Đề đánh giá khả năng che chắn của vật liệu, các nhà khoa học nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các photon với vật liệu, trong đó bao gồm nguyên tử số hiệu dụng..
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỎ CHÍ MINH
KHOA VAT LÝ
ĐẠI HỌC
S%SP
TP HO CHÍ MINH
TRAN THI MỸ DUYEN
KHOA LUAN TOT NGHIEP
CUA MOT SO LOAI POLYME
Chuyén nganh: Vat ly hoc
Tp Hồ Chí Minh - Năm 2020
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH
KHOA VAT LY
XAC DINH NGUYEN TU SO HIEU DUNG
CUA MOT SO LOẠI POLYME
Cán bộ hướng dan: TS Hoang Đức Tâm
Sinh viên thực hiện: Trần Thị Mỹ Duyén
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận, em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Đức
Tâm Thay đã luôn hướng dẫn và truyền đạt nhiều kiến thức cho tôi trong quá trình thựchiện Thầy không chỉ truyền đạt những kiến thức khoa học mà còn truyền đạt nhiều giá
trị nhân văn giúp em có thêm tri thức trên con đường tương lai.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Vật lý và trường Đại học Sư phạm đã
hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và rèn luyện Đồng thời tôi xin cảm ơn các bạn lớp Vật
lý Cử nhân A K42 đã đồng hành cùng tôi và giúp đỡ trong những năm học qua
Cuỗi cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ba mẹ và các thành viên trong gia
đình đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi dé tôi có thê tập trung hoàn thành khóa luận.
Trang 4DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TÁT
Zeff Nguyên tử số hiệu dụng Effective atomic number
CTHH Cấu tạo hóa học Chemical formula
Trang 5DANH MỤC HÌNH VE - DO THỊ
Hinh I.1,/HiÊ20'006 Quảng HH casooaoooaioaioeoooaiooaoooaiioiioioiooiooiiooiitiiitiistitatiiegiieaiooaiaa 3
Hình 1.2 Hiệu ứng Compton và sơ đồ tán xạ của bức xạ gamma lên electron tự do 4
Hinh:1:3: Hiện nz tad: cặp và MEU BE NOY COD s sisicssississaisesssssassaissainsassssisassssaassosinoasse 5
Hình 2.1 Cau trúc thẻ khai báo 6 mang trong tập tin đầu vào -. cc ¿ 15
Hình 2.2 Cau trúc thẻ khai báo mặt trong tập tin đầu vào .¿ .cc-cccsec 16
Hình 2.3 Cau trúc thẻ khai bao nguồn trong tập tin đầu vào -:- 18
Hình 2.4 Cau trúc thẻ khai báo vật liệu trong tap tin đầu vào . 19Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thực nghiệm gamma truyền qua -::©52:: 52222 20
Hình 3.2 Mô hình mô phỏng gamma truyền qua trong chương trình MCNP6 20
Hình 3.3 Thông số của nguồn phóng Xạ 5-2222222222222222222222222222222222c22 ee 21
Hình 3.4 Phé năng lượng trước và sau khi xử lý bằng phần mềm Colegram 24
Hình 3.5 Đô thị so sánh giữa hai phương pháp - 2-22 522222 22 xccxrrcvrrsrrrree 27
Hình 3.6 So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụng giữa phương pháp tính
trực tiếp với các nghiên cứu khác 2-2 s£2s+£E+EEZ£EEZEEEZ xE2SxE22E2SE2222222222- 28Hình 3.7 So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụng giữa phương pháp Monte
Cailo.v0ii6ñe:npghiBn.ci0IiKHilE:s.icieeeieiiiiiieiiiiniiiiiiii6510055022326655122385385053663358538 29
Trang 6DANH MỤC BANG BIÊU
Bảng 2.1 Cau trúc tập tin dau vào của chương trình MCNP6 5-55-5552: 13
Bảng 2.2 Một số mặt được Nghia trong MCNEGceseieeeeeeaeieeoeei 16
Bảng 2.3 Các định nghĩa thông số trong MCNP6 sccseccsss-essveeseeeseeesseesscenseesseeenees 17
Bang 3.1 Tên gọi, cấu trúc hóa học và mật độ của một số vật liệu polyme 22
Bang 3.2 Cau hình và thông số kỹ thuật của đầu đò Nal(TÌ) .2 2¿55+c55+e 23
Bảng 3.3 Dữ liệu tính toán hệ số suy giảm khối của vật liệu 55555: 24Bảng 3.4 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng giữa hai phương pháp 26Bảng 3.5 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng với các nghiên cứu khác 27
iv
Trang 71.1 Tương tác bức xa gamma với vật Chat cece eeceeceeseessesseeseenvessesseseesecesesserseneneenenees 3
I).I.,HiEniRE(8NEIilTlLisiiiiiiiiiieii2iiiiiiiiiiitiiiiiii2i044012200121112111011062121400201245125138243103556 3
1.02: Hiện ng COMMON sssecccsceicasecesssscsssecsscassscsssassestsecsisacssassescesestsescssecsssstsastesssecereait: 4
WAP Hiện H6 |HẠð!'EBD snssiniiinniiniiniiiiiitiiiiiiaiiiititiiiii21ii6i0i2i114111011118011311148110301131188330352082188 5
eo) 0 ere 6
1.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối - 252-2222 212 v32 2222117211211 11 1xx crve 61L2:2 Xác định nguyên tử số hiệu dụng e2 .ŸYnE202.220 60 8
1.3 Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu AUN oo cee cece eesesssesseeseerseeeseeeceeneeane 9
1.3.1 Phuong phap 0 c::ẻdadddiidiiid4ÁÝÁÝ 9
1.322 Phwong phan Monte Carlo scciscccccscssacssaseseasseacssstssacssasssaassesssesescasssacssaessasssaseseerseass: 9
1.4 Tóm tắt chương Ì - c2 SE 122112 112111 11 11 11 111 112 1111 1 1 1 0121 c6 llCHUONG 2 PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO VA CHUONG TRINH MCNP6 127.I.IPFhương phán Monte Casto ‹¡cooccocooaooaoooooiooiiiaioaniinnaiiidiiiitiisiiisii2530ã81818ã886ã8 12
2„:inifinigiEmhiMNEEuaaaaiaaiaaaiaiiiiiiidiiiiiiiiiiiii1iii1100110224062121214822gã833 12
2.3 Câu trúc tập tin đầu vào -. ¿7221 S1 210222212 11711271 1111171721121 02x c1xeckceg 13
Trang 82.3.1 Thẻ khai báo ô mạng (Cell Card§) 14
2.3.2 Thẻ khai báo mặt (Surface Card$) - cv 1211221122 115011111111 1v 01211222256 15
2.3.3 Thẻ khai báo dữ liệu (Data Cards), 0:.cc:cccsicccisascccissccisascsnssccasscacicasccetssasisasciaascccs 17
2.4 Tóm tắt chương 2 ¿222-222 222222211221112211221111111222211721277 1 111.1111122 r2 19CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH NGUYEN TU SO HIỆU DUNG 20
Sl MG Mitta MG | PHONG saceeeioeiioioiiooaioioooiioiiitiiiitiittiistttisiti3i30161555182016519855:3856185i 20
BF lì NI 091in 51: ONIN nerne ố.ố n an 20
3.1.2 Phương pháp xử lý phô 2- 222 2222222222 2EE22EEE2EEE2EEE AE 2E 2EEecExecrrrcrrrce 23
5/0: IK'€0008:03/HH1R(XÊT: anh nh öanhgnnggi0gEH023088108308331138083550380185805880088318381338138883831 24
3.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối 2222 ©V22222t#ECEE2SE2EEEecEEecErrcrrrrerrred 243.2.2, Xác định nguyên tử số hiệu AYN eee cescessoesseessesssesseeseeeseeescesecesecssenseeseeseeeeess 25
5/3! Tni(UHHCHIEOE ses 05260012 100220121002432505511962411852301219121412103323021935308823E12710211121/321142311G: 29
TÀHEIEU THAM HT an enneontintoeenseesanaseersrossnttanoteinnsa01210650100553610020005800827 31
vi
Trang 9MỞ DAU
Kiém tra và đánh giá vật liệu là một trong những van dé cần thiết đối với các ngành
trong lĩnh vực khoa học Hiện nay, một trong những phương pháp kiêm tra được sử dụng rộng rãi là phương pháp kiểm tra không phá hủy Phương pháp này dùng dé phát hiện
khuyết tật của vật liệu mà không làm ảnh hưởng khả năng sử dụng của vật liệu sau này
Trong đó, phương pháp chụp ảnh phóng xạ là phương pháp sử dụng tia bức xạ chiều qua
vật liệu cần kiểm tra và dựa vào sự suy giảm của tia bức xạ khi xuyên qua chiêu đày vật
liệu để đánh giá kết cau vật liệu
Đề đánh giá khả năng che chắn của vật liệu, các nhà khoa học nghiên cứu về các
thông số ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các photon với vật liệu, trong đó bao gồm
nguyên tử số hiệu dụng Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xác địnhnguyên tử số hiệu dụng như phương pháp gamma tán xạ [1-2], gamma truyền qua [3-
4I Kucuk và cộng sự [4] đã xác định nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu
dụng cho 5 vật liệu polyme Trong nghiên cứu, Kucuk sử dụng hệ đo gamma truyền qua
với dau đò Nal(TI) tại nhiều mức năng lượng đề tiên hành thực nghiệm Đồng thời, tínhtoán các thông số trên bang lý thuyết dé so sánh kết quả với thực nghiệm Kết qua thuđược là giá trị thực nghiệm phù hợp với giá trị lý thuyết
Với độ phù hợp cao giữa giá trị lý thuyết với giá trị thực nghiệm trong nghiên cứutrên, chúng tôi sử dụng một số phương pháp đề xác định nguyên tử số hiệu dụng của hợpchất Đối tượng được chọn đề khảo sát là một số vật liệu polyme (14 loại) vì đây là mộtloại vật liệu hợp chất mang tính ứng dụng cao trong đời sống Bên cạnh đó, chúng tôi sửdụng phương pháp Monte Carlo cùng phan mềm mô phỏng MCNP6 đẻ mô phỏng môhình gamma truyền qua với năng lượng xác định của nguồn '*’Cs (0,662 MeV) Từ kết
quả thu được, so sánh giá trị lý thuyết và giá trị mô phỏng với giá trị thực nghiệm từ một
số nghiên cứu khác Từ đó đánh giá sự phù hợp của phương pháp lý thuyết và mô hình
mô phỏng được xây dựng trong khóa luận.
Trang 10Ngoài ra, trong nghiên cứu trước đây của Chương và cộng sự [Š] Chương sử dụng
tỉ lệ của điện tích đỉnh tán xạ đơn của chất lỏng so với nước dé xác định mật độ của môt
số loại chat lỏng Phương pháp này bỏ qua sự ảnh hưởng của thành phan vật liệu và coi
như mật độ chỉ phụ thuộc vào năng lượng Sự ảnh hưởng của thành phần vật liệu vào
mật độ cần được đánh giá lại dé hoàn thiện dữ liệu Chúng tôi muốn khao sát sự ảnh
hưởng của nguyên tử số hiệu dụng của vật liệu vào việc dự đoán mật độ vật liệu Phương
pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng và mô hình mô phỏng trong khóa luận này sẽ là
tien dé dé chúng tôi tiễn hành khảo sát trên
Nội dung khóa luận được chia thành ba chương:
Chương | trình bày những tương tác của bức xạ gamma với vật chất, cơ sở lý thuyết
và một số phương pháp dé xác định nguyên tử số hiệu dụng.
Chương 2 giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP6
Chương 3 trình bay mô hình mô phỏng của mô hình gamma truyền qua, đồng thời,trình bày và so sánh các kết quả thu được từ các phương pháp
Trang 11CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE NGUYÊN TU SO HIỆU DỤNG
1.1 Tương tác bức xạ gamma với vật chất
Bức xạ gamma được tạo ra từ quá trình phân rã của các đồng vị phóng xạ và từ sự
tương tác giữa các hạt cơ bản Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng
lượng cao Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp
như các hạt mang điện mà thường xảy ra ba hiệu ứng: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng
Compton và hiệu ứng tao cặp.
1.1.1 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xáy ra khi bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của
nguyên tử và truyền toàn bộ nang lượng cho electron đó khiến electron thoát ra khỏi
nguyên tử Electron đó được gọi là quang electron Quang electron được cung cấp động
năng cực đại E bằng hiệu của năng lượng bức xạ gamma tới E với năng lượng liên kết
của electron với hạt nhân Ex [6]:
(1.1)
Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xa gamma tới phải lớn hơn nănglượng liên kết của electron với hạt nhân, trong đó, năng lượng liên kết của electron giảm
Trang 12dan theo các lớp K, L, M, Ngoài ra, hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với các
electron tự đo vì vi phạm định luật báo toản năng lượng va động lượng.
1.1.2 Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng Compton là hiện tượng khi bức xạ gamma va chạm với electron lớp ngoàicủa nguyên tử, truyền một phần năng lượng khiến electron bật ra khỏi nguyên tử còn bức
xạ gamma bị giảm năng lượng và thay đôi phương bay Hiện tượng chỉ xảy ra khi năng
lượng bức xạ gamma tới mang giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các
electron lớp K trong nguyên tử Khi đó có thé bỏ qua năng lượng liên kết của electron
và tán xạ của bức xạ gamma lên electron có thé coi như là tán xạ với electron tự đo.
Y Ey _ : —
Hình 1.2 Hiệu ứng Compton và sơ dé tán xa của bức xa gamma lên electron tự do
Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, thu được công thức năng lượng
gamma sau tan xạ và năng lượng electron sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay của gamma
Trang 13e Nang lượng electron sau tan xạ [6]:
E.=E-E'=- (1.3)
trong đó:
e E là năng lượng gamma trước tán xạ.
e F' là năng lượng gamma sau tan xạ.
e E: là năng lượng electron sau tin xa.
e 0 là góc bay của gamma sau tan xạ.
1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp là hiện tượng bức xạ gamma mang năng lượng lớn hơn hoặc bằng
hai lần năng lượng nghỉ của electron (E, 2 2m,c’) di qua điện trường cua hat nhân và
sinh ra một cặp electron-positron.
Trang 14Theo định luật bảo toản năng lượng:
E+E =E,—2m,c? =E, - I,022(MeV) (1.4)
Electron sau khi xuất hiện sẽ mat dan năng lượng dé ion hóa các nguyên tử trong
môi trường Còn positron mang điện tích dương nên tương tác với clectron của nguyên
tử khác và hủy lẫn nhau, đây gọi là hiện tượng hủy cặp Khi hiện tượng hủy cặp xảy ra,
sinh ra hai bức xạ mang năng lượng 0,511 MeV ngược chiều nhau
1.2 Cơ sở lý thuyết
Nguyên tử số (Z) của một nguyên tổ là số proton trong hạt nhân của mỗi nguyên tử,
tương tự như số điện tích của một nguyên tử Với nguyên tử trung hòa về điện, số proton
trong hạt nhân bằng với số electron ở các lớp vỏ hạt nhân và chúng liên kết với nhau
bằng tương tác tĩnh điện Déi với hợp chat, nguyên tử số hiệu dụng (Ze) được xác định
phức tạp hơn so với nguyên tử sô của một nguyên tô.
Nguyên tử số hiệu dụng (Ze) của hợp chất là một thông số vật lý đặc trưng cho sựtương tác giữa các photon với vật liệu Thông số này được sử dụng nhiêu trong việc đánh
giá che chắn bức xạ của vật liệu [7-8], phân biệt các mô tế bào [9], chụp ảnh phóng xạ
mẫu vật cô [10] Với tính ứng dụng cao nên nguyên tử số hiệu dụng rất được quan tâm
và nhiều phương pháp được phát triển đẻ tính toán thông số này Khóa luận này sẽ trình
bày một số phương pháp tính nguyên tử số hiệu dụng
1.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối
Khi chiều một chùm tia gamma hẹp đơn năng vào bia vật liệu thì cường độ chùm tiathay đôi khi đi qua bé day dx của bia như sau [6]:
dI = —uldx (1.5)
Công thức (1.5) được viết lại:
` =-HdXx (1.6)
Trang 15Lay tích phân từ 0 đến x thì thu được công thức biểu thi sự thay đôi cường độ của
bức xa gamma theo quy luật hàm mũ khi bê dày vật liệu thay đôi [6]:
I=Le”=Le”?u” (1.7)
trong đó:
e Io là cường độ bức xa gamma trước khi qua vật liệu.
e | là cường độ bức xa gamma sau khi qua vật liệu.
Dé tính nguyên tử số hiệu dụng cần xác định hệ số suy giảm khối của vật liệu ứng
với mức nang lượng 0,662 MeV Dựa vào công thức thay đôi cường độ của bức xạ
gamma theo quy luật hàm mũ khi đi qua be day vật liệu (1.7), hệ số suy giảm khối của
vật liệu được tính như sau [4]:
là
H,, =—=—lIn +) (1.8)
p px ©
trong đó, mật độ vat liệu p được tra cứu trên dữ liệu WinXCom [11].
Ngoài dựa vào công thức suy giảm cường độ bức xạ khi qua vật liệu, hệ số suy giảm
khối của vật liệu được tính bang hệ số suy giảm khối của từng nguyên tổ trong hợp chất
[2]:
t) (1.9)
P7,
Trang 16trong đó, w, = saa là ti số khối lượng của nguyên tổ thứ i trong hop chất với điều
Nguyên tử số hiệu dụng được tính bằng tỉ số giữa tiết diện tương tác phân tử hiệu
dụng với tiết điện electron hiệu dụng [12]:
e A¡ là khôi lượng nguyên tử của nguyên tô thứ i trong hợp chat.
e nị là số nguyên tử của nguyên tổ thứ i trong hợp chat
e — là hệ số suy giảm khối của vật liệu.
p
Trang 17[5] là hệ số suy giảm khối của nguyên tổ thứ i trong hợp chat.
>:^[)
j p
(1.14)
Lon PI
trong đó, hệ số suy giảm khối của từng nguyên tổ được tra cứu trên dữ liệu WinXCom
ứng với năng lượng 0.662 MeV [11].
1.3.2 Phương pháp Monte Carlo
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng mô hình gamma truyền qua để xác địnhnguyên tử số hiệu dụng Mô hình được mô phỏng bằng chương trình MCNP6 dựa trênphương pháp Monte Carlo Cơ sở lý thuyết của phương pháp Monte Carlo được trình
bày ở chương 2 và mô hình mô phỏng được trình bày ở chương 3.
Sau quá trình mô phỏng và xử lý phỏ, chúng tôi thu được cường độ bức xạ gamma
khi qua vật liệu khảo sát và qua vật liệu không khí Cuong độ bức xa gamma khi qua vat
liệu không khí đóng vai trò là cường độ bức xạ gamma trước khi qua vật liệu Dữ liệu
mô phỏng áp dụng vào tính hệ số suy giảm khối của vật liệu bằng công thức (1.8) và tính
nguyên tử số hiệu dụng bằng công thức (1.10)
Trang 181.3.4 Phương pháp nội suy
Tiết điện hap thụ của vật liệu được tính bảng công thức [15]:
Nguyên tử số tương đương sử dụng công thức nội suy ham logarit [15]:
_ Z4(logø; — logs) —Z, (logo - logø;)
Trang 19Trong khóa luận, chúng tôi sử dụng phương pháp tính trực tiếp và phương phápMonte Carlo dé xác định nguyên tử số hiệu dụng.
1.4 Tóm tắt chương 1
Chương | đã trình bày về các tương tác giữa bức xa gamma với vật chất, phương
pháp xác định hệ số suy giảm khối và các phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng
Các van đẻ trên là cơ sở lý thuyết giúp chúng tôi đánh giá sự phù hợp của các phương
pháp xác định nguyên tir số hiệu dụng
il
Trang 20CHUONG 2 PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP6
2.1 Phương pháp Monte Carlo
Phương pháp Monte Carlo là phương pháp giải quyết các bài toán mang tính thông
kê mà không thê xử lý một cách chính xác bằng giải tích toán học Phương pháp này dựa
vào việc gieo số ngẫu nhiên đẻ phân tích kết quá dưới sự tác động đồng thời của nhiều
yếu to.
Việc gieo số ngẫu nhiên đề giải các bài toán phức tạp đã được xuất hiện từ rất lâu về
trước Vào năm 1777, nhà toán học người Pháp Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon
đã đưa ra ý tưởng vẻ việc gieo số ngẫu nhiên trong bài toán cây kim của Buffon Bài
toán của Buffon là thí nghiệm thả một cây kim xuống mặt phang có các đường song song.
Từ đó dựa trên đếm số giao điểm của cây kim rơi với các đường thăng đã tính được ganđúng số x Vào năm 1899, nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh đã chi ra rằng một bước
đi ngẫu nhiên một chiêu không có vật hap thụ có thê cung cap một lời giải xap xi cho
một phương trình vi phân parabolic Từ những kết quả trên cho thay việc giải toán bằng
phương pháp sử dụng yếu tô ngẫu nhiên mang lại hiệu qua rất cao
Với tiềm năng này, nhóm nghiên cứu Los Alamos đã phát triển phương pháp Monte
Carlo Phương pháp được nhóm nghiên cứu đặt theo tên của thành phố ở Monaco, nơi
nôi tiếng với các sòng bạc
Trong ngành Vật lý hạt nhân phương pháp Monte Carlo dong vai trò quan trọng, là
công cụ hỗ trợ việc quan sat sự tương tác của bức xạ với vật chất và thu các kết quả mang
tính thông kê phục vụ cho việc nghiên cứu Trong khóa luận này, chúng tôi sử dung phanmềm mô phỏng MCNP6
2.2 Chương trình MCNP6
MCNP (Monte Carlo N-Particle) là chương trình mô phỏng vận chuyên hạt bằng
phương pháp Monte Carlo được xây dưng bởi nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm
12