Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong đề tài, tác giả sẽ kiểm tra lại độ tin cậy của phương pháp mô phỏng Monte Carlo, sử dụng chương trình MCNP5 để xác định các đặc trưng suy giảm tia gamma gồm hệ số suy giảm khối, quãng đường tự do trung bình, bề dày một nửa và bề dày một phần mười của các vật liệu che chắn bức xạ đã có kết quả thực nghiệm ở 3 mức năng lượng 662, 1173, 1332 keV là các mẫu đá Granite, hệ thủy tinh pha Gadolinium và hệ thủy tinh pha chì.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lâm Duy Nhất NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lâm Duy Nhất NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SUY GIẢM CỦA TIA GAMMA ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số : 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC TÂM Thành phố Hồ Chí Minh - 2018
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Hoàng Đức Tâm. Người Thầy hướng dẫn tận tụy, góp ý chân thành, định hướng khoa học chính xác giúp tôi hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Trong thời gian hơn 2 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được hoàn thiện bản thân cả về kiến thức chuyên ngành và kỹ năng nghiên cứu khoa học, đó là nhờ Ban Giám hiệu nhà trường, các Thầy cô trong khoa Vật lý cũng như các Thầy cô ở Phòng Sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi và các bạn học viên, sinh viên của trường. Tôi xin chân thành các bạn trong nhóm nghiên cứu đã giúp tôi được tham gia vào môi trường nghiên cứu khoa học thực thụ, đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình tôi tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, tôi đã học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức chuyên môn và kỹ năng nghiên cứu khoa học từ các bạn. Sau cùng, tôi không quên những lời động viên, an ủi của gia đình và người thân trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài. Nhờ những đóng góp tinh thần của gia đình và người thân đã giúp tôi có động lực để hoàn thành đề tài luận văn. TP.HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận văn Lâm Duy Nhất
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi. Các dữ liệu dùng trong luận văn có trích dẫn rõ ràng, theo đúng quy định. Toàn bộ kết quả trong luận văn là do chính bản thân tôi thực hiện một cách trung thực, khách quan dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy hướng dẫn TS. Hoàng Đức Tâm. Các kết quả trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học khác mà tôi không tham gia. Tác giả luận văn Lâm Duy Nhất
MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các từ viết tắt Danh mục các bảng biểu Danh mục hình vẽ - đồ thị MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT. PHƯƠNG PHÁP GAMMA TRUYỀN QUA VÀ PHƯƠNG PHÁP GAMMA TÁN XẠ............................................ 10 1.1. Tổng quan về tương tác gamma với vật chất ...................................................... 10 1.1.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................................... 11 1.1.2. Tán xạ Compton .......................................................................................... 12 1.1.3. Hiệu ứng tạo cặp.......................................................................................... 14 1.2. Phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ ....................... 16 1.2.1. Phương pháp gamma truyền qua ................................................................. 16 1.2.2. Phương pháp gamma tán xạ ........................................................................ 17 1.2.3. Kết hợp phương pháp gamma tán xạ và phương pháp gamma truyền qua. 19 1.3. Cơ sở lý thuyết tính các đặc trưng suy giảm gamma .......................................... 21 1.3.1. Hệ số suy giảm khối .................................................................................... 21 1.3.2. Quãng đường tự do trung bình .................................................................... 22 1.3.3. Bề dày một nửa và bề dày một phần mười.................................................. 23 1.3.4. Nguyên tử số hiệu dụng .............................................................................. 23 1.3.5. Mật độ electron hiệu dụng........................................................................... 24
