Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp monte carlo​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Lâm Duy Nhất NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Lâm Duy Nhất NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG ĐỨC TÂM Thành phố Hồ Chí Minh - 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm Người Thầy hướng dẫn tận tụy, góp ý chân thành, định hướng khoa học xác giúp tơi hồn thành đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Trong thời gian năm học tập nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tơi hoàn thiện thân kiến thức chuyên ngành kỹ nghiên cứu khoa học, nhờ Ban Giám hiệu nhà trường, Thầy cô khoa Vật lý Thầy Phịng Sau đại học tạo điều kiện tốt cho bạn học viên, sinh viên trường Tơi xin chân thành bạn nhóm nghiên cứu giúp tham gia vào môi trường nghiên cứu khoa học thực thụ, hỗ trợ suốt q trình tơi tiến hành nghiên cứu phịng thí nghiệm, tơi học hỏi thêm nhiều kiến thức chuyên môn kỹ nghiên cứu khoa học từ bạn Sau cùng, không quên lời động viên, an ủi gia đình người thân suốt thời gian thực đề tài Nhờ đóng góp tinh thần gia đình người thân giúp tơi có động lực để hồn thành đề tài luận văn TP.HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận văn Lâm Duy Nhất LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu độc lập riêng tơi Các liệu dùng luận văn có trích dẫn rõ ràng, theo quy định Toàn kết luận văn thân tơi thực cách trung thực, khách quan hướng dẫn khoa học thầy hướng dẫn TS Hoàng Đức Tâm Các kết luận văn chưa công bố cơng trình khoa học khác mà tơi không tham gia Tác giả luận văn Lâm Duy Nhất MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ - đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT PHƯƠNG PHÁP GAMMA TRUYỀN QUA VÀ PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ 10 1.1 Tổng quan tương tác gamma với vật chất 10 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 11 1.1.2 Tán xạ Compton 12 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 14 1.2 Phương pháp gamma truyền qua phương pháp gamma tán xạ 16 1.2.1 Phương pháp gamma truyền qua 16 1.2.2 Phương pháp gamma tán xạ 17 1.2.3 Kết hợp phương pháp gamma tán xạ phương pháp gamma truyền qua 19 1.3 Cơ sở lý thuyết tính đặc trưng suy giảm gamma 21 1.3.1 Hệ số suy giảm khối 21 1.3.2 Quãng đường tự trung bình 22 1.3.3 Bề dày nửa bề dày phần mười 23 1.3.4 Nguyên tử số hiệu dụng 23 1.3.5 Mật độ electron hiệu dụng 24 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MONTE CARLO 25 2.1 Phương pháp Monte Carlo 25 2.2 Chương trình MCNP5 26 2.2.1 Giới thiệu MCNP5 26 2.2.2 Định nghĩa hình học MCNP5 28 2.2.3 Định nghĩa vật liệu MCNP5 (Material cards) 30 2.2.4 Định nghĩa nguồn MCNP5 (Source cards) 31 2.2.5 Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 32 2.3 Mơ hình mơ Monte Carlo 34 2.3.1 Mơ hình mơ gamma truyền qua 34 2.3.2 Mơ hình mơ kết hợp phương pháp gamma tán xạ làm thay đổi lượng xạ tới phương pháp gamma truyền qua 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Các đặc trưng suy giảm sử dụng phương pháp gamma truyền qua 45 3.1.1 Hệ số suy giảm khối (µm) 45 3.1.2 Quãng đường tự trung bình (MFP), bề dày nửa (HVT) bề dày phần mười (TVT) 49 3.1.3 Nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) 52 3.1.4 Mật độ electron hiệu dụng (Neff) 52 3.2 Khảo sát phụ thuộc hệ số suy giảm khối theo lượng xạ gamma 53 3.3 Kết hợp phương pháp gamma tán xạ để làm thay đổi lượng xạ gamma tới phương pháp gamma truyền qua 63 KẾT LUẬN 68 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 Phụ lục DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HVT TVT MCNP RD NDT Neff Zeff MFP DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Một số mặt thường dùng MCNP5 29 Bảng 2.2 Các biến nguồn thông dụng 32 Bảng 2.3 Thành phần hàm lượng nguyên tố vật liệu đá Granite 38 Bảng 2.4 Thành phần hàm lượng nguyên tố vật liệu thủy tinh pha Gadolinium thủy tinh pha chì 39 Bảng 3.1 Giá trị hệ số suy giảm khối hệ thủy tinh pha Gadolinium hệ thủy tinh pha chì tính mơ phỏng, đo thực nghiệm tính lý thuyết mức lượng photon tới 662 keV, 1173 keV 1332 keV .46 Bảng 3.2 Giá trị hệ số suy giảm khối mẫu đá Granite tính mơ phỏng, đo thực nghiệm tính lý thuyết mức lượng photon tới 662 keV, 1173 keV 1332 keV 47 Bảng 3.3 Các đặc trưng suy giảm xác định MCNP5 tính theo lý thuyết NIST hệ thủy tinh pha chì mức lượng 279 keV 50 Bảng 3.4 Các đặc trưng suy giảm xác định MCNP5 tính theo lý thuyết NIST hệ thủy tinh pha Gadolinium mức lượng 1408 keV 51 Bảng 3.5 Các đặc trưng suy giảm xác định MCNP5 tính theo lý thuyết NIST đá Granite mức lượng 835 keV 51 Bảng 3.6 Giá trị hệ số suy giảm khối xác định mô vật liệu mức lượng khác 54 Bảng 3.7 Giá trị tham số hệ số tương quan R hàm làm khớp cho loại vật liệu 55 Bảng 3.8 Giá trị hệ số suy giảm khối tính từ NIST vật liệu mức lượng khác 56 Bảng 3.9 Giá trị hệ số suy giảm khối nội suy từ hàm HyperbolaGen vật liệu mức lượng khác 61 Bảng 3.10 Giá trị hệ số suy giảm khối xác định phương pháp kết hợp vật liệu mức lượng photon tới 279 keV 320 keV 64 Bảng 3.11 Giá trị hệ số suy giảm khối xác định phương pháp kết hợp vật liệu mức lượng photon tới 229,96 keV 65 PL3 PHỤ LỤC Các đặc trưng suy giảm xạ gamma mẫu đá Granite [24] độ lệch so với giá trị NIST mức lượng khác Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM PL3 PHỤ LỤC Các đặc trưng suy giảm xạ gamma mẫu đá Granite [24] độ lệch so với giá trị NIST mức lượng khác Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM PL3 PHỤ LỤC Các đặc trưng suy giảm xạ gamma mẫu đá Granite [24] độ lệch so với giá trị NIST mức lượng khác Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM PL3 PHỤ LỤC Các đặc trưng suy giảm xạ gamma mẫu đá Granite [24] độ lệch so với giá trị NIST mức lượng khác Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM PL3 PHỤ LỤC Các đặc trưng suy giảm xạ gamma mẫu đá Granite [24] độ lệch so với giá trị NIST mức lượng khác Mức lượng Các hệ số Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM Mẫu Mô XCOM Mô Mẫu XCOM Mô Mẫu XCOM PL4 PHỤ LỤC Tỉ số giá trị hệ số suy giảm khối (μl) tính theo NIST giá trị hệ số suy giảm khối (μk) nội suy từ hàm HyperbolaGen vật liệu Vật liệu Mẫu Hệ thủy tinh pha Gadolinium Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Hệ Mẫu thủy tinh Mẫu pha chì Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Đá Mẫu Mẫu Granite Mẫu Mẫu Mẫu PL5 PHỤ LỤC Tỉ số giá trị hệ số suy giảm khối (μm) xác định theo mô giá trị hệ số suy giảm khối (μk) nội suy từ hàm HyperbolaGen vật liệu Vật liệu Mẫu Hệ thủy tinh pha Gadolinium Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Hệ Mẫu thủy tinh Mẫu pha chì Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Đá Mẫu Mẫu Granite Mẫu Mẫu Mẫu PL6 PHỤ LỤC Bảng hệ số suy giảm khối từ NIST (µl ) nguyên tố cấu thành loại vật liệu thủy tinh pha Gadolinium, thủy tinh pha chì, đá Granite mức lượng [39] Nguyên tố Số Z Số A Li B 11 O 16 F 19 Al 13 27 Si 14 28 K 19 39 Ca 20 40 Ti 22 48 Fe 26 56 Sr 38 88 Ba 56 137 Gd 64 157 Pb 82 107 ... Lâm Duy Nhất NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI... chọn loại vật liệu che chắn phù hợp cần có liệu hệ số suy giảm tia gamma loại vật liệu đó, đặc biệt hệ số suy giảm khối Đối với loại vật liệu hợp chất hay hỗn hợp việc xác định ngun tử số phức... xác định hệ số suy giảm tuyến tính xạ gamma vật liệu che chắn phương pháp gamma truyền qua phương pháp gamma tán xạ Cơ sở lý thuyết để xác định đặc trưng suy giảm vật liệu từ hệ số suy giảm tuyến