Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Khảo sát các tham số suy giảm của chùm tia gamma theo năng lượng đối với một số loại vật liệu

Giá trị mật độ electron hiệu dụng New từ mô phỏng của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau.... Trong những năm gân đây, đã có rất nhiều nghiên cứu áp dụng phương pháp g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỎ CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

Nguyễn Thị Kim Anh

KHAO SÁT CÁC THAM SO SUY GIAM CUA CHÙM TIA GAMMA THEO NĂNG LƯỢNG

DOI VỚI MOT SỐ LOẠI VAT LIEU

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

Tp Hồ Chí Minh — 5/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HÒ CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

Nguyễn Thị Kim Anh

KHAO SAT CAC THAM SO SUY GIAM CUA

CHUM TIA GAMMA THEO NĂNG LƯỢNG

DOI VOI MOT SO LOAI VAT LIEU

Ngành: SƯ PHAM VAT LÝ

MSSV: K40.105.072

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG ĐỨC TÂM

Tp Hồ Chí Minh — 5/2018

LỜI CẢM ƠN

Đề có thé hoàn thành đè tài luận văn một cách hoàn chính, bên cạnh sự cố ging, nỗ

lực của bản thân tôi còn nhận được rat 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 bảnthân Hôm nay, sau một thời gian đài tiền hành nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn mộtcách hoàn chinh Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

+ Thay hướng dẫn Tiền sĩ Hoàng Đức Tâm Người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi

điều kiện thuận lợi nhất dé tôi có thé 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 tiền hành nghiên cứu

+ Cuỗi 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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi Cở sở đữ liệu

dùng trong luận văn có trích dan rõ rang, 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 bat kỳ công trình khoa học khác mà tôi không tham gia

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Kim Anh

H

MỤC LỤC

LỚI CẢM 0), ce i0900) 009 9076 ẽ - ii

BUS ENS a0 06261250000 0000600920002100270003/000320932203030009300051090210/1220392392101e iii

DANHMUECAGTUVIET TÀI icisscssccsscessssessassassananscosancaacsasssasssssnesnscassouasncssscssssasnsiase V

DANH MỤC HÌNH VE - ĐỎ THỊ 22 V22©ESSEESEE211922112211222212222212222122122122- 0 vi

DANH MỤC CÁC BANG BIBU oo cc cccccccccccsscseescsscucsseeeessvsvesceseevsrcevercarsussvereeveneaveneeneees Vii

li LÊ, (0 -‹‹<‹i:'"đ3äÝ lCHUONG 1 TONG QUAN VE TUONG TAC CUA BUC XA GAMMA VOI VAT

CHẤT cốc 00 000050000000000900956 nan 5

1.1 'HMiỆU'ñng Giang CO: ae 5 1:2:Tán Ka COMPUON sssscsssssssasssssssasssssssessssesssssssesssssssssessestsussessssussessieasssnassastesstessesessested 6 ÍC5IEHEU0I0118 T100 OUD tonpeiniatiresiraaniatitooiitiiitittettis0i110031001100610163)0301083163118830038103359838963328 8986 7

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHÒNG MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH

NIENEE ca 1000690000.202000020000022000000000020012000090000002101200 0 9

2.1 Phuong pha Monte GSTÌDGassiieiiiiiiieiiieiiiiaiietiiitii222512121620122232233385255545242ã62882 9

2.2.Gidi thiệu về chương trình MCONP c0cceeccesccssessesseesessesseeseeseessessersessessrceneeeeseeese 10

2.3: D inhi nghĩa Bình HOC ssissississcsissassssivasssvosssasssessssasvoassasssenasveavsssvonsesasvassssesssoasvasseeasioss 11

2.3.1.Định nghĩa mặt (surface card) HH HH nh nu 1] 2.3.2.Định nghĩa 6 mạnE (Cell Card)) cscssercsssesssssscesscsscasssscssssssvasseasseessessseassasessess 12

BS BINA ia Cat Ds asscasscaosssesaasusnascnasscasscasssaasssssacasssstesassuasscasssoasisoosnasseasssatonasicassonaiieasices 13

2.3.4.Chuyén tc t9a Ôn 13 Phong 2 cccceccseessvessecssseesscensressvenseessesesvessicenianitasiasnessneasseasseenneennenseee 14

2D I GES CAN BG ss iscscissisiasissavacaarearississastenissiveasiesiisaneiaasienisaiarieenieaienaaiieas 15

CHƯƠNG 3 MO HÌNH MO PHONG MONTE CARLO VA CO SỞ LY THUYETTÍNH TOÁN CAC THAM SO SUY GIẢM 2< ccccczeccreccrecrreccreccreece 18

lieu an ố ố ẽ.ẽ ẽ.ẽ.®5%ÄŒŒä—— ,H Ô 18

3.1.1.Hệ số suy giảm 5s St 2 1211322112 21711072110 111 11122121111 1112 01110102 ce 18

3.1.2.Nguyên tử số hiệu AYN cccccccsccssecssscsssesseesseessesseesvesssusssssveaseesneesteevssesesvsenveanvens 20

ill

3:Ï:3:MlẠI:40:cleotroniBIỆUIBIHÌỔsisseasisioaaoainiaaiiiiniainiootiottiiiiiinttititittiatiitatioatioattiadi 21 3.2.M6 hinh mô phỏng Monte Cah ccscssscssscsssecssscssscsssarssarssaassaciascssscsssacsanasanasansioncs 21

Sh DEBI eine gO Rosca ccccscsoscascsaasccasasasesssacssssanseansscsssessssussasiosansecrescanecaseeauscens 21

DAD MENG Ã ¿:z::;z2gnz3:555215514129216023123616353533164565693955672318533893595343853982339353023588583835933338535 23

3.513: ĐỀN ED css seccssnasessossssvassuscessassessseaassasvssceeseassasvoszstavsvsseesovsnsteoaaissssnasenavaaateoseias 25

F246 Bình 118 DBRÒ BE sinsaosanoaoannaniantiattiatiitiiiatiiiiti101511131142518531055508531985855ã 855) 26

WR xử phố đái (or 27CHƯƠNG 4 KET QUA VÀ THẢO LUẬN 2 SE E11 1 1 1111121121011 111 11 c0, 29

4.1.Kết quả thu được từ mô phỏng 22-2222 2£EE212E2E£SE22EECEEecEEEcrrrrerrred 29

4.1.1.Hệ số suy giảm khôi ¿2-5222 2t v23 222212211724021 2117 11171722112211 02x22 304.1.2.Nguyên tử số hiệu đụng -s-222 2222221 St 210 210 211221102110711021107210021xeerxe 36

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TÁT

Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

| Kiểm tra không phá mẫu Non Destructive Testing

MCNP 5 Chương trình mô phỏng Monte Carlo | Monte Carlo N - Particle

DANH MỤC HÌNH VE - BO THỊ

Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng quang điện - c-o-eioiceeesee 5 Hình 1.2 MG binh tín xq Compton s cisccssscsssecisccssscssscsssssssaassasisossessssscsssaassaassasencionssaes 6 Hình I.3 Mô hình Biện ứng tẠOCBP‹:::::-:::-::::ccccc c2 2020202200 2c 020 0cccocooocoe, 7

Hình 3.1 Các thông số kích thước nguồn gamma chuân - 52:55 522222 22 Hình 3.2 Mô tả khối chì chứa nguồn và ống chuẩn trực tại phòng thí nghiệm vật lý hạt

ñihÊn trường Daillioe Sis Phigm Tio: HOM ccaoaoaiocooiooipiiiooioaipaiorroooipoiooooaoao: 22

Hình 3.3 Khối nguồn được mô phỏng trong chương trình MNPS 23

Hình 3.4 Các thông số kích thước và các loại vật liệu của đầu đò Nal(TI) dùng trong NỔ DH HE 111t1501152116111121113111411573563173312121327894493243188156614E313244E24385203ã431385189345843884Z484384451458403324 25 Hình 3.5 Hình ảnh thực tế đầu dd Nal (TI) tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường £91 hoe Sư Phạm TP OM nsiosioininiaiioanioiiioiioaiiiiiiiiiniooiioiiioiioiiiniiiiniiisaagtiaannaa 25 Hình 3.6 Bồ trí thí nghiệm xác định các đặc trưng suy giảm của chùm tia gamma qua vật LNG (tan tt21210260112110211055116631341135135851185558315855383518638881825585319318451585884538355E5318513435581588518155855585 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 MŒNPS - 2-22 t2 222211 11721022117 1171221 ve, 27 Hình 3.8 Pho của nguồn *'Cr sau khi được xử lý bằng Colegram - 5: 5¿ 28 Hình 3.9 Pho của nguồn Co sau khi được xử lý bang Colegram -. - 28

Hình 4.1 So sánh giá trị Zen thu được từ mô phỏng với giá trị Zen tính toán từ NIST 40

Hình 4.2 So sánh giá trị Zen thu được từ mô phỏng với giá trị Ze từ thực nghiém 40

Hình 4.3 So sánh giá trị New thu được từ mô phỏng với giá trị Ney tính toán từ NIST 44

Hình 4.4 So sánh giá trị New thu được từ mô phỏng với giá trị Neg từ thực nghiệm 44

Hình 4.5 Làm khớp hàm mô ta sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng

CHO: CEC TOG VEPHỆD(aiccsiiicciiicit.222002022122102200:ccitnciit0111201221112111.60122110451.2111.611.51ãa88185558855581855 48

vi

DANH MỤC CÁC BANG BIEU

Bang 2.1 Một số mặt thường dùng trong MNP5 22222222222 S222vcSrzsrre 12Bang 2.2 Một số biến nguồn thông GUnB csscssesscsrscesssessscsssctsvecsenssssassnesseasssensensnsensass 15Bảng 3.1 Thanh phan và hàm lượng các nguyên tổ cau thành các vật liệu cần đo 24

Bang 4.1 Giá trị hệ số suy giảm khối (ta) từ mô phỏng tương ứng với các mức năng

FưữnE và: Vet Mite White THEHl:-:::::::zs::ss:zsizepziiiiiiiireiiriitiiieiiiroiiriaitaiitsztie:gtzo3:23228258853855 30

Bảng 4.2 Giá trị hệ số suy giảm khối (jim) từ NIST tương ứng với các mức năng lượng và

vật liệu khác nhau - - - 5112521281852 15115 1511 5 111111 T11 1n 1 SE HH HH cớ 32

Bang 4.3 Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (te) theo mô phỏng và theo

Bang 4.4 Giá trị hệ số suy giảm khôi (4m) từ thực nghiệm tương ứng với các mức năng

lượng và vật liệu KHÁC HẾN:¡sacissosococciocioooioicoiiooiiioiiioatoootiootioiiooiitoiiioiti.0026611065106ã1ã61026ã0ã56 34

Bảng 4.5 Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (0) theo mô phỏng và theo

HE LBDHOREootosnunantreininiiiiiitcsi300061101106100000/0111063016305835183806535633506815395506590855085195535881388303685588 35

Bang 4.6 Giá trị nguyên tử số hiệu dụng (Zer) từ mô phỏng của các loại vật liệu ứng với

các mức ning} lượng khác ñiB8::o:oosooscoosocooosoooosooooiiiostoatiiigioiii500060641105810386368855 37

Bang 4.7 Giá trị nguyên tử số hiệu dung (2ø) từ NIST của các loại vật liệu ứng với các

HiffE ñ2nE lưgneg KHÁE NHÏ:csssssaiioareseiiireoiorriiasiiesiiiaiioiiiaiiioaiiisitsstiragiiasiaansaassasassa 38

Bang 4.8 Giá trị nguyên tir số hiệu dụng (Ze) từ thực nghiệm của các công trình nghiên

GfHÊTi GUATIs:::::-::¿ssc:zsc2ipzsrirzitroiirstrarinz2i:t22023522205595072220258329588553235688350850883383525835853578385585 39 Bảng 4.9 Giá trị mật độ electron hiệu dụng (New) từ mô phỏng của các loại vật liệu ứng với các mức năng lượng khác nhau 5-5 6 1S“ HH HH ghe 41 Bang 4.10 Giá trị mật độ electron hiệu dung (Neg) từ NIST của các loại vật liệu ứng với CAG TEATS TNS NS BAC BA siisicassssassrissiisiiiiainiaiiii2iii2111211132112110221022014431222315550228288584 42 Bang 4.11 Giá trị mật độ electron hiệu dung (Nem) từ thực nghiệm của các công trình ñi6Hiển c0uiliÊEfiGHfRfisissisnssnasnnasnosiiiannsiiissiisttisttitsgi1s118110031114511231135118485833356138587883015ã85g5 43

Bảng 4.12 Giá trị các tham số và hệ số tương quan R? của hàm làm khớp tương ứng với

CÁC ÍD011VRVILỆUccocsoisiiinitiiiiioitiiiiiteiG00212111011105)164115611361585338515563186138815E555848385855585555856485858ã55 46

Bang 4.13 Giá trị hệ số suy giảm khối (tm) nội suy từ ham làm khớp 49

Bảng 4.14 Độ lệch tương đối RD (%) của hệ số suy giảm khối (ta) từ nội suy và từ mô

Bang 4.15 Độ lệch tương đối RD (%4) của hệ số suy giảm khối (um) từ nội suy và từ NIST

vill

MỞ DAU

Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT là một trong những kỹ thuật hạt nhân đangđược ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp nó gồm nhiều phương pháp như: phươngpháp siêu âm, phương pháp chụp ảnh phóng xạ, phương pháp thâm thấu long, phươngpháp dòng điện xoáy mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điềm 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 tan 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 nghiêncứu quan tâm, nhưng so với phương pháp gamma tán xạ thì phương pháp gamma truyềnqua có nhiều ưu điểm hơn như dé thực hiện và đơn giản vẻ mặt lý thuyết.

Trong những năm gân đây, đã có rất nhiều nghiên cứu áp dụng phương pháp gammatruyền qua đề xác định các tham số tương tác của photon với vật chất như: hệ số suy giảmtuyến tính, nguyên tử số hiệu dụng Zen và mật độ electron hiệu dung Nes [2, 4, 5, 6, 9, 10]nhằm đánh giá khả năng che chắn của các vật liệu, đồng thời tìm kiếm các vật liệu chechăn mới Ngoài ra phương pháp gamma truyền qua còn được ứng dụng trong khao sátđóng 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 to phương pháp gamma truyền qua là một phương pháp

đáng tin cậy.

Công nghệ hạt nhân ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong tat cá các lĩnh vực củađời sông Do đó số lượng nguồn bức xạ được sử dụng ngảy càng tăng và khả nang tiếpxúc với bức xạ ngày càng cao, vì tính chất của bức xạ có thẻ gây tôn thương đối với cơ

thê sông, 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, nhém, các nhà nghiên cứu đang hướng tới sử

dụng các loại vật liệu hợp chất hay hồn hợp dùng làm vật liệu che chắn với nhiều ưu điểmvượt trội hơn như tính bền, nhẹ, linh động dễ dàng di chuyên và định hình, hiệu quả vềmặt chỉ phí, khả năng chống chịu với các hóa chất độc hai và điều kiện bat lợi của môitrường, thân thiện với môi trường Trong các nghiên cứu gan đây [7 8, 10] các loại vat

|

liệu tiềm năng có thé 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 dung phô biến trong đời sống hằng ngày,thay thé các sản phẩm làm từ gỗ, bê tông, bởi tính chất bền, nhẹ và nhiều màu sắc dédang di chuyển và định hình hiệu quả về mặt chi phí, khả năng chống chịu với các hóa

chất độc hại và điều kiện bắt 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

chè chắn bức xạ Trước đó vào năm 2016, Majunatha và cộng sự [10] đã tiễn hành thực

nghiệm xác định hệ số suy giảm khối um, nguyên tử số hiệu dụng Ze và mật độ electron

hiệu dung Nef của hai loại nhựa Kapton và PMMA, đây là hai loại nhựa chịu nhiệt được

ứng dụng rất nhiều trong ngành hảng không vũ tụ Sau đó một năm, vào năm 2017 Issa vànhóm nghiên cứu [8] cũng đã tiến hành đánh giá khả năng che chắn của loại thủy tinh

borate-tellurite-silicate, day cũng là loại vật liệu được sử dụng phô biến trong xây dựng

Mục đích nghiên cứu của dé tài: Hiện nay hau hết các loại vật liệu dùng trong chechắn là các vật liệu đơn chất như: đồng, chi, nhôm, Do đó việc xác định nguyên tử sốcủa các vật liệu đơn chất nảy khá đơn giản như: nguyên tử số Z của vật liệu chính là điệntích hay số thứ tự của nguyên t6 đó trong bảng tuần hoàn Tuy nhiên, đối với các loại vậtliệu 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 Zee Ngoài ra, sự suy giảmcủa bức xạ gamma còn phụ thuộc vào mật độ electron, đo đó chúng tôi cũng tiến hành xácđịnh một thông số khác được gọi là mật độ electron hiệu dung Ne Trong nghiên cứu nay,chúng tôi tiền hành xác định ba tham số chính là hệ số suy giảm khối pm, nguyên tử số

hiệu dung Z„¿ và mật độ electron hiệu dung New cho các loại vật liệu hợp chất và hỗn hợpnhư: nhựa, thủy tinh, xi măng bằng phương pháp Monte Carlo thông qua phan mem môphỏng MCNPS Luận văn sẽ dựa trên thông số chính là hệ số suy giảm khối pm được xác

định bằng phương pháp Monte Carlo và kỹ thuật xử lý phô cải tiến, sau đó dùng thông số

nảy dé xác định hai thông số còn lại là nguyên tử số hiệu dụng Zee và mật độ electron hiệudung Nem Đồng thời cũng từ kết quả hệ số suy giảm khối pm thu được chúng tôi tiền hành

to

khớp hàm nhằm đưa ra dang hàm phù hợp đề mô tả quy luật biến thiên của hệ số suy giảmkhối theo năng lượng làm cơ sở tiền đề cho các nghiên cứu sau này.

