So sánh kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua trong xác định mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRỊNH THỊ NGỌC HUYỀN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SO SÁNH KỸ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC VÀ KỸ THUẬT GAMMA TRUYỀN QUA TRONG XÁC MẬT ĐỘ DUNG DỊCH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý Tp Hồ Chí Minh - Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ SO SÁNH KỸ THUẬT GAMMA TÁN XẠ NGƯỢC VÀ KỸ THUẬT GAMMA TRUYỀN QUA TRONG XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ DUNG DỊCH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Sinh viên thực hiện: Trịnh Thị Ngọc Huyền Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Đức Tâm Tp Hồ Chí Minh – Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, tơi xin chân thành cảm ơn người đồng hành hỗ trợ tơi suốt q trình thực Đầu tiên, xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Hồng Đức Tâm – người tận tình tạo điều kiện hướng dẫn Sự tin tưởng thầy tạo động lực to lớn để hồn thành khóa luận Chân thành gửi lời cảm ơn đến anh chị nhóm nghiên cứu tận tình giải đáp thắc mắc hỗ trợ tơi q trình thực Cuối cùng, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè ln động viên tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thị Ngọc Huyền DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt FWHM NDE MCNP RD DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Một số mặt thường dùng chương trình MCNP [17] Bảng 2.2 Các thông số nguồn liên quan đến nguồn [17] 15 Bảng 2.3 Các khai báo tallies [17] 15 Bảng 2.4 Đánh giá ý nghĩa sai số tương đối [17] 16 Bảng 2.5 Danh sách dung dịch [12, 13] 17 Bảng 3.1 Thơng số diện tích đỉnh tán xạ đơn vị trí kênh 10 dung dịch 24 Bảng 3.2 Thơng số diện tích đỉnh truyền qua vị trí kênh 10 dung dịch .26 Bảng 3.3 Mật độ dung dịch tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) 26 Bảng 3.4 Mật độ dung dịch tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) 28 Bảng 3.5 Mật độ dung dịch tính tốn kỹ thuật gamma truyền qua 30 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hiệu tượng quang điện Hình 1.2 Hiện tượng tán xạ Compton Hình 2.1 Ống trụ 13 Hình 2.2 Thơng số tinh thể NaI [1] 18 Hình 2.3 Mơ hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược MCNP5 19 Hình 2.4 Mơ hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua MCNP5 19 Hình 2.5 Phổ tán xạ gamma Glyxerol (Đường kính D = 2,0 cm) khớp hàm bang chương trình Colegram 20 Hình 3.1 Hàm bậc hai thể phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm) 22 Hình 3.2 Hàm bậc hai thể phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm) 23 Hình 3.3 Hàm bậc thể phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm) 24 Hình 3.4 Hàm bậc thể phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm) 24 Hình 3.5 Hàm bậc thể phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm) 26 Hình 3.6 Hàm bậc thể phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm) 26 Hình 3.7 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0 cm) 29 Hình 3.8 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0 cm) 29 Hình 3.9 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) 31 Hình 3.10 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) 31 Hình 3.11 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) 32 Hình 3.13 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) 32 MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Tương tác gamma với vật chất 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Hiệu ứng Compton 1.2 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược 1.2.1 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược 1.2.2 Ảnh hưởng tán xạ nhiều lần 1.3 Kỹ thuật gamma truyền qua Chương MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG MƠ PHỎNG MONTE CARLO 10 2.1 Chương trình MCNP 10 2.2 Đặc điểm chương trình MCNP5 11 2.2.1 Cấu trúc chương trình MCNP5 11 2.2.2 Đánh giá sai số 16 2.3 Mô Monte Carlo xác định khối lượng riêng dung dịch 16 2.3.1 Nguồn phóng xạ 17 2.3.2 Vật liệu 17 2.3.3 Đầu dò 17 2.3.4 Mơ hình mơ 18 2.4 Kỹ thuật xử lí phổ 20 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung dịch 21 3.1.1 Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược vào mật độ dung dịch 21 3.1.2 Khảo sát hàm bậc cho phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ vùng mật độ nhỏ 3.1.3 Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung dịch 3.2 Xác định mật độ dung dịch 3.2.1 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược 3.2.2 Kỹ thuật gamma truyền qua 3.2.3 Kết xác định mật độ dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ ngược kỹ thuật gamma truyền qua KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT sử dụng tia gamma áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực xác định cấu trúc sản phẩm khuyết tật sản phẩm [10], bề dày vật liệu [4] Việc áp dụng kỹ thuật không phá hủy xác định mật độ tiến hành [1, 2, 14, 17] Đặc biệt, cơng trình nhóm nghiên cứu Priyada cho thấy tiềm xác định mật độ vật liệu kỹ thuật NDT, mà đây, đề cập đến kỹ thuật gamma tán xạ ngược gamma truyền qua Với cường độ ghi nhận lớn đầu dò, kỹ thuật gamma truyền qua thể khả áp dụng rộng rãi có tiềm lớn thơng qua nhiều cơng trình nghiên cứu xác định hệ số suy giảm [7], cấu trúc khuyết tật ống [10]…Đặc biệt, việc áp dụng thành công xác định mật độ dung dịch Priyada [14] làm sở cho việc mở rộng nghiên cứu xác định mật độ vật liệu kỹ thuật gamma truyền qua Tuy nhiên, việc bố trí nguồn đầu dị hai phía mẫu gặp hạn chế số loại vật liệu, để khắc phục nhược điểm này, người ta phát triển kỹ thuật gamma tán xạ ngược Với ưu điểm kiểm tra không phá hủy NDT việc tiếp xúc mẫu từ phía, tiềm kỹ thuật gamma tán xạ ngược phát triển nhiều thí nghiệm xác định bề dày vật liệu [4], cấu trúc bê tơng [2] … Trong cơng trình nhóm nghiên cứu Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh khẳng định độ tin cậy kỹ thuật xác định mật độ dung dịch [1] Thêm vào đó, cơng trình Priyada cơng bố kết kỹ thuật gamma tán xạ ngược vượt trội so với kỹ thuật gamma truyền qua xác định mức lỏng – lỏng lỏng – khí [14] Tuy nhiên, cường độ ghi nhận kỹ thuật gamma tán xạ ngược ghi nhận không tăng liên tục mà đạt giá trị bão hịa ngưỡng Do vậy, việc áp dụng kỹ thuật áp dụng cho tất mật độ dung dịch Từ mặt ưu điểm hạn chế hai kỹ thuật, Priyada [14] tiến hành xác định mật độ dung dịch hai kỹ thuật, đánh giá so sánh độ tin cậy kỹ thuật gamma tán xạ ngược gamma truyền qua Trong nghiên cứu này, Priyada sử dụng đầu dò HPGe với độ phân giải lớn, song điều kiện áp dụng có nhiều hạn chế Hình 3.8 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0 cm) 30 3.2.2 Kỹ thuật gamma truyền qua Từ hàm xây dựng thể Hình 3.7 Hình 3.8, tiến hành xác định mật độ dung dịch khác kỹ thuật gamma truyền qua Kết thu trình bày Bảng 3.5 Bảng 3.4 Mật độ dung dịch tính tốn kỹ thuật gamma truyền qua Dung dịch Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen Từ kết thể Bảng 3.4, rút kết luận: Với giá trị RD(%) ≤ 2,0%, việc áp dụng kỹ thuật gamma truyền qua để xác định mật độ dung dịch hoàn toàn phù hợp 3.2.3 Kết xác định mật độ dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ ngược kỹ thuật gamma truyền qua  So sánh kết xác định mật độ dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ ngược khớp hàm bậc kỹ thuật gamma truyền qua Từ kết xác định mật độ dung dịch trình bày Mục 3.2.1 3.2.2, chúng tơi thu kết trình bày Hình 3.9 Hình 3.10 ) 31 Hình 3.9 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) ) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) Hình 3.10 Mật độ tính toán kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm)  So sánh kết xác định mật độ dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ ngược khớp hàm bậc hai kỹ thuật gamma truyền qua Từ kết xác định mật độ dung dịch trình bày Mục 3.2.1 3.2.2, thu kết trình bày Hình 3.11 Hình 3.12 ) 32 Hình 3.11 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) 1.4 Mật độ chuẩn 1.3 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) 1.2 ) Kỹ thuật gamma truyền qua 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.12 Mật độ tính tốn kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) Dựa vào giá trị RD(%) việc xác định mật độ dung dịch cho hai kỹ thuật cho thấy: kỹ thuật gamma truyền qua thể độ tin cậy cao so với kỹ thuật gamma tán xạ ngược theo mơ hình Điều thể rõ thông qua Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 Hình 3.12 33 KẾT LUẬN Như vậy, với đề tài “So sánh kỹ thuật gamma tán xạ kỹ thuật gamma truyền qua xác định mật độ dung dịch chương trình MCNP” chúng tơi tiến hành nội dung sau:  Mô kỹ thuật gamma tán xạ ngược kỹ thuật gamma truyền qua chương trình MCNP5  Khảo sát phụ thuộc cường độ gamma tán xạ với mật độ dung dịch  Xác định khối lượng riêng dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ gamma truyền qua  Chứng minh độ đáng tin cậy kỹ thuật gamma truyền qua cao so với kỹ thuật gamma tán xạ ngược chất có mật độ cao Cường độ tán xạ ghi nhận bị bão hòa với ngưỡng mật độ đó, vượt qua ngưỡng, việc áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược cho kết khơng cịn xác Kết trình bày sở cho việc tìm ngưỡng áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược xác định mật độ dung dịch thực nghiệm Đề tài khẳng định độ đáng tin cậy kỹ thuật gamma truyền qua vượt trội so với kỹ thuật gamma tán xạ ngược mơ hình thí nghiệm Đây sở cho việc đánh giá kết hai kỹ thuật thực nghiệm 34 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Như trình bày đề tài, chúng tối kiến nghị hướng mở rộng nghiên cứu sau:  Tiếp tục mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố bề dày vật liệu đến kết hai kỹ thuật Từ đó, khảo sát ngưỡng áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược vật liệu có bề dày khác  Tiến hành khảo sát mật độ dung dịch thực nghiệm cho hai kỹ thuật để tăng độ tin cậy mô 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Mỹ Lệ, Hồ Thị Tuyết Ngân, Hoàng Đức Tâm (2017), “Sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ chất lỏng phương pháp Monte Carlo”, Tạp chí khoa học tự nhiên cơng nghệ Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh, tr 17 Tiếng Anh [2] Boldo E.M., Appoloni C.R (2014), “Inspection of reinforced concrete samples by Compton backscattering technique”, Radiation Physics and Chemistry 95, pp 392 – 395 [3] Guang L., Guangyu X (2015) “Analysis of the factors that affect photon counts in Compton scattering”, Applied Radiation and Isotopes 95, pp 208-213 [4] Hoang Duc Tam, Huynh Dinh Chuong, Tran Thien Thanh, Vo Hoang Nguyen, Hoang Thi Kieu Trang, Chau Van Tao (2014), “Advanced gamma spectrum processing technique applied to the analysis of scattering spectra for determining material thickness”, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 303, pp 693 – 699 [5] Hussein E (2003), Handbook on Radiation Probing, Gauging, Imaging and Analysis, Kluwer Academic Publishers, Netherland [6] Knoll G (1989), “Radiation Detection and Measurement”, Wiley, New York [7] Marashdeh M.W., Al-Hamarneh I.F., Munem E., Tajuddin A.(2015) “Determining the mass attenuation coefficient, effective atomic number, and electron density of raw wood and binderless particleboards, of Rhizophora spp by using Monte Carlo simulation”, Results in Physics 5, pp 228–234 [8] Marc L., Peerani P (2009), “Monte Carlo simulation of neutron counters for safeguards applications”, Nuclear Instruments and Method in Physics Research A 598, pp 542–550 36 [9] Metropolis N (1987), The Begin of Monte Carlo Method, Lost Alamos Science Special, pp 125-130 [10] Moss C.E., Favalli A., Goda J.M., Ianakiev K.D., Lombardi M., McCluskey C.W., Paffett M.T., Swinhoe M.T (2013), “New technology for transmission measurements in process pipes”, Applied Radiation and Isotopes 72, 89 – 95 [11] Nelson G., ReWy D (1991), “Gamma-Ray Interactions with Matter”, Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials, Los Alamos National Laboratory, pp 27-42 [12] NIOSH (2016): Chemical Hazard, USA https://www.cdc.gov/niosh/npg/default.html Accessed Sep 2017 [13] NIST (2013) XCOM: photon cross sections database, USA http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm Accessed Sep 2017 [14] Priyada P., Margret M., Ramar R., Shivaramu (2012) “Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid–fluid and fluid–air interface levels detection and density measurements”, Applied Radiation and Isotopes 70, pp 462–469 [15] Ruellan H., Lepy M., Etcheverry M., Plagnard J., Morel J (1996) “A new spectra processing code applied to the analysis of 235U and 238U in the 60 to 200 keV energy range”, Nucl Instrum Methods A 369, pp 651–656 [16] Shi H.X., C B (2002), “Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response functions for an NaI(Tl) detector”, Applied Radiation and Isotopes 57, pp 517–524 [17] Shultis J K., Faw R E.(2010), An MCNP Primer, Kansas State University, Manhattan [18] Tondon A., Singh M., Sandhu B.S., Singh B (2017), “A Compton scattering technique for concentration and fluid-fluid interface measurements using NaI(Tl) detector”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 403, pp 21-27 [19] Tuchin V (2007), “Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis Second Edition”, SPIE, Washington 37 Phụ lục 1: Phổ Gamma ghi nhận – Đường kính D = 2,0 cm 237 Aniline 158 79 231 Toluene 154 77 237 Methanol 158 79 231 Ethy alcolhol 154 77 0 291 2000 4000 6000 8000 6000 8000 2000 4000 6000 8000 Acid surfuric 194 97 264 Chloroform 176 88 264 Glyxerol 176 88 0 2000 4000 Keânh Keânh Phổ gamma tán xạ ngược Phổ gamma truyền qua 38 Phụ lục 2: Phổ Gamma ghi nhận – Đường kính D = 3,0 cm Chlorobenzen 276 184 92 Aniline 291 194 97 Toluene 285 190 95 Methanol 300 200 100 Ethy alcolhol 300 200 100 0 2000 Bromoform 420 280 140 1,2 - Dibromethane 420 280 140 Acid surfuric 420 280 140 Chloroform 330 220 110 Glyxerol 330 220 110 0 2000 39 Phụ lục 3: Diện tích đỉnh tán xạ đơn vị trí kênh dung dịch xác định mật độ Dung dịch Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen Diện tích đỉnh truyền qua vị trí kênh dung dịch xác định mật độ Dung dịch Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN XÁC NHẬN CỦA THÀNH VIÊN PHẢN BIỆN XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Hồng Đức Tâm Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Trịnh Thị Ngọc Huyền ... kỹ thuật gamma truyền qua để xác định mật độ dung dịch hoàn toàn phù hợp 3.2.3 Kết xác định mật độ dung dịch kỹ thuật gamma tán xạ ngược kỹ thuật gamma truyền qua  So sánh kết xác định mật độ. .. gamma tán xạ đơn, cường độ gamma truyền qua vào mật độ dung dịch, xác định mật độ chất lỏng kỹ thuật gamma tán xạ ngược gamma truyền qua Từ đó, so sánh độ tin cậy kết xác định mật độ dung dịch. .. cường độ gamma truyền qua mật độ dung dịch phù hợp 3.2 Xác định mật độ dung dịch 3.2.1 Kỹ thuật gamma tán xạ ngược Như trình bày Mục 3.1, khảo sát phụ thuộc cường độ tán xạ ngược vào mật độ dung dịch