Chương 2 trình bày tổng quan về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP6. Đồng thời, chương này đã trình bày cấu trúc của một tập tin đầu vào của chương trình MCNP6 với một số ví dụ từ tập tin đầu vào của khóa luận. Phương pháp Monte Carlo là nền tảng chúng tôi tiến hành các mô phỏng phục vụ cho khóa luận.
20
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG 3.1. Mô hình mô phỏng
3.1.1.Mô hình mô phỏng
Mô hình gamma truyền qua bao gồm nguồn 137Cs, bộ chuẩn trực nguồn, vật liệu bia, bộ chuẩn trực đầu dò và đầu dò NaI(Tl).
Hình 3.1. Sơ đồ mô hình thực nghiệm gamma truyền qua
Mô hình gamma truyền qua được mô phỏng bằng phần mềm MCNP6 với cấu trúc như mô hình thực nghiệm.
21
Trong mô phỏng, khoảng cách từ nguồn đến thanh vật liệu là 28,43 cm và khoảng cách từ thanh vật liệu đến đầu dò là 20,3 cm. Sau đây trình bày một số dữ liệu mô phỏng về nguồn 137Cs, vật liệu bia và đầu dò NaI(Tl).
3.1.1.1. Nguồn 137Cs
Nguồn phát phóng xạ gamma được sử dụng trong khóa luận là nguồn 137Cs mang năng lượng 661,657 keV với hiệu suất suất phát là 84,99%. Nguồn được mô phỏng với số hạt phát ra là 6 tỷ hạt.
Hình 3.3. Thông số của nguồn phóng xạ [17]
3.1.1.2. Vật liệu bia
Vật liệu bia được chọn trong khóa luận là vật liệu polyme. Polyme là hợp chất cao
phân tử, là hợp chất có khối lượng phân tử lớn do nhiều đơn vị nhỏ gọi là mắt xích (monome) liên kết với nhau tạo thành. Polyme thường được chia ra thành polyme tự nhiên, polyme nhân tạo và polyme bán nhân tạo. Polyme thường có ưu điểm là độ bền cao, có tính thẩm mĩ và rất dễ điều chế. Do đó, polyme là một vật liệu đang rất được quan tâm và có nhiều nghiên cứu về nó, ví dụ như bê tông polyme đang được nghiên cứu với ưu điểm làm giảm hiệu ứng nhà kính [18].
Chúng tôi tính toán nguyên tử số hiệu dụng của một số polyme thường dùng. Bảng
22
Bảng 3.1. Tên gọi, cấu trúc hóa học và mật độ của một số vật liệu polyme
Tên vật liệu Tên gọi
khác CTHH
Mật độ (g/cm3) Giá trị Giá trị
trung bình
Acrylonitrin Butadien Styren ABS C15H17N 1,06 - 1,15 [19] 1,105 High-density polyethylene HDPE C2H4 0,96 - 0,98 [19] 0,97 Polymethylmethacrylate PMMA C5H8O2 1,19 [20] 1,19 Polycarbonate PC C15H16O2 1,20 - 1,28 [19] 1,24
Polychloroprene CR C4H5Cl 1,23 [19] 1,23
Polyetheretherketones PEEK C19H12O3 1,3 - 1,4 [19] 1,35 Polyethyleneterephthalate PET C10H8O4 1,33 - 1,5 [19] 1,415 Polymethylpentene PMP C6H12 0,83 [21] 0,83 Polyoxymethylene POM CH2O 1,45 - 1,55 [20] 1,425
Polypropylene PP C3H6 0,93 [19] 0,93
Polystyrene PS C8H8 1,06 [20] 1,06
Polyvinylchloride PVC C2H3Cl 1,3 [19] 1,3
Polyethylene PE C2H4 0,94 [20] 0,94
Polyvinylidenefluoride PVDF C2H2F2 1,79 - 1,85 [19] 1,82
Trong mô hình mô phỏng, thanh vật liệu polyme được mô phỏng với đường kính ống là 2 cm.
23
3.1.1.3. Đầu dò NaI(Tl)
Khóa luận này sử dụng đầu dò loại tinh thể nhấp nháy NaI(Tl). Bảng 3.2 trình bày các thông số của đầu dò:
Bảng 3.2. Cấu hình và thông số kỹ thuật của đầu dò NaI(Tl)
Cấu hình Thông số kỹ thuật
Đường kính tinh thể NaI(Tl) 76 mm
Chiều cao tinh thể NaI(Tl) 76 mm
Độ dày lớp chì trên đầu dò 1,5 mm
Độ dày lớp silicon 2 mm
Độ dày lớp chì xung quanh đầu dò 1,5 mm
Độ dày lớp phản xạ trước đầu dò 3 mm
3.1.2.Phương pháp xử lý phổ
Kết quả mô phỏng được xử lý bằng phần mềm xử lý phổ Colegram. Phần mềm Colegram là phần mềm được dùng để xác định diện tích đỉnh theo kênh năng lượng. Chúng tôi sử dụng hàm Gauss để khớp đỉnh phổ và hàm đa thức bậc 4 để khớp phông nền của phổ: • Hàm Gauss có dạng: ( ) ( ) 2 2 x x 2 1 P x e 2 − = (3.1) • Hàm đa thức bậc 4 có dạng: 2 3 4 0 1 2 3 4 y a= +a x a x+ +a x +a x (3.2)
24
Hình 3.4. Phổ năng lượng trước và sau khi xử lý bằng phần mềm Colegram
3.2.Kết quả và nhận xét
3.2.1.Xác định hệ số suy giảm khối
Dữ liệu từ việc xử lý phổ mô phỏng gồm cường độ bức xạ gamma qua vật liệu không khí (I0) và cường độ bức xạ gamma qua vật liệu polyme (I) được áp dụng vào công thức (1.8) để tính hệ số suy giảm khối của vật liệu. Đồng thời so sánh giá trị tính từ mô phỏng với giá trị lý thuyết từ dữ liệu WinXCom bằng độ chênh lệch có công thức như sau:
( ) NISTm m NIST m
RD % = − 100
(3.1)
Bảng 3.3. Dữ liệu tính toán hệ số suy giảm khối của vật liệu
Tên vật liệu Mật độ (g/cm3) I m NIST m RD (%) ABS 1,105 297714400 0,0732 0,0832 12,1 HDPE 0,970 301193400 0,0774 0,0880 12,1 PMMA 1,190 294056500 0,0731 0,0832 12,1 PC 1,240 293131700 0,0715 0,0825 13,4
25
Bảng 3.3. Dữ liệu tính toán hệ số suy giảm khối của vật liệu (tiếp theo)
Tên vật liệu Mật độ (g/cm3) I m NIST m RD (%) CR 1,230 293986300 0,0708 0,0802 11,7 PEEK 1,350 289268800 0,0705 0,0803 12,2 PET 1,415 286632400 0,0705 0,0803 12,2 PMP 0,830 307780200 0,0774 0,0880 12,1 POM 1,425 284862300 0,0722 0,0822 12,1 PP 0,930 303061200 0,0774 0,0880 12,1 PS 1,060 299829100 0,0729 0,0830 12,1 PVC 1,300 291739100 0,0700 0,0790 11,4 PE 0,940 302594000 0,0774 0,0880 12,1 PVDF 1,820 273554800 0,0677 0,0771 12,2 Không khí 0,001205 349960500
Hệ số suy giảm khối của vật liệu tính từ mô phỏng so với giá trị lý thuyết từ dữ liệu WinXCom có độ chênh lệch thấp nhất là 11,41% (polyvinylclorua) và cao nhất là 13,34% (polycarbonate). Nguyên nhân gây nên độ chênh lệch này là do trong quá trình mô phỏng, thành phần vật liệu được khai báo chưa phù hợp với dữ liệu WinXCom và mật độ của vật liệu được tổng hợp từ nhiều nguồn.
3.2.2.Xác định nguyên tử số hiệu dụng
Khóa luận tiến hành so sánh kết quả của nguyên tử số hiệu dụng của 14 vật liệu polyme giữa các phương pháp bằng cách tính độ lệch giữa các phương pháp so với kết quả được tính
26
từ dữ liệu lấy từ WinXCom. Độ chênh lệch giữa các phương pháp được xác định bằng công thức:
( ) eff ,NIST eff , eff ,NIST Z Z RD % 100 Z − = (3.2)
Bảng 3.4. Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng giữa hai phương pháp
Tên vật liệu Mật độ Zeff ,PI Zeff , RD (%)
ABS 1,105 3,45 3,04 12,1 HDPE 0,97 2,67 2,34 12,1 PMMA 1,19 3,60 3,16 12,1 PC 1,24 3,70 3,20 13,4 CR 1,23 4,60 4,06 11,6 PEEK 1,35 4,41 3,88 12,1 PET 1,415 4,55 3,99 12,1 PMP 0,83 2,67 2,34 12,1 POM 1,425 4,00 3,51 12,1 PP 0,93 2,67 2,34 12,1 PS 1,06 3,50 3,08 12,1 PVC 1,3 5,33 4,72 11,4 PE 0,94 2,67 2,34 12,1 PVDF 1,82 5,33 4,68 12,3
27
Hình 3.5. Đồ thị so sánh giữa hai phương pháp
Dựa vào bảng số liệu và hình 3.5, giá trị theo mô phỏng Zeff , được tính từ giá trị hệ số suy giảm khối theo mô phỏng nên có độ chênh lệch so với giá trị của phương pháp tính trực tiếp Zeff ,PI tương ứng với hệ số suy giảm khối của vật liệu như bảng 3.4.
Ngoài ra, chúng tôi so sánh giá trị nguyên tử số hiệu dụng của vật liệu polyme được tính
theo hai phương pháp với một số nghiên cứu khác:
Bảng 3.5. Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng với các nghiên cứu khác
Tên vật liệu Nguyên tử số hiệu dụng eff ,PI Z Zeff , Một số nghiên cứu khác PMMA 3,60 3,16 3,4 [22], 3,52 [23] PC 3,70 3,20 3,726 [24] PP 2,67 2,34 2,707 [23], 2,66 [4] PS 3,50 3,08 3,001 [24] PE 2,67 2,34 2,710 [24]
28
Hình 3.6. So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụnggiữa phương pháp tính trực tiếp với các nghiên cứu khác
Dựa vào bảng số liệu và hình 3.6, giá trị nguyên tử số hiệu dụng của polystyrene trong nghiên cứu của Singh và cộng sự [24] có độ chênh lệch so với giá trị lý thuyết theo phương pháp tính trực tiếp là 14,3%. Nguyên tử số hiệu dụng của 4 vật liệu polyme còn lại so với các nghiên cứu khác đều có độ chênh lệch dưới 6%. Vậy giá trị nguyên tử số hiệu dụng được tính toán bằng phương pháp lý thuyết phù hợp với giá trị thực nghiệm trong các nghiên cứu khác. Đồng thời, dựa vào bảng số liệu và hình 3.7, độ chênh lệch giữa nguyên tử số hiệu dụng eff ,
Z với các nghiên cứu khác có độ sai biệt lớn nhất là -16,3% (polycarbonate) và thấp nhất là 2,4% (polyethylene). Dữ liệu từ mô phỏng so với giá trị lý thuyết có độ chênh lệch lớn được trình bày ở bảng 3.3 dẫn đến giá trị tính toán từ mô phỏng lệch với các nghiên cứu khác.
29
Hình 3.7. So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụnggiữa phương pháp Monte Carlo với các nghiên cứu khác
3.3.Tóm tắt chương 3
Trong chương 3, khóa luận trình bày mô hình gamma truyền qua và mô phỏng mô phỏng được xây dựng trong khóa luận. Đồng thời, trình bày các kết quả thu được từ mô phỏng và kết quả tính toán nguyên tử số hiệu dụng từ các phương pháp. Từ đó, tiến hành so sánh kết quả
30
KẾT LUẬN
Từ nội dung và kết quả trong khóa luận được trình bày ở các chương, chúng tôi đạt được các kết quả cụ thể như sau:
• Xác định hệ số suy giảm khối lượng của một số vật liệu polyme.
• Xác định nguyên tử số hiệu dụng của một số vật liệu polyme bằng phương pháp trực
tiếp và phương pháp Monte Carlo với độ chênh lệch của giá trị từ mô phỏng so với giá trị lý thuyết trong khoảng 11,4% – 13,4%. Trong quá trình mô phỏng, thành phần vật
liệu được khai báo chưa phù hợp với dữ liệu WinXCom và mật độ của vật liệu được
tổng hợp từ nhiều nguồn gây nên độ chênh lệch này.
Bên cạnh đó, chúng tôi chưa đạt được mục đích nghiên cứu trong khóa luận. Khóa luận cần được cải thiện một số vấn đề sau:
• Kiểm tra và điều chỉnh tập tin đầu của mô hình mô phỏng.
• Khai thác các khía cạnh khác của các phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng. • Sử dụng thêm nhiều phương pháp khác để thu thêm dữ liệu, từ đó tiến hành so sánh và
đánh giá.
31
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. 1 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 và 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 440-448, 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
32
[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 dữ 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 cơ bản sử dụng MCNP cho hệ điều hành Windows”, nhóm NMTP, 2015.
[17] Thông tin bộ 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/
33
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.