Phổ tán xạ gamma của Glyxerol (Đường kính D = 2,0 cm) được khớp hàm
bang chương trình Colegram..................................................................................... 20
Hình 3.1. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................................................... 22
Hình 3.2. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................................................... 23
Hình 3.3. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................................................... 24
Hình 3.4. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................................................... 24
Hình 3.5. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật
độ (Đường kính D = 2,0 cm) ..................................................................................... 26
Hình 3.6. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật
độ (Đường kính D = 3,0 cm) ..................................................................................... 26
Hình 3.7. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0
cm) ............................................................................................................................ 29
Hình 3.8. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0
cm) ............................................................................................................................ 29
Hình 3.9. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................... 31
Hình 3.10. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ
thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) ................................................. 31
- Hình 3.11. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................... 32
Hình 3.13. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................... 32
- MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 3
1.1. Tương tác gamma với vật chất ............................................................................. 3
1.1.1. Hiệu ứng quang điện .................................................................................. 3
1.1.2. Hiệu ứng Compton ..................................................................................... 4
1.2. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ............................................................................. 5
1.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ................................................................... 5
1.2.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần ................................................................. 8
1.3. Kỹ thuật gamma truyền qua ................................................................................. 8
Chương 2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG MÔ PHỎNG MONTE CARLO ... 10
2.1. Chương trình MCNP .......................................................................................... 10
2.2. Đặc điểm chương trình MCNP5 ........................................................................ 11
2.2.1. Cấu trúc chương trình MCNP5 ................................................................ 11
2.2.2. Đánh giá sai số ......................................................................................... 16
2.3. Mô phỏng Monte Carlo trong xác định khối lượng riêng của dung dịch .......... 16
2.3.1. Nguồn phóng xạ ....................................................................................... 17
2.3.2. Vật liệu ..................................................................................................... 17
2.3.3. Đầu dò ...................................................................................................... 17
2.3.4. Mô hình mô phỏng ................................................................................... 18
2.4. Kỹ thuật xử lí phổ .............................................................................................. 20
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 21
3.1. Sự phụ thuộc của cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược và cường độ chùm tia
gamma truyền qua vào mật độ dung dịch ................................................................. 21
3.1.1. Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược vào mật độ dung
dịch ............................................................................................................... 21
- 2
3.1.2. Khảo sát hàm bậc nhất cho sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ
vùng mật độ nhỏ hơn .......................................................................................... 23
3.1.3. Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung
dịch ............................................................................................................... 25
3.2. Xác định mật độ dung dịch ................................................................................ 27
3.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ................................................................. 27
3.2.2. Kỹ thuật gamma truyền qua ..................................................................... 30
3.2.3. Kết quả xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược và
kỹ thuật gamma truyền qua ................................................................................ 30
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 33
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................. 34
- MỞ ĐẦU
Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT sử dụng tia gamma được áp dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực như xác định cấu trúc sản phẩm và các khuyết tật trong sản
phẩm [10], bề dày vật liệu [4]. Việc áp dụng kỹ thuật không phá hủy trong xác định
mật độ cũng đã được tiến hành [1, 2, 14, 17]. Đặc biệt, công trình của nhóm nghiên
cứu Priyada đã cho thấy tiềm năng xác định mật độ các vật liệu của kỹ thuật NDT,
mà ở đây, chúng tôi đang đề cập đến là kỹ thuật gamma tán xạ ngược và gamma
truyền qua.
Với cường độ ghi nhận lớn ở đầu dò, kỹ thuật gamma truyền qua thể hiện khả
năng áp dụng rộng rãi và có tiềm năng lớn thông qua nhiều công trình nghiên cứu
như xác định hệ số suy giảm [7], cấu trúc và các khuyết tật trong ống [10]…Đặc biệt,
việc áp dụng thành công trong xác định mật độ dung dịch của Priyada [14] làm cơ sở
cho việc mở rộng nghiên cứu xác định mật độ vật liệu bằng kỹ thuật gamma truyền
qua. Tuy nhiên, việc bố trí nguồn và đầu dò ở hai phía của mẫu gặp hạn chế đối với
một số loại vật liệu, để khắc phục nhược điểm này, người ta phát triển kỹ thuật gamma
tán xạ ngược.
Với những ưu điểm của kiểm tra không phá hủy NDT và việc tiếp xúc mẫu từ
một phía, tiềm năng của kỹ thuật gamma tán xạ ngược đã được phát triển trong nhiều
thí nghiệm xác định bề dày vật liệu [4], cấu trúc bê tông [2] … Trong công trình của
nhóm nghiên cứu Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã khẳng định độ tin cậy của
kỹ thuật này trong xác định mật độ dung dịch [1]. Thêm vào đó, trong công trình
Priyada công bố kết quả của kỹ thuật gamma tán xạ ngược vượt trội hơn so với kỹ
thuật gamma truyền qua trong xác định mức lỏng – lỏng và lỏng – khí [14]. Tuy
nhiên, cường độ ghi nhận của kỹ thuật gamma tán xạ ngược ghi nhận không tăng liên
tục mà sẽ đạt giá trị bão hòa tại ngưỡng nào đó. Do vậy, việc áp dụng kỹ thuật này
không thể áp dụng cho tất cả các mật độ dung dịch.
Từ những mặt ưu điểm và hạn chế của hai kỹ thuật, Priyada [14] đã tiến hành
xác định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật, đánh giá và so sánh độ tin cậy của kỹ
thuật gamma tán xạ ngược và gamma truyền qua. Trong nghiên cứu này, Priyada đã
sử dụng đầu dò HPGe với độ phân giải lớn, song điều kiện áp dụng có nhiều hạn chế.
- Để mở rộng áp dụng thí nghiệm ở điều kiện thường, khóa luận của chúng tôi sử dụng
đầu dò tinh thể NaI (Tl) nhấp nháy nhưng có độ phân giải thấp. Do đó, chúng tôi đã
sử dụng ống chuẩn trực cho đầu dò có bán kính lớn hơn (R = 1,5 cm) so với nghiên
cứu của Priyada.
Bên cạnh đó, chúng tôi nhận thấy rằng nghiên cứu của Priyada sử dụng các dung
dịch có mật độ nhỏ (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 1,2 g/cm3). Để khảo sát sự tồn tại của
ngưỡng bão hòa của kỹ thuật gamma tán xạ ngược, chúng tôi đã mở rộng mật độ dung
dịch cho nghiên cứu (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 2,9 g/cm3).
Trong khóa luận này, chúng tôi chỉ bước đầu tiến hành mô phỏng thí nghiệm
gamma tán xạ và gamma truyền qua cho 17 dung dịch và xác định mật độ của chúng.
Những kết quả mô phỏng này góp phần xây dựng cơ sở cho tiến hành xác định mật
độ các dung dịch trên trong thực nghiệm.
Nội dung của khóa luận bao gồm ba phần. Chương 1 bao gồm cơ sở lý thuyết
về tia gamma và các tương tác với vật chất. Từ đó, giới thiệu cơ sở của kỹ thuật
gamma tán xạ ngược - gamma truyền qua và các yếu tố ảnh hưởng đến các kỹ thuật
này. Chương 2 giới thiệu phương pháp Monte Carlo, cấu trúc chương trình mô phỏng
MCNP5, mô hình mô phỏng trong xác định mật độ dung dịch và kỹ thuật xử lí phổ
Colegram. Chương 3 trình bày sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ đơn, cường độ
gamma truyền qua vào mật độ dung dịch, xác định mật độ chất lỏng bằng kỹ thuật
gamma tán xạ ngược và gamma truyền qua. Từ đó, so sánh độ tin cậy của kết quả xác
định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật này.
- 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Thông tin được cung cấp từ tia gamma đóng một vai trò quan trọng trong việc
phân tích không phá hủy vật liệu. Mặc dù các đồng vị phóng xạ từ nguồn có năng
lượng và tỉ lệ xác định, cường độ gamma nhận được ở đầu dò sau khi đi qua vật liệu
luôn nhỏ hơn do tương tác với các vật chất trong quá trình truyền đi [11].
Trong chương này, chúng tôi trình bày các cơ chế tương tác tia gamma và vật
chất; đồng thời, nội dung chương cũng thảo luận về suy giảm cường độ gamma nhận
được ở đầu dò và cơ sở lí thuyết cho việc xác định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật
gamma truyền qua – gamma tán xạ.
1.1. Tương tác gamma với vật chất
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình photon tương tác truyền toàn bộ năng lượng
cho electron liên kết, làm đánh bật electron ra khỏi quĩ đạo và trở thành electron
quang điện.
