Trong cach tiép can dé xuất, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình dựa trên mối liên hệ về cường độ chùm tia, thành phan và khối lượng riêng của mỗi vật liệu với bè day với cơ sở dit liệu được h
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH
NGUYÊN THỊNH
KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP
UNG DỤNG MÔ HÌNH HỌC MAY VÀ MO PHONG
MONTE CARLO DE XÁC ĐỊNH BE DAY VAT LIEU
CHUYEN NGANH: SU PHAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN
THÀNH PHO HO CHÍ MINH - 2024
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH
KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thịnh
Mã số sinh viên: 46.01.401.249
Giang viên hướng dẫn; ThS Nguyễn Thành Dat
Chủ tịch Hội đồng Người hướng dẫn khoa học
(Kí và ghi rõ họ tên) (Kí và ghi rõ họ tên)
THÀNH PHO HO CHÍ MINH - 2024
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Đề có thê hoàn thành khóa luận này bên cạnh nỗ lực từ chính barnt hân mình, tôi đã
và luôn nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, hướng dẫn tận tình từ thầy cô, các anh chị, bạn
bè Tôi xin bay tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình và gửi lời cảm ơn chân thành đền:
© ThS Nguyễn Thanh Đạt, giảng viên hướng dẫn tôi thực hiện khóa luận, đã tận
tình hỗ trợ hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất hỗ trợ tôi trong suốt
quá trình thực hiện khóa luận này.
¢ - Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý Trường Dai học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh
đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cả về vật chat và tinh than, giúp đỡ tôi hoànthành khóa luận này.
e Tô Vật lý Hạt nhân đã hồ trợ cho tôi mượn Phong Thí nghiệm Vật lý Hạt nhan
dé tôi có thê hoàn thành thực nghiệm trong khóa luận này.
¢ Các thay cô, anh chị trong nhóm nghiên cứu đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ trong
thời gian thực hiện khóa luận
¢ Cuỗi cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, động
viên tôi hoàn thành khóa luận này.
TP HCM, ngày thắng năm 2024
Nguyễn Thịnh
Trang 4LỜI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Ứng dụng mô hình học máy và mô
phông monte carlo dé xác định bè day vật liệu dựa trên kỹ thuật đo gamma truyền
qua” là công trình nghiên cứu của tôi đưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Thành
Đạt Những kết quả trong khóa luận này là hoàn toàn trung thực
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thịnh
Trang 5MỤC LỤC
FOC 0: guraraneriiiinnooitstitoiniitiigitlST500088100108300131083001510030180500831G8381881053003g0 i
LOT CAM DOAN o.ccsssssscccsonssescconnssessscassvessennsssesssansnessentsnsssoessonssseensonsseessonssvenssanseess ii
MỤC LỤC 2-2222 22122 112211121121117211171112 1121177111 111 211721721 111111112 iiiDANE MUG GAG ICHU VIET DAT ssssicszsssssssssessassnsssscusssasscnssasosasssnesssosseasssensscsosas vi
DANHMUGCAGHINHANH aare= vii
ĐANH MỤC CÁC BANG BIRO essscissssssessssssssssssassonssscssossssssssssssoasssassssssssassesszson viii
ÿ 00210003 1
CHUONG I TƯƠNG TAC CUA BUC XA GAMMA VỚI VAT CHÂT 3
I1: BU Aa ARIA oso css ec ss cca scoasesaesedsccscczas causes seedsaccascaeesanscenseaasseansinassanscenscaneuaas 3
1.2 Các hiệu ứng tương tác của tia gamma với vật chất - cccscccscez 3
1.2.1 Hiệu ứng quang điện c có, HH HH H40640148640166108540 4 12:2, Tan Xá CðPiPÍOR:-::::::::-:::-:::ccc:cccctic2t0250022102212233126132662535136860231558688658338585550 4 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp clectron — DOSIITOI chà ưảu 6
1.3 Hệ số suy giảm khối của vat liệu trong tương tác với bức xạ 61.4 Sự suy giảm cường độ bức xa gamma khi đi qua vật chất - 7
CHUONG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHONG MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG
CHUONG 3 XÂY DỰNG CƠ SỞ DU LIEU DO BE DAY VAT LIEU BANG
MÔ PHONG MONTE CARLO VÀ THỰC NGHIỆM 2-22 S2 S12 22122132 15
3.1 Vật liệu và bố trí thực nghiGm o.oo cece cece eeceessesseessecseeseeescessesseeseeseseneeees 15
Trang 6SoU VUE ssscessssisssssssaiscanisssnsaisserscassssaisoataoasnsassneisssnisesissssiossssesssaisesisseaiseniie: 15
3.1.2 Bồ tri phép đo thực nghiệm - 22222 csseesssesseesseeseessuesceeeseeens 17
3.2 Xây dựng phép đo bè day vật liệu trong chương trình MCNP6 19
3.2.1 Vật liệu sử dung trong mô phỏng << SH Hy 19
3.2.2 Mô hình mô phỏng phép đo bè day vật liệu 2©222SczccsccSsccs 19
3:3.IElniii6HVä XI NHIỂNGunsarnsansnsinaniannnininioiiniiinninagiinsinntiainanprsunai 20
3.3.1 Sự phù hợp giữa phô mô phỏng và phô thực nghiệm 20
33:2 K§thult xi TÚ Bế naaaeeninnianiannniinsiintnisinoantisinttetiatttstbogttoattasstss 21
3.3.3 Sai s6 phép nh »o ›4334343343444 ÔỎ 24
CHƯƠNG 4 UNG DUNG MO HÌNH MẠNG NƠ-RON NHÂN TAO DE XÁC
ĐỊNH PHÉP ĐO BE DAY VAT LIEU DUA TREN KY THUẬT DO GAMMA
TRUYEN QUA covccceccsscssesseesesseseescssesserseesceseesseseeseasseasestesraseeatertestestenensrasteesersaeeeesees 26
4.1 Giới thiệu vẻ mô hình mạng nơ-ron nhân tạo cà 26
4.1.1 Cau trúc và nguyên lý hoạt động của mạng nơ-ron - 26
4.1.2; Ham kích hoạt va cách lựa chon i.cciscciscssssccissssseissesssossscsisseisosssossiscsiscsvecs 29
4.1.3 Các chi số và công thức đánh giá mang nơ-ron nhân tạo 30
4.2 Mô hình mang nơ-ron nhan tạo cho phép đo bè GAY vật liệu 31
Á:2:1,/Eẩn(rfmtðifiHÌL:.ssssssadiionisiit140000014400010030104003001240820012400400820136 31
CHUONG 5 KET QUA VÀ THẢO LUẬN ii 35
5.1 Xác định be day vật liệu trong phép đo thực nghiệm dựa trên đường chuẩn
tuyến tính từ dữ liện rô PHONG sa ssisssisassasisscsssesisosssassssassveiscnsssossssansvssssossncavveissasiocs 35
5.1.1 Đường chuẩn tuyên tính từ dữ liệu mô phỏng . - 35
5.1.2, Kết qua xác định bé day vật liệu trong phép đo thực nghiệm 37 5.2 Dự đoán bề dày vật liệu của mô hình ANN đã tối ưu . - 38
5.3 So sánh kết qua xác định bẻ day vật liệu từ phương pháp đường chuẩn và mô
Trang 7KET 09.92764555 .aaaA 43
TÀI LIEU THAM KHẢO 2 2S SH 3H 1211251115011 212111 1 1117111172115 11 51721 ce2 44
PEG hianniitiiniiiiiiiaitiitintiiiiiiititiiiii110101141113311151156113135433048188581585383538485835583788585858 47
Trang 8DANH MUC CAC CHU VIET TAT
ANN Artificial Neural Network
a
MAPE Mean Absolute Percentage Error
Trang 9DANH MUC CAC HINH ANH
Hình 1.1 Mô hinh hiệu ứng quang GiGi 22 22.2020:22s:sccecceescasccenseasscasccecssessccasscesectad 4
Jethro Beal Cn a Oe oe 5
Hình 2.1 Ví du thẻ khai báo 6 mang (Cell Cards) .- ác seeceekse 11
Hình 2.2 Vi du thẻ khai báo mặt (Surface Card$) -scccSccssccreeereesees 12Hình 2.3 Ví dụ phần khai báo vật liệu (Material Carđs$) s S1 ‡< sec 14Hình 3.1 Vật liệu sử dụng trong khóa luận - - ĂĂĂĂSssS+keieeeereerre 15
Hình 3.2 Bồ trí phép đo thực nghiệm xác định bê dày vật liệu . - 17 Hình 3.3 Các thông số nguồn được sử dụng -+ 2-©2z+c2zcc2xzcczxecrxece 18
Hình 3.4 Bồ trí thí nghiệm trong mô phOng - -cssessecsseecsseeeseeseeeseeessseeesseeeesnees 19Hình 3.5 Mô hình phép đo bề dày vật liệu trong MCNP6 25-c5s2 20
Hình 3.6 Pho gamma của nguồn '7Cs từ mô phỏng và thực nghiệm 21
Hình 3.7 Pho mô phóng của nhôm có bẻ day 20 mm sau khi xử lý bằng phan mềmCGÌ6BfäHH::::›:::>:::2:i:i2titii221011012211212112110101112311334835139531631553559938835353385353553536538521383534934 822 23Hình 3.8 Pho thực nghiệm của nhôm có bề day 41.11 mm sau khi xử lý bằng phanBYU ON eR cscs cea sca 21022221000021056166001662103621006010220002110221020105211902113501560700120i6- 24
Hình 4.1 Mô hình mạng nơ-ron nhiều lớp truyền thăng MLP - 28
Hình 4.2 Sơ đồ huắn luyện mô hình ANN o -ccsccsscsssesssesssessssssssesseessecsseeseseseesseeeee 31
