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 hoàn thành khóa luận này, tôi xin chân thành cảm ơn những người luôn đồng
hành và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm – người đã
tận tình tạo điều kiện và hướng dẫn tôi. Sự tin tưởng của thầy đã tạo động lực to lớn
để tôi hoàn thành khóa luận này.
Chân thành gửi lời cảm ơn đến anh chị trong nhóm nghiên cứu đã tận tình giải
đáp thắc mắc và hỗ trợ tôi trong cả quá trình thực hiện.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên
tôi cho đến khi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Trịnh Thị Ngọc Huyền.
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
FWHM Full Width at Haft Maximum Bề rộng toàn phẩn một nửa
cực đại
NDE Non – Destructive Evaluation Kỹ thuật không phá hủy vật
liệu
MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình Monte Carlo
RD Relative Deviation Độ lệch tương đối
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17] ......................... 9
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. Thông số diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh của 10 dung dịch ........ 24
Bảng 3.2. Thông số diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh của 10 dung dịch. ...... 26
Bảng 3.3. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai)
................................................................................................................................... 26
Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất)
................................................................................................................................... 28
Bảng 3.5. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma truyền qua. ................ 30
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hiệu tượng quang điện ................................................................................ 3
Hình 1.2. Hiện tượng tán xạ Compton ........................................................................ 5
Hình 2.1. Ống trụ ...................................................................................................... 13
Hình 2.2. Thông số tinh thể NaI [1] .......................................................................... 18
Hình 2.3. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược trong MCNP5 ............... 19
Hình 2.4. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua trong MCNP5 ................... 19
Hình 2.5. Phổ tán xạ gamma của Glyxerol (Đường kính D = 2,0 cm) được khớp hàm
bang chương trình Colegram ..................................................................................... 20
Hình 3.1. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................................................... 22
Hình 3.2. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................................................... 23
Hình 3.3. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................................................... 24
Hình 3.4. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ
(Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................................................... 24
Hình 3.5. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật
độ (Đường kính D = 2,0 cm) ..................................................................................... 26
Hình 3.6. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật
độ (Đường kính D = 3,0 cm) ..................................................................................... 26
Hình 3.7. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0
cm) ............................................................................................................................ 29
Hình 3.8. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0
cm) ............................................................................................................................ 29
Hình 3.9. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................... 31
Hình 3.10. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ
thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) ................................................. 31
Hình 3.11. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) .......................................................... 32
Hình 3.13. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật
gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) .......................................................... 32
MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 3
1.1. Tương tác gamma với vật chất ............................................................................. 3
1.1.1. Hiệu ứng quang điện .................................................................................. 3
1.1.2. Hiệu ứng Compton ..................................................................................... 4
1.2. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ............................................................................. 5
1.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ................................................................... 5
1.2.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần ................................................................. 8
1.3. Kỹ thuật gamma truyền qua ................................................................................. 8
Chương 2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG MÔ 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 phỏng Monte Carlo trong xác định khối lượng riêng của 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. Mô hình mô phỏng ................................................................................... 18
2.4. Kỹ thuật xử lí phổ .............................................................................................. 20
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 21
3.1. Sự phụ thuộc của cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược và 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
2
3.1.2. Khảo sát hàm bậc nhất cho sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ
vùng mật độ nhỏ hơn .......................................................................................... 23
3.1.3. Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung
dịch ............................................................................................................... 25
3.2. Xác định mật độ dung dịch ................................................................................ 27
3.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược ................................................................. 27
3.2.2. Kỹ thuật gamma truyền qua ..................................................................... 30
3.2.3. Kết quả xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược và
kỹ thuật gamma truyền qua ................................................................................ 30
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 33
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................. 34
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT sử dụng tia gamma được áp dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực như xác định cấu trúc sản phẩm và các khuyết tật trong sản
phẩm [10], bề dày vật liệu [4]. Việc áp dụng kỹ thuật không phá hủy trong xác định
mật độ cũng đã được tiến hành [1, 2, 14, 17]. Đặc biệt, công trình của nhóm nghiên
cứu Priyada đã cho thấy tiềm năng xác định mật độ các vật liệu của kỹ thuật NDT,
mà ở đây, chúng tôi đang đề cập đến là kỹ thuật gamma tán xạ ngược và gamma
truyền qua.
Với cường độ ghi nhận lớn ở đầu dò, kỹ thuật gamma truyền qua thể hiện khả
năng áp dụng rộng rãi và có tiềm năng lớn thông qua nhiều công trình nghiên cứu
như xác định hệ số suy giảm [7], cấu trúc và các khuyết tật trong ống [10]…Đặc biệt,
việc áp dụng thành công trong xác định mật độ dung dịch của Priyada [14] làm cơ sở
cho việc mở rộng nghiên cứu xác định mật độ vật liệu bằng kỹ thuật gamma truyền
qua. Tuy nhiên, việc bố trí nguồn và đầu dò ở hai phía của mẫu gặp hạn chế đối với
một số loại vật liệu, để khắc phục nhược điểm này, người ta phát triển kỹ thuật gamma
tán xạ ngược.
Với những ưu điểm của kiểm tra không phá hủy NDT và việc tiếp xúc mẫu từ
một phía, tiềm năng của kỹ thuật gamma tán xạ ngược đã được phát triển trong nhiều
thí nghiệm xác định bề dày vật liệu [4], cấu trúc bê tông [2] … Trong công trình của
nhóm nghiên cứu Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã khẳng định độ tin cậy của
kỹ thuật này trong xác định mật độ dung dịch [1]. Thêm vào đó, trong công trình
Priyada công bố kết quả của kỹ thuật gamma tán xạ ngược vượt trội hơn so với kỹ
thuật gamma truyền qua trong xác định mức lỏng – lỏng và lỏng – khí [14]. Tuy
nhiên, cường độ ghi nhận của kỹ thuật gamma tán xạ ngược ghi nhận không tăng liên
tục mà sẽ đạt giá trị bão hòa tại ngưỡng nào đó. Do vậy, việc áp dụng kỹ thuật này
không thể áp dụng cho tất cả các mật độ dung dịch.
Từ những mặt ưu điểm và hạn chế của hai kỹ thuật, Priyada [14] đã tiến hành
xác định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật, đánh giá và so sánh độ tin cậy của kỹ
thuật gamma tán xạ ngược và gamma truyền qua. Trong nghiên cứu này, Priyada đã
sử dụng đầu dò HPGe với độ phân giải lớn, song điều kiện áp dụng có nhiều hạn chế.