Photon ban đầu
Quang electron
Hình 1.1. Hiện tượng quang điện
Năng lượng photon ban đầu:
E h (1.1)
- 4
Quang electron có động năng ban đầu:
Ee h - (1.2)
Với B là năng lương liên kết của electron.
Khi quá trình này xảy ra, tồn tại một lỗ trống tại vị trí xảy ra hiệu ứng. Các
electron lớp ngoài nhanh chóng chiếm chỗ và dẫn đến quá trình tạo tia X đặc trưng
hay các electron Auger.
Trong quá trình tương tác, những tia gamma có năng lượng nhỏ hơn 1MeV
thường đóng vai trò chủ yếu. Tương tự, vật liệu có bao gồm những số nguyên tử đơn
càng lớn thì xác xảy ra hiện tượng quang điện càng cao và ngược lại.
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng Compton mô tả quá trình tương tác của photon với electron, truyền
một phần năng lượng và động lượng cho hạt mang điện; khi đó, năng lượng và động
năng photon thoát ra giảm. Thông thường, hạt mang điện đang xét là electron; ban
đầu, electron ở trạng thái nghỉ và photon tương tác của tia X hay tia gamma. Trong
khóa luận này, chúng tôi sử dụng tia gamma từ nguồn 137Cs, mỗi photon mang năng
lượng ban đầu là 662 keV.
Theo Thuyết tương đối, electron có khối lượng nghỉ m0, chuyển động với vận
tốc v có khối lượng m được xác định bằng công thức:
m0c
m (1.3)
2 2
c -v
Từ đó, ta suy ra độ lớn của động lượng p electron trong mối quan hệ giữa năng
lượng E và năng lượng nghỉ E0 của electron.
Ee 2 - E02 pec
2
(1.4)
Hiện tượng tán xạ Compton được phân tích thành va chạm đàn hồi của photon
và electron tự do thông qua tương tác động học. Nếu năng lượng gamma lớn hơn rất
nhiều so với năng lượng liên kết, electron bị tán xạ được coi như electron tự do. Năng
- 5
lượng và động năng của va chạm đàn hồi bảo toàn, giá trị năng lượng tán xạ E ' phụ
thuộc vào góc tán xạ được xác định bằng công thức:
E
E' (1.5)
E
1 (1- cos )
me c 2
Photon sau tán xạ
Photon ban đầu
Electron sau tán xạ
Hình 1.2. Hiện tượng tán xạ Compton
Từ kết quả nêu trên, năng lượng tia gamma đi ra sau tán xạ E’ phải nhỏ hơn
năng lượng ban đầu E và phụ thuộc vào góc tán xạ .
Ngoài ra, trong các tương tác của tia gamma với vật chất còn có cơ chế hiệu
ứng tạo cặp. Điều kiện để hiện tượng này xảy ra khi tia gamma tương tác phải có
năng lượng tối thiểu bằng năng lượng ở trạng thái nghỉ của hai electron (tức trên 1022
keV). Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng nguồn 137Cs với năng lượng mỗi photon
ban đầu là 662 keV nên hiệu ứng này không thể xảy ra trong thí nghiệm được mô
phỏng.
1.2. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
1.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Khi tia tán xạ hợp với tia tới một góc lớn hơn 90o (hay góc tán xạ >90o) trong
hiệu ứng Compton được gọi là hiện tượng gamma tán xạ ngược.
- 6
Số đếm ghi nhận ở đầu dò phụ thuộc vào sự suy giảm cường độ ở đầu dò trong
quá trình truyền. Quá trình này được chia làm 3 giai đoạn xác định:
Hình 1.3. Đường đi tia gamma tán xạ lên vật chất
Giai đoạn 1: Sự suy giảm cường độ khi chùm tia tán xạ đi vào vật liệu (đường 1) [6]:
( E0 ) (1.6)
I1 I 0 exp x
Với I0, I1 lần lượt là thông lượng gamma tới và thông lượng gamma truyền qua
là mật độ của vật liệu;
E0 là năng lượng photon tới.
Giai đoạn 2: Sự suy giảm tại vị trí tán xạ [6]:
d ( E0 , )
I 2 I1. .S ( E0 , , Z ).d .e .V (1.7)
d
- 7
d ( E0 , )
Với là tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức Klein-
d
Nishina;
S ( E0 , , Z ) là hàm tán xạ bất kết hợp;
Z
e N là mật độ electron tại P.
A
Giai đoạn 3: Sự suy giảm cường độ sau tán xạ đến đầu dò (đường 2) [6]:
(E)
I 3 I 2 exp x ' (1.8)
Với là mật độ của vật liệu;
E là năng lượng photon sau tán xạ.
Như vậy, cường độ chùm tia tán xạ được ghi nhận ở đầu dò xác định bởi công thức:
( E0 ) d ( E0 , ) (E)
I I 0 exp x .S ( E0 , , Z ).d .e .V exp x ' (1.9)
d
d ( E0 , ) Z
Với cùng một cách bố trí thí nghiệm, I 0 .S ( E0 , , Z ).d .N .V
d A
được coi là hằng số [14]. Mối quan hệ giữa mật độ vật chất tán xạ và cường độ tán xạ
được thể hiện qua biểu thức:
( E0 ) (E)
I exp x exp x ' (1.10)
Theo nhóm nghiên cứu Guang Lou, cường độ gamma tán xạ ghi nhận được phụ thuộc
hàm bậc nhất theo mật độ chất lỏng [3]. Khi đó, công thức (1.10) được thu gọn lại
thành:
I A B (1.11)
Với là mật độ của vật liệu; A, B là hằng số.
Như công thức (1.11), chúng tôi tiến hành mô phỏng thí nghiệm gamma tán xạ bằng
chương trình MCNP để xác định cường độ tán xạ. Từ đó, khảo sát sự phụ thuộc cường
- 8
độ ghi nhận vào mật độ dung dịch, sử dụng cường độ tán xạ ghi nhận ở đầu dò tìm
mật độ của các dung dịch.
1.2.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần
Trong công thức (1.11), để tính được mật độ dung dịch, cường độ tán xạ được
ghi nhận là cường độ tán xạ đơn; trong khi trên thực tế, cường độ tán xạ được ghi
nhận còn bao gồm kết quả của tán xạ nhiều lần. Chúng là kết quả của quá trình tán xạ
nhiều lần trước khi đi ra khỏi vật liệu và thường đóng góp vào phông nền, làm giảm
tính chính xác của kết quả đo.
Để giảm thiểu sai số của kết quả đo do tán xạ, theo nghiên của của Priyada,
chúng tôi đã sử dụng ống chuẩn trực bán kính nhỏ cho nguồn và đầu dò trong mô
phỏng thí nghiệm [14]. Đồng thời, chúng tôi đã sử dụng chương trình Colegram để
loại bỏ phông nền cho tín hiệu nhận được.
1.3. Kỹ thuật gamma truyền qua
Kỹ thuật gamma truyền qua được xác định dựa vào quy luật suy giảm cường
độ của chùm tia gamma theo hàm mũ khi đi qua vật chất do bị hấp thụ hoặc tán xạ.
Xét chùm tia mảnh, đơn năng, sự suy giảm cường độ của chùm tia gamma được tính
theo công thức định luật Beer-Lambert [6]:
I I 0 exp -t x (1.12)
I0 và I - cường độ của bức xạ trước và sau khi đi qua môi trường vật
chất có bề dày x (cm);
t - hệ số suy giảm tuyến tính toàn phần của môi trường vật chất đối
với bức xạ đó (cm-1).
Để mở rộng áp dụng cho bất kì dạng môi trường vật chất nào, người ta thưởng
sử dụng hệ số suy giảm khối μ m vì nó không phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật
liệu [7]. Công thức (1.12) tương đương:
I I 0 exp -m mp (1.13)
mp - khối lượng hợp chất tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích
trong chất hấp thụ với μ m = μ t (cm2/g); mp = ρx (g/cm2).
ρ
- 9
Công thức (1.13) chỉ áp dụng đối với bức xạ truyền qua vật chất có quãng
đường chuyển động tự do trong vật liệu lớn hơn nhiều so với quãng đường từ vật liệu
đến đầu dò. Ngược lại, chùm tia tới khi xuyên qua môi trường vật chất đến bề mặt
đầu dò lớn hơn so với quãng đường chuyển động tự do trong vật liệu thì cần bổ sung
vào công thức trên một hệ số tích lũy B [6]. Điều này được giải thích do sự tăng xác
suất xuất hiện của bức xạ thứ cấp đến thông tin được ghi nhận ở đầu dò và cường độ
được ghi nhận được xác định bằng công thức (1.14):
I BI 0 exp -t x B.I 0 exp -m m p B.I 0 exp t . x (1.14)
Dựa vào mối quan hệ giữa cường độ gamma truyền qua và mật độ dung dịch,
chúng tôi tiến hành mô phỏng thí nghiệm truyền qua cho các dung dịch; từ đó, xây
dựng đường phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ. Sử dụng kết quả
cường độ truyền qua xác định bằng mô phỏng MCNP để xác định mật độ dung dịch
bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
- 10
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG
MÔ PHỎNG MONTE CARLO
Về bản chất, mô phỏng Monte Carlo là chuỗi ngẫu nhiên các đối tượng và sự
kiện bằng các thuật toán máy tính. Trong trường hợp này, phương pháp Monte Carlo
liên quan đến các đối tượng mô phỏng từ thực nghiệm với mẫu ngẫu nhiên từ hàm
phân bố xác suất xác định. Sự lặp đi lặp lại thí nghiệm nhiều lần trong mô phỏng,
thuật toán bao gồm số lượng lớn các biến dựa trên luật số lớn và các suy luận thống
kê [5].
Mô phỏng trực tiếp đường truyền của neutron là ứng dụng đầu tiên của phương
pháp Monte Carlo trong lĩnh vực Vật lý hạt nhân [9] Việc mô phỏng các quá trình
Vật lý bằng Monte Carlo tiếp tục pháp triển mạnh mẽ ví dụ như: Số đếm neutron
bằng mô phỏng Monte Carlo cho ngưỡng an toàn ứng dụng [15, 8]; Phương pháp tán
xạ và kỹ thuật chuẩn đoán y học [19]…
Phương pháp Monte Carlo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong ngành
khoa học vật liệu. Việc phân tích và phát triển vật liệu thường rất đắt đỏ và tốn nhiều
thời gian. Bằng phương pháp này, chúng ta có thể phát triển, phân tích những vật liệu
mới cũng như cấu trúc của vật liệu dễ dàng hơn ví dụ như: LEDs hữu cơ; pin
Litimium-Ions; các tấm mặt trời hữu cơ [9]…
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp Monte Carlo để xây dựng
thí nghiệm truyền qua và tán xạ gamma cho việc xác định khối lượng riêng của một
số loại vật liệu. Để hoàn thiện luận văn này, chúng tôi đã sử dụng chương trình
MCNP5 để mô phỏng cho 17 dung dịch khác nhau.
2.1. Chương trình MCNP
Chương trình sử dụng cho neutron, photon, electron và các quá trình truyền tải
neutron, photon hay quá trình tạo cặp. Các dòng lệnh xử lý cấu hình ba chiều của bất
kì vật liệu nào được giới hạn bởi ô mạng.
Chương trình sử dụng dữ liệu cắt ngang, tức dữ liệu được lựa chọn một cách
ngẫu nhiên. Các quá trình tương tác được mô phỏng bằng cách gieo số ngẫu nhiên
- 11
theo quy luật thống kê cho trước và được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần
thiết thường rất lớn.
2.2. Đặc điểm chương trình MCNP5
Hình học được thể hiện trong MCNP có cấu hình 3 chiều tùy ý trong hệ tọa độ
Descartes và được mô tả thông qua các ô mạng (cell cards) và mặt (surface cards).
Để viết được phần dữ liệu đầy đủ cần phải biết các thông số kỹ thuật của đầu dò (bao
gồm các loại vật liệu cấu tạo nên đầu dò, hình dạng và kích thước của đầu dò).
2.2.1. Cấu trúc chương trình MCNP5
Phần input của chương trình gồm các thành phần chính:
THÔNG TIN CHUNG [Không bắt buộc]
. . .
TIÊU ĐÊ [Không bắt buộc]
ĐỊNH NGHĨA Ô – KHỐI I
. . .
ĐỊNH NGHĨA MẶT – KHỐI II
. . .
ĐỊNH NGHĨA DỮ LIỆU – KHỐI III
. . .
2.2.1.1. Định nghĩa mặt – Khối II
Định nghĩa mặt được hiểu đơn giản là các khai báo hình học hai hoặc ba chiều
mà từ đó ta xây dựng khối vật cần mô phỏng
Cú pháp khai báo mặt:
[Tên mặt] [Kí hiệu hình học khai [Các tham số]
báo]
nguon tai.lieu . vn