Năm 2020, Hoàng Đức Tâm và các cộng sự đã sử dụng một phương pháp gamma tan xạ ngược đề xác định bề dày vật liệu với nguồn hoạt độ thấp nguồn CS” có hoạt độ là 1 Ci [4].. Tông quan về bứ
Trang 1BO GIÁO DUC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA VẬT LÝ
BỘ MON VAT LÝ HẠT NHÂN
TP HO CHÍ MINH
LÊ HONG THIỆN
KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP
BANG PHƯƠNG PHAP GAMMA TRUYEN QUA
THÀNH PHO HO CHI MINH - THANG 5 NAM 2021
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VAT LÝ HẠT NHÂN
TP HÒ CHÍ MINH
XÁC ĐỊNH MAT ĐỘ CUA GO
BANG PHƯƠNG PHAP GAMMA TRUYEN QUA
SINH VIEN THUC HIEN: LE HONG THIEN
Cán bộ hướng dẫn: PGS TS HOÀNG ĐỨC TAM
Chuyên ngành: Vật Lý học
THÀNH PHO HO CHÍ MINH — THANG 5 NĂM 2021
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Dé hoàn thành tốt dé tài khóa luận **Xác định mật độ của gỗ bằng phương pháp
gamma truyền qua” Ngoài sự cỗ gắng và nỗ lực của ban thân, tôi xin gửi lời cảm ơn
đến những người đã luôn bên cạnh giúp đỡ dé tôi có thê hoàn thành khóa luận một
cách tốt nhất.
Lời dau tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thay Hoàng Đức Tâm — giảng
viên Khoa Vật Ly, Trường Đại hoc Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Thay đã hướng
dẫn, hỗ trợ tôi trong quá trình làm khóa luận và truyền đạt những kinh nghiệm quýbáu Tôi xin cảm ơn đến các anh chị trong trong phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân đã
góp ý dé tôi có thé hoàn thiện khóa luận.
Đồng thời, tôi xin cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi
về cơ sở vật chat dé tôi có thể hoàn thành khóa luận này.
Cuỗi cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã hỗ trợ tôi về mặt tinh thần trong
suốt quá trình làm khóa luận này.
TP.HCM, Ngày 7 tháng 5 năm 2021
Lê Hồng Thiện
Trang 4XÁC NHAN CUA CHỦ TỊCH HỘI DONG
XÁC NHAN CUA GIANG VIÊN HUONG DAN
Thành phô Hồ Chí Minh, thang 5 năm 2021
Sinh viên thực hiện
Lê Hong Thiện
Trang 5MỤC LỤC
Trang
OCG! CC | i DANFIMUG BAN Gir srcsismanansmmnnananansmanmnanssaumeni v AONE GN INE ccczzesssccsssesaccossescuvscxcneseensconszesosvscsesseoressveserneenessonsstsasd vi
CÁC TO VBL TẤT nononnnoonoininooiiiiiiitidaiioiigiit6i00010010130000018810008300688088808ãg886) vii
MG 100 1CHUGNG 1 COSGILY TOWED ko cneoinnoenaarriaiỷan.-nn°nsnnnnna 41.1 Tơng quan về bức xa gamma tương tác với vật chất -. 2ccczccczze- Ba
II, Hiệu:đø quang GIN: siicsiscsissssssssscacssssicessesssseasseassscsssesssasaveaseosssosaveaseesctesaveastd 4
Uo 2) 1T ấnXð(DIHIIÍOi.ii:siiisiiicciiccizcciic4i12211241018811tg166415220554015481588ã855ã8.235520532038287888365338 5 II.{L.3 Hiện 'Ứng CAO CAD ‹:::-:c:ccc:cccccccccc2c0022002200220122101211011211226132185631585882358868158385555855555555) 6 DUA SUY SAM a 6ãTfiHHRLcsiiissiiiiisiiiiaitiisii1410211224113111651113111813ã655165138538655185355651585385353 7
1.2 Phương pháp gamma truyén qua -cccessesssessssessseeseseesseeeeseessseesseessseesseeenseee 81.2.1 Hệ số đĩng gĩp B 2222222 221222211221221122211211121122 17211 11111112022 cee §12.2 Phương pháp gamma truyền gũa ccsecseceeserseessssael 9
1.3 Phương pháp truyền sai SỐ 22 2 St t2 02121122112 11721022 1122111122122 12
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO - :- 5222 222sccccssee 14
VÀ CHUONG TRÌNH MƠ PHONG MCNP6 - cccscccrrrcereee 14
2.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP l4 2;:1.1 Phượng pháp lMonte Carlo :.issicsiscssscssssassscasscasscasscasscasseanseassseasscazieasscarseasscasveas 14 2:12: Chong trình MON:oooiiioiiioiiiitiiititiiniiti00410141034188031881848338858384588313883 5568 15 2.1.3 Mơ hình trong mơ phỏng MCNPP6 - Án, 16