Để mở rộng áp dụng thí nghiệm ở điều kiện thường, khóa luận của chúng tôi sử dụng
đầu dò tinh thể NaI (Tl) nhấp nháy nhưng có độ phân giải thấp. Do đó, chúng tôi đã
sử dụng ống chuẩn trực cho đầu dò có bán kính lớn hơn (R = 1,5 cm) so với nghiên
cứu của Priyada.
Bên cạnh đó, chúng tôi nhận thấy rằng nghiên cứu của Priyada sử dụng các dung
dịch có mật độ nhỏ (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 1,2 g/cm3). Để khảo sát sự tồn tại của
ngưỡng bão hòa của kỹ thuật gamma tán xạ ngược, chúng tôi đã mở rộng mật độ dung
dịch cho nghiên cứu (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 2,9 g/cm3).
Trong khóa luận này, chúng tôi chỉ bước đầu tiến hành mô phỏng thí nghiệm
gamma tán xạ và gamma truyền qua cho 17 dung dịch và xác định mật độ của chúng.
Những kết quả mô phỏng này góp phần xây dựng cơ sở cho tiến hành xác định mật
độ các dung dịch trên trong thực nghiệm.
Nội dung của khóa luận bao gồm ba phần. Chương 1 bao gồm cơ sở lý thuyết
về tia gamma và các tương tác với vật chất. Từ đó, giới thiệu cơ sở của kỹ thuật
gamma tán xạ ngược - gamma truyền qua và các yếu tố ảnh hưởng đến các kỹ thuật
này. Chương 2 giới thiệu phương pháp Monte Carlo, cấu trúc chương trình mô phỏng
MCNP5, mô hình mô phỏng trong xác định mật độ dung dịch và kỹ thuật xử lí phổ
Colegram. Chương 3 trình bày sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ đơn, cường độ
gamma truyền qua vào mật độ dung dịch, xác định mật độ chất lỏng bằng kỹ thuật
gamma tán xạ ngược và gamma truyền qua. Từ đó, so sánh độ tin cậy của kết quả xác
định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật này.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Thông tin được cung cấp từ tia gamma đóng một vai trò quan trọng trong việc
phân tích không phá hủy vật liệu. Mặc dù các đồng vị phóng xạ từ nguồn có năng
lượng và tỉ lệ xác định, cường độ gamma nhận được ở đầu dò sau khi đi qua vật liệu
luôn nhỏ hơn do tương tác với các vật chất trong quá trình truyền đi [11].
Trong chương này, chúng tôi trình bày các cơ chế tương tác tia gamma và vật
chất; đồng thời, nội dung chương cũng thảo luận về suy giảm cường độ gamma nhận
được ở đầu dò và cơ sở lí thuyết cho việc xác định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật
gamma truyền qua – gamma tán xạ.
1.1. Tương tác gamma với vật chất
1.1.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình photon tương tác truyền toàn bộ năng lượng
cho electron liên kết, làm đánh bật electron ra khỏi quĩ đạo và trở thành electron
quang điện.
Photon ban đầu
Quang electron
Hình 1.1. Hiện tượng quang điện
Năng lượng photon ban đầu:
(1.1)
4
Quang electron có động năng ban đầu:
(1.2)
Với B là năng lương liên kết của electron.
Khi quá trình này xảy ra, tồn tại một lỗ trống tại vị trí xảy ra hiệu ứng. Các
electron lớp ngoài nhanh chóng chiếm chỗ và dẫn đến quá trình tạo tia X đặc trưng
hay các electron Auger.
Trong quá trình tương tác, những tia gamma có năng lượng nhỏ hơn 1MeV
thường đóng vai trò chủ yếu. Tương tự, vật liệu có bao gồm những số nguyên tử đơn
càng lớn thì xác xảy ra hiện tượng quang điện càng cao và ngược lại.
1.1.2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng Compton mô tả quá trình tương tác của photon với electron, truyền
một phần năng lượng và động lượng cho hạt mang điện; khi đó, năng lượng và động
năng photon thoát ra giảm. Thông thường, hạt mang điện đang xét là electron; ban
đầu, electron ở trạng thái nghỉ và photon tương tác của tia X hay tia gamma. Trong
khóa luận này, chúng tôi sử dụng tia gamma từ nguồn 137Cs, mỗi photon mang năng
lượng ban đầu là 662 keV.
Theo Thuyết tương đối, electron có khối lượng nghỉ m0, chuyển động với vận
tốc v có khối lượng m được xác định bằng công thức:
(1.3)
Từ đó, ta suy ra độ lớn của động lượng electron trong mối quan hệ giữa năng
lượng E và năng lượng nghỉ E0 của electron.
(1.4)
Hiện tượng tán xạ Compton được phân tích thành va chạm đàn hồi của photon
và electron tự do thông qua tương tác động học. Nếu năng lượng gamma lớn hơn rất
nhiều so với năng lượng liên kết, electron bị tán xạ được coi như electron tự do. Năng
5
lượng và động năng của va chạm đàn hồi bảo toàn, giá trị năng lượng tán xạ phụ
thuộc vào góc tán xạ được xác định bằng công thức:
(1.5)
Photon sau tán xạ
Photon ban đầu
Electron sau tán xạ
Hình 1.2. Hiện tượng tán xạ Compton
Từ kết quả nêu trên, năng lượng tia gamma đi ra sau tán xạ E’ phải nhỏ hơn
năng lượng ban đầu E và phụ thuộc vào góc tán xạ .
Ngoài ra, trong các tương tác của tia gamma với vật chất còn có cơ chế hiệu
ứng tạo cặp. Điều kiện để hiện tượng này xảy ra khi tia gamma tương tác phải có
năng lượng tối thiểu bằng năng lượng ở trạng thái nghỉ của hai electron (tức trên 1022
keV). Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng nguồn 137Cs với năng lượng mỗi photon
ban đầu là 662 keV nên hiệu ứng này không thể xảy ra trong thí nghiệm được mô
phỏng.
1.2. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
1.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Khi tia tán xạ hợp với tia tới một góc lớn hơn 90o (hay góc tán xạ >90o) trong
hiệu ứng Compton được gọi là hiện tượng gamma tán xạ ngược.
6
Số đếm ghi nhận ở đầu dò phụ thuộc vào sự suy giảm cường độ ở đầu dò trong
quá trình truyền. Quá trình này được chia làm 3 giai đoạn xác định:
Hình 1.3. Đường đi tia gamma tán xạ lên vật chất
Giai đoạn 1: Sự suy giảm cường độ khi chùm tia tán xạ đi vào vật liệu (đường 1) [6]:
(1.6)
Với I0, I1 lần lượt là thông lượng gamma tới và thông lượng gamma truyền qua
là mật độ của vật liệu;
E0 là năng lượng photon tới.
Giai đoạn 2: Sự suy giảm tại vị trí tán xạ [6]:
(1.7)
7
Với là tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức Klein-
Nishina;
là hàm tán xạ bất kết hợp;
là mật độ electron tại P.
Giai đoạn 3: Sự suy giảm cường độ sau tán xạ đến đầu dò (đường 2) [6]:
(1.8)
Với là mật độ của vật liệu;
E là năng lượng photon sau tán xạ.
Như vậy, cường độ chùm tia tán xạ được ghi nhận ở đầu dò xác định bởi công thức:
(1.9)
Với cùng một cách bố trí thí nghiệm,
được coi là hằng số [14]. Mối quan hệ giữa mật độ vật chất tán xạ và cường độ tán xạ
được thể hiện qua biểu thức:
(1.10)
Theo nhóm nghiên cứu Guang Lou, cường độ gamma tán xạ ghi nhận được phụ thuộc
hàm bậc nhất theo mật độ chất lỏng [3]. Khi đó, công thức (1.10) được thu gọn lại
thành:
(1.11)
Với là mật độ của vật liệu; A, B là hằng số.
Như công thức (1.11), chúng tôi tiến hành mô phỏng thí nghiệm gamma tán xạ bằng
chương trình MCNP để xác định cường độ tán xạ. Từ đó, khảo sát sự phụ thuộc cường
8
độ ghi nhận vào mật độ dung dịch, sử dụng cường độ tán xạ ghi nhận ở đầu dò tìm
mật độ của các dung dịch.
1.2.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần
Trong công thức (1.11), để tính được mật độ dung dịch, cường độ tán xạ được
ghi nhận là cường độ tán xạ đơn; trong khi trên thực tế, cường độ tán xạ được ghi
nhận còn bao gồm kết quả của tán xạ nhiều lần. Chúng là kết quả của quá trình tán xạ
nhiều lần trước khi đi ra khỏi vật liệu và thường đóng góp vào phông nền, làm giảm
tính chính xác của kết quả đo.
Để giảm thiểu sai số của kết quả đo do tán xạ, theo nghiên của của Priyada,
chúng tôi đã sử dụng ống chuẩn trực bán kính nhỏ cho nguồn và đầu dò trong mô
phỏng thí nghiệm [14]. Đồng thời, chúng tôi đã sử dụng chương trình Colegram để
loại bỏ phông nền cho tín hiệu nhận được.
1.3. Kỹ thuật gamma truyền qua
Kỹ thuật gamma truyền qua được xác định dựa vào quy luật suy giảm cường
độ của chùm tia gamma theo hàm mũ khi đi qua vật chất do bị hấp thụ hoặc tán xạ.
Xét chùm tia mảnh, đơn năng, sự suy giảm cường độ của chùm tia gamma được tính
theo công thức định luật Beer-Lambert [6]:
(1.12)
I0 và I - cường độ của bức xạ trước và sau khi đi qua môi trường vật
chất có bề dày x (cm);
t - hệ số suy giảm tuyến tính toàn phần của môi trường vật chất đối
với bức xạ đó (cm-1).
Để mở rộng áp dụng cho bất kì dạng môi trường vật chất nào, người ta thưởng
sử dụng hệ số suy giảm khối vì nó không phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật
liệu [7]. Công thức (1.12) tương đương:
(1.13)
mp - khối lượng hợp chất tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích
trong chất hấp thụ với (cm2/g); (g/cm2).
9
Công thức (1.13) chỉ áp dụng đối với bức xạ truyền qua vật chất có quãng
đường chuyển động tự do trong vật liệu lớn hơn nhiều so với quãng đường từ vật liệu
đến đầu dò. Ngược lại, chùm tia tới khi xuyên qua môi trường vật chất đến bề mặt
đầu dò lớn hơn so với quãng đường chuyển động tự do trong vật liệu thì cần bổ sung
vào công thức trên một hệ số tích lũy B [6]. Điều này được giải thích do sự tăng xác
suất xuất hiện của bức xạ thứ cấp đến thông tin được ghi nhận ở đầu dò và cường độ
được ghi nhận được xác định bằng công thức (1.14):
(1.14)
Dựa vào mối quan hệ giữa cường độ gamma truyền qua và mật độ dung dịch,
chúng tôi tiến hành mô phỏng thí nghiệm truyền qua cho các dung dịch; từ đó, xây
dựng đường phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ. Sử dụng kết quả
cường độ truyền qua xác định bằng mô phỏng MCNP để xác định mật độ dung dịch
bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
10
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG
MÔ PHỎNG MONTE CARLO
Về bản chất, mô phỏng Monte Carlo là chuỗi ngẫu nhiên các đối tượng và sự
kiện bằng các thuật toán máy tính. Trong trường hợp này, phương pháp Monte Carlo
liên quan đến các đối tượng mô phỏng từ thực nghiệm với mẫu ngẫu nhiên từ hàm
phân bố xác suất xác định. Sự lặp đi lặp lại thí nghiệm nhiều lần trong mô phỏng,
thuật toán bao gồm số lượng lớn các biến dựa trên luật số lớn và các suy luận thống
kê [5].
Mô phỏng trực tiếp đường truyền của neutron là ứng dụng đầu tiên của phương
pháp Monte Carlo trong lĩnh vực Vật lý hạt nhân [9] Việc mô phỏng các quá trình
Vật lý bằng Monte Carlo tiếp tục pháp triển mạnh mẽ ví dụ như: Số đếm neutron
bằng mô phỏng Monte Carlo cho ngưỡng an toàn ứng dụng [15, 8]; Phương pháp tán
xạ và kỹ thuật chuẩn đoán y học [19]…
Phương pháp Monte Carlo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong ngành
khoa học vật liệu. Việc phân tích và phát triển vật liệu thường rất đắt đỏ và tốn nhiều
thời gian. Bằng phương pháp này, chúng ta có thể phát triển, phân tích những vật liệu
mới cũng như cấu trúc của vật liệu dễ dàng hơn ví dụ như: LEDs hữu cơ; pin
Litimium-Ions; các tấm mặt trời hữu cơ [9]…
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp Monte Carlo để xây dựng
thí nghiệm truyền qua và tán xạ gamma cho việc xác định khối lượng riêng của một
số loại vật liệu. Để hoàn thiện luận văn này, chúng tôi đã sử dụng chương trình
MCNP5 để mô phỏng cho 17 dung dịch khác nhau.
2.1. Chương trình MCNP
Chương trình sử dụng cho neutron, photon, electron và các quá trình truyền tải
neutron, photon hay quá trình tạo cặp. Các dòng lệnh xử lý cấu hình ba chiều của bất
kì vật liệu nào được giới hạn bởi ô mạng.
Chương trình sử dụng dữ liệu cắt ngang, tức dữ liệu được lựa chọn một cách
ngẫu nhiên. Các quá trình tương tác được mô phỏng bằng cách gieo số ngẫu nhiên
11
theo quy luật thống kê cho trước và được thực hiện trên máy tính vì số lần thử cần
thiết thường rất lớn.
2.2. Đặc điểm chương trình MCNP5
Hình học được thể hiện trong MCNP có cấu hình 3 chiều tùy ý trong hệ tọa độ
Descartes và được mô tả thông qua các ô mạng (cell cards) và mặt (surface cards).
Để viết được phần dữ liệu đầy đủ cần phải biết các thông số kỹ thuật của đầu dò (bao
gồm các loại vật liệu cấu tạo nên đầu dò, hình dạng và kích thước của đầu dò).
2.2.1. Cấu trúc chương trình MCNP5
Phần input của chương trình gồm các thành phần chính:
THÔNG TIN CHUNG [Không bắt buộc]
. . .
TIÊU ĐÊ [Không bắt buộc]
ĐỊNH NGHĨA Ô – KHỐI I
. . .
ĐỊNH NGHĨA MẶT – KHỐI II
. . .
ĐỊNH NGHĨA DỮ LIỆU – KHỐI III
. . .
2.2.1.1. Định nghĩa mặt – Khối II
Định nghĩa mặt được hiểu đơn giản là các khai báo hình học hai hoặc ba chiều
mà từ đó ta xây dựng khối vật cần mô phỏng
Cú pháp khai báo mặt:
[Tên mặt] [Kí hiệu hình học khai [Các tham số]
báo]
12
Tên mặt được đặt bằng các kí tự số 1, 2, 3… theo ý người dùng. Mỗi mặt được khai
báo với một số xác định và không được trùng lặp.
Kí hiệu hình học và các thông số được khai báo dựa trên khối vật cần mô phỏng:
Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17]
Kí hiệu Loại Hàm Tham số
Mặt phẳng A,B,C,D P
PX D x D = 0 ( Ox)
PY D y D = 0 ( Oy)
PZ D z D = 0 ( Oz)
SO Mặt cầu R
S
SX
SY
SZ
C/X Mặt trụ
C/Y
C/Z
CX
R CY
R CZ
Ngoài ra, các định nghĩa mặt còn có thể khai báo bằng các khối hình học trong
không gian ba chiều (Macrobodies).
2.2.1.2. Định nghĩa ô mạng – Khối I
Việc xây dựng các định nghĩa ô mạng được dựa trên các định nghĩa mặt đã
được khai báo.
13
Ví dụ: Để khai báo một khối ống trụ có bán kính trong là 5cm và bán kính
ngoài 5.7 cm với chiều cao 12 cm như Hình 2.1.
Hình 2.1. Ống trụ
Định nghĩa mặt cần dùng:
1 PZ 0 $mặt phẳng 1
2 PZ 12.0 $mặt phằng 2
3 CZ 5.0 $mặt trụ bán kính 5cm
4 CZ 5.7 $mặt trụ bán kính 5.7cm
Từ đó ta có định nghĩa ô mạng như sau:
1 5 -7.89 1 -2 3 -4 IMP:N=0 IMP:P=1 $ống trụ (5;5.7;12)
Cú pháp khai báo ô mạng:
[Tên] [Vật liệu] [Mật độ] [Các mặt] [Dữ liệu ô]
1 5 -7.89 1 -2 3 -4 IMP:N=0
IMP:P=1
Tên ô mạng được đặt bằng các kí tự số 1, 2, 3… theo ý người dùng. Mỗi ô
mạng được khai báo với một số xác định và không được trùng lặp.
Vật liệu với thành phần được khai báo ở phần định nghĩa dữ liệu – Khối III. Ở
phần này, vật liệu được khai báo bằng cách gọi tên.
14
Mật độ vật liệu mang dấu dương khi được tính bằng (nguyên tử/cm3) và mang
dấu âm khi được tính bằng (g/cm3).
Khối hình học của ô mạng được khai báo bằng các mặt thông qua toán tử giao
(khoảng trắng), hợp (:) và bù (#) với các dấu âm, dương tương ứng chiều của các
mặt.
2.2.1.3. Định nghĩa dữ liệu – Khối III
Mode cards
Mode cards là phần khai báo loại hạt mà ta muốn xét trong mô phỏng.
Cú pháp khai báo mode cards:
MODE X
Trong đó, X tương ứng với loại hạt đang xét:
N – neutron;
P – proton;
E – electron.
Định nghĩa vật liệu – Material Cards.
Cú pháp khai báo vật liệu:
Mn ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 …
Trong đó:
n – chỉ số vật liệu;
ZAID1 – nguyên tố 1 với tỉ lệ fraction1;
ZAID2 – nguyên tố 2 với tỉ lệ fraction2;
ZAID: số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZAAA.nnX với:
ZZZ: nguyên tử số.
AAA: số khối.
nn: số chỉ của bộ số liệu tiết diện tương tác sẽ được sử dụng.
X: kiểu dữ liệu (C – năng lượng liên tục; D – phản ứng rời rạc;…)
15
Định nghĩa nguồn – Source Cards
Chương trình MCNP cho phép người dùng sử dụng nhiều dạng nguồn khác
nhau theo các hàm giải tích dựng sẵn hoặc theo các mô tả phân bố xác suất.
Một số nguồn được sử dụng trong MCNP: nguồn tổng quát (SDEF); nguồn tới
hạn (KCODE); nguồn mặt (SSR/SSW) hoặc nguồn điểm (KSRC).
Bảng 2.2. Các thông số nguồn liên quan đến nguồn [17]
Ô mạng (CELL – CEL)
Năng lượng (ENERGY – ERG)
Thời gian (TIME) U V W
Hướng (DIRECTION – DIR) X Y Z
Vị trí (POSITION – POS)
Loại hạt (PARTICLE – PAR)
Trọng số (WEIGHT – WGT)
Để định nghĩa được các kiểu nguồn khác nhau, chương trình MCNP cung cấp các
phần hỗ trợ thông số nguồn bao gồm SIn (Source Information); SPn (Source
Probability) hay SBn (Source Bias).
2.2.1.3.1 Tally Cards
MCNP cung cấp các mức tính toán cơ bản cho các loại hạt được xem xét (7
tallies chuẩn cho neutron; 6 tallies cho proton và 4 tallies cho electron).
Bảng 2.3. Các khai báo tallies [17]
Kí hiệu khai báo Mô tả
F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E Dòng trên bề mặt
F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Trung bình thông lượng bề mặt
F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Trung bình thông lượng ô mạng
F5:N hoặc F5:P Thông lượng điểm hay đầu dò
F6:N hoặc F6:P hoặc F6:N,P Năng lượng còn lại
F7:N Năng lượng phân hạch còn lại trong ô
mạng
F8:P hoặc F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E Phân bố năng lượng xung trong ô mạng
16
Trong luận văn này, chúng tôi chỉ xét phân bố tạo xung ở đầu dò (Tally F8).
Ngoài ra, chương trình MCNP còn cho người dùng dễ dàng mô phỏng các quá trình
thông qua các định nghĩa chuyển trục tọa độ.
2.2.2. Đánh giá sai số
Trong quá trình mô phỏng của chương trình MCNP, kết quả của quá trình đối
với cùng một nguồn sẽ truy xuất cùng sai số tương đối R. Việc đánh giá sai số này
cho phép đánh giá đóng góp khác nhau của một quá trình. Sai số tương đối được coi
là tốt khi tỉ lệ nghịch với căn bậc hai số lịch sử N.
(2.1)
Bảng 2.4. Đánh giá ý nghĩa sai số tương đối [17]
R Ý nghĩa của kết quả
> 0,5 Không có ý nghĩa
0,2 – 0,5 Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp
0,1 – 0,2 Chưa tin cậy hoàn toàn
< 0,1 Tin cậy (ngoại trừ đối với đầu dò điểm/vòng)
< 0,05 Tin cậy đối với cả đầu dò điểm/vòng.
Việc đánh giá sai số tương đối R phụ thuộc vào hiệu suất của lịch sử ghi nhận
các hạt khác không và độ phân tán của kết quả ghi nhận khác không.
Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả mô phỏng so với thực nghiệm bẳng
phương pháp Monte Carlo bao gồm: chương trình tính, mô hình bài toán và yếu tố
người dùng. Trong đó, sự tương đồng giữa mô hình bài toán và thực nghiệm sẽ ảnh
hưởng mạnh mẽ đến sự sai lệch của hai kết quả nhất.
2.3. Mô phỏng Monte Carlo trong xác định khối lượng riêng của dung dịch
Yêu cầu đầu tiên cho viêc mô phỏng bằng chương trình MCNP, ta cần cung
cấp đầy đủ các thông số đầu vào. Bao gồm: thông số nguồn, thông số của dung dịch
đo, thông số của đầu dò, xây dựng bố trí mô phỏng của hệ đo.
17
2.3.1. Nguồn phóng xạ
Nguồn phóng xạ được mô phỏng: 137Cs, chu kì bán rã: 30,05 năm; phát ra tia
gamma có năng lượng đơn 662 keV. Để giảm thiểu sai số kết quả đo như đã trình bày
ở chương Một, chúng tôi sử dụng ống chuẩn trực cho nguồn có bán kính 0,5 cm.
2.3.2. Vật liệu
Trong nghiên cứu của Priyada [14], nhóm nghiên cứu chỉ dừng lại khảo sát
cho vùng mật độ dung dịch nhỏ (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 1,3 g/cm3). Trong khóa
luận này, chúng tôi mở rộng nghiên cứu cho vùng mật độ lớn hơn (từ khoảng 0,7
g/cm3 đến 2,9 g/cm3). Từ đó, chúng tôi tiến hành khảo sát vùng bão hòa của kỹ thuật
gamma tán xạ ngược khi tăng mật độ vật mẫu.
Danh sách dung dịch sử dụng được cung cấp bởi Bảng 2.5 bao gồm 17 dung
dịch.
Bảng 2.5. Danh sách dung dịch [12,13]
Dung dịch Mật độ (g/cm3) Dung dịch Mật độ (g/cm3)
Methanol 0,791 Nitrobenzen 1,199
Toluene 0,867 Chlorobenzen 1,106
Benzen 0,879 Glyxerol 1,261
Oleic acid 0,895 1,2 Dichlobenzen 1,305
Nước 1,000 Chloroform 1,438
Octane 0,703 Acid surfuric 1,840
0,789 2,180 Ethy alcolhol 1,2 - Dibromethane
Aceton 0,790 CHBr3 2,890
Aniline 1,024
2.3.3. Đầu dò
Mô hình chúng tôi sử dụng đầu dò có tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) do hãng
Ampek cung cấp có thông số như Hình 3.9. Khác với đầu dò HPGe, đầu dò NaI(Tl)
có thể áp dụng được ở nhiệt độ phòng.
Tuy nhiên, đầu dò tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) có độ phân giải thấp hơn so với
đầu dò HPGe. Vì vậy, để ghi nhận thông tin, ống chuẩn trực được sử dụng có bán
18
kính 1,5 cm lớn hơn bán kính ống – 0,5 cm sử dụng đối với đầu dò HPGe của nhóm
Priyada.
Hình 2.2. Thông số tinh thể NaI(Tl) [1]
Việc sử dụng ống chuẩn trực có bán kính lớn nên đóng góp của tán xạ nhiều
lần ảnh hưởng đến tín hiệu ghi nhận ở đầu dò. Trong luận văn này, chúng tôi đã sử
dụng chương trình sử dụng chương trình Colegram để xử lí phổ được trình bày ở mục
2.3.5.
2.3.4. Mô hình mô phỏng
Chúng tôi tiến hành mô phỏng cho thí nghiệm của hai kỹ thuật gamma tán xạ
ngược và kỹ thuật gamma truyền qua bằng chương trình MCNP5.
Hình ảnh mô phỏng của hai thí nghiệm được thể hiện qua Hình 2.3 và Hình
2.4 bên dưới.
19
Hình 2.3. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược trong MCNP5
(với góc tán xạ 120o)
Hình 2.4. Mô hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua.
Hàm bề rộng một nửa năng lượng (FWHM) mô phỏng có dạng:
(2.2)
Trong đó, a = 0,0137257 MeV, b = 0,0739501 MeV1/2 và c = 0,152982 MeV1 là
các số liệu thu được từ khớp hàm thực nghiệm [4].
20
2.4. Kỹ thuật xử lí phổ
Để xử lí phổ từ kết quả mô phỏng, chúng tôi sử dụng chương trình Colegram
[15]. Dựa theo nghiên cứu nhóm Hoàng Đức Tâm [4], chúng tôi đánh giá tín hiệu
nhận được đóng góp bởi hai phần và tiến hành khớp hàm:
Đỉnh tán xạ đơn khớp hàm Gauss:
(2.3)
Phông nền tín hiệu nhiễu khớp hàm đa thức:
(2.4)
Sau kết quả xử lí, chúng tôi lấy được diện tích đỉnh tán xạ đơn làm cơ sở cho quá
trình tính toán mật độ dung dịch.
Đỉnh tán xạ đơn
Phông nền P(x)
Hình 2.5. Phổ tán xạ gamma của Glyxerol (Đường kính D = 2,0 cm) được khớp hàm bằng chương trình Colegram.
21
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Theo nghiên cứu của Guang Lou [3] cường độ tán xạ ghi nhận được phụ thuộc
tuyến tính vào mật độ dung dịch như đã trình bày ở chương 1. Tuy nhiên, cường độ
gamma tán xạ không tăng liên tục, đến một giá trị nào đó cường độ tán xạ ghi nhận
đạt giá trị bão hòa.
Ở phần này, chúng tôi đã tiến hành mở rộng mô phỏng thí nghiệm gamma tán
xạ ngược cho vùng dung dịch có mật độ lớn hơn, khảo sát sự phụ thuộc của cường
độ gamma tán xạ ngược và mật độ của 10 dung dịch (từ 0,789 g/cm3 đến 2,890 g/cm3).
Sử dụng hàm được khớp xác định mật độ của 7 dung dịch khác, khảo sát tính đúng
đắn của kỹ thuật gamma trong khoảng mật độ trên.
Đồng thời, trong chương này chúng tôi cũng tiến hành xác định mật độ dung
dịch bằng kỹ thuật truyền qua. Từ đó, rút ra kết luận về tính chính xác của hai kỹ
thuật làm cơ sở cho thực nghiệm.
3.1. Sự phụ thuộc của cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược và cường độ
chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung dịch
Để khảo sát sự phụ thuộc của cường độ ghi nhận vào mật độ dung dịch, chúng
tôi tiến hành mô phỏng hai kỹ thuật bằng chương trình MCNP như Hình 2.3 và Hình
2.4. Sau kết quả xử lí phổ bằng Colegram đã trình bày ở chương 2, chúng tôi thu được
diện tích đỉnh của 10 dung dịch mô phỏng.
Trong phần này, chúng tôi sử dụng chương trình Origin 9.0 để khớp hàm khảo
sát mối quan hệ giữa diện tích đỉnh và mật độ dung dịch. Từ đó, suy ra sự phụ thuộc
cường độ ghi nhận vào mật độ dung dịch.
3.1.1. Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ ngược vào mật độ
dung dịch
Để xây dựng dạng đường phụ thuộc của cường độ tán xạ ở đầu dò và mật độ
dung dịch cho, chúng tôi chọn ra 10 dung dịch có mật độ và diện tích đỉnh trình bày
ở Bảng 3.1. Dựa vào sự phân bố các cường độ tán xạ ghi nhận được vào mật độ,
chúng tôi tiến hành khớp hàm bậc hai và thu được kết quả như Hình 3.1 và Hình 3.2.
22
Bảng 3.1. Thông số diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh của 10 dung dịch.
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Mật độ Dung dịch Diện tích Diện tích (g cm-3) Vị trí Vị trí đỉnh tán đỉnh tán xạ kênh kênh xạ đơn đơn
Ethy alcolhol 0,789 17788 1168,3 24031 1168,0
Methanol 0,791 17579 1168,5 23974 1168,9
Toluene 0,867 18357 1167,6 24600 1168,7
Aniline 1,024 20439 1168,4 27590 1167,3
Chlorobenzen 1,106 20944 1168,5 28250 1167,1
Glyxerol 1,261 23276 1169,2 30647 1167,9
Chloroform 1,438 24823 1167,8 31625 1166,6
Acid surfuric 1,840 28662 1168,3 36720 1167,5
1,2 - Dibromethane 2,180 1167,7 29572 1170,4 37182
Bromoform 2,890 1168,1 31922 1170,9 39578
Hình 3.1. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ
vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm)
23
Hình 3.2. Hàm bậc hai thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm)
Kết quả khớp hàm với hệ số R2 ~ 0,995 và R2 ~ 0,990 cho thấy việc khớp hàm
bậc hai cho hàm phụ thuộc cường độ tán xạ ngược và mật độ dung dịch là phù hợp.
Từ đồ thị khớp hàm, chúng tôi nhận thấy rằng: sự phụ thuộc cường độ tán xạ gamma
tăng nhưng không tuyến tính một cách đều đặn mà ở vùng mật độ càng cao thì cường
độ tán xạ tăng chậm hơn. Điều này có nghĩa rằng, đến một ngưỡng nào đó của mật
độ dung dịch, khi cường độ ghi nhận bão hòa thì kỹ thuật gamma tán xạ không còn
áp dụng được nữa.
3.1.2. Khảo sát hàm bậc nhất cho sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán
xạ vùng mật độ nhỏ hơn
Dựa vào Hình 3.1 và Hình 3.2, chúng tôi cũng ghi nhận tính đúng đắn mô hình
nghiên cứu của Lou và cộng sự trong khoảng mật độ nhỏ hơn vùng mật độ đã khảo
sát (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 1,8 g/cm3).
Kết quả khớp hàm bậc nhất thu được thể hiện Hình 3.3 và Hình 3.4.
24
Hình 3.3. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ
vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm)
Hình 3.4. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ
vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm)
25
Kết quả khớp hàm với hệ số R2 ~ 0,994 và R2 ~ 0,987 cho thấy: Việc khớp hàm bậc
nhất cho hàm cường độ gamma tán xạ ngược và mật độ vẫn có thể được áp dụng
trong việc xác định mật độ của dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược.
Tuy nhiên, cường độ gamma tán xạ nhận được không tăng tuyến tính liên tục nên
việc áp dụng hàm bậc nhất sẽ không đáng tin cậy ở những vùng có mật độ lớn. Dựa
vào Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3 và Hình 3.4, chúng tôi dự đoán ngưỡng bão hòa của
kỹ thuật gamma tán xạ ngược nằm trong khoảng mật độ từ 1,90 đến 2,20 g/cm3.
3.1.3. Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung
dịch
Trong luận văn này, chúng tôi cũng mô phỏng kỹ thuật gamma truyền qua cho
10 dung dịch và tiến hành khớp hàm phụ thuộc của cường độ gamma truyền qua ghi
nhận và mật độ dung dịch. Kết quả xử lí phổ thu được như Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thông số diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh của 10 dung dịch.
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Mật độ Dung dịch Diện tích Diện tích (g cm-3) Vị trí Vị trí đỉnh truyền đỉnh truyền kênh kênh qua qua
Ethy alcolhol 0,789 3307,5 63960590 3305,5 59041640
Methanol 0,791 3307,5 63989680 3305,5 59042490
Toluene 0,867 3307,3 63647410 3305,6 58448190
Aniline 1,024 3307,4 62242610 3305,6 56565390
Chlorobenzen 1,106 3307,4 61824460 3305,6 56056370
Glyxerol 1,261 3307,5 59806990 3305,8 53393180
Chloroform 1,438 3307,4 59361000 3305,6 52430890
Acid surfuric 1,840 3307,4 55475570 3305,5 47459190
1,2 - Dibromethane 2,180 3307,4 54140740 3305,5 45425450
Bromoform 2,890 3307,3 49666220 3305,6 39488360
26
Dựa vào hàm phân bố của cường độ gamma truyền qua vào mật độ, chúng tôi
tiến hành khớp hàm và thu được kết quả như Hình 3.7 và Hình 3.8.
Hình 3.5. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ (Đường kính D = 2,0 cm)
Hình 3.6. Hàm bậc nhất thể hiện sự phụ thuộc cường độ gamma truyền qua
vào mật độ (Đường kính D = 3,0 cm)
27
Kết quả khớp hàm với hệ số R2 ~ 0,99 cho thấy, việc khớp hàm bậc hai cho
hàm phụ thuộc cường độ gamma truyền qua và mật độ dung dịch là phù hợp.
3.2. Xác định mật độ dung dịch
3.2.1. Kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Như đã trình bày ở Mục 3.1, chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc cường độ tán
xạ ngược vào mật độ dung dịch theo bậc nhất và bậc 2. Để khảo sát độ tin cậy của
các hàm vừa khớp, chúng tôi tiến hành xác định mật độ dung dịch của 7 dung dịch
khác từ cường độ tán xạ từ mô phỏng.
Sử dụng hàm bậc hai trong xác đinh mật độ dung dịch
Từ kết quả khớp hàm bậc hai ghi nhận được ở Mục 3.1.1, chúng tôi tiến hành
tính toán mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ ghi nhận được từ mô
phỏng và thu được kết quả như Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai)
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Mật độ
Dung dịch chuẩn Mật độ Mật độ
(g cm-3) tính toán RD(%) tính toán RD(%)
(g cm-3) (g cm-3)
Octane 0,703 0,712 1,41% 0,707 0,66%
Aceton 0,790 0,792 0,30% 0,765 3,18%
Benzen 0,879 0,864 1,61% 0,865 1,61%
Oleic acid 0,895 0,910 1,70% 0,890 0,61%
Nước 1,000 1,018 1,80% 1,009 0,89%
Nitrobenzen 1,199 1,160 3,23% 1,194 0,41%
1,2
Dichlobenzen 1,305 1,276 2,21% 1,291 1,08%
Từ kết quả Bảng 3.3, chúng tôi rút ra kết luận: Với giá trị RD(%) < 3,30%, việc áp
dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ của dung dịch trên là hoàn
toàn phù hợp.
28
Sử dụng hàm bậc nhất xác định mật độ dung dịch
Từ kết quả khớp hàm bậc nhất ghi nhận được ở Mục 3.1.2, chúng tôi tiến hành
tính toán mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ ghi nhận được từ mô
phỏng và thu được kết quả như Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất)
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Mật độ
Dung dịch chuẩn Mật độ Mật độ
(g cm-3) tính toán RD(%) tính toán RD(%)
(g cm-3) (g cm-3)
Octane 0,703 0,670 4,69% 0,661 5,91%
Aceton 0,790 0,771 2,41% 0,735 6,90%
Benzen 0,879 0,859 2,22% 0,859 2,19%
Oleic acid 0,895 0,914 2,07% 0,890 0,61%
Nước 1,000 1,037 3,70% 1,028 2,79%
Nitrobenzen 1,199 1,189 0,78% 1,225 2,18%
1,2
Dichlobenzen 1,305 1,305 0,04% 1,320 1,15%
Từ kết quả Bảng 3.4, chúng tôi rút ra kết luận: Với giá trị RD(%) < 6,90%, việc áp
dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ của dung dịch trên là hoàn
toàn có cơ sở tiến hành thực nghiệm.
Kết quả so sánh kết quả xác định mật độ dung dịch sử dụng hàm bậc hai
và hàm bậc nhất bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược
Dựa vào Bảng 3.3 và 3.4, chúng tôi nhận thấy việc sử dụng hàm bậc hai để xác
định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược thu được kết quả tốt hơn
so với hàm bậc nhất thể hiện qua Hình 3.7 và Hình 3.8.
29
Hình 3.7. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0 cm)
Hình 3.8. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0 cm)
30
3.2.2. Kỹ thuật gamma truyền qua
Từ hàm mới xây dựng được thể hiện trong Hình 3.7 và Hình 3.8, chúng tôi
tiến hành xác định mật độ của 7 dung dịch khác bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
Kết quả thu được trình bày trong Bảng 3.5.
Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
Đường kính Đường kính Mật độ ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Dung dịch chuẩn Mật độ tính Mật độ tính (g cm-3) RD(%) RD(%) toán (g cm-3) toán (g cm-3)
0,703 0,713 1,50% 0,706 0,49% Octane
0,790 0,798 1,07% 0,794 0,51% Aceton
0,879 0,864 1,70% 0,884 0,58% Benzen
0,895 0,906 1,20% 0,902 0,78% Oleic acid
1,000 1,020 2,00% 1,006 0,63% Nước
1,199 1,209 0,82% 1,207 0,70% Nitrobenzen
1,2 -
Dichlobenzen 1,305 1,309 0,33% 1,321 1,20%
Từ kết quả thể hiện Bảng 3.4, chúng tôi rút ra kết luận: Với giá trị RD(%) ≤ 2,0%,
việc áp dụng kỹ thuật gamma truyền qua để xác định mật độ của dung dịch trên là
hoàn toàn phù hợp.
3.2.3. Kết quả xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược và
kỹ thuật gamma truyền qua
So sánh kết quả xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ
ngược khớp hàm bậc nhất và kỹ thuật gamma truyền qua
Từ kết quả xác định mật độ dung dịch trình bày ở Mục 3.2.1 và 3.2.2, chúng
tôi thu được kết quả được trình bày trong Hình 3.9 và Hình 3.10.
31
Hình 3.9. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất)
và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm)
Hình 3.10. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất)
và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm)
So sánh kết quả xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ
ngược khớp hàm bậc hai và kỹ thuật gamma truyền qua
Từ kết quả xác định mật độ dung dịch trình bày ở Mục 3.2.1 và 3.2.2, chúng
tôi thu được kết quả được trình bày trong Hình 3.11 và Hình 3.12.
32
Hình 3.11. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai)
và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm)
Hình 3.12. Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai)
và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm)
Dựa vào giá trị RD(%) trong việc xác định mật độ dung dịch cho cả hai kỹ thuật cho
thấy: kỹ thuật gamma truyền qua thể hiện độ tin cậy cao hơn so với kỹ thuật gamma
tán xạ ngược theo mô hình của chúng tôi. Điều này được thể hiện rõ hơn thông qua
Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 và Hình 3.12.
33
KẾT LUẬN
Như vậy, với đề tài “So sánh kỹ thuật gamma tán xạ và kỹ thuật gamma truyền
qua trong xác định mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP” chúng tôi đã tiến
hành được những nội dung sau:
Mô phỏng kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua bằng
chương trình MCNP5.
Khảo sát sự phụ thuộc cường độ gamma tán xạ với mật độ dung dịch.
Xác định được khối lượng riêng của các dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán
xạ và gamma truyền qua.
Chứng minh độ đáng tin cậy của kỹ thuật gamma truyền qua cao hơn so với
kỹ thuật gamma tán xạ ngược ở những chất có mật độ càng cao. Cường độ tán
xạ ghi nhận bị bão hòa với một ngưỡng mật độ nào đó, khi vượt qua ngưỡng,
việc áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược cho kết quả không còn chính xác
nữa.
Kết quả trình bày sẽ là cơ sở cho việc tìm ra ngưỡng áp dụng kỹ thuật gamma
tán xạ ngược trong xác định mật độ của dung dịch trong thực nghiệm.
Đề tài cũng khẳng định độ đáng tin cậy của kỹ thuật gamma truyền qua vượt
trội hơn so với kỹ thuật gamma tán xạ ngược trong mô hình thí nghiệm của chúng
tôi. Đây sẽ là cơ sở cho việc đánh giá kết quả của hai kỹ thuật trong thực nghiệm.
34
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Như đã trình bày trong đề tài, chúng tối kiến nghị hướng mở rộng nghiên cứu sau:
Tiếp tục mở rộng nghiên cứu sự ảnh hưởng của yếu tố bề dày vật liệu đến kết
quả của hai kỹ thuật. Từ đó, khảo sát ngưỡng áp dụng của kỹ thuật gamma tán
xạ ngược đối với vật liệu có bề dày khác nhau.
Tiến hành khảo sát mật độ dung dịch trong thực nghiệm cho hai kỹ thuật để
tăng độ tin cậy trong mô phỏng.
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 bằng phương pháp Monte
Carlo”, Tạp chí khoa học tự nhiên và công 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 3 Sep 2017.
[13] NIST (2013) XCOM: photon cross sections database, USA.
http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm. Accessed 3 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
Phổ gamma truyền qua Phổ gamma tán xạ ngược
38
Phụ lục 2: Phổ Gamma ghi nhận – Đường kính D = 3,0 cm
Phổ Gamma tán xạ ngược Phổ Gamma truyền qua
39
Phụ lục 3: Diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh 7 dung dịch xác định mật độ
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm
Dung dịch Diện tích đỉnh Diện tích đỉnh
Vị trí kênh tán xạ đơn Vị trí kênh tán xạ đơn
(a) (b)
16473 Octane 1169,2 1168,3 22615
17552 Aceton 1167,8 1168,2 23519
18494 Benzen 1167,2 1167,1 25025
19074 Oleic acid 1169,1 1167,6 25391
20390 Nước 1168,2 1168,4 27073
22014 Nitrobenzen 1167,0 1168,3 29466
1,2
Dichlobenzen 1167,0 23251 1168,3 30620
Diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh 7 dung dịch xác định mật độ
Đường kính Đường kính
ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm
Diện tích Dung dịch Diện tích đỉnh đỉnh truyền Vị trí kênh truyền qua Vị trí kênh qua (a) (b)
Octane 3307,5 64343700 3306,0 59540370
Aceton 3307,6 63749370 3306,3 58701170
Benzen 3307,6 63293070 3306,8 57843130
Oleic acid 3307,5 63000240 3305,4 57669020
Nước 3307,3 62202780 3305,3 56672890
Nitrobenzen 3307,4 60887490 3305,6 54755930
1,2
Dichlobenzen 3307,4 60185430 3305,7 53672340
XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
XÁC NHẬN CỦA THÀNH VIÊN PHẢN BIỆN
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. Hoàng Đức Tâm
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện
