[Đồ án] Khảo sát khả năng ứng dụng của máy phát Notron MP320 trong việc phát hiện chất nỗ bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo

[Đồ án] Khảo sát khả năng ứng dụng của máy phát Notron MP320 trong việc phát hiện chất nỗ bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo

PHẦN I: MỞ ĐẦU. Với đặc điểm đất nước phải trải qua hai cuộc đấu tranh dành độc lập, nên việc giải quyết hậu quả chiến tranh vẫn là nhiệm vụ được đặt ra cho cả xã hội. Một trong vấn đề cấp thiết và tốn kém nhất là việc phát hiện và rà phá bom mìn, theo thống kế trong cuộc chiến tranh tại Việt Nam, quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng trên 15 triệu tấn bom đạn. Khoảng 5% trong số này (750.000 tấn) đã không phát nổ, tiếp tục gây thương vong cho nhiều người dân .Từ năm 1975 đến nay, tai nạn do bom, mìn đã cướp đi sinh mạng của 10.529 người, làm bị thương 12.231 người, cần 300 năm và 10 tỷ USD để rà phá hết bom mìn thời chiến tranh trên khắp lãnh thổ Việt Nam. Bên cạnh vấn đề bom mìn còn lại sau chiến tranh. Bên cạnh đó, vấn nạn buôn lậu, tàng trữ, sử dụng trái phép thuốc nổ đang là vấn đề nhức nhối của xã hội với hình thức càng ngày càng tinh vi, phức tạp dẫn tới khó phát hiện và xử lý. Với loại mìn và chất nổ hiện đại hiện nay thường rẻ, nhỏ ,nhẹ và làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau bởi thế gần như phương pháp phát hiện mìn phổ thông đều không thể phân biệt được chúng với các mảnh vụn kim loại khác. Vật liệu nổ thường là vật liệu phi kim bởi thế nó không thể dò ra bởi các đầu dò kim loại, và vật liệu làm bom mìn chủ yếu là thành phần lớn của C, N, O, H và đây chính là một lý do mà phương pháp hạt nhân được dùng để phát hiện bom mìn, cụ thể là sử dụng nguồn notron để phát hiện bom mìn. 1 Phương pháp notron có thể ứng dụng theo 2 cách : kích hoạt và tán xạ. Cơ sở vật lý của phương pháp kích hoạt là các hạt nhân bền, sau khi được chiếu xạ bằng nơtron trở thành các đồng vị phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ phát các tia. Ghi nhận các bức xạ này ta có thể thu được các thông tin về năng lượng, cường độ của nơtron, và tiết diện phản ứng. Khi bị kích hoạt, hạt nhân phóng xạ có dạng phát ra tia gamma, việc ghi nhận và phân tích xung được gây ra bởi n nhanh hoặc nhiệt. Cách dò theo tia gamma trong phản ứng bắt n nhiệt của hạt nhân Nito được xem như là cách phát hiện các chất nổ. Với phương pháp tán xạ ngược, do tiết diện tán xạ n thường cao hơn kích hoạt. Tỷ lệ phần trăm khối lượng hidro trong chất nổ chiếm từ 25 đến 30 % và một trong những phương pháp phát hiện là sử hiệu ứng làm chậm, vì có số khối thấp nên hạt nhân H là chất làm chậm rất tốt hơn các chất khác. Khi một chất có H bị bắn phá bởi n với năng lượng <1 MeV,1 phần của n sẽ tán xạ đàn hồi và năng lượng của chúng xẽ giảm đi xuống<10kev, bằng việc đo phổ năng lượng tán xạ ngược và sự chênh lệch của n bị hấp thụ với phổ n ban đầu có thể phát hiện sự có mặt của các chất giàu H với điều kiện là phân bố phông gây ra bởi tán xạ tên không khí và các chất gần chất nổ là nhỏ. Các yếu tố đất đá thường tác động làm giảm n vì chúng có khối lượng lớn hơn H. Phương pháp tán xa ngược cho phép phát hiện chất nổ dẻo và vật liệu giàu H, nhưng phương pháp không cho ra thông tin vật lí từ kết quả vì kết quả ra là quá trình tổng hợp từ nhiều quá trình tán xạ và hấp thụ của vật liệu và đất đá xung quanh. 