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MONTE CARLO ................. 25 2.1. Phương pháp Monte Carlo ................................................................................... 25 2.2. Chương trình MCNP5.......................................................................................... 26 2.2.1. Giới thiệu MCNP5 ...................................................................................... 26 2.2.2. Định nghĩa hình học trong MCNP5 ............................................................ 28 2.2.3. Định nghĩa vật liệu trong MCNP5 (Material cards).................................... 30 2.2.4. Định nghĩa nguồn trong MCNP5 (Source cards) ........................................ 31 2.2.5. Đánh giá phân bố độ cao xung - Tally F8 ................................................... 32 2.3. Mô hình mô phỏng Monte Carlo ......................................................................... 34 2.3.1. Mô hình mô phỏng gamma truyền qua ....................................................... 34 2.3.2. Mô hình mô phỏng kết hợp phương pháp gamma tán xạ làm thay đổi năng lượng bức xạ tới trong phương pháp gamma truyền qua........................... 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................... 45 3.1. Các đặc trưng suy giảm sử dụng phương pháp gamma truyền qua .................... 45 3.1.1. Hệ số suy giảm khối (µm) ........................................................................... 45 3.1.2. Quãng đường tự do trung bình (MFP), bề dày một nửa (HVT) và bề dày một phần mười (TVT) ........................................................................................ 49 3.1.3. Nguyên tử số hiệu dụng (Zeff) ...................................................................... 52 3.1.4. Mật độ electron hiệu dụng (Neff).................................................................. 52 3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng bức xạ gamma 53 3.3. Kết hợp phương pháp gamma tán xạ để làm thay đổi năng lượng bức xạ gamma tới trong phương pháp gamma truyền qua .......................................................... 63 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 68
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 72 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 74 Phụ lục
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh HVT Bề dày một nửa The Half-Value Thickness TVT Bề dày một phần mười The Tenth-Value Thickness MCNP Chương trình mô phỏng Monte Carlo Monte Carlo N - Particle RD Độ lệch tương đối Relative Deviation NDT Kiểm tra không phá mẫu Non Destructive Testing Neff Mật độ electron hiệu dụng Effective electron density Zeff Nguyên tử số hiệu dụng Effective atomic number MFP Quãng đường tự do trung bình The Mean Free Path
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong MCNP5 ........................................................... 29 Bảng 2.2. Các biến nguồn thông dụng .............................................................................. 32 Bảng 2.3. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu đá Granite ................. 38 Bảng 2.4. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu thủy tinh pha Gadolinium và thủy tinh pha chì....................................................................... 39 Bảng 3.1. Giá trị hệ số suy giảm khối của hệ thủy tinh pha Gadolinium và hệ thủy tinh pha chì tính bằng mô phỏng, đo thực nghiệm và tính bằng lý thuyết ở các mức năng lượng photon tới là 662 keV, 1173 keV và 1332 keV ........... 46 Bảng 3.2. Giá trị hệ số suy giảm khối của các mẫu đá Granite tính bằng mô phỏng, đo thực nghiệm và tính bằng lý thuyết ở các mức năng lượng photon tới là 662 keV, 1173 keV và 1332 keV .................................................................. 47 Bảng 3.3. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết NIST của hệ thủy tinh pha chì ở mức năng lượng 279 keV ............................. 50 Bảng 3.4. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết NIST của hệ thủy tinh pha Gadolinium ở mức năng lượng 1408 keV ............. 51 Bảng 3.5. Các đặc trưng suy giảm xác định bằng MCNP5 và tính theo lý thuyết NIST của đá Granite ở mức năng lượng 835 keV ............................................ 51 Bảng 3.6. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng mô phỏng của các vật liệu ở các mức năng lượng khác nhau......................................................................... 54 Bảng 3.7. Giá trị các tham số và hệ số tương quan R2 của hàm làm khớp cho các loại vật liệu ........................................................................................................ 55 Bảng 3.8. Giá trị hệ số suy giảm khối tính từ NIST của các vật liệu ở các mức năng lượng khác nhau ................................................................................................ 56 Bảng 3.9. Giá trị hệ số suy giảm khối nội suy từ hàm HyperbolaGen của các vật liệu ở các mức năng lượng khác nhau ..................................................................... 61
Bảng 3.10. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết hợp của các vật liệu ở 2 mức năng lượng photon tới là 279 keV và 320 keV...................... 64 Bảng 3.11. Giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết hợp của các vật liệu ở mức năng lượng photon tới là 229,96 keV ....................................... 65
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô hình hiệu ứng quang điện ............................................................................ 12 Hình 1.2. Mô hình tán xạ Compton ................................................................................... 13 Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng tạo cặp .................................................................................. 14 Hình 1.4. Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng ............................................................ 15 Hình 1.5. Bức xạ gamma xuyên qua vật chất .................................................................... 17 Hình 1.6. Minh họa phương pháp gamma tán xạ .............................................................. 19 Hình 1.7. Kết hợp phương pháp gamma tán xạ làm thay đổi năng lượng trong phương pháp gamma truyền qua....................................................................... 20 Hình 2.1. Các thông số kích thước nguồn phát gamma chuẩn .......................................... 35 Hình 2.2. Mô tả khối chì chứa nguồn và ống chuẩn trực tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư Phạm TP. HCM ............................................... 36 Hình 2.3. Các thông số của đầu dò NaI(Tl) dùng trong mô phỏng ................................... 37 Hình 2.4. Đầu dò NaI(Tl) tại phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường Đại học Sư Phạm TP. HCM................................................................................................. 37 Hình 2.5. Cấu hình thực nghiệm xác định các đặc trưng suy giảm của chùm tia gamma xuyên qua vật liệu theo phương pháp gamma truyền qua ................... 40 Hình 2.6. Hình ảnh cấu hình đo trong không gian 2 chiều và không gian 3 chiều trong chương trình MCNP5 .............................................................................. 40 Hình 2.7. Phổ được xử lý bằng Colegram ......................................................................... 41 Hình 2.8. Mô tả phổ của nguồn 60Co được xử lý bằng Colegram ..................................... 42 Hình 2.9. Hình ảnh thực tế phổ của nguồn 60Co trong Colegram ..................................... 42 Hình 2.10. Cấu hình kết hợp phương pháp gamma tán xạ điều chỉnh năng lượng trong chương trình MCNP5 .............................................................................. 43 Hình 3.1. Độ lệch của hệ số suy giảm khối xác định bằng mô phỏng so với các giá trị của NIST ở 3 mức năng lượng photon tới là 662 keV, 1173 keV và 1332 keV ...................................................................................................... 48
Hình 3.2. Khớp hàm mô tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng bức xạ gamma cho các loại vật liệu .................................................................. 60 Hình 3.3. Độ lệch của hàm mô tả sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối theo năng lượng so với các giá trị của NIST và mô phỏng cho các loại vật liệu .............. 62 Hình 3.4. Độ lệch của giá trị hệ số suy giảm khối xác định bằng phương pháp kết hợp so với các giá trị của NIST cho các loại vật liệu ở các mức năng lượng khác nhau ................................................................................................ 66
1 MỞ ĐẦU Ngày nay, có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng bức xạ gamma như nông nghiệp (tạo giống, thổ nhưỡng, bảo vệ thực vật, bảo quản và chế biến nông phẩm…), công nghiệp (kiểm tra không phá hủy - NDT, hệ điều khiển hạt nhân, chiếu xạ công nghiệp, kỹ thuật đánh dấu…), y tế (xạ trị bằng phóng xạ, chuẩn đoán y học hạt nhân…), sinh lý bức xạ, khoa học công nghệ… Vì vậy, kiến thức về các đặc trưng suy giảm tia gamma của các nguyên tố, các chất, hợp chất có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật ứng dụng hạt nhân. Việc phát triển ứng dụng bức xạ kéo theo sự tiếp xúc thường xuyên của con người với bức xạ gây nên những nguy cơ đối với sức khỏe. Điều này đặt ra cho con người bài toán về an toàn bức xạ. Che chắn là một trong những phương pháp hiệu quả để bảo vệ trước ảnh hưởng của bức xạ. Vì vậy, việc tìm hiểu tính chất che chắn của các loại vật liệu thông qua các đặc trưng suy giảm gamma như hệ số suy giảm khối   m  , nguyên tử số     hiệu dụng Zeff , mật độ electron hiệu dụng Neff , quãng đường tự do trung bình (MFP), bề dày một nửa (HVT) và bề dày một phần mười (TVT) có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ con người đối với tác dụng của bức xạ. Đến nay, đã có một lượng lớn các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc xác định hệ số suy giảm của các chất, hợp chất, hỗn hợp khác nhau. Trong số đó, nổi bật lên các công trình khảo sát các đặc trưng suy giảm tia gamma của các vật liệu che chắn bức xạ dùng trong lĩnh vực xây dựng. Năm 2009, Kurudirek và cộng sự [8] đã xác định hệ số suy giảm tuyến tính    của một số vật liệu xây dựng được dùng pha trộn với xi măng Portland, từ đó các tác giả đã xác định quãng đường tự do trung bình MFP, bề dày một nửa, bề dày một phần mười và quan trọng nhất là hệ số suy giảm khối (đặc trưng cho khả năng che chắn của vật liệu) của chúng. Đến năm 2013, Singh và cộng sự [9] đã xác định hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng của thép cacbon và thép không gỉ bằng chương trình WinXcom, kết quả thu được rất phù hợp với thực nghiệm đã được xác định trước đó. Năm 2015, Elmahroung và cộng sự [10] cũng sử dụng chương trình WinXcom để khảo sát tương tác gamma với 8 loại vật liệu
2 che chắn khác nhau, kết quả cho thấy các đặc trưng suy giảm thay đổi theo năng lượng photon tới do sự đóng góp khác nhau của các loại tương tác bao gồm tạo cặp, quang điện và tán xạ. Đến thời điểm này, phương pháp lý thuyết sử dụng dữ liệu hạt nhân thực nghiệm sẵn có để nội suy cho các trường hợp còn lại trong vùng năng lượng khảo sát đã được sử dụng khá phổ biến. Phương pháp lý thuyết sử dụng chương trình WinXCom (phiên bản Windows của chương trình XCOM) trở thành một công cụ đắc lực bổ sung cho các nhà nghiên cứu các kết quả lý thuyết để so sánh với thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn đặt ra nhiều nghi vấn về độ tin cậy của kết quả thu được và cần thêm nhiều kết quả thực nghiệm hoặc các phương pháp khác đáng tin cậy hơn để kiểm chứng và hoàn thiện. Năm 2016, Yildirim và cộng sự [11] đã tiến hành khảo sát tính chất