Đề đánh giá độ tin cậy và tính hiệu quả của phương pháp Monte Carlo, chúng tôi

tiễn hành mô phỏng toàn bộ quá trình thực nghiệm bằng chương trình mô phỏng MCNPS

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] Nhăm tiến đến việc sử dụng phương pháp mô phóng déthay thé cho các quá trình thực nghiệm trong một số trường hợp hoặc dùng dé dự đoán kết

quả của các quá trình thực nghiệm nhằm tiết kiệm thời gian và chỉ phí Kết quả mô phỏng

là phô 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 “Co, Ce, “Hg, Cr, "Sn, Na, Cs,

“Mn, “Zn, Co, ??Na, Co, ''?Eu, **Y cho các loại thủy tinh, nhựa va xi mang Sau đó

áp dụng kỹ thuật xử lý phô cải tiền chúng tôi lấy ra được điện tích đỉnh hấp thụ nănglượng toàn phan, từ đó tính toán hệ số suy giảm khối pm Đây là thông số quan trọng giúpchúng tôi xác định hai thông số còn lại là nguyên tử số hiệu đụng Zetr và mật độ electronhiệu dụng Nes Dé đánh giá độ chính xác cúa kết quả thu được chúng tôi tiễn hành tinhtoán độ lệch tương đối RD (%) giữa kết quả mô phỏng với giá trị tính toán từ cơ sở ditliệu NIST [15] và kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu liên quan [7, 8, 10]

Ý nghĩa khoa học: Với đề tài “Khao sát các tham số suy giảm của chùm tia gammatheo năng lượng của một số loại vật liệu” sẽ giúp mở rộng phương pháp xác định hai

thông số nguyên tử số hiệu dụng Ze và mật độ electron hiệu dung N‹g cho thay ngoai

tính toán lý thuyết và tiễn hành thực nghiệm, chúng ta còn có thé ding phương pháp môphỏng Monte Carlo dé xác định các tham số suy giảm cần thiết Đồng thời nghiên cứucũng cho thấy được tam quan trọng của kỹ thuật xử lý pho cải tiễn áp dụng cho phôgamma truyền qua nhằm mang đến độ chính xác cao cho kết quả Ngoài ra nghiên cửu

cũng đã tiền hành xây dựng dạng hàm mô tả quy luật biến thiên của hệ số suy giảm khốitheo năng lượng đối với một số loại vật liệu làm cơ sở khá quan trọng cho các nghiên cứutiếp theo

Ý nghĩa thực tiễn: Trong các công trình nghiên cứu trước đây hai thông số suy giảm:

nguyên tử số hiệu dụng Z4 và mật độ electron hiệu dung Ne chủ yếu được xác định dựa

3

trên tính toán lý thuyết Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn xác định giá trị của các tham sốnày thông qua tiễn hành thực nghiệm với phương pháp gamma truyền qua Nghiên cứutrong luận văn này, chúng tôi cũng tiền hành xác định giá trị hai thông số suy giảm trên

bằng phương pháp gamma truyền qua nhưng không phải bằng thực nghiệm mà bằngphương 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 đượcthời gian, chi phí vì có thé được áp dụng dé dự đoán kết quả của quá trình thực nghiệm.Đồng thời trong luận văn này chúng tôi còn tiễn hành khảo sát dang hàm biểu điển quy

luật biến thiên của hệ số Suy giảm khối Um theo nang lượng cho một số loại vật liệu, làm

cơ sở cho nghiên cứu khác có thé nội suy ra giá trị hệ số suy giảm khối tuy của một mức

năng lượng bat kỳ từ dang 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 | Tông quan về tương tác của bức xạ gamma với vật chất Chương naytrình 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 vả phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tac 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 bay về cơ sở lí thuyết dé xác định nguyên tử số hiệu

dung và mật độ electron hiệu dung, 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 bàycác kết quả đạt được từ việc mô phỏng so sánh với cơ sở dữ liệu của NIST và so với kếtquả 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 s6 và hệ số tương quan R? của dang hàm khớpđược, giá trị nội suy hệ số suy giảm khối tạ từ hàm khớp và đánh giá độ lệch RD (%) so

với NIST.

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE TƯƠNG TÁC CUA BỨC XA GAMMA

VOI VAT CHAT

Tia gamma có ban chất là sóng điện từ gồm các photon không mang điện, nên khixuyên qua vật chất tia gamma không ion hóa trực tiếp vật chất Tuy nhiên, khi photontương tác với nguyên tử của vật chất nó có thé làm bứt các electron hay tạo ra các cặpelectron-positron, đây là các hạt mang điện sẽ trực tiếp ion hóa vật chất và tạo ra các hạtđiện tích khác Trong chương nảy chúng tôi sẽ trình bày nguyên tắc và các công thức đặctrưng của ba đạng 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 1a qua 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 cácelectron, electron hấp thụ hoàn toàn năng lượng từ photon sẽ bứt ra khỏi nguyên tử trở

thành electron quang điện (hay quang electron).

ko)

Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng quang điện [14]

Theo thuyết lượng tử ánh sáng, động năng của electron bút ra [3]

K, = hv-A (1.1) với A là công thoát, K- là động nang electron, E, = hv 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

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 dé lại lỗ trống trên quỹ đạo các electron ở các quỹ đạo bênngoài sẽ chuyền xuống lấp day lỗ trong đồng thời phát ra tia X đặc trưng, do đó hiệu ứng

quang điện thường đi kèm với việc phat 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 the ởvùng năng lượng thấp và vật liệu hấp thụ có Z lớn

Tiết điện hap thụ quang điện được xác định theo công thức [1]:

on = ZEB, (1.2)

1.2 Tan xa Compton

Tan xa Compton hay còn gọi là tán xạ không kết hợp là quá trình tương tac giữaphoton với electron tự do ở lớp ngoai, trong đó photon sẽ truyền một phan năng lượng choelectron, electron hap thụ năng lượng từ photon sẽ birt ra khỏi nguyên tử, photon bị matmột phần năng lượng sau tương tác sẽ lệch phương so với quỹ đạo ban đầu

Electron bay

Photon tán xa

Hình 1.2 Mô hình tan xa Compton [14]

Ap dụng định luật bảo toàn năng lượng va động lượng động năng của electron sau

tán xạ [3]

hv 4.(1 — cos0.)

TRE (1.3)

‹ r+ “ Ww iv WwW 1 +A.(1 + cos0,) "142.0 — cos0,)

Năng lượng của photon sau tán xạ [3]:

Er= By +2 ;(1 — cos0,) cl)

với

* hvhayE,: Năng lượng photon ban đầu

* hv hay E,: Năng lượng của photon sau khi tán xạ

" A= mọc moc? = 511 keV là năng lượng nghỉ của electron.

“09: Góc tán xạ của chùm tia gamma, có thẻ thay di từ 0° đến 180° Khi góc tắn xạ

lớn hơn 90°, ta có hiện tượng gamma tán xạ ngược.

Tan xa Compton chủ yếu xảy ra đối với chùm tia gamma tới có năng lượng vào cỡ

vải 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 xa Compton chiếm ưu thé trong vùng năng lượng khoảng vài

MeV [1], đối với vật liệu có Z lớn

Tiết điện tán xạ Compton [1]:

ø.~Z.Ey (1.5)

1.3 Hiéu 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 xagamma sẽ biến mat trong môi trường vật chất sinh ra một cặp electron - positron đồng

thời hạt nhân nguyên tử bị giật lùi.

photon >1,022 MeV

Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng tao cap [14]

Điều kiện xảy ra hiệu ứng tạo cặp là năng lượng tối thiểu của tia gamma phải bằngtông năng lượng nghỉ của hai electron, tức là nang tượng của photon tới phải lớn hơn hoặc

bằng 1022 keV (E, 2 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

vả điện tích hạt nhân Z lớn.

Tiết diện xảy ra hiệu ứng tạo cặp [1]:

Ore = Z2.]nE (1.6)

Xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp tăng đối với các nguyên tố có Z cao như chi,

Uranium Trong chi, xap xi 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 Đôi với carbon tỉ lệ tương ứng

là 2% và 4% [17].

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHAP MÔ PHONG MONTE CARLO VÀ

Trong chương nảy 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 chươngtrình MCNP, cụ thé là phiên bản MCNPS, 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 đề giải quyết nhiều bài toán trênmáy tính theo kiêu không tất định (không dự đoán trước được kết quả từ dit 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

nôi tiếng với các sòng bạc, có thé là do phương pháp này dựa vào việc gieo số ngẫu nhiên

Phương pháp Monte Carlo đã xuất hiện vào khoảng thế ki 18, tuy nhiên phươngpháp này không được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nảo Mãi đến thời kỳchiến tranh thé giới thứ hai phương pháp Monte Carlo mới thực sự được sử dụng như mộtcông 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 vàStanislaw Ulam, đã dé xuất việc ứng dụng các phương pháp số ngẫu nhiên trong tính toánvận chuyên 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 vẻ

9

sau Các tính toán Monte Carlo được viết bởi John von Neumann và chạy trên máy tínhđiện 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 dé mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon va electron (cácquá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượngneutron, ) Chương trình ban đầu được phát triên 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 thẻ trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phiên bản MCNPS

Chương trình MCNP có khoảng 45.000 dòng lệnh được viết bằng FORTRAN và

1000 đòng lệnh C, trong đó có khoảng 400 chương trình con Đây là công cụ tính toán rấtmạnh có thê mô phỏng vận chuyên neutron, photon và electron, giải các bài toán vậnchuyên không gian 3 chiều, phụ thuộc thời gian, năng lượng liên tục trong các lĩnh vực từthiết 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 rat tốt cho phép người dùng sử

dụng các dang hình học phức tap và mô phóng dựa trên các thư viện đữ liệu tương tác hạt

nhân Chương trình điều khiển các quá trình tương tác bang cách gieo số ngẫu nhiên theoquy luật thông kê cho trước và mô phỏng thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiếtthưởng rat lớn

Tại Việt Nam, trong khoảng 10 năm trở lại đây, các tính toán mô phỏng bằngchương trình MCNP đã được trên khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu như Viện Nghiên cửuHạt nhân Đà Lat, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TPHCM, viện

Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hà Noi, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, và đặc biệt là Bộ môn Vật lý Hạt nhân — Ki 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

giảng dạy và nghiên cứu cho sinh viên Cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứngdụng MCNP của Việt Nam được đăng trên các tạp chí Quốc tế về việc tính toán cho lòphản ứng, phô ghi nhận bức xạ, phân bố trường liều bức xạ, tính toán che chắn an toàn

những nỗ lực này là phiên bản MCNP6 I.0 đã ra đời vào 5/2013.

MCNPS được viết lại hoàn toàn bằng Fortran 90 và công bố vào năm 2003 cùng vớiviệc cập nhật các quá trình tương tác mới chăng hạn như hiện tượng quang hạt nhân hiệu

ứng giãn nở Doppler, MCNPS5 cũng tăng cường kha năng tính toán song song thông qua

việc hỗ trợ OpenMP và MPI.

2.3 Định nghĩa hình học

2.3.1 Định nghĩa mặt (surface card)

Đề tạo ra các không gian hình học phục vụ cho quá trình mô phỏng, MCNP cungcấp các dang mặt co ban chăng hạn như mặt phăng, mặt trụ, mặt câu,

Các mặt được định nghĩa trong surface cards bằng cách cung cấp các hệ số của các

phương trình giải tích mặt hay các thông tin về các điểm đã biết trên mặt.

Cú pháp J n a list

Trong đó

chỉ số mặt

n bo qua hoặc bằng 0 néu không dich chuyền tọa độ

> 0, sử dụng TRn card để dịch chuyên tọa độ.

< 0, tuần hoàn theo mặt n.

A kí hiệu loại mặt.

list các tham số định nghĩa mặt

II

Mặt cầu Mặt cầu thường

Mặt cầu Tam trên trục X

Mặt cầu | Tâm trên trục Y x°+(y-y)?+z‡-R? =0

2.3.2 Định nghĩa ô mạng (cell card)

Mỗi cell sẽ được điển tả bởi một số cell (cell number), số vật chất (materialnumber), mật độ vật chất (material density), một day các mặt (surface) có dấu (âm hoặc

dương) kết hợp với nhau thông qua các toán tử giao (khoảng trắng) hội (:) bù (#) dé tạo

d khối lượng riêng của cell theo đơn vi [10% nguyên tử/cmÈ] nếu dau “+? hoặc

[g/cmÊ] nếu dau '—' ở phía trước

geom phần mô tả hình học của cell, được giới hạn bởi các mặt

params các tham số tùy chọn: imp, u, trel, lat, fill,

n chi số của một cell khác

list các từ khóa dùng đề định nghĩa sự khác nhau giữa cell n va cell j

2.3.3 Mn Card

Material card mô tả loại vật liệu được lắp day trong cell trong quá trình mô phỏng

Các thành phân trong vật liệu được xác định bằng nguyên tử số của nguyên tô thành phần

tỉ lệ phan trăm của nguyên tô đó trong vật chat.

Cú pháp: Mn Z⁄AID; fraction; ZAID: fractuona

nn số chỉ của bộ số liệu tiết điện tương tác sẽ được sử dung.

X kiêu dữ liệu (C — năng lượng liên tục; D — phan ứng rời rạc: )fraction tỉ lệ đóng góp của đồng vị tương ứng trong vật liệu (tông các thành phần

n chỉ số cho việc chuyên đôi trục

01 02 03 vector chuyền đỗi (vị trí tọa độ mới so với tọa độ củ)

13

B1 đến B9 ma trận đặc trưng cho tương quan góc giữa các trục tọa độ của hai hệ

* Chuyển trục tọa độ đối với Cell

Card TRCL có chức năng tương tự như TRn nhưng được sử dụng trực tiếp trên cell card

Cú pháp: TRCL=n

hoặc TRCL=(010203 BIBI2B3 B4B5B6 B7BSB9 M)

Trong đó

n chỉ số chuyền trục được định nghĩa tương tự trong TRn.

2.4 Nguồn tông quát

MCNP cho phép người dùng mô tả nguồn ở các dạng khác nhau thông qua cácthông số nguồn như năng lượng, thời gian, vị trí, hướng phát nguôn, hay các thông số

hình học khác như cell hoặc surface.

Một số loại nguồn trong MCNP:

+ Nguồn tông quát (SDEF) + Nguồn mặt (SSR/SSW)

+ Nguồn tới hạn (KCODE) + Nguồn điềm (KSRC)

Các thông số của nguồn thường bao gồm:

+ Năng lượng (energy)

+ Thời gian (time)

+ Hướng (direction)

+ VỊ trí (position)

14

+ Loại hạt (partical type)

+ Trọng SỐ (weight) (cell/surface nếu có)

Vi trong nghiên cứu chúng tôi sử dụng cầu trúc của nguồn tổng quát do đó trong

phân này chúng tôi sẽ chỉ giới thiệu dạng khai báo của nguồn tông quát

* Card SDEF được dùng đẻ định nghĩa nguồn tong quát

Cú pháp: SDEF các biến nguôn = giá trịBảng 2.2 Một số biến nguôn thông dụng [18]

tọa độ vị trí nguồn, mặc | AXS vector tham chiếu cho

định: (0,0,0)

năng lượng hạt phát ra từ nguôn, mặc định: 14 MeV

T trọng số của hạt phát ra từ khoảng cách quét từ POS

nguồn, mặc định: 1 đọc theo AXS hoặc cosin

của góc quét từ AXS, mặc định: 0.

quan tâm đền diện tích đình phô mà đầu dd thu được ở các mức năng lượng khác nhau do

đó tally mà chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu là tally E8 Vì vậy trong phan này chúngtôi sẽ trình bày chỉ tiết về tally này

Tally F8 hay còn gọi là tally về độ cao xung có chức năng cung cấp các xung theo

năng lượng được tạo ra trong một cell mà được mô tả như một đầu dò vật lý Nó cũng

cung cấp cho ta biết sự mat mát năng lượng trong một cell Dù cho số liệu đầu vào của E8

là các cell, nhưng nó không phải là tally độ dài vết trong cell Tally F8 được tạo ra ở các

điểm nguồn và các chỗ giao của bê mặt Các bin năng lượng trong tally F8 tương ứng với

năng lượng toàn phần mắt trong đầu dò trong các kênh đã được định rõ bởi mỗi hạt vật lý

Đối với tally độ cao xung, cell nguồn được tính với năng lượng nhân với trọng số

của hạt nguồn Khi một hạt đi qua một bé mặt, năng lượng nhân với trọng số của một

nguồn sẽ bị trừ đi trong cell mà nó đi khỏi và cộng thêm vào trong cell mà nó tới Nănglượng nói ở đây là động năng của hạt cộng với 2mac° nếu hạt là positron Ở cuối quá trình

tương tác, các dữ liệu ghi nhận được trong mỗi cell sẽ được chia cho trọng số của nguôn

Năng lượng được tính ra sẻ xác định bin năng lượng nao được ghi nhận xung Giá trị của

số đếm là trọng số của nguồn đối với tally F8 và trọng số của nguồn nhân với năng lượngnếu là tally *F8 Giá trị của số đếm sẽ là 0 néu không có vết nào vào trong cell trong suốt

lịch sử.

Tally độ cao xung vốn là một tally sử dụng các quá trình tương tự Do vay, nó khôngtốt khi áp dung cho trường hợp của neutron, vốn là các quá trình không tương tự, và nócũng không tốt đối với hầu hết các thuật toán làm giảm phương sai Tally độ cao xungphụ thuộc vào việc lấy mẫu mật độ xác suất kết hợp của tất cả các hạt phát ra khỏi mộthiện tượng va chạm MCNP hiện nay không lay mẫu mật độ kết hợp này cho va chạm

neutron Do đó tally F8 cho neutron phải được tính toán với sự thận trọng cao khi có hơn

một neutron có thé được tạo ra sau va chạm Đối với photon thì đây là một tally tốt cho

việc mô phỏng.

Ngoài ra, tally độ cao xung khác so với các tally khác của MCNP ở điểm là F8:P,F8:E và F§:P.E đều tương đương với nhau Tất cả năng lượng của cả photon lẫn electron,nêu hiện điện, đều sẽ mat trong cell, dù cho tally nào được mô tả Khi tally độ cao xung

16

được dùng với các bin năng lượng, ta cần phải lưu ý các số đếm âm từ các quá trìnhkhông tương tự và các số đếm zero được tạo bởi các hạt đi qua cell dau dd ma không đềlại chút năng lượng nào MCNP xử lý việc này bằng cách đếm các hiện tượng này vào binnăng lượng zero và một bin có năng lượng rất nhỏ (10ŸMeV), từ đó ta có thé cô lậpchúng Lưu ý là ta phải chia năng lượng trong tally F8 theo kiêu như sau:

* Các card dùng trong khai báo tally

Fn khai báo loại tally sử dụng

Cú pháp: Fn:p! Si Sk

Trong đó:

nsố tally

pl loại hạt cần ghi nhận (N.P,E)

Si chi số của cell hoặc mặt cần khảo sát

17

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MO PHONG MONTE CARLO VÀ CƠ SỞ LÝ

THUYET TÍNH TOÁN CÁC THAM SO SUY GIÁM

Đề mô hình hóa hệ do Nal (TI) ta cần cung cấp day đủ và chỉ tiết các thông tin vecấu hình hệ do, loại vật liệu cần do, các thông số về mật độ thành phần hóa học và hàmlượng các nguyên tổ cấu thành vật liệu cần đo, các đặc trưng của nguồn phóng xạ Tất

cả những yếu tổ này nhằm giúp cho người dùng tạo được một tệp đầu vào chính xác và

thu được kết quả đáng tin cậy Bên cạnh đó đề xác định được các tham số suy giảm như

hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng và mật độ electron hiệu dụng chúng ta canhiểu được ý nghĩa và nam được công thức xác định các tham số này Do đó trong chươngnày chúng tôi sẽ trình bày ngắn gọn cơ sở lý thuyết dé tính toán các tham số suy giảm và

mô hình mô phỏng Monte Carlo.

3.1 Cơ sở lý thuyết

Sự suy giảm cường độ của tia gamma khi truyền qua môi trường vật chat bat kỳ phụ

thuộc vào nhiều yếu tố như: năng lượng chùm tia gamma tới, bê dày vật liệu, mật độ khối

lượng của vật liệu và nguyên tử số của vật liệu Chúng tôi sẽ lần lượt trình bày cách xácđịnh ba tham số suy giảm của chùm tia gamma khi truyền qua vật liệu là hệ số suy giảmkhối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng.

3.1.1 Hệ số suy giảm

Đề ghi nhận bức xạ đặc biệt đối với sự suy giảm của nó trong môi trường ba quá

trình có ý nghĩa thực sự là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Ta

can quan tâm đến xác suất xảy ra ba quá trình trên, vì thé ta đưa vào đại lượng tiết diện

tương tác toàn phản ø là tông tiết điện của tất cả các quá trình tương tác giữa photon vàvật chất.

Tiết diện toàn phan vi mô [1] được xác định theo công thức:

G=6, +6, + G, (3.1)

với Ged, Sey Ge lần lượt là tiết điện tương tác của các hiệu ứng quang điện, tắn xạ

Compton và sự tạo cặp.

18

Nhân tiết điện vi mô với số nguyên tử N có trong 1 em? ta thu được hệ số hấp thụhay còn gọi là hệ số suy giảm tuyến tinh [1].

ụ = No = N(o,, +6, + ø,) (3.2)với p là hệ số suy giảm tuyến tính.

Hệ số suy giảm tuyến tính mô tả sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua môi

trường, nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của tia gamma Ngoài

ra có thê biêu diễn hệ số suy giảm theo các đại lượng sau

Hệ số suy giảm khối là đại lượng cơ bản hơn so với hệ số suy giảm tuyển tính vìkhông phụ thuộc vào mật độ vật chất và có thé áp dụng cho bat ky dang vật chat nào (rắn,

lỏng, khí), nó được xác định dựa trên công thức [1]:

với uw là hệ số suy giảm khối của nguyên tổ thứ i, w, là trọng số của nguyên tổ thứ i

Chùm tia gamma còn có thẻ được đặt trưng bằng quãng đường tự do trung bình A,được định nghĩa là khoảng cách trung bình giữa các lần tương tác liên tiếp trong vật chất

Giá trị của nó được xác định theo công thức [1]:

Trong thực nghiệm, dé xác định hệ số suy giảm tuyến tính ta tiên hành chiếu chùmlia gamma song song, hẹp qua qua vật chất có bè dày x

Tuy nhiên trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành mô phỏng trong điều kiện cóchuẩn trực nên sự suy giảm cường độ chùm tia gamma được xác định theo công thức [1]:

N=Nạe** (3.7)

với N là số đếm đầu đò ghi nhận được trong trường hợp có vật liệu

No là số đếm dau dò ghi nhận được trong trường hợp không có vật liệu

Hệ số suy giảm khối (um) được xác định theo số đếm ghi nhận bởi đầu dò thông qua

công thức sau:

1 N

Đa 7 ae (<) (3.8)

3.1.2 Nguyên tử số hiệu dụng

Đối với các loại vật liệu đơn chất như: đồng, chì, nhôm, thì việc xác định nguyén

tử số của vật liệu khá đơn giản, giá trị nguyên tứ số có thể được tra cứu trong bảng tuần

hoàn hóa hoc, chính là số thứ tự của nguyên tô đó trong bảng tuần hoàn Tuy nhiên đối

với các vật liệu hợp chất hay hỗn hợp thì việc xác định nguyên tử số khá phức tạp.

Nguyên tử số của các vật liệu này được gọi là nguyên tử sé hiệu dụng được xác địnhthông qua tiết điện tương tác phân tử hiệu dụng o, và tiết điện electron hiệu dụng oa

Trước khi xác định nguyên tử số hiệu dung Ze, chúng ta sẽ tiến hanh xác định giátrị của tiết diện tương tác phân tử hiệu dụng o, và tiết điện electron hiệu dụng ø‹¡ đựa vào

hệ số suy giám khối

Tiết điện tương tác phân tử hiệu dụng o, cho biết kha năng xảy ra tương tác giữa

photon của chùm tia gamma và phân tử vật chất và được xác định theo công thức [4]:

I Hạ

6, = ——- (mb) 3.9

Trong đó:

® w¡là số nguyên tử của nguyên tố thứ i được cho trong phân tử

58 [m= : là hệ số suy giảm khối của phân từ

* NA là số Avogadro's

* A; là số khối của nguyên tổ thứ i

Tiết điện electron hiệu dụng cho biết khả năng xảy ra tương tác giữa photon của

chùm tia gamma và electron trong nguyên tử và được xác định theo công thức [4]:

3.1.3 Mật độ electron hiệu dụng

Mật độ electron cũng là một trong những tham số ảnh hưởng đến sự suy giảm cường

độ chùm tia gamma khi truyền qua vật liệu Tham SỐ này được xác định dựa trên hệ sốSuy giảm khối và tiết điện tương tác electron hiệu dụng (3.10)

Mật độ electron hiệu dung được xác định theo công thức [4] sau:

H

Ne = s (electron/g) (3.12)

el

3.2 Mô hình mô phỏng Monte Carlo

Mô hình mô phỏng Monte Carlo trong nghiên cứu này dựa trên hệ đo thực nghiệm.

các thông số về nguôn, điều kiện vẻ môi trường, thành phan vật liệu, bỗ trí thí nghiệmđược khai báo chi tiết giống như quá trình tiền hành đo đạc ngoài thực tế

3.2.1 Nguồn phóng xạ

Nguồn phóng xạ dùng trong mô phỏng phát các mức năng lượng nằm trong vùng

năng lượng từ 100 keV-2000 keV, gồm các nguồn: Co, !*'Ce, Hg, *'Cr, Sn, Na,

Cs, “Mn, 2n, “Co, 2Na, Co, Eu, ŠSY phát chùm gamma tương ứng với các mức

năng lượng: 122 keV, 145 keV, 279 keV, 320 keV, 391 keV, 511 keV, 662 keV, 835 keV,

1115keV, 1173 keV, 1274 keV, 1332 keV, 1408 keV, 1836 keV Nguồn phóng xạ dùngtrong mô phỏng là nguồn điềm có kích thước như hình:

Hình 3.1 Các thông số kích thước nguồn gamma chuân [16]

Lớp ngoài là khối nhựa hình trụ có đường kính 25.4 mm, cao 6.35 mm nguồn được

đặt ở giữa là nguồn điểm hình trụ có đường kính 5 mm và cao 3,18 mm, trên cùng là lớp

decal day 0.4 mm.

Nguồn được đặt trong khối chì có bề day 5,6 em và được chuẩn trực bởi ống chuẩntrực có đường kính 0,7 cm, nguồn được đặt cách tâm của tam vật liệu 5,04 cm và cáchđầu dò là 15,73 cm

nhân trường Đại học Sư Phạm Tp HCM

toto

Hình 3.3 Khối nguồn được mô phỏng trong chương trình MCNPS

3.2.2 Vật liệu

Vật liệu chúng tôi dùng trong mô phỏng là xi măng Portland, nhựa Kapton, PMMA

và thủy tinh borate Đây là các loại vật liệu được sử dụng khá pho biến trong các nghiên

cứu trước đây [7, 8, 10] Nhựa dùng trong mô phỏng là Kapton và PMMA (Poly Methyl

Methacrylate) đây là hai loại nhựa thủy tinh hữu cơ được ứng dụng làm ống nước, 46 giadụng vỏ di động tròng kính mát, ông kim tiêm, vỏ đèn xe hơi, mặt đông hỏ Loại thủy

tinh được sử dụng trong mô phỏng là thủy tinh borate (borate-tellurite-silicate glass

system) được ứng dụng khá phô biến trong xây dựng Loại xi măng được sử dụng là mẫu

xi măng Portland cũng là loại xi măng khá dé tim trên thị trường Theo các nghiên cứu

trước đây ba loại vật liệu này được các nhà nghiên cứu đánh giá là các loại vật liệu tiềm

năng dùng trong che chắn vì ưu điểm vượt trội của nó như tính bền nhẹ, linh động dễđàng đi chuyên và định hình, hiệu qua 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

Vật liệu được mô phỏng dưới dang tắm kích thước 10x10 em, day 0,5 em Thanh

phân và hàm lượng các nguyên tố cau thành các loại vật liệu trên được trình bày chi tiết

trong bảng

Bảng 3.1 Thành phần và hàm lượng các nguyên tố cấu thành các vật liệu cần đo

[7 8, 10]

Xi măng Thuy tinh borate PMMA

Hop | Portland xBi:Os-(80-x)B-Oy-STeOs-15SiOs Neuyé (CO;Hs),