luận văn HCMUP xác định nguyên tử số hiệu dụng của một số loại polyme

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ MỸ DUYÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI POLYME Chuyên ngành: Vật lý học Tp Hồ Chí Minh - Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI POLYME Cán hướng dẫn: TS Hoàng Đức Tâm Sinh viên thực hiện: Trần Thị Mỹ Duyên LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực khóa luận, em xin chân thành cảm ơn thầy Hồng Đức Tâm Thầy ln hướng dẫn truyền đạt nhiều kiến thức cho q trình thực Thầy khơng truyền đạt kiến thức khoa học mà truyền đạt nhiều giá trị nhân văn giúp em có thêm tri thức đường tương lai Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm hỗ trợ trình học tập rèn luyện Đồng thời, tơi xin cảm ơn bạn lớp Vật lý Cử nhân A K42 đồng hành giúp đỡ năm học qua Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ thành viên gia đình ln ủng hộ giúp đỡ tơi để tơi tập trung hồn thành khóa luận i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt MCNP6 Zeff RD CTHH ii DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Hình 1.2 Hiệu ứng Compton sơ đồ tán xạ xạ gamma lên electron tự Hình 1.3 Hiệu ứng tạo cặp hiệu ứng hủy cặp Hình 2.1 Cấu trúc thẻ khai báo mạng tập tin đầu vào 15 Hình 2.2 Cấu trúc thẻ khai báo mặt tập tin đầu vào 16 Hình 2.3 Cấu trúc thẻ khai bao nguồn tập tin đầu vào 18 Hình 2.4 Cấu trúc thẻ khai báo vật liệu tập tin đầu vào 19 Hình 3.1 Sơ đồ mơ hình thực nghiệm gamma truyền qua 20 Hình 3.2 Mơ hình mơ gamma truyền qua chương trình MCNP6 20 Hình 3.3 Thơng số nguồn phóng xạ 21 Hình 3.4 Phổ lượng trước sau xử lý phần mềm Colegram .24 Hình 3.5 Đồ thị so sánh hai phương pháp 27 Hình 3.6 So sánh độ chênh lệch nguyên tử số hiệu dụng phương pháp tính trực tiếp với nghiên cứu khác 28 Hình 3.7 So sánh độ chênh lệch nguyên tử số hiệu dụng phương pháp Monte Carlo với nghiên cứu khác 29 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Cấu trúc tập tin đầu vào chương trình MCNP6 13 Bảng 2.2 Một số mặt nghĩa MCNP6 16 Bảng 2.3 Các định nghĩa thông số MCNP6 17 Bảng 3.1 Tên gọi, cấu trúc hóa học mật độ số vật liệu polyme .22 Bảng 3.2 Cấu hình thơng số kỹ thuật đầu dị NaI(Tl) 23 Bảng 3.3 Dữ liệu tính toán hệ số suy giảm khối vật liệu 24 Bảng 3.4 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng hai phương pháp .26 Bảng 3.5 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng với nghiên cứu khác 27 iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ .iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG .3 1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Hiệu ứng Compton .4 1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối .6 1.2.2 Xác định nguyên tử số hiệu dụng .8 1.3 Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng .9 1.3.1 Phương pháp tính trực tiếp 1.3.2 Phương pháp Monte Carlo 1.4 Tóm tắt chương 11 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP6 12 2.1 Phương pháp Monte Carlo 12 2.2 Chương trình MCNP6 12 2.3 Cấu trúc tập tin đầu vào 13 v 2.3.1 Thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards) 14 2.3.2 Thẻ khai báo mặt (Surface Cards) 15 2.3.3 Thẻ khai báo liệu (Data Cards) 17 2.4 Tóm tắt chương 19 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG 20 3.1 Mơ hình mơ 20 3.1.1 Mô hình mơ 20 3.1.2 Phương pháp xử lý phổ 23 3.2 Kết nhận xét 24 3.