che chắn của một số hợp kim nhôm sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua với nguồn phóng xạ có hoạt độ 137 60 khá cao là Cs và Co, kết quả được so sánh với lý thuyết thông qua chương trình XCOM với sai lệch dưới 5%. Trước đó, một loạt các công trình thực nghiệm tương tự xác định hệ số suy giảm và các đặc trưng suy giảm của bê tông-loại vật liệu che chắn phổ biến nhất - do Akkurt và Khayatt [12] thực hiện năm 2013, của xi măng Portland do Kurudirek và cộng sự [13] khảo sát năm 2010, của một số vật liệu xây dựng ở Ai Cập do Medhat [14] khảo sát năm 2012, của thủy tinh-loại vật liệu có ưu thế về khả năng truyền quang trong xây dựng công cộng- do El-Sersy và cộng sự [15] khảo sát năm 2014… Việc khảo sát sử dụng các nguồn phóng xạ hoạt độ cao kéo theo nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe cho các nhà khoa học khi tiếp xúc với nguồn phóng xạ. Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm này đều sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe có độ phân giải cao nên cho kết quả rất khả quan (sai lệch so với dữ liệu của trang NIST đều dưới 5%). Tuy nhiên, khi sử dụng, đầu dò HPGe cần được làm lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng, điều này dẫn đến hao phí và sự kém linh động của đầu dò HPGe trong việc đo đạc các vật liệu ở hiện trường. Trước đây, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng đầu dò NaI(Tl) hoạt động ở nhiệt độ phòng nên linh động hơn, tuy nhiên độ phân giải của loại đầu dò này kém nên kết quả xử lý dễ sai số. Điều này đã được khắc phục nhờ phương pháp xử lý phổ cải tiến trong công trình [1] và các
3 công trình nghiên cứu hoàn thiện liên quan [25, 26], giúp mở ra hướng nghiên cứu có hiệu quả về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Việc đo thực nghiệm hiển nhiên cho các kết quả đáng tin cậy trong khoa học, tuy nhiên vẫn có thể xuất hiện sai số do sai lệch về cách bố trí thí nghiệm, sai số trong xử lý kết quả. Đặc biệt, các thí nghiệm hạt nhân rất tốn kém nên việc khảo sát nhiều lần với nhiều trường hợp để giảm sai số sẽ rất khó khăn, kém linh động. Gần đây, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hạt nhân đã tích cực sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để xác định các đặc trưng suy giảm đối với bức xạ gamma của các loại vật liệu có nguyên tử số hiệu dụng khác nhau, đặc biệt là các vật liệu che chắn vì thường được nghiên cứu tương tác với bức xạ gamma năng lượng cao. Năm 2013, Gurler và Tarim [16] đã sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo khảo sát các đặc trưng suy giảm bức xạ gamma đối với các loại xi măng và bê tông đã có trong các nghiên cứu thực nghiệm khác để phát triển phương pháp Monte Carlo, kết quả thu được rất phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Trước đó, vào năm 2009, Moravek và cộng sự [17] cũng đã xem xét tương tác của gamma trong nước bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình Geant4. Năm 2010, Stankovic và cộng sự [18] sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng xác định hệ số suy giảm của bê tông thường và bê tông pha bari oxit dùng để che chắn bức xạ. Đến năm 2014, Elkhayatt và cộng sự [19] sử dụng chương trình MCNP 4B để mô phỏng xác định hệ số suy giảm của các vật liệu có số Z thấp ứng dụng trong y tế. Các nghiên cứu của A.Waly và cộng sự [20] năm 2016 sử dụng chương trình MicroShield cho thủy tinh pha chì, của Tarim [21] năm 2013, của Medhat và cộng sự [22] năm 2014 cho các mẫu đất. Mới đây nhất, năm 2017, các công trình sử dụng phương pháp mô phỏng như của Tarim và cộng sự [23] khảo sát các đặc trưng suy giảm gamma của thủy tinh bismuth borat, của Ozyurt và cộng sự [24] dùng chương trình GATE mô phỏng cho các mẫu đá granite. Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình sử dụng phương pháp mô phỏng dùng các chương trình tương thích khác nhau để nghiên cứu các đặc trưng suy giảm bức xạ gamma của các loại vật liệu che chắn khác nhau hoặc kết hợp cả hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để so sánh độ tin cậy của kết quả thu được [27,