2 MCNP là chương mô phỏng quá trình trình vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte-Carlo. Đây là chương trình lớn, một công cụ tính toán rất mạnh. MCNP xử lý cấu hình các vật liệu ba chiều tuỳ ý trong các khối hình học được giới hạn bởi các mặt bậc nhất bậc hai và một số mặt bậc bốn. Trong MCNP, ta có thể sử dụng để mô phỏng vận chuyển cho các hạt nơtron, photon, electron hoặc kết hợp vận chuyển đồng thời nơtron/ photon/ electron. Năng lượng của nơtron thay đổi từ 10-11 MeV đến 20 MeV. Đối với các photon và electron, năng lượng của chúng thay đổi từ 1 keV đến 1000 MeV. Với mô phỏng MCNP, cho phép ta khảo sát cả 2 phương pháp trên một cách hiệu quả với các điều kiện giả định gần với thực tế. Với mục đích trên và công cụ MCNP, em được giao nhiệm vụ “ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT NOTRON MP320 TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO Luận văn này gồm 3 chương: Chương I: Tổng quan về tương tác của notron với vật chất. Chương II: Nguyên lý, đặc điểm, cấu tạo máy phát xung nơtron MP320. Một số đầu dò ghi nhận notron và gamma. Giới thiệu chương trình MCNP. Mô hình hệ đo phổ notron và gamma có sử dụng máy phát notron MP320. Chương III: Kết quả thực nghiệm, trình bày kết quả đạt được trong quá trình khảo sát. Chương IV: Kết luận. 3 Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự ủng hộ, quan tâm sâu sắc từ các thầy cô trong Bộ Môn Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Viện Vật lý Kỹ thuật. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới người trực tiếp hướng dẫn em là cô Trần Thùy Dương, những người đã luôn hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè những người đã luôn tin tưởng, ủng hộ, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án. Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cũng như thời gian thực nghiệm chưa dài, nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của tất cả mọi người đối với nội dung trong bản đồ án của em. Hà Nội, tháng 5 – 2011 LÊ ĐẠI NHÂN. 4 NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỂ TƯƠNG TÁC NƠTRÔN VỚI VẬT CHẤT VÀ MỘT SỐ CÁCH GHI NHẬN NƠTRÔN-GAMMA 1.1. Tính chất vật lý của nơtrôn Neutron là một hạt cơ bản có trong thành phần hạt nhân nguyên tử, trung hòa về điện tích và có khối lượng bằng 1,67492716(13) × 10E−27 kg. Neutron và proton được gọi là nucleon. Nơtron có các đặc trưng vật lý như sau: - Phân rã beta : e epn ν ++→ − với chu kỳ bán rã khoảng 10.14 phút - Spin của nơ trôn:1/2 - Momen từ: µ n = (-1,91304184 ± 0,00000088) µ hn - Điện tích: trung hòa về điện. Việc phân loại nơtrôn theo năng lượng chỉ có tính chất ước lệ, phụ thuộc vào đặc điểm tương tác của nơtrôn với vật chất trong các vùng năng lượng khác nhau. Người ta thường phân nơtrôn thành một số loại sau: 5 1. nơtrôn năng lượng cao: E n > 20MeV 2. nơtrôn nhanh: E n ∼0.5 ÷ 20MeV 3. nơtrôn năng lượng trung gian: E n ∼10KeV ÷ 5MeV 4. nơtrôn cộng hưởng: E n ∼1eV ÷ 10KeV 5. nơtrôn trên nhiệt: E n ∼0.5eV ÷ 1eV 6. nơtrôn nhiệt: E n ∼0.01 eV÷ 0.5eV 7. nơtrôn lạnh: E n ∼0.005eV ÷ 0.01eV 8. nơtrôn siêu lạnh: E n <0.005eV (từ 4 đến 8 là nơtrôn chậm) 1.2. Tương tác của notron với vật chất Quá trình tương tác notron với vật chất là quá trình mang tính ngẫu nhiên, xác suất tương tác này phụ thuộc vào năng lượng của notron đến và các đồng vị hạt nhân. Các loại tương tác này được phân loại như sau :  Tán xạ đàn hồi.  Tán xạ không đàn hồi.  Phản ứng hạt nhân. 6 1.2.1. Tán xạ đàn hồi Sơ đồ tán xạ đàn hồi khi nơtron tương tác với hạt nhân: Hình 1.1. Tán xạ đàn hồi của nơtron với hạt nhân Khi tương tác với hạt nhân, nơtron truyền cho hạt nhân một phần động năng của mình bằng E A : ϕα 2 0 cos nA EE = (1.1) 7 (A,Z) n tán xạ (A,Z) n tới 2 )1( 4 2)( 4 A A Mm Mm An An + ≅ + = α (1.2) Với: E n0 : Động năng của nơtron trước khi xảy ra tán xạ m n : Khối lượng của nơtron M A : Khối lượng của hạt nhân φ : Góc bay ra của hạt nhân so với hướng chuyển động ban đầu của hạt nhân A: số khối của hạt nhân Coi tỷ số M A /m n = A với sai số khoảng (0,5÷1)%. Động năng trung bình của nơtron bị giảm một lượng ΔE 1 khi tương tác với hạt nhân: 01 ). 2 1( n EE α −=∆ (1.3) Động năng lớn nhất mà hạt nhân có thể thu được sau một lần tán xạ đàn hồi có giá trị bằng: , ax 0 0 2 4 ( 1) A m n n A E E E A α = = + (1.4) Đối với động năng notron không quá 7MeV, thì tán xạ đàn hồi có tính đối xứng cầu trong hệ tọa độ tâm khối lượng. Do đó xác suất tán tạo hạt nhân 8 lui với động năng E A trong khoảng (0, E A,max ) là bằng nhau, và động năng trung bình của các hạt nhân lùi thu được trong mỗi lần tán xạ có giá trị bằng : , ax 0 0 2 2 2 ( 1) A m A n n E A E E E A δ = = = + (1.5) Như vậy, với hạt nhân càng nhẹ thì sau tán xạ đàn hồi thì nó nhận động năng của notron càng lớn hay khả năng làm chậm của nó càng cao. Bảng sau thê hiện phần động năng mà hạt nhân của các các nguyên tố chủ yếu trong chất nổ nhận được sau tán xạ đàn hồi với notron. Bảng B1.1- 1. Phần động năng mà hạt nhân thu được trong mỗi sự kiện tán xạ. loại hạt nhân 1 H 12 C 14 N 16 O số khối A 1 12 14 16 δ 0.5 0.142 0.125 0.111 Hạt nhân càng nhẹ thì phần động năng mà nó thu được khi va chạm đàn hồi với nơtron càng lớn. Do đó năng lượng của hạt nhân lùi sẽ lớn nhất khi nơtron tương tác với hạt nhân có khối lượng nhỏ nhất, đó là Hiđro. Khi đó năng lượng của hạt nhân lùi là E p = E n0 . cos2φ. Tán xạ đàn hồi là cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng nơtron nhanh và được dùng khá nhiều để ghi nhận nơtron nhanh bằng cách ghi nhận các vết của hạt nhân lùi trong các dụng cụ ghi vết. 1.2.2. Tán xạ không đàn hồi 9 Khi tương tác với hạt nhân, các nơtron nhanh có thể bị tán xạ không đàn hồi. Trong tán xạ không đàn hồi, một phần năng lượng của nơtron tiêu tốn để kích thích hạt nhân: '*)( nXnX A Z A Z +→+ (1.6) Z: Nguyên tử số của nguyên tố. Tán xạ không đàn hồi là loại tương tác có ngưỡng. Để xảy ra tán xạ không đàn hồi, năng lượng của nơtron phải lớn hơn năng lượng của mức kích thích đầu tiên của hạt nhân. Năng lượng kích thích này phụ thuộc vào số khối của hạt nhân ( giảm từ một vài MeV xuống dưới 100keV theo chiều tăng của số khối A). Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản sẽ phát ra các lượng tử gamma. Tiết diện hiệu dụng của tán xạ không đàn hồi chỉ lớn hơn 0 khi năng lượng của nơtron E n không nhỏ hơn một giá trị năng lượng ngưỡng E ng nào đó. Giá trị của năng lượng ngưỡng được cho bởi: 1 . 1 W A A E ng + = (1.7) W 1 : Năng lượng của mức kích thích đầu tiên của hạt nhân. 1.2.3. Phản ứng (n, γ ) Trong phản ứng (n,γ) nơtron bị hấp thụ, hạt nhân X trở thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích và phát ra lượng tử gamma: γ +→+ + *)( 11 0 xnX A Z A Z (1.8) 10 [...]... lý của bài toán, sự tích hợp của mô phỏng Monte-Carlo 2.2 Máy phát notron MP320: 2.2.1 Giới thiệu máy phát xung nơtron MP320 16 Hình2.1 Máy phát xung nơtron MP320 ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội Máy phát xung nơtron MP320 ở Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội là máy phát nơtron có thể di chuyển được dễ dàng Máy có khả năng phát. .. nguyên độ dày của khối TNT Tiến hành: khảo sát với các bán kính từ 3,5cm đến 6cm, mỗi bước tăng bán kính lên 0,5cm 3.1.2.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ dày TNT: Mục đích: xác định được độ nhạy và sự ảnh hưởng của bề dày đến việc phát hiện TNT bằng phương pháp đo phổ tán xạ ngược Tiến hành: Khảo sát với bề dày từ 2cm đến 23 cm mỗi bước cách 5cm 31 3.1.2.1.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ xốp có trong đất... hành: Mô phỏng hệ có TNT chứa hoàn toàn lần lượt các nguyên tố sau: C, N, H,O 3.1.2.2 Khảo sát môi trường đất là CaCO3: Với mục đích và tiến hành tương tự như với môi trường đất cát SiO2 3.1.2.3 Khảo sát môi trường đất nhiều thành phần: Trong thực tế, đất luôn chứa rất nhiều các nguyên tố khác nhau, nên việc khảo sát môi trường đất nhiều thành phần được đặt ra với mục đích khả năng của phương pháp trong. .. khu vực notron cộng hưởng) tức là vận tốc notron càng nhỏ thì tiết diện phản ứng càng cao, xác suất phát gamma càng lớn cho nên đây là phản ứng rất đặc trưng của notron nhiệt và cơ sở vật lý cho phương pháp phân tích kích hoạt Chương II: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP, MÁY PHÁT NOTRON MP320, MỘT SỐ ĐẦU DÒ GHI NHẬN NOTRON VÀ GAMMA, MÔ HÌNH ĐO PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC VÀ PHỔ GAMMA 12 2.1 Chương trình mô phỏng MCNP:... hiểu sự ảnh hưởng của mật độ đất đến kết quả đo Tiến hành: Mô phỏng môi trường đất có độ xốp lần lượt là 5%, 10%, 15%, 30% 3.1.2.1.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của lượng nước trong đất:: Mục đích: chỉ rõ sự phụ thuộc của kết quả đo với hàm lượng nước có trong đất Tiến hành: Mô phỏng môi trường đất với các lượng nước lần lượt là 5, 10, 15, 30 3.1.2.1.6 khảo sát sự ảnh hưởng của các nguyên tố trong TNT: Mục... nguyên tố phổ biến trong đất thực tế 3.1.2.1: Môi trường đất là SiO2: 3.1.2.1.1: Khảo sát phổ trong trường hợp có và không có TNT: Để chứng minh được tính phân biệt và phát hiện chất nổ, thì ta phải chỉ ra được sự khác biệt trong trường hợp trong đất có TNT với trường hợp đất không có TNT 3.1.2.1.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của bán kính TNT: Mục đích: xác định được độ nhạy của phương pháp đối với trường... phát notron MP320 Nguồn được bọc bằng parafin độ dày 5cm  Đầu dò nhấp nháy NaI 7.6x7.6cm Được bọc các lớp parafin, chì và Cd  Môi trường khảo sát là SiO2, CaCO3, đất hỗn hợp 3.2.2 Các bài toán: Các bài toán cần xử lý trong trường hợp đo gamma:  Khảo sát sự khác biệt về phổ trong trường hợp có TNT và không có TNT  Khảo sát các yếu tố liên quan đến TNT: kích thước, thành phần, vị trí  Khảo sát các... cho phép xác định chất nổ Trong mô hình đo tán xạ ngược, máy phát notron MP320 được thay thế bởi nguồn điểm năng lượng 14MeV Để phổ tránh bị nhiễm do notron tương tác với các thành phần khác của môi trường, mô hình đặt thêm ống chuẩn trực Và được bố trí như hình sau hình 3.1 sơ đồ mô hình đo tán xạ ngược 29 Mô hình gồm : 1 đầu dò He, hiệu suất 100% 2 Nguồn 14MeV thay thế cho máy phát MP320 3 Ống chuẩn... là phản ứng thu năng lượng Các phản ứng trên có thể tạo ra đồng vị phóng xạ Căn cứ vào độ phóng xạ của đồng vị tạo thành, có thể đánh giá được mật độ thông lượng nơtron và đôi khi cả năng lượng của nơtron nếu biết tiết diện của phản ứng Trong tương tác của notron còn loại tương tác rất phổ biến nữa là (n,γ), hay còn gọi là phản ứng bắt notron Hạt nhân bắt notron đồng thời nhận năng lượng của notron, ... mềm) 18 Hệ thống phát xung nơtron bao gồm: - Đầu phát nơtron - Các bộ phận đi kèm bao gồm đèn cảnh báo, khóa liên động bằng tay, máy tính có cài phần mềm DNC để điều khiển máy phát xung nơtron MP320 2.2.2 Cấu tạo và hoạt động của đầu phát xung nơtron MP320 2.2.2.1 Cấu tạo Sơ đồ cấu tạo bộ phận phát nơtron của máy phát xung nơtron MP320 được thể hiện trên hình 1.3: n 3 n Vỏ bảo vệ Vỏ ống phát Nguồn cao . DỤNG CỦA MÁY PHÁT NOTRON MP320 TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE – CARLO Luận văn này gồm 3 chương: Chương I: Tổng quan về tương tác của notron với vật chất. Chương II:. khảo sát cả 2 phương pháp trên một cách hiệu quả với các điều kiện giả định gần với thực tế. Với mục đích trên và công cụ MCNP, em được giao nhiệm vụ “ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY PHÁT. lớn của C, N, O, H và đây chính là một lý do mà phương pháp hạt nhân được dùng để phát hiện bom mìn, cụ thể là sử dụng nguồn notron để phát hiện bom mìn. 1 Phương pháp notron có thể ứng dụng