0920 sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng bằng phương pháp monte carlo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TẠP CHÍ KHOA HỌC ISSN: 1859-3100 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ Tập 14, Số (2017): 14-21 NATURAL SCIENCES AND TECHNOLOGY Vol 14, No (2017): 14-21 Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website: http://tckh.hcmue.edu.vn SỬ DỤNG KĨ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC ĐỂ XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ CHẤT LỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Nguyễn Thị Mỹ Lệ1, Hồ Thị Tuyết Ngân2, Hoàng Đức Tâm2* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TPHCM Khoa Vật lí - Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh Ngày Tịa soạn nhận bài: 20-4-2017; ngày phản biện đánh giá: 09-6-2017; ngày chấp nhận đăng: 19-6-2017 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp Monte Carlo để đánh giá khả sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) việc xác định mật độ chất lỏng kĩ thuật gamma tán xạ ngược Kết nghiên cứu cho thấy phụ thuộc tuyến tính tốt cường độ chùm tia tán xạ lần vào mật độ chất lỏng Bên cạnh đó, nghiên cứu mở rộng đường kính ống chuẩn trực đầu dò nhằm rút ngắn thời gian đo Để tăng độ tin cậy kết nghiên cứu, mật độ benzene n-hexane tính tốn so sánh với giá trị chuẩn NIST với độ lệch tương đối 5% Từ khóa: gamma tán xạ ngược, mật độ chất lỏng, MCNP5, NaI(Tl) ABSTRACT Using the gamma backscattering technique to determine the density of liquid by Monte Carlo method In this work, we used the Monte Carlo method to evaluate the ability of using the NaI(Tl) detector in determining the density of liquid by gamma backscattering technique The results showed the strongly dependence of single scattering intensity on density of liquid In addition, our work also showed that it is possible to expand the diameter of detector collimator with the aim of reducing the acquisition time In order to increase the reliability of the obtained results, the density of benzene and n-hexane were calculated and compared with the standard values of NIST which the maximum deviation is under 5% Keywords: gamma backscattering, liquid density, MCNP5, NaI(Tl) Giới thiệu Lĩnh vực ứng dụng hạt nhân công nghiệp, kĩ thuật gamma tán xạ ngược sử dụng phổ biến ưu điểm mà kĩ thuật mang lại cần tiếp cận đối tượng đo từ phía, thực phép đo hệ thống hoạt động số trường hợp Bên cạnh đó, nghiên cứu khảo sát tính ăn mịn vật liệu [1], Priyada cộng kĩ thuật gamma tán xạ ngược có độ xác tương đương với kĩ thuật gamma truyền qua kĩ thuật chụp ảnh tia X * Email: hoangductam@hcmup.edu.vn TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 14, Số (2017): 1421 Một số nhóm nghiên cứu khác ứng dụng thành công kĩ thuật gamma tán xạ ngược để dị tìm mức chất lỏng [2], xác định bề dày vật liệu [3] Trong nghiên cứu [2], Priyada cộng sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ để xác định mật độ chất lỏng đầu dò HPGe Đây loại đầu dị có độ phân giải cao hiệu suất thấp so sánh với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Kết nghiên cứu cò thể sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng Tuy nhiên thấy rằng, nghiên cứu Priyada [2], việc sử dụng đầu dò HPGe ống chuẩn trực đầu dị có kích thước nhỏ (7 mm) dẫn đến số hạn chế Thứ nhất, đầu dò bán dẫn HPGe cần làm lạnh hoạt động (– 196oC) khó mang thiết bị trường để đo thêm vào chi phí cao Thứ hai, việc sử dụng ống chuẩn trực đầu dị có đường kính nhỏ dẫn đến việc sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn Do vậy, nghiên cứu này, khắc phục hai vấn đề cách sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) sử dụng loại ống chuẩn trực đầu dị có đường kính lớn (3,0 cm 9,5 cm) Hai loại ống chuẩn đầu dị với đường kính sử dụng loại mà có phịng thí nghiệm Để làm sở cho việc đo thực nghiệm, giai đoạn đầu nghiên cứu này, tiến hành mô tồn q trình đo đạc phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 Việc mơ thành công làm sở để giúp thực giai đoạn nghiên cứu Cơ sở lí thuyết Chùm photom phát từ nguồn sau tán xạ khối chất lỏng có lượng xác định theo biểu thức: E= đó: E0 1+ ( 0E /0 m c2 ) cos θ ) (1) ( 1− • m0c2 = 0,511 MeV lượng nghỉ electron, • θ góc tán xạ Quá trình tán xạ chùm photon trải qua ba giai đoạn: Đầu tiên chùm photon đến khối chất lỏng bị suy giảm cường độ, sau chúng bị tán xạ khối chất lỏng cuối ra khỏi khối chất lỏng đầu dị ghi nhận có cường độ xác định biểu thức [1]:   µ ( E )   dσ ( E , Ω) (2) 0   µ( E) ρxZ I ( P) = I exp − S( E ,θ, Z) dΩρ −  ρ x'     đó: ρ     dΩ N A Vexp      ρ   TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM • ρ mật độ chất lỏng (kgm–3) • μ ( E0 ρ , μ ) ( E) Nguyễn Thị Mỹ Lệ tgk ρ (cm2 g−1) hệ số suy giảm khối tương ứng với lượng E0 E xác định chương trình XCOM [4], • dσ ( E0 , dΩ tiết diện tán xạ vi phân tính theo cơng thức Klein − Nishina, Ω) • S ( E ,θ,Z) hàm tán xạ không kết hợp κ = dσ ( E , Ω) S ( E , θ, Z ) dΩN Đặt I Z V (3) 0 dΩ A Biểu thức (2)  viết  μ (lạiEnhư ) sau [1]:   − Iμ ( PE) = κρexp ρx exp −  ρx'   ρ     ρ  (4)          với κ số phụ thuộc vào việc bố trí thí nghiệm Biểu thức (4) biểu diễn mối liên hệ mật độ chất lỏng cường độ tán xạ Trong nghiên cứu [5], Luo cộng đưa biểu thức dạng tường minh mô tả phụ thuộc cường độ chùm tia tán xạ theo mật độ chất lỏng theo biểu thức bên dưới: I ( ρ ) = kρ + C (5) với k C số Mô Monte Carlo Phương pháp Monte Carlo sử dụng để khảo sát phụ thuộc cường độ chùm tia tán xạ lần theo mật độ chất lỏng chương trình MCNP5 [6] Đây chương trình mơ phát triển phịng thí nghiệm Los Alamos sử dụng nhiều lĩnh vực vật lí hạt nhân Mặc dù chương trình mơ mạnh, nhiên tính xác kết mơ lại phụ thuộc nhiều vào thông số kĩ thuật đầu dị khai báo tập tin đầu vào Các thơng số thông thường cung cấp nhà sản xuất, nhiên tính xác cần phải kiểm tra đặc biệt số thông số thay đổi theo thời gian Trong nghiên cứu gần [7, 8], khảo sát hiệu chỉnh thông số kĩ thuật cho phổ thu phù hợp với thực nghiệm không dạng đáp ứng phổ hiệu suất đỉnh [7] mà phù hợp đặc trưng phổ tỉ số đỉnh Compton (RPC) độ phân giải lượng (R(E)) Việc xác hóa thơng số đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) làm sở để sử dụng phương pháp Monte Carlo cho nghiên cứu Thông số kĩ thuật đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) mơ tả Hình Mật độ nhơm, Silicon, nhơm ơ-xít (Al2O3) tinh thể NaI(Tl) khai báo tập tin đầu vào từ liệu NIST [4] Nguồn phóng xạ sử dụng mơ nguồn 137Cs Đầu dị NaI(Tl) bố trí để ghi nhận chùm photon tán xạ góc 120o Hình Các thơng số kĩ thuật đầu dị NaI(Tl) dùng mơ [6] Để phổ mơ có dạng giống với phổ thực nghiệm, hàm bề rộng nửa sử dụng chương trình mơ MCNP5 có dạng sau: FWHM(MeV) = a + c  cE2 b (6) với E lượng photon tán xạ (MeV); hệ số a, b, c có giá trị − 0,0137257 MeV, 0,0739501 MeV1/2, − 0,152982 MeV−1 [3] (a) (b) Hình Mơ hình mơ sử dụng chương trình MCNP5 cho nguồn 137Cs với a) đường kính ống chuẩn trực đầu dị 3,0cm b) đường kính ống chuẩn trực đầu dị 9,5cm Các chất lỏng sử dụng mô là: nước, methanol, ethanol, hexane, glycerol, cyclohexane, benzene n−hexane Đầu tiên, chúng tơi khảo sát phụ thuộc tuyến tính cường độ tán xạ lần mật độ chuẩn loại chất lỏng như: nước, methanol, ethanol, hexane, glycerol, cyclohexane theo biểu thức (5) trình bày Dựa sở đó, chúng tơi xác định mật độ hai loại dung dịch lại benzene n−hexane cách thay cường độ tán xạ lần tương ứng vào hàm vừa xây dựng Để đánh giá khả mở rộng ống chuẩn trực đầu dò nhằm rút ngắn thời gian đo tiến hành thực tế, thực mô với hai trường hợp đường kính ống chuẩn trực đầu dị 3,0cm 9,5cm Chi tiết mơ hình mơ biểu diễn Hình Kết thảo luận Phổ tán xạ thu từ mô chất lỏng biểu diễn Hình Các phổ tán xạ chúng tơi phân tích kĩ thuật xử lí phổ tán xạ cải tiến [3] Hình Phổ tán xạ chùm photon lượng 662 keV chất lỏng Tại góc tán xạ 120o, lượng photon tán xạ xác định từ lí thuyết theo biểu thức (1) vào khoảng 224,9 keV Bảng biểu diễn giá trị lượng photon tán xạ lần FWHM đỉnh tán xạ lần hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dò 3,0cm 9,5cm Từ Bảng thấy phù hợp tốt lượng photon tán xạ lần từ lí thuyết mô với độ sai biệt vào khoảng 0,6 − 0,7% hai trường hợp ống chuẩn trực đầu dò khảo sát Tuy nhiên, bề rộng nửa đỉnh tán xạ (FWHM) tăng đường kính ống chuẩn trực đầu dò tăng lên Nguyên nhân điều tăng đường kính ống chuẩn trực đầu dị thành phần đóng góp tán xạ nhiều lần tăng lên dẫn đến giãn nở phổ nhiều Bảng Năng lượng photon tán xạ FWHM (keV) đỉnh tán xạ đơn từ lí thuyết mơ Dung dịch Mật độ chuẩn [4] Năng lượng photon tán xạ (keV) (kg/m3) Lí MCNP5 thuyết Ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 3,0cm FWHM (keV) RD (%) Lí thuyết MCNP5 RD (%) Nước 1000,0 224,9 223,4 0,7 20,7 21,1 1,8 Methanol 791,4 224,9 223,3 0,7 20,7 21,0 1,7 Ethanol 789,3 224,9 223,3 0,7 20,7 21,1 1,7 Hexane 672,0 224,9 223,3 0,7 20,7 21,1 1,9 Glyxerol 1261,3 224,9 223,4 0,7 20,7 20,8 0,5 Cyclohexane 779,0 224,9 223,3 0,7 20,7 21,1 1,7 Ống chuẩn trực đầu dị có đường kính 9,5cm Nước 1000,0 224,9 223,5 0,6 20,7 22,7 8,9 Methanol 791,4 224,9 223,5 0,6 20,7 22,8 9,0 Ethanol 789,3 224,9 223,5 0,6 20,7 23,0 9,9 Hexane 672,0 224,9 223,5 0,6 20,7 22,8 9,2 Glyxerol 1261,3 224,9 223,5 0,6 20,7 22,6 8,5 Cyclohexane 779,0 224,9 223,5 0,6 20,7 22,8 9,1 Sự phụ thuộc cường độ đỉnh tán xạ lần vào mật độ loại chất lỏng (Nước, methanol, ethanol, hexane, glycerol, cyclohexane) biểu diễn Hình Đồ thị cho thấy phụ thuộc tuyến tính tốt cường độ đỉnh tán xạ lần vào mật độ chất lỏng hai trường hợp kích thước ống chuẩn trực đầu dò khảo sát Các liệu làm khớp chương trình Origin 8.5.1 với hệ số R2 = 0,997 R2 ≈ (a) (b) Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tuyến tính cường độ đỉnh tán xạ lần vào mật độ với a) đường kính ống chuẩn trực đầu dị: 3,0cm b) đường kính ống chuẩn trực đầu dò: 9,5cm Để đánh giá lại phụ tuyến tính cường độ tán xạ lần vào mật độ chất lỏng thu trên, sử dụng hai chất lỏng benzene n−hexane tính tốn lại mật độ dựa vào cường độ tán xạ lần từ phổ mô thu chúng Kết tính tốn trình bày Bảng Có thể thấy rằng, mật độ benzene n −hexane xác định với độ sai biệt so với mật độ chuẩn [4] không vượt 7,0% ống chuẩn trực đầu dò 3,0 cm 5,0% với ống chuẩn trực đầu dò 9,5 cm Bảng Giá trị mật độ dung dịch benzene n−hexane Dung dịch Mật độ chuẩn [4] (kg/m3) 3,0cm Mô RD (%) 9,5cm Mô RD (%) Benzene 878,65 817,05 7,0 878,65 4,9 n−hexane 660,3 632,81 4,2 660,30 0,3 Điều đáng ý kết mật độ chất lỏng thu ống chuẩn trực đầu dị đường kính 9,5 cm lại tốt so với ống chuẩn trực đầu dị đường kính 3,0 cm Chúng cho điều liên quan đến hai vấn đề tính thống kê việc ghi nhận số photon tán xạ phù hợp kĩ thuật phân tích phổ cải tiến phân tích phổ tán xạ chất lỏng Đối với vấn đề thứ nhất: Việc sử dụng ống chuẩn trực đầu dị có đường kính lớn dẫn đến xác suất ghi nhận photon tán xạ lần lớn hơn, điều làm giảm sai số gây thăng giáng thống kê ghi nhận số đếm Vấn đề thứ hai liên quan đến kĩ thuật phân tích phổ Trong nghiên cứu trước [3], kĩ thuật kiểm chứng độ tin cậy phân tích phổ tán xạ vật liệu thép Tất nhiên, việc áp dụng chất lỏng cần phải kiểm chứng thêm để tăng độ tin cậy bước đầu cho việc áp dụng kĩ thuật phân tích phổ [3] phổ tán xạ chất lỏng phù hợp Kết luận Trong nghiên cứu này, sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng Kết nghiên cứu cho thấy phụ thuộc tuyến tính tốt cường độ tán xạ lần vào mật độ chất lỏng với hệ số R 0,997 hai ống chuẩn trực đầu dò khảo sát 3,0 cm 9,5 cm Độ tin cậy kết thu được đánh giá lại cách so sánh mật độ tính tốn từ mơ benzene n−hexane với mật độ chuẩn lấy từ NIST Kết tính tốn cho thấy độ lệch tương đối lớn kết tính tốn chúng tơi so với giá trị chuẩn NIST 7,0% ống chuẩn trực có đường kính 3,0cm 4,9% ống chuẩn trực 9,5 cm Với kết thu này, bước đầu nhận định rằng, sử dụng đầu dị nhấp nháy NaI(Tl) thay cho đầu dò HPGe việc xác định mật độ dung dịch Bên cạnh việc mở rộng ống chuẩn trực đầu dò để rút ngắn thời gian đo thực nghiệm hoàn toàn khả thi Kết làm sở cho việc bố trí hệ đo thực nghiệm thời gian tới Lời cảm ơn: Nghiên cứu thực với kinh phí cấp từ đề tài cấp Bộ với mã số B2017-SPS-15 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO P Priyada, M Margret, R Ramar, Shivaramu, M Menaka, L Thilagam, B Venkataraman, B Raj, “Intercomparison of gamma scattering, gammatography, and radiography techniques for mild steel nonuniform corrosion detection,” Review of Scientific Instruments 82, pp 035115 (1 – 8), 2011 P Priyada, M Magret, R Ramar, Shivaramu, “Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid–fluid and fluid–air interface levels detection and density measurements,” Applied Radiation and Isotopes 70, pp.462 – 469, 2012 H.D Tam, H.D Chuong, T.T Thanh, V.H Nguyen, H.T.K Trang, C.V Tao, “Advanced gamma spectrum processing technique applied to the analysis of scattering spectra for determining material thickness,” Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 303, pp.693 – 699, 2015 M.J Berger, J.H Hubbell, S.M Seltzer, J Chang, J.S Coursey, R Sukumar, D.S Zucker, K Olsen, XCOM version 3.1, NIST Standard Reference Database 8, 1999 (XGAM) G Luo, G Xiao, “Analysis of the factors that affect photon counts in Compton scattering,” Applied Radiation and Isotopes 95, pp.208 – 213, 2015 X-5 Monte Carlo Team MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, Volume I: Overview and Theory, LA-UR-03-1987 Los Alamos National Laboratory, 2003 H.D Tam, H.D Chuong, T.T Thanh, C.V Tao, “A study of the effect of Al2O3 reflector on response function of NaI(Tl) detector,” Radiation Physics and Chemistry 125, pp.88- 93, 2016 Hoàng Đức Tâm, Nguyễn Thị Hải Yến, Nguyễn Thị Mỹ Lệ, “Khảo sát đặc trưng phổ gamma để đánh giá tính xác mơ hình mơ Monte Carlo đầu dị nhấp nháy NaI(Tl),” Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Sư phạm TPHCM 14 (3), tr.95 – 103, 2017  ... ứng dụng thành công kĩ thuật gamma tán xạ ngược để dị tìm mức chất lỏng [2], xác định bề dày vật liệu [3] Trong nghiên cứu [2], Priyada cộng sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ để xác định mật độ chất. .. Trong nghiên cứu này, sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng Kết nghiên cứu cho thấy phụ thuộc tuyến tính tốt cường độ tán xạ lần vào mật độ chất lỏng với hệ số R 0,997... chất lỏng đầu dị HPGe Đây loại đầu dị có độ phân giải cao hiệu suất thấp so sánh với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) Kết nghiên cứu cò thể sử dụng kĩ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng