NGHIÊN CỨU TIẾT DIỆN TÁN XẠ COMPTON CỦA GAMMA LÊN MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện nay, Vật lý Hạt nhân ngày càng có một vị trí hết sức quan trọng vì Vật lý Hạt nhân có liên quan với nhiều ngành khoa học khác như: sinh học, địa chất, hoá học, vật liệu…Lĩnh vực hạt nhân từng bước khẳng định vai trò và vị trí của mình trong đời sống xã hội.Vật lý Hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực : công nghiệp, nông nghiệp, y học… nhằm giúp ích cho đời sống con người.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THẢO NGÂN NGHIÊN CỨU TIẾT DIỆN TÁN XẠ COMPTON CỦA GAMMA LÊN MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Tp.HồChíMinh-2014 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THẢO NGÂN NGHIÊN CỨU TIẾT DIỆN TÁN XẠ COMPTON CỦA GAMMA LÊN MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU Chuyênngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO Mãsốchuyênngành: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. CHÂU VĂN TẠO Tp. HồChí Minh, năm 2014 2 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập cao học tại bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh, tác giả đã nhận được rất sự giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên và sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy cô, bạn bè và gia đình.Với tình cảm chân thành, tác giả xin gửi lời tri ân sâu sắc đến: PGS.TS Châu Văn Tạo, người hướng dẫn khoa học, là người thầy đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy,động viên đóng góp nhiều ý kiến quý báuvà tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. TS. Trần Thiện Thanh – người thầy đầy nhiệt huyết đã truyền đạt rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm. Thầy đã đưa ra những lời khuyên, ý kiến có tính chất định hướng và tận tình chỉ dẫn cho tác giả. Quý Thầy Cô trong hội đồng khoa học đã dành thời gian quý báu của mình để đọc và cho ý kiến đánh giá giúp luận văn được hoàn thiện hơn. Quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy trong hai năm qua. Các Thầy Cô đã truyền đạt kiến thức và đáp ứng các điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị cần thiết để học viên hoàn thành các yêu cầu của khóa học. Bạn Nguyễn Thị Ngọc Lan, Phạm Thị Mai và học viên cùng lớp khóa K22 đã giúp đỡ, động viên và đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian học. Bạn Đoàn Kim Thanh và anh Lê Quang Vương đã nhiệt tình giúp đỡ để luận văn được hoàn thiện hơn. Cha mẹ và các thành viên trong gia đình đã luôn ở bên con, thương yêu con thầm lặng để con có thể hoàn thành luận văn này. Tp. Hồ chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2014 Học viên Nguyễn Thảo Ngân 3 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5 MỞ ĐẦU 6 4 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện nay, Vật lý Hạt nhân ngày càng có một vị trí hết sức quan trọng vì Vật lý Hạt nhân có liên quan với nhiều ngành khoa học khác như: sinh học, địa chất, hoá học, vật liệu…Lĩnh vực hạt nhân từng bước khẳng định vai trò và vị trí của mình trong đời sống xã hội.Vật lý Hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực : công nghiệp, nông nghiệp, y học… nhằm giúp ích cho đời sống con người. Nghiên cứu về sự truyền gamma qua vật chất là một trong những ứng dụng quan trọng của vật lý hạt nhân vào đời sống. Ba hình thức tương tác chủ yếu của gamma lên vật chất là hiệu ứng quang điện ở mức năng lượng thấp, tán xạ Compton ở mức năng lượng trung bình và hiệu ứng tạo cặp ở mức năng lượng cao. Tán xạ Compton được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật và đời sống như kiểm tra khuyết tật và đo bề dày vật liệu; đo mật độ vật chất và nồng độ dung dịch; xác định kích thước và mạng phân bố các cốt thép trong kết cấu bê tông; tìm bom, mìn và vật nổ trong lòng đất; kiểm tra hành lý tại các cửa khẩuvà sân bay; xác định các đặc trưng chủ yếu của các tầng địa chất trong giếng khoan như cấu trúc của các tầng đất đá và xác định cấu trúc địa tầng. Trong y học, tán xạ Compton cũng góp phần quan trọng trong việc điều trị ung thư, sản xuất các vật liệu y tế. Vì vậy, số liệu về sự tán xạ và hấp thụ của photon, cụ thể là tiết diện tán xạ Compton, đang được yêu cầu ngày càng nhiều từ các ứng dụng thực tế. Số lượng vật liệu cần đến tiết diện tán xạ Compton ngày càng tăng và rộng hơn. Do đó, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tiết diện tán xạ Compton của gamma trên một số loại vật liệu”. Mục đích là tìm ra công thức và viết chương trình tính tiết diện tán xạ Compton của gamma trên một số vật liệu, cụ thể là hai hợp kim thép C45 và thép CT3. Luận vănsử dụng chương trình Mathematica để tính tiết diện tán xạ Compton của gamma trên các hợp chất đã biết trước hàm lượng nguyên tố.Tiết diện tán xạ Compton góp phần vào việc tìm ra tiết diện tán xạ toàn phần, từ đó xác định hệ số 7 suy giảm tuyến tính khi biết mật độ khối của vật liệu cần tính. Đối với các đồng vị phóng xạ tự nhiên hay nhân tạo, năng lượng tia gamma thường vào cỡ 0,25MeV đến 2,6 MeV, tiết diện tán xạ toàn phần hay hệ số suy giảm tuyến tính chủ yếu do hiệu ứng Compton đóng góp. Luận văn gồm 3 chương với những nội dung chính như sau Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước. Tìm hiểu về các loại tương tác chính của gamma với vật chất như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. Bên cạnh đó nhắc lại sự suy giảm của tia gamma khi đi vào vật chất. Chương 2:Tìm công thức tính tiết diện tán xạ cho hợp chất. Chương này tác giả tìm hiểu, chứng minh lại công thức Klein-Nishina từ giản đồ Feynman, dẫn ra phương trình tính tiết diện tán xạ Compton của gamma cho nguyên tửvà hợp chất. Tiết diện tán xạ Compton cho hợp chất này phụ thuộc vào năng lượng của chùm gamma bắn vào vật chất, thành phần và hàm lượng của các nguyên tố có trong hợp chất đó. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Tính tiết diện tán xạ Compton của sắt, thép C45 và thép CT3 trên công thức lý thuyết dẫn ra ở chương 2 bằng chương trình Mathematica ở các mức năng lượng gamma khác nhau từ 0,25 MeV đến 2,6 MeV. Kết quả này được so sánh với kết quả từ NIST, từ chương trình mô phỏng MCNP5 và một số kết quả thực nghiệm. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 Tình hình nghiên cứu tán xạ Compton Cho đến nay, nhiều công trình trên thế giới và trong nướcđã được thực hiện nghiên cứu về tán xạ Compton của gamma lên một số vật liệu[1], [4],[5],[6],[8],[9]. Tùy vào ứng dụng thực tế, các đại lượng tiết diện tán xạ Compton, hệ số suy giảm khối hoặc hệ số suy giảm tuyến tính được tính toán sẵn bằng cách lập bảng dữ liệu hoặc viết chương trình tính cho một số vật liệu ở các mức năng lượng.Mỗi vật liệu đều có mật độ khối riêng biệt. Mật độ khối của vật liệu thay đổi theo điều kiện môi trường nên dữ liệu tính toán thường là tiết diện tán xạ và hệ số suy giảm khối Compton. Hai đại lượng này có quan hệ mật thiết với nhau và dễ dàng tính toán chuyển đổi qua lại. Các công trình nghiên cứu bằng lý thuyết về tiết diện tán xạ Compton đều xuất phát từ công thức Klein-Nishina. Theo đó, các công trình nghiên cứu được mở rộng tính toán tiết diện tán xạ Compton toàn phần cho các phân lớp electron, cho một nguyên tử, cho hợp chất nhiều nguyên tố. Các nghiên cứu về thực nghiệm và mô phỏng chủ yếu tính hệ số suy giảm tuyến tính, từ đó suy ra tiết diện tán xạ hoặc hệ số suy giảm khối của các vật liệu được quan tâm. 1.1.1. Một số công trình nghiên cứu về tiết diện tán xạ Compton trên thế giới Rao, Seltzer và Bergstrom [6]đã nghiên cứu tiết diện tán xạ Compton sử dụng trong y học. Trong công trình này, tác giả đã tiến hành tính toán tiết diện tán xạ Compton cho các phân lớp electron của một số nguyên tố (H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca, Fe) là thành phần chủ yếu của các vật liệu sinh học trong vùng năng lượng từ 5 keV đến 10 MeV. Những tiết diện này được tính toán và lập thành bảng giá trị và được lưu thành dữ liệu. Các dữ liệu này sẽ được dùng trong các vấn đề mô phỏng gamma truyền qua các vật liệu trong y học và cơ thể người. Ngoài ra, tổng các tiết diện trên từng phân lớp electron là tiết diện tán xạ toàn phần cho một nguyên tử của các nguyên tố nói trên cũng được trình bày trong bảng. 9 Hubbell và các cộng sự [8] đã lập bảng các giá trị tiết diện tán xạ Compton và tán xạ Rayleigh toàn phần cho các nguyên tố có số bậc nguyên tử Z từ 1 đến 100 ở các mức năng lượng từ 100eV đến 100MeV. Trong công trình này, tác giả còn nghiên cứu về hàm tán xạ là thành phần để hiệu chỉnh sự sai biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm. Vì các electron trong nguyên tử nói chung không hoàn toàn liên kết yếu với nguyên tử nên tiết diện vi phân hay tiết diện toàn phần đối với electron liên kết cần được hiệu chỉnh bằng hệ số tán xạ Compton hay hàm tán xạ. Hàm này phụ thuộc vào bậc số Z và năng lượng tới của tia gamma. Ngoài ra, trong một công trình khác của Hubbell [9], ông còn tính hệ số suy giảm khối cho tán xạ Rayleigh, hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo căp cho một số nguyên tố (Hidro đến Uranium) và một số hợp chất (SiO 2 , NaI, (C 8 H 8 O 2 ) n …) ở mức năng lượng từ 10 keV đến 100 GeV. Chương trình XCOM 1.5 (2010) [16] là một chương trình tính toán chứa cơ sở dữ liệu của NIST (National Institute of Standards and Technology - Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia), được sử dụng để tính hệ số hấp thụ khối của tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tạo cặp và hệ số hấp thụ khối toàn phần cho các nguyên tố, các hợp chất có số bậc nguyên tố Z≤100 ở mức năng lượng từ 1keV đến 100GeV. 1.1.2. Một số công trình nghiên cứu về tiết diện tán xạ Compton ở trong nước Nhóm tác giả Trần Đại Nghiệp, Lê văn Minh, Trần Mạnh Toàn, Nguyễn Thành Công, Nguyễn thị Cẩm Hà, Nguyễn Thị Hà Thu [4] nghiên cứu sự khác biệt của tiết diện tán xạ Compton đối với electron liên kết ở năng lượng gamma 662 keV của một số kim loại. Tiết diện tán xạ Compton được xác định trong phạm vi góc 110 0 đến 130 0 của các kim loại nhôm, sắt, đồng, chì và Cadimi. Các phép đo được thực hiện bằng cách sử dụng hai đầu dò NaI (Tl) cùng với kênh phân tích. Tiết diện được tính toán bằng thực nghiệm này được đem so sánh với giá trị lý thuyết theo công thức Klein – Nishina để tìm được sự sai biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm. 10 [...]... phương pháp tính tiết diện vi phân của tán xạ Compton ở góc 120 0 Từ đó, tác giả đã tính toán bộ số liệu về tiết diện vi phân của tán xạ Compton trong vùng năng lượng 63,5 keV – 2 MeV trên bia nhôm Những nghiên cứu và tính toán về tiết diện tán xạ Compton trong và ngoài nước ngày càng được mở rộng hơn ở nhiều mức năng lượng trên nhiều loại vật liệu Do đó, để tiếp nối những nghiên cứu này, tác giả tiến... trình nghiên cứukhác về mối tương quan giữa tiết diện tán xạ vi phân của photon gamma và góc tán xạ trong tán xạ gamma một lần và nhiều lần cho các nguyên tố carbon, nhôm, sắt và đồng Đinh Thị Minh Hương [1] khảo sát tiết diện tán xạ Compton của gamma có năng lượng 63,5 keV – 2 MeV bằng phương pháp mô phỏng MCNP Công trình này sử dụng chương trình MCNP để xây dựng mô hình cho hệ đo tán xạ ngược gamma, ... toán tiết diện tán xạ Compton của gamma ở các mức năng lượng 0,25 MeV đến 2,6 MeV cho ba vật liệu sắt, thép C45 và thép CT3 1.2 Sự truyền bức xạ gamma qua vật chất 1.2.1 Tương tác của gamma với vật chất Tia gamma đầu tiên được phát hiện vào năm 1900 bởi Becquerel và Villard, là một thành phần của bức xạ từ uranium và radium, nó có sự đâm xuyên cao hơn nhiều so với alpha và hạt beta Bức xạ gamma là một. .. chế tán xạ Compton của gamma Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho hệ trước và sau tương tác ta có: (1.16) Trong đó là năng lượng của electron bay ra,là năng lượng của tia gamma tới,là năng lượng của tia gamma sau khi tán xạ đi ra và là năng lượng nghỉ của electron Tia gamma tới có tần số �thì Tia gamma tán xạ có tần số thì Sau khi tán xạ, giả sử rằng các electron có thể tăng tốc đến một phần... do Tán xạ này gọi là tán xạ Compton, là tán 15 xạ đàn hồi của gamma với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử Sau tán xạ, electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử, lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng Hướng của electron bay ra và tia gamma tán xạ phụ thuộc vào phần năng lượng tia gamma truyền cho electron trong quá trình tương tác.[3] Hình 1.2.Cơ chế tán. .. nghỉ của electron bằng 511keV Công thức (1.28) có thể được viết dưới dạng (1.29) Nếu năng lượng của photon tán xạ Compton đo được ở một góc tán xạ xác định được thực hiện từ thực nghiệm, sử dụng phương trình (1.29) ta có thể hoàn toàn đi xác định được năng lượng của tia gamma đi vào cũng như năng lượng nghỉ của electron mec2[10] 17 Công thức để tính toán tiết diện tán xạ vi phân của tán xạ Compton của. .. electron nên tiết diện tán xạ Compton đối vớimột nguyên tử sẽ gấp lên Z lần tiết diện tán xạ đối với một electron (1.34) 18 Công thức khi bức xạ gamma có năng lượng tới Eγ tán xạ lên electron chuyển động có thể thu được khi chuyển các công thức từ hệ quy chiếu gắn với electron sang hệ quy chiếu phòng thí nghiệm [10] (1.35) Trong đó, θ1 là góc giữa chiều chuyển động của electron và hướng của photon tới,... 8π e 4 2 3 m e c4 là tiết diện tán xạ do Thomson tính cho trường hợp năng lượng tia gamma rất bé Như vậy đối với năng lượng gamma rất bé, β1, tức là khi Eγ>>mec2công thức (1.31) có dạng gần đúng (1.33) Công thức (1.33) cho thấy khi năng lượng gamma rất lớn, tiết diện tán xạ Compton biến thiên tỉ... tương tác chính của tia gamma với vật chất là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Xét đến một mức độ nhỏ và chi tiết hơn, tán xạ Rayleigh và tán xạ Thomson cũng xảy ra Mỗi quá trình xảy ra theo các cách 11 khác nhau và trong những điều kiện khác nhau Các hình thức tương tác khác nhau của sự tán xạ có thể xảy ra tùy thuộc vào các tính chất cơ học lượng tử của tia gamma tới Hiệu ứng... lần lượt là hệ số suy giảm khối, tiết diện tán xạ toàn phần, khối lượng mol trung bình và thành phần phần trăm về khối lượng của nguyên tố thứ i bên trong vật liệu 22 1.2.3 Tổng hợp các hiệu ứng gamma khi tương tác với vật chất Như đã trình bày ở trên, gamma tương tác với vật chất qua ba hiệu ứng chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.Khi xét đến tiết diện tán xạ, ta cần chú