2.2 Mơ phơng MCNP cho phương pháp gamma truyền qua 5-555s- 22
De lieth ge poe xi NN scccccaazuascnccavecarncarscsssssnesasvasussanusnsuiaasssanseamnecitearseasueersseanee! 25
2.3.I.'Giới thiệu chương trình:CưlegTa1 - : .:ccc 2c iiiia-oaa 25
33:2 (ác bước thực hiện khi xử ý phổ sisasis sss assscassoassaassaasssasssassscssssssvassiassiassniesines 26
2:3:3:.|HAïnif0ánilàmKHỐP:::: ::c:eccitiiiiiiiiiiii121120120111318531158151653583516338835153385553 536 2§
Trang 6CHUONG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN 2 St t1 2112211217102 22 293.1 Xây dung đường chuẩn đề xác định mật độ của các loại gỗ ".Ỏ 29
3.1.1 Với mẫu gỗ dạng hình hộp chữ nhật -52-5522ccssccc 30
9:02: Vôiiminmg0:0ầng BÌNH OG up nioiibsooootoiiinitiiiidiiitisgitigittutaibiidnduiii 34 3.2 Xác định mật độ của một số loại gỖ -. 5-52 ScsSsecsersrsrrrrressrerr 7
5059.512 aa 40
KIEN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU - 22225222 22SE£2SzSt2ztzszrred 4I
TÀI LIEU THAM KHẢO 52221 22102212221122111 21111111 111112210022722 0c yee 42
iv
Trang 7Bảng dữ liệu thành phan và mật độ của các loại gỗ 23
Hệ số suy giảm khối của gỗ 62 2022212002 H012 re 29
Xử lý diện tích đỉnh nang lượng toàn phan gỗ hình hộp chữ nhật 31
Kết qua đánh giá mật độ nội suy gỗ hình hộp chữ nhật 33Kết quả truyền qua của gỗ hình trụ - 2 25<©cczcccsrezsercseee 34
Kết quả truyền qua của gỗ hình trụ 55-ccsccccsccseeseesrces- - 3
Đánh giá kết quả nội suy từ đường chuẩn đối với hai loại gỗ 37
Bảng nội suy mật độ gỗ chưa biết trước 2sssesesssessseesses-s 38
Bảng nội suy mật độ gỗ chưa biết trước s5 cv cv 38
Trang 8DANH MỤC HINH ANH
Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện - - 2-5 << —4124622 1k KHE 4008 4e 5
Hình I:2 Tán xá GGHiBIOR::i:iicoccciciootiibibioiiotiitiii0413014154136251583156133631585586ã53ã5518688) 5
FU 3 GU ME BO CBD ins ccassseseccaceatiscisecasscssseatieatinadscadisasasastinetsesiieatinedsesiieassnesid 6 Hình 1.4 Suy giảm tia gamma trong vật liệu cacbon và chì - - «<2 7
Hình 1.5 Mô hình phương pháp gamma truyền qua - ¿s22 se 9
Hình 2.1 Cau tạo của một 6 THẬTẾ:::z:::222:22221252129126231232123135335855169535891563355385633363385358398 18
Hiri:2:5 C§u¡tưáo đầu đồ NU) assinnaannnnn-aeornnn-anddinnnnnntsiiinnnnnnissil 22Hình 2.3 Mô hình truyền qua cho mẫu gỗ hình trụ - 2 :zz5sz7cxsee 24
Hình 2.4 Mô hình truyền qua cho mẫu gỗ hình hộp chữ nhật 24 Hình 2.5 Hình ảnh phô trong chương trình Colegram 2 252552522 26 Hình 2.6 Chon vùng dữ liệu cần ROI -2-5¿©222S22S22SSt22S222z2E2EEzcxxrcvrred 27
Hình 2.7 Kết quả hàm làm khứp 62 2622212211 201221112110 1121121102100 xe 28Hình 3.1 Hệ số suy giảm khối của các loại gỗ -2-©22c22zec2xecvzecrxece 30Hình 3.2 Số đếm theo mật độ của hình hộp chữ nhật -222 522252552 32Hình 3.3 Tỉ số R theo mật độ gỗ có dang hình hộp chữ nhật 32
Hình 3.4 So sánh mật độ nội suy và mật độ chuẩn -.5-5e5cccc-.- 3
Hình 3.5 Số đếm theo mật độ của gỗ hình trụ ¿22-2 SE 2s xe 35
Hình 3.6 Đồ thị hàm khớp đường chuẩn của gỗ dang hình trụ 3Ó
Hình 3.7 Đánh giá kết quá nội suy từ đường chuẩn đối với hai loại gỗ 36
Hình 3.8 So sánh giá trị giữa mật độ gỗ tính toán và mật độ gỗ nội suy 39
vi
Trang 9Chữ cái viet tat
Full Width at Half Maximum
Monte Carlo N-Particle
Tieng Viét
Kiểm tra không phá hủy
Viện Tiêu chuẩn và Kỹ
thuật quốc gia
Độ rộng nửa chiều cao
của định
Monte Carlo N-hạt
vil
Trang 10MO DAU
Kỹ thuật phân tích không hủy mau (NDT) là một kỹ thuật kiểm tra và phân tích
được sử dụng đò tìm khuyết tật bên trong hoặc ở bè mặt vật cần kiểm tra mà khônglàm anh hưởng đến khả năng sử dụng của đối tượng dùng đê phát hiện các khuyết
tật như vét nứt, rỗ khí, ngậm xi, các mỗi hàn không thấu chân, kiểm tra độ ăn mòn
vật liệu, độ cứng của bê tông cốt thép, đo bề day của vật liệu [1], Việc dd khuyết
tật trong công trình giúp tìm ra các vị trí bị hư hỏng hoặc các thông số kỹ thuật chưa đạt chuẩn và có thẻ xảy ra biến dang qua nhiều năm sử dụng Kiểm tra không hủy
mẫu có hiệu quả về mặt chi phi, hạn chế rủi ro tăng cường an toàn trong xây dựng
Vì kỹ thuật có thé phát hiện ra sai hỏng và thay thé một mặt hàng trước khi sự cỗ xảy
ra mà không ảnh hưởng đến kha năng sử dụng Kiém tra không hủy mẫu là một cách kiếm tra có độ chính xác cao vì các thí nghiệm có thẻ lặp lại nhiều lần với các đối tượng trong công nghiệp Phương pháp kiểm tra gồm nhiều phương pháp khác nhau
và được chia thành hai nhóm chính là kiểm tra khuyết tật sâu bên trong: phương phápchụp ảnh phóng xạ, phương pháp siêu âm, và kiểm tra khuyết tật gần bề mặt nhưphương pháp kiểm tra thâm thấu long, phương pháp kiêm tra bột từ, phương pháp
kiểm tra dòng xoáy, [1] Ngoài ra, phương pháp gamma truyền qua và gamma tán
xạ được dé cap dé kiểm tra các tính chat, cấu trúc của vật liệu Năm 2012, Priyada vả
các cộng sự đã xác định mặt phân cách giữa hai môi trường và mật độ bằng phương
pháp gamma truyền qua và gamma tán xạ [2] Nghiên cứu tập trung vào khả năng phát hiện mặt phân cách giữa các lớp chat long — chất lỏng, chất khí — chat long và
cho ra kết quả chính xác với sai số lớn nhất là 7,73% Năm 2015, V.P.Singh và cáccộng sự xác định hệ số suy giảm khối cho một số loại polyme bằng phương pháp mô
phóng Monte Carlo [3] Nghiên cứu sử dụng các tia gamma với mức năng lượng khác
nhau đề đánh giá sự thay đôi hệ số suy giảm khối Nghiên cứu này sử dụng các hình
hoc mô phỏng khác nhau được sử dụng cho thực nghiệm Kết quả thu được so với dữ
liệu từ NIST có sai số ít hơn 1% Năm 2020, Huỳnh Đình Chương và cộng sự đã xây
dựng phương pháp bán thực nghiệm dé xác định mật độ chat long bang dau dò nhấp
nháy Nal(TI) [4] Trong phương pháp này, mật độ được xác định băng cách xây dựng
Trang 11đường chuẩn tỉ số R và mật độ chat lỏng bằng chương trình mô phỏng MCNP Két
quả đưa ra có độ lệch lớn nhất giữa giá trị tham kháo và giá trị đo được là 4,5% Năm
2020, Hoàng Đức Tâm và các cộng sự đã sử dụng một phương pháp gamma tan xạ
ngược đề xác định bề dày vật liệu với nguồn hoạt độ thấp (nguồn CS” có hoạt độ là
1 Ci) [4] Phương pháp xây đựng đường chuẩn dựa vào tỉ số giữa diện tích đỉnh tán
xạ đối với độ dày nhất định và diện tích đỉnh đôi với độ day bão hòa Phương pháp này có thê ước tính được bẻ đày tôi đa với độ lệch tương đối dưới 7%.
Gỗ là vật liệu nội thất phô biến trong các gia đình hiện nay Giá trị của gỗ càngngày càng tăng lên và gỗ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong cuộcsống Tính chất cơ học, độ bền, độ uốn, khá năng bao quản, vận chuyển của gỗ hay
sản xuất than củi được đánh giá thông qua mật độ [5] Mật độ của gỗ là một yếu tố
quan trọng đẻ xác định chất lượng của gỗ trong cơ khí Tính chất vật lý của gỗ ánh
hưởng đến gia công liên quan với một số đặc tinh độ bên hình dáng bên ngoài của
đồ dùng nội thất Với những gỗ có chat lượng tốt, độ uốn và độ bền càng dn định thì
mật độ cao Mật độ có thể được dùng để đánh giá độ ồn định của kích thước Trong thực tế, người ta đã đè xuất rằng trong một số loài có thẻ phân biệt giữa gỗ non và gỗ
già bằng cách dựa vào mật độ Việc xác định mật độ gỗ là cho biết chất lượng gỗ thực
tế có trong một đơn vị thé tích gỗ Khi đo mật độ gỗ cần quan tâm đến độ ẩm trong
môi trường do.
Do ảnh hưởng của độ âm trong môi trường tác động đến kết quả đo của mật độ
gỗ nên sẽ gặp khó khăn nếu muốn xác định chính xác mật độ gỗ cần đo Các phương
pháp phân tích quang phô tia X [6] và cảm biến vi sóng [7] Tuy nhiên, người ta phải
chú ý đến ảnh hướng của hàm lượng nước và sự thay đôi hệ số suy giảm khối lượng
cho mỗi loại gỗ theo năng lượng gamma được sử dung [8] Kỳ thuật đo mật độ gỗ
bảng phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ đã được các
nhà nghiên cứu khảo sát Trong các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng trực tiếp dit
liệu thực nghiệm đề xây dựng đường chuẩn thì cần phải chuân bị nhiều mẫu đo và thực hiện nhiều phép đo Do ảnh hưởng của độ am, nhiệt độ môi trường lên mật độ
Trang 12của từng loại gỗ là khác nhau, sai sót kỹ thuật khi chế tạo mẫu nên cần phải có một
phương pháp khác đề đơn giản hóa phương pháp xây dựng đường chuân mật độ
Gỗ có thành phần hóa học phức tạp gỗ trồng ở các vùng miền khác nhau sẽ có
thành phan hóa học khác nhau và mật độ sẽ khác nhau thy vào kích cỡ của môi loại
Sử dụng phương pháp gamma truyền qua đề xây dựng đường chuan và từ đó xác định
được mật độ gỗ Bên cạnh việc thực hiện các thí nghiệm, phương pháp Monte Carlo
cũng đang được các nhóm nghiên cứu ứng dụng dé mô tả các quá trình vật lý cho bài
toán gamma truyền qua và gamma tán xạ Trước khi thực hiện thí nghiệm, chúng tôi
sử dụng chương trình MCNP6 dé mô phỏng thí nghiệm Khi thực hiện mô phỏng thì
có thể loại bỏ đi thành phần độ âm trong gỗ và các điều kiện như ảnh hưởng nhiệt độ môi trường hay các tác nhân bên ngoài, chúng tôi thực hiện mô phỏng với điều kiện
lý tưởng là trong các phép đo thì mật độ gỗ không ảnh hưởng bởi độ âm trong môi
trường Chương trình MCNP cần biết thành phần hóa học của 10 loại gỗ và mật độcủa gỗ từ 0,4gcm”— 1,1 gom® Chúng tôi xây dựng đường chuân ti số R theo mật
độ và dùng đường chuẩn kiểm tra mật độ của 4 mẫu gd.
Khóa luận này gồm các nội dung sau:
Chương 1 Cơ sở lý thuyết Trình bày về cơ chế tương tác bức xạ gamma trongvật chất là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp Lý thuyết vềphương pháp gamma truyền qua và tính sai số của phép đo
Chương 2 Trình bày về chương trình mô phỏng Monte Carlo Trong chươngnày, trình bày về cách khai báo nguồn chương trình Colegram xử lý mô phỏng
Chương 3 Kết quả và thảo luận Trình bày kết quả xử lý với hai kích thước là
gỗ dạng hình hộp chữ nhật và gỗ hình trụ tròn có cùng bê dày là 5 em Đánh giá vả
so sánh kết quả, xây dựng đường chuẩn mô phỏng với hai mẫu gỗ, độ tin cậy phép
đo Ứng dụng của phép đo trong thực tế
Trang 13CHUONG 1 CƠ SỞ LÝ THUYET1.1 Tông quan về bức xạ gamma tương tác với vật chất
Trong chương này, trình bày các cơ chế tương tác bức xạ gamma với vật chất
dé khảo sát các bài toán nghiên cứu và ứng dụng vật lý hạt nhân trong công nghiệp
môi trường và lĩnh vực kinh tế Tương tác của bức xạ gamma với môi trường vật chất
sẽ khác nhau với mỗi mức năng lượng Tia gamma tương tác với môi trường chủ yếu
là tương tác điện từ Bức xạ gamma không mang điện nên không chịu ảnh hưởng của trưởng Coulomb và nó chỉ tương tác với electron trong vùng có bán kính khoảng 10
!! m Cường độ của chùm tia gamma giảm dan do hap thụ hay tán xạ với vật chất
Bức xạ gamma là bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn, với bước sóng thấp nhật khoảng 10 -!? m và có khả năng ion hóa mạnh trong môi trường vật chất Trên
Trái Dat bức xạ gamma thường được sinh ra bởi sự phân rã của các hạt nhân khôngbên và các bức xạ thứ cấp từ các tương tác của các hạt trong tia vũ trụ Các hiệu ứng
của bức xạ đi qua môi trường vật chất là tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp hiệu ứng
quang điện Ngoài ra, chương | trình bày quy luật suy giảm cường độ bức xạ gamma
trong môi trường vật chất.