Hiiii Pat Bec caseczcecaeeacszsszcessveasronssasvossscocsnsnreessseansesartesessssressesanennseasvess 33
iii CRT 6 IA ss cccnssscexccessscscncsasasscessssascacsosaireasseaanierteammaansisanasiiseassarteassas 33
Hình 4.5 Chỉ số MAPE 222222 222222 tri 33
Hit AG; CHÍ SOIR? oanansnnannainannniiiinsniiitiiiitigi081103500100180108101881389183103811850139306 34 Hinh.5:I Đường chuẩn:của WOM se ssasscssscsscssnssessnensveassssssassossssasasasasncanesasecasncasnce 36
Hinh 5.3 Đường chuẩn của PMMA cssscssscssscasssascsassnessvessscssscsssnassnessscasscasscssnosses 37
Hình 5.4 Đồ thị kết quả be dày của nhôm được xác định từ phương pháp đường
chấn väinifôiBìnibiANNNoaanannanaonnenaitittiittgtttgigtt1031000113100000383008301038088300300 304 4I Hình 5.5 D6 thị kết quả be dày của sắt được xác định từ phương pháp đường chuẩn
VAG HIN ANNissssosiooiiooinosiiiiiiaiiitoiiitiisitiiitsst01411ã511331588538855085385551655265ã3858 41Hình 5.6 Đỗ thị kết qua bê day của sắt được xác định từ phương pháp đường chuẩn
và môiBình ANNG:cc:ccicccccoccoiiipoooiooiiibitoetGikioioiEGG261022262016360165518661858548582685585856 42
Trang 10DANH MUC CAC BANG BIEUBảng 2.1 Các loại mặt dùng trong khóa 1uAn wn eee eeeeeeeeeeeceeeeeeceeeceeceeeeneees 12Bang 3.1 Kết qua do bẻ day bằng thước kẹp của các tắm nhôm -. l6Bang 3.2 Kết qua đo bề dày bằng thước kẹp của các tắm sắt . - l6
Bang 3.3 Kết qua đo bề day bằng thước kẹp của các tam PMMA (Mica) l6
Bang 3.4 Thông tin của đầu dd Nal (TI) do hãng AMPTEK cung cấp 18Bảng 4.1 Một số hàm kích hoạt thường được sử dụng .2-25cc2ce 29
Bang 5.1 Dữ liệu làm khớp hàm tuyến tính đối với mô phỏng 35
Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm dựa trên đường chuân -2 222 525Z£ 37
Bảng 5.3 Cau trúc mạng nơ-ron nhân tao ding dé dy đoán bè dày vật liệu 39Bang 5.4 Kết quả be day vật liệu mô hình ANN dự đoán dựa trên dữ liệu thực
Trang 11MỞ ĐẦU
Bè dày vật liệu là thông số kỹ thuật quan trọng đề kiểm tra và đánh giá các sản
phẩm, máy móc được sản xuất trong các nhiều lĩnh vực như luyện kim, xây dựng hay
cơ khí Ví dụ như trong việc sản xuất các tắm thép, độ dày sẽ ảnh hưởng đến độ cứng
và độ bên của thép, do đó quy trình kiểm tra bè day là cần thiết dé dam bảo chất lượng
của thép thành phẩm Hay trong lĩnh vực xây dựng che chắn các phòng chụp X-quang,
chiếu xạ ở bệnh viện, bề dày của các tường bê tông cần được xác định chính xác đểđảm bảo yêu cầu che chắn bức xạ theo tiêu chuẩn Hiện nay, nhiều kỹ thuật kiểm trakhông tiếp xúc và khé phá hủy đã được phát triển dé đánh giá bề day cúa vật liệudang tam Các kỳ thuật này có nguyên tắc hoạt động dựa trên sóng siêu âm [1], chụpảnh nhiệt hồng ngoại [2], dòng điện xoáy [3], bức xạ tia X [4] hay tia gamma, Việc
lựa chọn kỹ thuật nào phụ thuộc vào đối tượng đo và các điều kiện thực tế tại hiện
trưởng Trong các kỹ thuật nói trên, kỹ thuật kiểm tra không hủy mẫu dya trên nguyên
lý truyền qua hay tán xạ của tia gamma có các ưu điểm như bồ trí hệ đo thực nghiệmđơn giản, hệ đo có thé hoạt động liên tục mà ít bị ảnh hưởng bởi yếu tổ môi trườngnhư nhiệt độ chi phí vận hành và bảo trì thấp phù hợp với nhiều loại vật liệu khác
nhau (kim loại, nhựa, bê tông, ) Thực tế các kỹ thuật do gamma truyền qua hay tán
xạ đã được đánh giá và đạt độ chính xác tốt trong phép đo bề dày trong các nghiên
cứu khác nhau [5], [6] Tuy nhiên, trong cùng một điều kiện vẻ nguồn phóng xạ và
cau hình đo, phép đo bẻ dày bằng kỹ thuật gamma truyền qua tiết kiệm nhiều thời
gian hơn so với kỹ thuật đo gamma tán xạ đo cường độ chùm tỉa truyền qua lớn hơn đáng kẻ so với chùm tia tin xạ Từ đó có thé thay rang kỹ thuật đo truyền qua sẽ thích
hợp với yêu cau đo bề day vật liệu với tốc độ nhanh, liên tục trong công nghiệp hơn
là kỹ thuật đo tán xạ.