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối 24 3.2.2 Xác định nguyên tử số hiệu dụng 25 3.3 Tóm tắt chương 29 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 vi MỞ ĐẦU Kiểm tra đánh giá vật liệu vấn đề cần thiết ngành lĩnh vực khoa học Hiện nay, phương pháp kiểm tra sử dụng rộng rãi phương pháp kiểm tra không phá hủy Phương pháp dùng để phát khuyết tật vật liệu mà không làm ảnh hưởng khả sử dụng vật liệu sau Trong đó, phương pháp chụp ảnh phóng xạ phương pháp sử dụng tia xạ chiếu qua vật liệu cần kiểm tra dựa vào suy giảm tia xạ xuyên qua chiều dày vật liệu để đánh giá kết cấu vật liệu Để đánh giá khả che chắn vật liệu, nhà khoa học nghiên cứu thông số ảnh hưởng đến tương tác photon với vật liệu, bao gồm nguyên tử số hiệu dụng Hiện nay, có nhiều phương pháp sử dụng để xác định nguyên tử số hiệu dụng phương pháp gamma tán xạ [1-2], gamma truyền qua [34],… Kucuk cộng [4] xác định nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng cho vật liệu polyme Trong nghiên cứu, Kucuk sử dụng hệ đo gamma truyền qua với đầu dò NaI(Tl) nhiều mức lượng để tiến hành thực nghiệm Đồng thời, tính tốn thơng số lý thuyết để so sánh kết với thực nghiệm Kết qua thu giá trị thực nghiệm phù hợp với giá trị lý thuyết Với độ phù hợp cao giá trị lý thuyết với giá trị thực nghiệm nghiên cứu trên, sử dụng số phương pháp để xác định nguyên tử số hiệu dụng hợp chất Đối tượng chọn để khảo sát số vật liệu polyme (14 loại) loại vật liệu hợp chất mang tính ứng dụng cao đời sống Bên cạnh đó, chúng tơi sử dụng phương pháp Monte Carlo phần mềm mô MCNP6 để mơ mơ hình gamma truyền qua với lượng xác định nguồn 137 Cs (0,662 MeV) Từ kết thu được, so sánh giá trị lý thuyết giá trị mô với giá trị thực nghiệm từ số nghiên cứu khác Từ đó, đánh giá phù hợp phương pháp lý thuyết mơ hình mơ xây dựng khóa luận Ngoài ra, nghiên cứu trước Chương cộng [5], Chương sử dụng tỉ lệ diện tích đỉnh tán xạ đơn chất lỏng so với nước để xác định mật độ môt số loại chất lỏng Phương pháp bỏ qua ảnh hưởng thành phần vật liệu coi mật độ phụ thuộc vào lượng Sự ảnh hưởng thành phần vật liệu vào mật độ cần đánh giá lại để hoàn thiện liệu Chúng muốn khảo sát ảnh hưởng nguyên tử số hiệu dụng vật liệu vào việc dự đoán mật độ vật liệu Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng mơ hình mơ khóa luận tiền đề để tiến hành khảo sát Nội dung khóa luận chia thành ba chương: Chương trình bày tương tác xạ gamma với vật chất, sở lý thuyết số phương pháp để xác định nguyên tử số hiệu dụng Chương giới thiệu phương pháp Monte Carlo chương trình MCNP6 Chương trình bày mơ hình mơ mơ hình gamma truyền qua, đồng thời, trình bày so sánh kết thu từ phương pháp Trong mô phỏng, khoảng cách từ nguồn đến vật liệu 28,43 cm khoảng cách từ vật liệu đến đầu dị 20,3 cm Sau trình bày số liệu mô nguồn 3.1.1.1 Nguồn 137 Cs, vật liệu bia đầu dò NaI(Tl) 137 Cs Nguồn phát phóng xạ gamma sử dụng khóa luận nguồn 137 Cs mang lượng 661,657 keV với hiệu suất suất phát 84,99% Nguồn mô với số hạt phát tỷ hạt Hình 3.3 Thơng số nguồn phóng xạ [17] 3.1.1.2 Vật liệu bia Vật liệu bia chọn khóa luận vật liệu polyme Polyme hợp chất cao phân tử, hợp chất có khối lượng phân tử lớn nhiều đơn vị nhỏ gọi mắt xích (monome) liên kết với tạo thành Polyme thường chia thành polyme tự nhiên, polyme nhân tạo polyme bán nhân tạo Polyme thường có ưu điểm độ bền cao, có tính thẩm mĩ dễ điều chế Do đó, polyme vật liệu quan tâm có nhiều nghiên cứu nó, ví dụ bê tơng polyme nghiên cứu với ưu điểm làm giảm hiệu ứng nhà kính [18] Chúng tơi tính tốn ngun tử số hiệu dụng số polyme thường dùng Bảng sau gồm tên gọi, cấu trúc hóa học (CTHH) mật độ số vật liệu polyme: 21 Bảng 3.1 Tên gọi, cấu trúc hóa học mật độ số vật liệu polyme Tên vật liệu Acrylonitrin Butadien Styren High-density polyethylene Polymethylmethacrylate Polycarbonate Polychloroprene Polyetheretherketones Polyethyleneterephthalate Polymethylpentene Polyoxymethylene Polypropylene Polystyrene Polyvinylchloride Polyethylene Polyvinylidenefluoride Trong mơ hình mơ phỏng, vật liệu polyme mơ với đường kính ống cm 22 3.1.1.3 Đầu dị NaI(Tl) Khóa luận sử dụng đầu dò loại tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) Bảng 3.2 trình bày thơng số đầu dị: Bảng 3.2 Cấu hình thơng số kỹ thuật đầu dị NaI(Tl) Cấu hình Đường kính tinh thể NaI(Tl) Chiều cao tinh thể NaI(Tl) Độ dày lớp chì đầu dò Độ dày lớp silicon Độ dày lớp chì xung quanh đầu dị Độ dày lớp phản xạ trước đầu dò 3.1.2 Phương pháp xử lý phổ Kết mô xử lý phần mềm xử lý phổ Colegram Phần mềm Colegram phần mềm dùng để xác định diện tích đỉnh theo kênh lượng Chúng sử dụng hàm Gauss để khớp đỉnh phổ hàm đa thức bậc để khớp phông phổ: • Hàm Gauss có dạng: (3.1) (3.2) • Hàm đa thức bậc có dạng: y=a 23 Hình 3.4 Phổ lượng trước sau xử lý phần mềm Colegram 3.2 Kết nhận xét 3.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối Dữ liệu từ việc xử lý phổ mô gồm cường độ xạ gamma qua vật liệu khơng khí (I0) cường độ xạ gamma qua vật liệu polyme (I) áp dụng vào cơng thức (1.8) để tính hệ số suy giảm khối vật liệu Đồng thời so sánh giá trị tính từ mơ với giá trị lý thuyết từ liệu WinXCom độ chênh lệch có cơng thức sau: RD(%) = Bảng 3.3 Dữ liệu tính tốn hệ số suy giảm khối vật liệu Tên vật liệu ABS HDPE PMMA PC (3.1) Bảng 3.3 Dữ liệu tính tốn hệ số suy giảm khối vật liệu (tiếp theo) Tên vật liệu CR PEEK PET PMP POM PP PS PVC PE PVDF Không khí Hệ số suy giảm khối vật liệu tính từ mô so với giá trị lý thuyết từ liệu WinXCom có độ chênh lệch thấp 11,41% (polyvinylclorua) cao 13,34% (polycarbonate) Nguyên nhân gây nên độ chênh lệch trình mơ phỏng, thành phần vật liệu khai báo chưa phù hợp với liệu WinXCom mật độ vật liệu tổng hợp từ nhiều nguồn 3.2.2 Xác định nguyên tử số hiệu dụng Khóa luận tiến hành so sánh kết nguyên tử số hiệu dụng 14 vật liệu polyme phương pháp cách tính độ lệch phương pháp so với kết tính 25 từ liệu lấy từ WinXCom Độ chênh lệch phương pháp xác định công thức: RD(%) = 100 Bảng 3.4 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng hai phương pháp Tên vật liệu ABS HDPE PMMA PC CR PEEK PET PMP POM PP PS PVC PE PVDF (3.2) Hình 3.5 Đồ thị so sánh hai phương pháp Dựa vào bảng số liệu hình 3.5, giá trị theo mơ Zeff , tính từ giá trị hệ số suy giảm khối theo mơ nên có độ chênh lệch so với giá trị phương pháp tính trực tiếp Zeff ,PI tương ứng với hệ số suy giảm khối vật liệu bảng 3.4 Ngoài ra, so sánh giá trị nguyên tử số hiệu dụng vật liệu polyme tính theo hai phương pháp với số nghiên cứu khác: Bảng 3.5 Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng với nghiên cứu khác Tên vật liệu PMMA PC PP PS PE Hình 3.6 So sánh độ chênh lệch nguyên tử số hiệu dụng phương pháp tính trực tiếp với nghiên cứu khác Dựa vào bảng số liệu hình 3.6, giá trị nguyên tử số hiệu dụng polystyrene nghiên cứu Singh cộng [24] có độ chênh lệch so với giá trị lý thuyết theo phương pháp tính trực tiếp 14,3% Nguyên tử số hiệu dụng vật liệu polyme lại so với nghiên cứu khác có độ chênh lệch 6% Vậy giá trị nguyên tử số hiệu dụng tính tốn phương pháp lý thuyết phù hợp với giá trị thực nghiệm nghiên cứu khác Z Đồng thời, dựa vào bảng số liệu hình 3.7, độ chênh lệch nguyên tử số hiệu dụng với nghiên cứu khác có độ sai biệt lớn -16,3% (polycarbonate) thấp eff , 2,4% (polyethylene) Dữ liệu từ mô so với giá trị lý thuyết có độ chênh lệch lớn trình bày bảng 3.3 dẫn đến giá trị tính tốn từ mơ lệch với nghiên cứu khác 28 Hình 3.7 So sánh độ chênh lệch nguyên tử số hiệu dụng phương pháp Monte Carlo với nghiên cứu khác 3.3 Tóm tắt chương Trong chương 3, khóa luận trình bày mơ hình gamma truyền qua mô mô xây dựng khóa luận Đồng thời, trình bày kết thu từ mơ kết tính tốn nguyên tử số hiệu dụng từ phương pháp Từ đó, tiến hành so sánh kết phương pháp so sánh với nghiên cứu trước 29 KẾT LUẬN Từ nội dung kết khóa luận trình bày chương, chúng tơi đạt kết cụ thể sau: • Xác định hệ số suy giảm khối lượng số vật liệu polyme • Xác định nguyên tử số hiệu dụng số vật liệu polyme phương pháp trực tiếp phương pháp Monte Carlo với độ chênh lệch giá trị từ mô so với giá trị lý thuyết khoảng 11,4% – 13,4% Trong q trình mơ phỏng, thành phần vật liệu khai báo chưa phù hợp với liệu WinXCom mật độ vật liệu tổng hợp từ nhiều nguồn gây nên độ chênh lệch Bên cạnh đó, chúng tơi chưa đạt mục đích nghiên cứu khóa luận Khóa luận cần cải thiện số vấn đề sau: • Kiểm tra điều chỉnh tập tin đầu mơ hình mơ • Khai thác khía cạnh khác phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng • Sử dụng thêm nhiều phương pháp khác để thu thêm liệu, từ tiến hành so sánh đánh giá • Tiến hành thực nghiệm để đánh giá phù hợp phương pháp 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Singh M P., Sandhu B S., and Singh B., “Measurement of effective atomic number of composite materials using scattering of γ-rays”, Nucl Instruments Methods Phys Res Sect A Accel Spectrometers, Detect Assoc Equip., vol 580, no SPEC ISS., pp 50–53, 2007 [2] Prasanna Kumar S and Umesh T K., “Effective atomic number of composite materials for Compton effect in the gamma ray region 280-1115keV”, Appl Radiat Isot., vol 68, no 12, pp 2443–2447, 2010 [3] Özdemir Y and Kurudirek M., “A study of total mass attenuation coefficients, effective atomic numbers and electron densities for various organic and inorganic compounds at 59.54 keV”, Ann Nucl Energy, vol 36, no 11–12, pp 1769–1773, 2009 [4] Nil Kucuk, Merve Cakir, Nihat Ali Isitman, “Mass attenuation coefficients, effective atomic numbers and effective electron densities for some polymers”, Radiation Protection Dosimetry, Vol 153, No 1, pp 127– 134, 2013 [5] Huynh Dinh Chuong, Nguyen Thi My Le, Hoang Duc Tam, “Semi-empirical method for determining the density of liquids using a NaI(Tl) scintillation detector”, Applied Radiation and Isotopes, vol 152, pp 109-114, 2019 [6] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [7] Murat Kurudirek, “Radiation shielding and effective atomic number studies in different types of shielding concretes, lead base and non-lead base glass systems for total electron interaction: A comparative study”, Nuclear Engineering and Design, vol 280, pages 440448, 2014 [8] B M Moharrama, M E Nagy, Mohamed K.Shaat, A R El Sayed, “Performance of lead and iron oxides nanoparticle materials on shielding properties for γ-rays”, Chemistry, vol 173, 2020 [9] Manjunatha H., “Comparison of effective atomic numbers of the cancerous and normal kidney tissue”, Radiat Prot Environ., vol 38, no 3, p 83, 2015 31 [10] Manjunatha H., “Comparison of effective atomic numbers of the cancerous and normal kidney tissue”, Radiat Prot Environ., vol 38, no 3, p 83, 2015 [11] Cơ sở liệu WinXCom, ngày truy cập: 10/05/2020 https://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html [12] Mohammed Sultan Al-Buriahi, Baris T Tonguc, “Mass attenuation coefficients, effective atomic numbers and electron densities of some contrast agents for computed tomography”, Radiation Physics and Chemistry, vol 166, no 108507, 2020 [13] Vishwanath P Singh, Nagappa M Badiger, “Study of effective atomic numbers and electron densities, kerma of alcohols, phantom and human organs, and tissues substitutes”, Nuclear Technology & Radiation Protection, vol 28, no 2, pp 137-145, 2013 [14] Nowotny R., XMuDat: Photon attenuation data on PC (version.1.0.1) IAEA-NDS-195, 1998 [15] Vishwanath P Singh, N M Badiger, Nil Kucuk, “Determination of effective atomic numbers using different methods for some low-z materials”, Journal of Nuclear Chemistry, 2014 [16] Đặng Nguyên Phương, “Hướng dẫn sử dụng MCNP cho hệ điều hành Windows”, nhóm NMTP, 2015 [17] Thông tin nguồn chuẩn, Eckert & Ziegler Reference & Calibration Source Production Information, ngày truy cập: 19/04/2020 http://hightechsource.co.uk/wp-content/uploads/Catalogue-IPL-Std-Ref2008.pdf [18] Ohama Y., “Polymer concrete”, Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete, pp 256–269 (2008) [19] Công ty TNHH Thương mại Plastic IDO, ngày truy cập: 10/05/2020 http://idoplastic.com/ [20] Cơ sở liệu WinXCom, ngày truy cập: 10/05/2020 32 https://physics.nist.gov/cgi-bin/Star/compos.pl?matno=223 [21] Liên đoàn Nhựa Anh quốc – BPF, ngày truy cập: 10/05/2020 https://www.bpf.co.uk/ [22] S P Kumar, V Manjunathaguru, and T K Umesh, “Effective atomic numbers of some H-, C-, N- and O-based composite materials derived from differential incoherent scattering crosssections” , Pramana, vol 74, no 4, pp 555–562, 2010 [23] A H El-Kateb, A S Abdul-Hamid, “Photon attenuation coefficient study of some materials containing hydrogen, carbon and oxygen”, Applied Radiation and Isotopes, vol 42, no 3, pp 303–307, 1991 [24] Vishwanath P Singh, N M Badiger, Nil Kucuk, “Determination of Effective Atomic Numbers Using Different Methods for Some Low-Z Materials”, Journal of Nuclear Chemistry, 2014 33 ... nguyên tử số hiệu dụng (Z eff) xác định phức tạp so với nguyên tử số nguyên tố Nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) hợp chất thông số vật lý đặc trưng cho tương tác photon với vật liệu Thông số sử dụng. .. sở lý thuyết 1.2.1 Xác định hệ số suy giảm khối .6 1.2.2 Xác định nguyên tử số hiệu dụng .8 1.3 Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng .9 1.3.1 Phương pháp... tính ứng dụng cao nên nguyên tử số hiệu dụng quan tâm nhiều phương pháp phát triển để tính tốn thơng số Khóa luận trình bày số phương pháp tính nguyên tử số hiệu dụng 1.2.1 Xác định hệ số suy giảm