Khoá 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khoá luận này 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. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khoá 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

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: E  h (1.1)
4 Quang electron có động năng ban đầu: Ee  h -  (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: m0c m (1.3) 2 2 c -v Từ đó, ta suy ra độ lớn của động lượng p electron trong mối quan hệ giữa năng lượng E và năng lượng nghỉ E0 của electron. Ee 2 - E02   pec  2 (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 E ' phụ thuộc vào góc tán xạ được xác định bằng công thức: E E' (1.5) E 1 (1- cos  ) me c 2 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]:    ( E0 )   (1.6) I1  I 0 exp      x      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]: d ( E0 , ) I 2  I1. .S ( E0 , , Z ).d .e .V (1.7) d
7 d ( E0 , ) Với là tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức Klein- d Nishina; S ( E0 , , Z ) là hàm tán xạ bất kết hợp; Z e   N là mật độ electron tại P. A Giai đoạn 3: Sự suy giảm cường độ sau tán xạ đến đầu dò (đường 2) [6]:    (E)   I 3  I 2 exp      x ' (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:    ( E0 )   d ( E0 , )    (E)   I  I 0 exp      x .S ( E0 , , Z ).d .e .V exp      x ' (1.9)      d      d ( E0 , ) Z Với cùng một cách bố trí thí nghiệm,   I 0 .S ( E0 , , Z ).d .N .V d A 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:    ( E0 )      (E)   I   exp      x  exp      x '   (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: I  A  B (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]: I  I 0 exp  -t x  (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 μ m vì nó không phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật liệu [7]. Công thức (1.12) tương đương: I  I 0 exp  -m mp  (1.13) mp - khối lượng hợp chất tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích trong chất hấp thụ với μ m = μ t (cm2/g); mp = ρx (g/cm2). ρ
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):    I  BI 0 exp  -t x   B.I 0 exp  -m m p   B.I 0 exp   t . x  (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]