Các nghiên cứu trước đây đã phát triển kỹ thuật do truyền qua cho bé day cho
một số loại vật liệu khác nhau dựa trên việc tìm mdi liên hệ giữa cường độ chùm tia
truyền qua và bê đày vật liệu Mối liên hệ này được mồ tả qua một đường chuân tuyến
tính được xây dựng dựa trên hàng dữ liệu đo bẻ dày khác nhau của vật liệu Đề giảm
bớt chi phí và thời gian cho các phép đo thực nghiệm, một số nghiên cứu đã sử dụng
mô phỏng Monte Carlo dé mô phỏng lại các phép do va sử dụng dữ liệu mô phỏng
dé xây dựng đường chuẩn [7] Cách tiếp cận đã được ứng dụng thành công và cho thay sự phù hợp tốt giữa dữ liệu thực nghiệm và mô phóng đồng thời kết qua dự đoán
Trang 12từ đường chuẩn được xây dựng cho thấy độ chính xác tốt với các kết qua đối chiếu
Tuy nhiên cách sử dụng đường chuan có hạn chế lớn là mỗi đường chuẩn xây dựng
chỉ có thé sử dung cho một loại vật liệu Vì vậy, khi muốn áp dụng để đo bề day củanhiều loại vật liệu khác nhau thì cách tiếp cận nảy đòi hỏi nhiêu thời gian dé xây dựng
đường chuẩn cho mỗi loại vật liệu.
Chúng tôi dé xuat một phương pháp tiếp cận mới dựa trên các thuật toán học
máy để có thê đo bê day cho nhiều loại vật liệu khác nhau dựa trên kỹ thuật đo gamma
truyền qua Các mô hình học máy đã và đang là một xu thé được ứng dung trong cácnghiên cứu về ky thuật kiêm tra không hủy dé xác định mật độ hay nông độ của chấtlỏng [8], [9], tính toán nông độ nguyên tổ [10], xác định bề day của các ông thép dẫndau [1 1] Trong cach tiép can dé xuất, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình dựa trên mối
liên hệ về cường độ chùm tia, thành phan và khối lượng riêng của mỗi vật liệu với bè day với cơ sở dit liệu được huấn luyện từ mô phỏng Monte Carlo Sau đỏ mô hình
được dùng dé dự đoán cho một số loại vật liệu quen thuộc và được đánh giá dựa trênviệc so sánh với giá trị tham khảo và các phương pháp khác.
Trang 13CHƯƠNG 1 TƯƠNG TAC CUA BỨC XA GAMMA VỚI VAT CHAT
1.1 Bức xa gamma
Khoảng năm 1900, trong khi dang nghiên cứu bức xa phat ra từ radium, nhà
vật lý học người Pháp Paul Villard (1860 — 1934) đã phát hiện ra “tia gamma” Tên
“tia gamma” được “cha đẻ của vật lý hạt nhân” Ernest Rutherford (1871-1937) đặt
tên vào năm 1903 Tia gamma (ký hiệu là y) là một trong những bức xạ điện từ, có
bản chất sóng điện từ, đó là các photon mang năng lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV [12] có kha nang đâm xuyên rat lớn.
Bức xạ gamma thường được tạo ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích
về trạng thái cơ bản trong các quá trình hạt nhân khác nhac nhau như phân rã alpha,phân rã beta hoặc lò phản hạt nhân, Các nhân phóng xạ xác định phát ra bức xạgamma có năng lượng cao nhất có thé từ 8 MeV — 10 MeV Bức xạ gamma có nănglượng được xác định bằng công thức:
B=hu=S° 11
Khi bức xạ gamma đi qua vật chất sẽ gặp phải quá trình hấp thụ thông qua
tương tác điện từ, tương tự như các hạt tích điện như alpha và beta Tuy nhiên, có hai
điểm khác biệt đáng chú ý trong quá trình này Thứ nhất, bởi vì không mang điện tíchnên bức xạ gamma không chịu tác động của luc Coulomb, vì vậy lượng tử gamma ít
bị lệch hướng, do các electron và hạt nhân ít ảnh hưởng đến lượng tử gamma, Thứ
hai, bức xa gamma không có khối lượng nghỉ, do đó không bị làm chậm trong môi
trường vật chất như các hạt tích điện Thay vào đó, nó có thé bị hap thụ, tán xạ hoặc thay đôi hướng di chuyên Trong khi các hạt tích điện có quãng chạy hữu hạn khi di
qua vat chất, lượng tử gamma chỉ trải qua suy giảm về cường độ mà không bị hap thụhoàn toàn, do đó không có khái niệm về quãng chạy cho bức xạ gamma
1.2 Các hiệu ứng tương tác của tỉa gamma với vật chất
Khi tia gamma chiếu vào vật chat, tia gamma tương tác với các nguyên tử, làmbirt electron ra khỏi quỹ đạo nguyên tử và ion hóa môi trường Có ba dạng tương tác
cơ bản của tia gamma với nguyên tử, bao gồm hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton
và hiệu ứng sinh cặp electron — positron, [12]
Trang 141.2.1 Hiệu ứng quang điện
Khi chiếu tia gamma có bước sóng thích hợp vào kim loại xảy ra hiện tượng
electron ở bề mặt kim loại bị bứt ra gọi là hiệu ứng quang điện Đối với các electron
tự do thì cơ chế quang điện này không xảy ra vì vi phạm định luật bảo toản năng
lượng và động lượng Các electron bứt ra gọi là quang electron và có năng lượng FE,
bằng hiệu số giữa năng lượng gamma Ey và năng lượng liên kết 2, của electron trênlớp vỏ trước khi bi but ra (hình 1.1) [12]
E„ = Ey — €\y (1.2)
trong do:
e - Ƒ„ là năng lượng của quang electron
e E, là năng lượng của bức xạ gamma
« - £ là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân
Điều kiện để xảy ra hiệu ứng quang điện sẽ tùy thuộc vào năng lượng bức xạ gamma Electron ở từng lớp trên quỹ đạo của nguyên tử có nang lượng không giống nhau So sánh năng lượng liên kết giữa các lớp, ta được biểu thức: Eu_w > Em >
Dựa vào công thức (1.2) dé hiệu ứng quang điện xảy ra thì năng lượng của gamma
vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của electron
Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng quang điện
1.2.2 Tán xạ Compton
Tán xạ Compton được khám phá ra từ đầu thế kỉ 20, vào năm 1920 [14], là sự
tương tác giữa chùm gamma với các electron tự đo ở quỹ đạo ngoài cùng nguyên tử.
Trang 15Trai ngược với hiệu ứng quang điện, khi năng lượng của bức xa gamma lớn hon đáng
kể so với năng lượng electron trong lớp K, bức xạ gamma xem các electron ở quỹ
đạo như electron tự do và quá trình tán xa xảy ra Trong quá trình này, gamma tắn xạ
tương tác dan hồi với electron lớp ngoài làm mat một phần năng lượng và thay đồiphương bay [12].
Năng lượng cua photon va electron sau tắn xạ được tính toán dựa trên co sở
tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi ta thu được lần lượt các công thức sau
© E’, là năng lượng của photon sau tan xa
e E, là năng lượng của photon tới
® E, là năng lượng của electron sau tan xạ
e la góc tan xạ của gamma
Hình 1.2 Mô hình hiệu ứng Compton
Trang 161.2.3 Hiệu ứng tạo cặp electron — positron
Khi một photon có năng lượng lớn hon hai lần năng lượng nghỉ của electron
(1022 KeV) thì hiệu ứng tạo cặp xay ra Kết quả của hiệu ứng tạo cặp là photon tạo
ra một cap electron - positron khi di qua lực điện trường của hạt nhân Sau khi được
tạo ra, electron mat dan năng lượng dé ion hóa các nguyên tử xung quanh, trong khi positron tương tác với clectron của nguyên tứ, dẫn đến hiện tượng hủy cặp electron —
positron và có hai bức xạ gamma mang năng lượng 51 IKeV bay ngược chiều nhau
được sinh ra ngay sau sự hủy cặp đó.
1.3 Hệ số suy giảm khối của vật liệu trong tương tác với bức xạ
Trong môi trường, bức xạ sẽ bị suy giảm, để ghi nhận được ta quan tâm đếnxác suất xảy ra của ba quá trình là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứngtạo cặp electron — positron Đại lượng tiết diện tương tác toàn phần ø là tông tiết điện
của tat cả các quá trình tương tác giữa photon và vật chất được thẻ hiện qua công thức
[L2]:
Ø = đạa + 0, + địc (1.5)
Trong đó:
© đa là tiết diện tương tác của hiệu ứng quang điện
eo, là tiết điện tương tác của tán xa Compton
© Gre là tiết diện tương tác của hiệu ứng tạo cặp electron — positron
Khi nhân tiết điện vi mô với nguyên tử N có trong 1cm? ta được hệ số suy giảm
tuyến tính [12]:
II =N.ơ (1.6)
Trong đó pe là hệ số suy giảm tuyến tính
Hệ số suy giảm tuyến tính được biéu diễn qua hệ số suy giảm khối Hệ số suy
giảm khối không phụ thuộc và mật độ chất và có thể áp dụng với các dang vật chất
như ran, lỏng, khí Hệ số suy giảm khối được tính boi công thức (1.7) [12]:
Trang 17Em =5 (cm*/g) (1.7)
Trong đó:
© „là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu (cm).
© „, là hệ số suy giảm khối
e ø là mật độ vật chất (g/cm°)
Nếu xác định hệ sé suy giam tuyển tính dựa vào số đêm, ta có công thức [12]:
N = No exp(—uT) (1.8)
Trong đó:
e Ñ là số dém đầu dd ghi nhận được ở trường hợp có mẫu đo
©— Nạ là số đếm dau dò ghi nhận được ở trường hợp không có mẫu đo
© 7 là bẻ day vật liệu
Hệ số Suy giám khối }6n còn được xác định theo số đếm ghi nhận bởi đầu dò thông
qua công thức sau:
1 N (1.9)
Em = ~nIn (x)
1.4 Sự suy giảm cường độ bức xa gamma khi đi qua vật chất
Khi chùm tia gamma hep đi qua môi trường vật chất, bức xạ gamma bị hap
thụ bởi vật chất thông qua tương tác điện từ tương tự như các hạt mang điện Cường
độ của chùm tia gamma giảm đi khi bề dày của vật liệu tăng theo hàm số mũ.
Dựa vào định luật Beer — Lambert, cường độ của chùm tia khi qua một lớp
vật liệu dT được tính như sau [12]:
Trang 18aT (1.10)
TT = —HdT
Lay tích phan phương trình (1.5) từ 0 đến T, ta được:
I = lạexp (—HT) = lạexp (—tuapT) (1.19
Trong đó:
¢ - lạ là cường độ tia gamma ban đầu (photo em? s}),
« / là cường độ tia gamma sau khi truyền qua vật liệu có bẻ day T.
Diện tích đỉnh năng lượng của phép đo bề dày vật liệu có thê tính bằng pho phân bố
độ cao xung ghi nhận từ đầu đò bằng phương trình:
N = laet = ưetlaexp (—pT) (1.12)
Trong đó:
© _£ là hiệu suất ghi nhận đỉnh năng lượng toàn phan của đầu dd
© a là tiết điện mặt cắt của chùm tia
e £ là thời gian ghi nhận của đầu đò
Trường hợp không có mẫu thì diện tích đỉnh của chùm tỉa là:
Trang 19CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHÒNG MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG
TRÌNH MCNP62.1 Phương pháp Monte Carlo
Monte Carlo là một phương pháp thử thông kê Monte Carlo N — Particles hay
viết tắt là MCNP sử dụng phương pháp Monte Carlo, được ứng dụng từ những năm
1940 tại Trung tâm thí nghiệm Quốc gia Los Alamos MCNP có khả năng mô phỏngrất đa dạng bao gồm các quá trình vận chuyền các hạt neutron gamma và gamma
thứ cấp từ các phản ứng tương tác với neutron MCNP được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực liên quan tới kĩ thuật hạt nhân như: y học hạt nhân [15] che chan bức xạ
[16] [17] thiết kế máy gia tốc [18], va đặc biệt trong mô phóng quá trình thiết kế
lò phản ứng hạt nhân.
Qua nhiều phiên ban phát triên, MCNP 6 hiện nay đã được cải tién dé có khả
năng mô phỏng 37 loại hạt khác nhau Các loại hạt này được phân loại thành ba nhóm
chính bao gom các hat cơ ban (elementary particles) như electron, proton, neutron, : các hat tông hợp (composite particles) hay hadron va các hạt nhân (nuclei).
2.2 Mô phỏng hệ đo bài toán
Phan quan trọng dé có một chương trình MCNP chính là tập tin đầu vào (input
file) Cấu trúc một tệp tin đầu vào MCNP gồm:
Tiêu đề và thông tin cần thiết của bài toán
Thẻ khai báo 6 mạng (Cell Cards)
Trang 202.2.1 Tiêu đề và các thông tin cần thiết
Phan tiêu dé này nằm ở dong đầu tiên của tập tin dau vào Cho phép người
dùng điền thông tin các thông tin cần thiết như thông tin về nguồn, vật liệu, đầudò Tại đây không có dòng trong và tập tin đầu vào có thé có hoặc không cần có thẻ
tiêu đẻ.
2.2.2 Thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards)
Trong MCNP, cell là các vùng không gian được xác định bởi các mặt biênđược định nghĩa trong thẻ khai báo mat (Surface Cards), thực hiện bằng cách sử dụng
các toán tử giao (khoảng trắng) hội (:) và bù (#) Khi khai báo 6 mang, việc đảm bao
rằng 6 mang đó đã được bao bọc bởi các mặt biên là rất quan trọng, nêu không thì
việc mô phỏng có thê không chính xác và chương trình sẽ báo lỗi Cell Cards có nhiệm vụ chứa thông tin của một ô mạng như: chỉ số cell, chỉ ô vật liệu, mật độ của
vật chất bên trong cell, giới hạn các mật độ, độ quan trọng của cell, các ghi chú, [ 9]
Cú pháp được mô tả theo cú pháp sau:
j m d goem params
Trong đó:
« j là chỉ số cell
em là chỉ số vật chất trong cell, nếu như cell trống thì m = 0
« - d là khối lượng riêng của ô mạng đó theo đơn vị [10?! nguyên tử/em°] nếu
mang
« dau "+" hoặc [g/cm*] nêu mang dau "~", trong trường hợp vật liệu là chân
không thì không can khai báo
e goem là dãy các mặt hình thành nên 6 mạng đó
¢ params là các tham số tùy chọn: imp, u, trel, lat, fill
Trang 21$ CRYSTAL Nal OF DETECTOR
$ ALUMINIUM OXIDE REFLECTOR
SSILICON PAD
$ GLASS WINDOW
$ ALUMINIUM BODY WALL
Hinh 2.1 Vi du thé khai bao 6 mang (Cell Cards)
2.2.3 Thẻ khai báo mat (Surface Card)
Surface Cards là các mặt dùng đề tạo nên các ô mạng và chứa thông tin về
các dạng mặt của những điểm đã biết như chỉ số mặt, ký hiệu loại mặt và tham số
Trang 22Hình 2.2 Ví du thẻ khai báo mặt (Surface Cards)
Bảng 2.1 Các loại mặt dùng trong khóa luận
2.2.4 Thẻ khai báo dữ liệu (Data Cards)
Đề thực hiện được quá trình mô phỏng bằng phần mèm MCNP6, chúng ta cần
cung cap các thông tin vẻ nguôn phát, vật liệu, năng lượng, loại hat, cho chương
tình Các thông tin nay sẽ được nhập vào thẻ khai báo dữ liệu.
a Khai báo loại hạt (Mode Cards)
Mode Cards là phan khai báo loại hat mà ta cần dùng đến Cú pháp khai báo
như sau:
MODE X
Trang 23Trong đó: X là loại hạt ta can ding Ta có thé thay X là N, P, E tương ứng với trường
hợp loại hat cần dùng là neutron, photon, electron.
b Khai báo chuyển trục tọa độ (Coordinate Transformation Card —- TRn)
Trong chương trình MCNP6, khối nguồn, mẫu và đầu dé đều nam ở cùng một
vị trí Do đó, ta cần chuyên trục tọa độ tới vị trí mong muốn dé phù hợp với thực
nghiệm Cú pháp đẻ khai báo chuyên trục tọa độ như sau:
TRn (*TRn) 01,02,03 B1,B2,B3 B4,B4,B6 B7,B8§,B9 M
Trong đó:
e nà chỉ số cho VIỆC chuyên trục tọa độ
e Ol, O02, O3 là các vector chuyên đôi (vị trí của tọa độ mới so với tọa độ cũ)
e Bl đến B9 là ma trận đặc trưng cho tương quan góc giữa các trục tọa độ của
hai hệ tọa độ cũ và mới O TRn, Bi là cosin của góc giữa hai trục tọa độ cũ và
mới O *TRn, Bi là góc.
e M=llàdịch chuyên trục tọa độ vector từ vị trí gốc của hệ trục tọa độ phụ
được xác định qua hệ trục tọa độ chính; M = -1 là dich chuyền trục tọa độ
Vector từ vị trí gốc của hệ trục tọa độ chính được xác định qua hệ trục tọa độ
phu.
c Khai báo nguồn (Source Cards)
Chúng ta được phép sử dung nhiều loại nguồn khác nhau thông qua các
thông số vé năng lượng, thời gian, hướng phát, Một số nguồn được xác định trong
MCNP như: nguồn tông quát (SDEF), nguồn điểm (KSRC), nguồn mặt (SSR/SSW).
nguồn tới hạn (KCODE) Ngoài ra, người dùng cũng có thé có thể khai báo một loại
nguôn bat kỳ dé phù hợp với bài toán cần khảo sát thông qua việc khai báo nguồn
tông quát với cú pháp như sau:
SDED các tham số nguồn = giá trị
d Khai báo Tally F8
Tally F8 hay còn gọi là tally độ cao xung (Pulse height tally), cho phép ghi
nhận xung và cung cấp các xung theo phân bố năng lượng được tạo ra trong một 6.
Trang 24Ví dụ, trong khóa luận, chúng tôi sử dung tally F8 ghi nhận photon ở ô số 6, nên cúpháp khai báo là
F8:6
e Khai bao vật liệu (Material Cards)
Phần khai báo vật liệu cho phép mô tả cụ thé (thành phan, tỉ lệ phần trăm ) loại vật liệu được sử dụng dé lắp đầy một 6 trong quá trình mô phỏng Cú
pháp đề khai báo là:
Mm ZAID; fraction; ZAID:2 fraction:
trong đó
eM chỉ số vật liệu.
e ZAID, số hiệu xác định đồng vị thứ có dạng ZZZAAA với: ZZZ là số hiệu
nguyên tử và AAA là sô khôi.
e fraction, Tí lệ đóng góp của đồng vị trong vật liệu thứ i Tham số này mang
dau âm nếu ta sử dung tỉ lệ đóng góp theo khối lượng, mang dau
dương néu ta sử dung tỉ lệ đóng góp theo số nguyên tử.
Trang 25CHUONG 3 XÂY DUNG CƠ SỞ DU LIEU DO BE DAY VAT LIEU BANG
MO PHONG MONTE CARLO VA THUC NGHIEM
3.1 Vật liệu và bố trí thực nghiệm
3.1.1 Vật liệu
Trong khóa luận này, chúng tôi tiền hành dùng phép đo gamma truyền qua với
các loại vật liệu như nhôm, sắt và PMMA có kích thước 30 cm x 15 em (chiêu dài xchiều rộng) và có bè day khác nhau dé đánh giá phép đo Lí do chúng tôi chọn cácvật liệu này vi chúng đều là những vật liệu thông dụng và có tính ứng dụng cao trong
thực tế
Bè day của các tam vật liệu được do bằng thước kẹp điện tử có độ chính xác
0.02 mm và được đo bốn lần ở bốn mặt khác nhau đề xác định bê dày trung bình Bè
day này sẽ được sử dung làm giá trị bề day tham khảo để đánh giá phép đo Bang 3.1,3.2 và 3.3 trình bày về kết quả đo bé day các tắm nhôm, sắt và PMMA (Mica) bang
thước kẹp điện tử trong thực nghiệm.
Trang 26Bảng 3.1 Kết quả đo bề day bằng thước kẹp của các tắm nhôm
Bề day của các tắm nhôm (mm) — Mật độ: 2,70 g/em?
STT |
Bé day trung binh
Mẫu | 2022 20,33
Bang 3.2 Kết qua do bề day bằng thước kẹp của các tam sắt
Bê day của các tắm sắt (mm) - Mật độ: 7,784 g/em?
Bang 3.3 Kết quả do bề day bằng thước kẹp của các tam PMMA (Mica)
Trang 273.1.2 Bố trí phép đo thực nghiệm
Hình 3.2 cho thay bé trí thí nghiệm của hệ đo gamma truyền qua được sử dụng
dé đo độ dày của các tam vật liệu nhôm, sắt và PMMA với khoảng cách từ bề mặt
trước của vật liệu đến bề mặt đầu đò và bê mặt nguồn phóng xạ lần lượt là 14 em và
2cm Phần mềm ghi nhận phô là ADMCA được cung cấp bởi nhà cung cấp dau đò.Mỗi vật liệu được do hai lần dé đánh giá độ ôn định của hệ đo Nhiệt độ được giữ ồn
định trong khoảng từ 20°C - 24°C trong suốt quá trình làm thí nghiệm Ngoài ra, các
phép đo không có nguồn và vật liệu cũng được thực hiện dùng đề trừ phông
Hình 3.2 Bồ trí phép do thực nghiệm xác định bề dày vật liệu
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng nguồn phóng xạ là nguồn '*”Cs, phát
gamma năng lượng 661,7 keV Các thông số nguồn chuẩn được thẻ hiện trong hình
2.6 Nguôn phóng xạ được đặt trong buông chì có kích thước 12,5 em x 12,5 em x 5.0 em (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) Nguồn được chuẩn trực với ông chuẩn
trực có đường kính 0.5 cm.
Trang 28Decal
0,25” (6,35 mm) Chiều cao cửa số
| 0,109” (2,77mm)
Hình 3.3 Các thông số nguồn được sử dung [20]
Dau đò Nal (TI) là loại đầu dd nhấp nháy có cau tạo chủ yếu Nal và khoảng0.1% Thalium (T1) dạng ion dé tăng hiệu suất nhấp nháy Ở nhiệt độ phòng, chất nhập
nháy này phát xa photon có bước sóng khoảng 0,42 um với cường độ mạnh nên phù
hợp cho các nghiên cứu cơ bản [21].
Trong khóa luận, chúng tôi sử dụng đầu đò nhấp nháy Nal (TL) với tinh thé nhấp nháy dang trụ, đường kính và chiều dài của tinh thê đều là 7.62cm được cung cấp bởi hãng Amptek Dau đò được đặt trong hộp chì có kích thước 12,5 cm x 12,5
em X 13,8 em Ong chuẩn trực đặt phía trước đầu dò có đường kính trong là 1,0 cm.
Bảng 3.4 Thông tin của đầu dò Nal (TI) do hãng AMPTEK cung cấp
Đối tượng nghiên cứu
Mật độ tinh thé Nal (Tl)
Mật độ lớp nhôm
Mật độ lớp oxide nhôm
Mật độ lớp silicon
Đường kính tinh thê 7,62 cm
Chiêu đài tinh thé 7,62 cm
Trang 293.2 Xây dựng phép đo bề day vật liệu trong chương trình MCNP6
3.2.1 Vật liệu sử dụng trong mô phỏng
Vật liệu được sử dụng trong quá trình mô phỏng có dang tam với kích thước 30
em X 15 cm (chiều dài x chiều rộng) Trong khóa luận nay, chúng tôi tiễn hành xây
dựng phép đo mô phỏng cho các loại vật liệu là nhôm, sắt và mica (PMMA) với các
bẻ dày từ | mm đến 120 mm, bước nhay là 5 mm Cụ thé với mỗi vật liệu như sau:
e Nhôm: 10 mm, 15 mm, 20 mm, ,105 mm
e Sat: | mm 5 mm, 10 mm, ,120 mm
e PMMA: 10 mm, 15 mm, 20 mm, ,105 mm
3.2.2 Mô hình mô phỏng phép đo bề day vật liệu
Trong quá trình xây dựng đường chuẩn đẻ xác định bẻ dày vật liệu, chúng tôixây dựng mô hình mô phỏng MCNP sử dụng cấu hình hệ đo gamma truyền qua Đểđảm bảo tính chính xác cho kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm, chúng tôi đã
dùng các thông số về nguồn, đầu dò và khoảng cách từ mép vật liệu đến bè mặt khối
đầu đò và đến bề mặt nguồn được khai báo đúng như thực nghiệm Bên cạnh đó, déđảm bảo tính thống kê, bài toán được khảo sát với số lượng hạt là sáu tỷ hạt
Đầu dò Nai (TI)
Hình 3.4 Bố trí thí nghiệm trong mô phỏng
Trang 303.3.1 Sự phù hợp giữa phố mô phỏng và phố thực nghiệm
Trong khóa luận này, chúng tôi dùng phô mô phỏng dé xây dựng đường chuan,
do đó sự phù hợp giữa phô thực nghiệm và phô mô phỏng trong Hình 3.6 là yếu tô
quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả đo Ta có thể thấy được sự phù hợp
tương đối tốt về dạng phô giữa phô mô phỏng và phô thực nghiệm đối với ba mẫu vật
liệu.
Trang 31mềm Colegram đề tính toán số đếm của đỉnh năng lượng hap thy toàn phan.
Trước tiên, chúng tôi chọn một vùng (ROI) xung quanh đỉnh phỏ Sau đó sửdung hàm Backgroud One-step được dùng dé mô tả hình dang của các phông nền
chồng lên nhau, gây ra bởi các tia gamma thứ cấp và được xác định bang công thức:
xo _ 2 —STEP(X) = B + i Sexp - a dx = B +Sexp (- =1) (3.1)
Với các thông số hàm là:
© B là hằng số biên độ phông nền
« S là biên độ