Bức xạ ion hóa đi vào trong vật chất sẽ truyền năng lượng, kích thích và ion nguyên tử xung quanh Kích thích là quá trình nguyên tử hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích O trạng thái nguyên tử, phân tử phát ra photon năng lượng, bức xạ nhiệt hay phan ứng hóa học đề trở lại trạng thái cơ bản Quá trình
nguyên tử, phân tử bị kích thích thì không có electron nào bị bức ra khỏi nguyên tử,
phân tử lon hóa là quá trình electron bị bức ra khỏi nguyên tử, phân tử do nó nhận
được năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết với nguyên tử, phân tử Quá trình ion
hóa tạo ra một cặp ion là ion âm (electron thoát ra) và ion đương (phan còn lại của
nguyên tử, phân tr).
1.1.1 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là dang tương tác phô biến khi năng lượng của tia gamma
có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết clectron nguyên tử với hạt nhân Tia
Trang 14gamma tương tác với electron phá vỡ liên kết của nó và nguyên tử, năng lượng của
nó truyền cho electron và nguyên tử bị kích thích Các electron sẽ hap thụ hoàn toàn
năng lượng photon đến đẻ phá vỡ năng lượng liên kết và thoát ra khỏi về bề mặt kim
loại với động năng cực đại Albert Einstein dựa vào lý thuyết lượng tử ánh sáng của
Max Planck đã giải thích thành công hiệu ứng quang điện.
Năng lượng của photon tới ít nhất phải bằng năng lượng lượng liên kết electron
thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron
Trang 15Tan xạ Compton là hiện tượng tin xạ đản hoi giữa photon va electron tự đo Khi
xảy ra tán xạ Compton thì photon sẽ mắt đi một phần năng lượng và sẽ bị lệch phương
so với ban đầu
1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi năng lượng của tia gamma lớn hơn hai lần năng
lượng nghỉ của electron (1022 keV) lan truyền trong môi trường vật chất, vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử thì có thê xảy ra hiệu ứng tạo cặp electron và positron.
Dé xảy ra quá trình tạo cặp thì năng lượng tới của photon phải lớn hon năng lượng
nghỉ của hai hạt và tuần theo định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng.
Đôi với các photon có năng lượng lớn hơn 1022 keV, quá trình tạo cặp là
phương thức chiếm ưu thể của tương tác photon với vật chất Những tương tác này
lần đầu tiên được quan sát thay trong buông mây được tim thay bởi Patrick Blackett,
ông được trao giải Nobel Vật lý năm 1948.
Trang 161.1.4 Suy giảm tia gamma
Sự suy giảm của một chùm tia gamma hẹp đi qua một lớp vật liệu đồng nhấtđược đặc trưng bởi hệ số suy giảm Hệ số này càng cao thì suy giảm càng nhanh Hệ
số suy giảm là thước đo xác suất tương tác của tia gamma với vật chất, tương tác với vật chất càng nhiều thì năng lượng mat mát càng lớn Các hiệu ứng như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton va hiệu ứng tạo cặp đồng thời cùng đóng góp vào hệ
số suy giảm Thường có một xác suất đáng kẻ là tia gamma truyền đi một khoảng cách tương đối lớn mà không tham gia vào bat kỳ tương tác nào Kết qua là bức xạ
gamma vừa xuyên thấu hơn vừa khó dừng hơn so với bức xa alpha hoặc beta Xácsuất tương tác của tia gamma với hạt nhân có số Z lớn thì cảng cao
LkeV 1 MeV 1keV 1 MeV
Nang lượng Photon
Hình 1.4 Suy giảm tia gamma trong vật liệu cacbon va chi [18]
Trong Hình 1.4, đối với vật liệu có số nguyên tứ Z lớn như chi thì suy giảm
chùm tia gamma sẽ lớn hơn là nguyên tử có số Z nhỏ như cacbon Bởi vì những
nguyên tử có Z càng lớn thì lớp điện tử xung quanh hạt nhan sẽ dày đặc hơn so với
Trang 17những nguyên tử có Z nhỏ Tiết diện tán xa Rayleigh và tiết diện hap thụ quang điện
trong cacbon chỉ xảy ra ở mức năng lượng 20 keV Trong khi đó, đối với hạt nhân
chì có tiết điện tán xạ Rayleigh xảy ra ở vùng năng lượng 600 keV Khi tia gamma đi vào môi trường vật chất khả năng tương tác với lớp điện tử xung quanh hạt nhân có
số Z lớn sẽ cao hơn nên chùm tia gamma khi đi vào trong vật liệu có số Z lớn sẽ bị
hap thụ nhiều hơn.
1.2 Phương pháp gamma truyền qua
1.2.1 Hệ số đóng góp B
Khi chùm bức xạ gamma đi qua vật chất thì bức xạ gamma sẽ giảm theo công
thức (1.3) với điều kiện hình học tốt như bẻ dày của chất hap thụ có bé day mỏng và
các chùm bức xạ song song.
I = lạ e~t#mPX (13)
Trong một số điều kiện hình học có bê dày vật liệu hap thụ tương đối lớn và các
bức xạ gamma phân kì thì công thức (1.3) không còn phù hợp nữa, do đó cần phải
chỉnh sửa bang cách thêm vào công thức trên một hệ số đóng góp B [12]:
= In Be tm?P* (1.4)
B = (Tia gamma sơ cấp + Tia gamma tán xa) / (Tia gamma sơ cấp)
Hé sé đóng góp phụ thuộc vào năng lượng của bức xa gamma và vật liệu Khi bức xạ gamma đến vật liệu bia sẽ gây ra các tương tác như tán xạ compton và tán xạ
Rayleigh và sinh ra các bức xạ gamma thứ cấp Các bức xạ thứ cấp này đi đến đầu dd
và không thê phân biệt so với bức xạ gamma bị suy giảm.
Các nguyên nhân sinh ra tán xạ thứ cấp:
© Tan xạ trong vật liệu bia;
© Tan xạ trong không khí;
Tán xạ với vật liệu chế tạo đầu dò;
3°
Tan xạ với vat liệu chê tạo nguồn và vật liệu che chan.
©
Trang 18Vì hệ số đóng góp nảy phức tạp nên trong đo thực nghiệm thường ưu tiên việc
sử dụng chùm tia song song và hẹp Dé tạo ra chùm tia song song và hẹp thì cần phảichuẩn trực bằng chì có đường kính trong nhỏ và bê day đủ lớn Ngoài ra, để có thểhạn chế thành phan tán xạ nhiều lần đến đầu dò thì ta sử dụng ống chuẩn trực dau dò
Trong bài toán mô phóng, chúng tôi sử đụng hai khối chuẩn trực nguồn và chuẩn trực
đầu đò có đường kính trong lần lượt 0,251 em và 0,502 em Do đóng góp của thành
phan thứ cấp nhỏ hơn nhiều so với trước khi chưa đóng góp nên xem hệ số tích lũy bằng 1.
1.2.2 Phương pháp gamma truyền qua
Khi một chùm tia photon được phát ra từ đồng vị phóng xạ đi vào đầu dò, bức
xạ gamma tương tac với các clectron bên trong vật liệu, một số photon có khả năng
bị hap thụ hoặc bị tán xạ với các electron trong môi trường Dựa vào sự suy giảm
chùm tia photon khi đi qua mẫu, phương pháp gamma truyền qua được sứ dụng dé tim môi liên hệ cường độ chùm tia với mật độ Mỗi liên hệ giữa số đếm được ghi
nhận từ dau đò được bỗ trí thí nghiệm ở Hình 1.5 với khi không có mẫu là No và khi
có mẫu là N, tuân theo công thức 1.5 [11]:
Chuan tri dav db Tinh thé Nal(Th)
Trang 19N = Np ented (1.5)
trong đó;
d là bề dày của gỗ (cm);
Ht, là hệ số hap thụ tuyến tính (em? g}),
Hệ số suy giảm tuyến tính thay đôi theo thành phan vật chất và mật độ Sự phụ
thuộc của nguyên tử Z chiếm ưu thế va sự thay đối thành phần hóa học của nguyênliệu gây ra sự thay đôi của hệ số suy giảm tuyến tính ngay cả đối với các loại vật liệu
có cùng khối lượng riêng Ở năng lượng cao thì sự phụ thuộc của hệ số suy giảm
tuyến tính vào mật độ là chiếm ưu thé hơn
Hệ số suy giảm tuyến tính được tính như sau:
l N
= —In| —t+ 1.6
H, 2Í X.) (1.6)
Đặc tính của hệ số suy giảm tuyến tính phải được xác định độc lập với tỉ trọng
của nó Đối với môi trường xốp như gỗ, hệ số suy giảm tuyến tính là một hàm của
khối lượng riêng và hàm lượng nước trong vật liệu đó theo phương trình [S]:
Hy = Ha Py FO bine (1.7)
trong do:
It,, là hệ số suy giảm khối của gỗ:
Umw hệ số suy giảm khối của nước;
p, (gem”) là mật độ tương ứng mỗi loại gỗ:
@ là hàm lượng nước có trong gỗ.
10
Trang 20Trong bài toán mô phỏng, mẫu gỗ đang xét được say khô và không lẫn nước
lượng (%) của nguyên tổ thứ i (» : )}
Khi vật liệu được tạo thành bởi các chất khác nhau và các chất có một bé dày,
hệ số suy giảm khác nhau thì công thức (1.3) trở thành:
chuẩn ta sử dụng ti số R dé loại bỏ các yếu tô trên.
Chúng tôi sử dụng mô phỏng Monte Carlo dé tính tỉ số R, tương ứng với cácloại gỗ hầu hết gỗ có thành phan hóa hoc và mật độ khối lượng khác nhau dù được
trồng trên cùng một địa phương Đối với photon có năng lượng lớn, thì hệ số hấp thụ
11
Trang 21khối của gỗ thay đổi không đáng ké bởi vì thành phần hóa học chủ yếu cau tạo nên
gỗ là ƒ,C,Ø,, trong đó tỉ lệ cacbon và oxi chiếm phan lớn khối lượng của gỗ
1.3 Phương pháp truyền sai số
Sai số là giá trị khác biệt giữa giá trị đo đạc và giá trị thực Đề đánh giá về giátrị đo được cần phải tính độ tin cậy của phép đo đó Quá trình phân tích các kết quả
và độ bất định trong phép đo được gọi là quá trình phân tích sai số Mục đích là dùng
dé so sánh ý nghĩa với các giá trị đo đạc và giá trị thực Với kết quả đo đạc không
chắc chắn về độ chính xác thì sẽ không tra lời được câu hỏi cơ bản trong khoa học là:kết quả đưa ra có trùng khớp với dự đoán trên lý thuyết hay kết quả từ các thí nghiệmkhác hay không Câu hỏi này là cơ bản dé quyết định kết quả đo đạc được xác nhận
hay bị bác bỏ [13].
Sai số tùy thuộc vào cách ghi nhận kết quả của phép do, một thiết bị thé gây rasai số ngẫu nhiên trong phép đo hoặc sai số hệ thông như nguôn phóng xạ thực hiện
trong bài toán mô phỏng có sai số là 3% Sai số ngẫu nhiên là những sai số mà ảnh
hưởng của nó đến kết quả đo đạc là không rõ ràng và không biết trước được Khôngthê loại trừ sai số ngẫu nhiên trong phép do, mà chỉ có thé giảm bớt bằng cách dùng
máy có độ chính xác cao, người đo có nhiều kinh nghiệm và sử dụng các phương pháp toán học dé xử lí kết quả đo Đối với các bài toán trong vật lý hạt nhân nguồn phóng xạ phân rã ngẫu nhiên và tuân theo phân bố Poisson nên để giảm sai số trong thí nghiệm cần phải tăng thời gian ghi nhận sự kiện phân rã phóng xạ dé có đủ số dém thong kê.
Trong xử lý số liệu sai số của mật độ được ánh hưởng từ nhiều các đại lượng
Trang 22Nog là số đếm của điện tích đỉnh toàn phần khi không có mẫu;
với hệ số k=2,58 được chon đẻ đạt độ tin cậy 99%.
Phương trình được khớp dưới dang hàm tuyến tính là p(R) = aR +b với hệ số a
và b là các tham số của hàm khớp.
Sai số của mật độ được tính theo công thức:
6, (a, b,.R“ ) = ia" ơ? +ơ; a Ke (1.13)
Trong đó:
Gq là sai số của tham số a;
Øp là sai số của tham số b
Phương trình (1.13) cho thay sai số của mật độ gỗ phụ thuộc vào bề dày mau,
hoạt độ và thời gian đo.
13
Trang 23CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO
VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHONG MCNP6
2.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP
2.1.1 Phương pháp Monte Carlo
Tên của phương pháp này được đặt theo tên của một thành phố Monaco, dựa trên việc gieo số ngẫu nhiên Kỹ thuật nay được phát trién lần đầu tiên bởi Stanislaw
Ulam, một nhà toán học làm việc trong Dự án Manhattan Cơ sở của phương pháp là
không thé xác định được xác suất của các kết qua khác nhau do có sự can thiệp củabiến ngẫu nhiên Do đó, mô phỏng Monte Carlo lặp lại liên tục các mẫu ngẫu nhiên
đề thu được kết quả số Phương pháp này gán biến cho giá trị có kết quả ngẫu nhiên.
Sau đó, mô hình được thực hiện với số phép thử cho trước và lặp lại nhiều lần Khi
hoàn tất kết quả mô phỏng, các kết quả được tính trung bình đẻ ước tính [14].
Các phương pháp Monte Carlo giải quyết vấn đề: tối ưu hóa, tích phần số và
tạo ra các kêt quả từ phân phôi xác suât và dựa trên mô hình sau:
©_ Xác định miền của các đầu vào có thé có
© Tạo đầu vào ngẫu nhiên từ phân phỗi xác suất trên miễn
© Thực hiện tính toán xác định kết quả từ đầu vào.
© Tổng hợp kết quả
Một ứng dụng cô điền của phương pháp nay là việc tính tích phân xác định, đặc
biệt là các tích phân nhiều chiều với các điều kiện biên phức tạp Phương pháp MonteCarlo có vị trí quan trọng trong vật lý tính toán và nhiều ngành khác Phương phápnày tính bằng số và hiệu quả cho nhiều bai toán liên quan đến nhiều biến số mà khôngthé giải một cách dé dang băng các phương pháp khác Mô phỏng Monte Carlo
thường được đặc trưng bởi nhiều tham số chưa biết, nhiều tham số khó thu được bằng
thực nghiệm Phương pháp Monte Carlo được đưa vao sử dụng từ những năm 1940
và chương trình MCNP tạo ra dé ứng dụng cho phương pháp nay.
14
Trang 242.1.2 Chương trình MCNP6
Chương trình MCNP là chương trình dùng cho mô phỏng các quá trình vật lý
đối với vật lý hạt nhân Các quá trình phân rã phóng xạ, tương tác của bức xạ với vậtchat, thông lượng neutron, được tính toán trong phương pháp Monte Carlo
Chương trình được sử dụng dé tính toán mô phỏng về quá trình vận chuyển neutron
trong lò phản ứng, giải các bài toán vận chuyền bức xạ 3 chiều, theo miễn thời gian,
miền năng lượng liên tục trong vận chuyên lò, tinh toán độ an toàn năng lượng công suất lò, hoặc tính toán mức độ an toàn trong y học Chương trình MCNP xử lý với
các vật liệu có hình dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa vào thư viện hạt nhân.
Chương trình mô phỏng được quá trình tương tác của photon với vật chất cũng nhưcác bức xạ khác clectron tùy thuộc vào tính chất của các loại vật liệu Nhờ vào
quy tắc gieo số theo nguyên lý thông kê với số hạt gieo lớn và được hoạt động trên
Đề vận chuyền các hạt chương trình trình sử dụng hai nguyên tắc:
Gieo số ngẫu nhiên: chương trình tạo ra các số ngẫu nhiên tương ứng với mỗi loại hạt dé phục vụ quá trình tính toán (neutron: 1, photon: 2, electron: 3).
Phân bồ xác suất: tat cả các thông số của hạt được khai báo tử tập tin vào nhưnăng lượng, hướng phát, vị trí, sẽ được lấy theo ngẫu nhiên theo phân bố Cácthông số cần trong mô phỏng sẽ khởi tạo thủ tục DXTRAN đề tạo nên các hạt trong
mặt cau.
Các hạt sẽ năm ở các biên của ô mạng (đối với photon và neutron), tiết điện
tương tác, tiết diện toàn phần, khoảng cách từ ô mạng đến va chạm trực tiếp, quãng
đường tự do trung bình, các thông số nay được tính toán cụ thé Tính toán mặt phản
15
Trang 25xạ, biên tuần hoàn, phan chia hình học, thuật toán Russian Roulette sẽ được áp dụng
vả chương trình sẽ ghi lại các dau vết của hạt đó
Các tính toán va chạm của photon được mô phỏng quá trình vật lý, các mô hình
tương tác của photon với các clectron tự do có trong vật liệu và chưa tinh đến cácnăng lượng liên kết của electron với hạt nhân Cụ thé là các quá trình tán xạ Compton,quá trình tán xạ khác, hiệu ứng tạo cặp và hiệu ứng quang điện được mô tả đây đủ.Khi các hạt đi qua các mặt biên hạt sẽ dé lại dau vết khi va cham, sau đó hạt lại tiếptục gieo cho đến khi nào đủ số lượng thống kê thì sẽ đừng lại
2.1.3 Mô hình trong mô phỏng MCNP6
Khai báo ô mạng
Ô mạng là vùng không gian được hình thành bởi các mặt biên, nó được hình
thành bởi các phép toán: giao, hội và bù các mặt trong không gian đề tạo ra một vùng
không gian Khi vùng không gian của một ô mạng được xác định thì các điểm trên
một mặt được gọi là mặt biên.
Cau tạo của ô mạng gdm có: số 6 mạng, số vật chat, mật độ, mặt Số 6 mạng là
số đại diện cho tên 6 mạng Số vật chất là khai báo ở dit liệu 6 mạng Mật độ tương
ứng với vật chất chứa trong ô mạng Mặt là kết hợp với các toán tử giao hợp bù và
dau âm dương của các mặt.
Khai báo mặt
Hình học của các của MCNP dùng hệ trục tọa độ Descartes MCNP theo dõi sự
chuyên động của hạt thông qua các hình học của các ô mạng, tính toán các vị trí giao
nhau của quỹ đạo các hạt với mặt biên và tìm khoảng cách dương nhỏ nhất đến điểmgiao nhau trong ô mạng đó, nếu va chạm sau lớn hơn khoảng cách dương nhỏ nhất
thì hạt sẽ rời ra khỏi ô mạng đó Khi đó, tại các biên giao nhau giữa các mặt thì MCNP
sẽ tính toán hạt di chuyên đến 6 mang nào kế tiếp và cứ thé tính toán quá trình vận
chuyên của các hạt.
16
Trang 26Thẻ khai báo mặt được tạo bởi các các dang mặt cơ ban như mặt phăng, mặtcầu, mặt trụ gồm có 30 mặt khác nhau dé có thê định dạng được các hình khác
nhau trong không gian Trong khóa luận này tôi sử dụng các mặt được nêu ra trong
Bang 2.1 Phương trình một số loại mặt được định nghĩa trong MCNP [14]
Ô mạng trong hình 2.1 được cau tạo tit phan giao của vùng phía dưới mặt số 1,
vùng phía trên mặt số 3, vùng bên trái mặt so 2, vùng bên phải mặt số 4.
Khai báo cho các 6 mạng là:-l -2 +3 +‡
17