4 28, 29, 30, 31]…. Các kết quả mô phỏng thu được rất phù hợp với lý thuyết lấy từ XCOM với sai lệch dưới 1% và sai lệch so với thực nghiệm dưới 16% [24]. Sự sai lệch so với với thực nghiệm được các nhà nghiên cứu chỉ ra là do cách bố trí cấu hình đo và sự không đồng nhất của vật liệu. Như vậy, phương pháp mô phỏng giúp cho các nhà nghiên cứu khắc phục được vấn đề này. Hiện nay, ở nước ta phương pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 đã được một số nhóm áp dụng chủ yếu trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy mẫu - gọi tắt là NDT [1, 2, 3, 4, 6]. Việc áp dụng mô phỏng Monte Carlo để xác định các đặc trưng suy giảm của các vật liệu che chắn ở nước ta vẫn còn là hướng nghiên cứu mới mẻ. Trong một đề tài nghiên cứu, với phương pháp xử lý phổ cải tiến, tác giả Hoàng Đức Tâm đã xác định bề dày thép C45 bằng phương pháp gamma tán xạ ngược sử dụng đầu dò NaI(Tl), kết quả sai lệch giữa mô phỏng bằng MCNP5 và lý thuyết thu được dưới 3% [1]. Các công trình nghiên cứu tương tự nhưng các tác giả xác định bề dày của vật liệu khác là đồng, thép, nhôm [2]; của thành bình thủy tinh [6] hay dùng chương trình mô phỏng khác là Geant4 để xác định bề dày của vật liệu nhôm [3]. Riêng đề tài của tác giả Hồ Thị Tuyết Ngân đã xác định số nguyên tử hiệu dụng và mật độ electron hiệu dụng của một số nhựa, polymer phổ biến trên thị trường bằng phương pháp gamma truyền qua, kết quả thu được có độ sai lệch so với lý thuyết của NIST dưới 2%. Trong đề tài này, để kiểm tra tính chính xác của phương pháp mô phỏng, tác giả đã dùng MCNP5 để tính lại các hệ số suy giảm của nhựa PMMA và Kapton rồi so sánh với kết quả thực nghiệm đã có trước đó, kết quả thu được có độ sai lệch dưới 5% [4]. Trong các phương pháp kiểm tra không phá hủy mẫu, ngoài các phương pháp như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, thẩm thấu lỏng…, hiện nay các nhà nghiên cứu đang rất quan tâm đến phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ. Mỗi phương pháp có một thế mạnh riêng được ứng dụng cho từng trường hợp cụ thể. Phương pháp gamma truyền qua thường được sử dụng nhiều hơn nhờ cấu hình đo đơn giản, dễ thực hiện và lý thuyết để tính các hệ số suy giảm cũng đơn giản [4, 8, 11, 12, 13, 14]. Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước dần quan tâm hơn về
5 phương pháp gamma tán xạ [1, 2, 3, 5, 6, 32, 33]. Phương pháp gamma tán xạ tuy phức tạp hơn so với phương pháp gamma truyền qua nhưng nhờ cấu hình có nguồn phát gamma và đầu dò nằm cùng phía so với vật liệu bia nên rất phù hợp cho các trường hợp đo bia dày, không thể đặt đầu dò phía sau bia như phương pháp gamma truyền qua. Đặc biệt, về mặt kinh tế, việc kết hợp phương pháp gamma tán xạ để tạo ra các chùm photon hẹp năng lượng khác nhau theo góc tán xạ từ một nguồn gamma năng lượng lớn duy nhất vào phương pháp gamma truyền qua có thể giúp các nhà nghiên cứu giảm chi phí trong việc chuẩn bị nguồn gamma, nhất là trong các nghiên cứu khảo sát các đặc trưng suy giảm đối với tia gamma theo năng lượng photon tới. Trong một số công trình nghiên cứu [8, 9, 12, 15, 18, 20, 21, 23, 24, 27, 30, 34], các vật liệu thường dùng trong xây dựng như đất, đá, xi măng, bê tông, thép, thủy tinh…đã được khẳng định về khả năng che chắn bức xạ. Năm 2017, hệ số suy giảm khối đối với 137 các chùm tia gamma hẹp ở các mức năng lượng 662 keV (nguồn Cs), 1173 keV và 1332 keV (nguồn 60Co) của các mẫu đá Granite phổ biến trên thị trường đá xây dựng ở Thổ Nhĩ Kì đã được đo bằng thực nghiệm và mô phỏng sử dụng mã GATE (là một ứng dụng của chương trình Geant4 trong lĩnh vực chụp cắt lớp bức xạ) [24]. Các loại đá Granite được biết đến như là loại vật liệu xây dựng bền, rẻ và có màu sắc đa dạng nên rất được ưa chuộng. Qua kết quả trong công trình này, lợi ích của các mẫu đá Granite lại được tăng lên qua khả năng che chắn phóng xạ tương đương với thủy tinh. Trước đó, vào năm 2016, các hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng đối với các chùm tia gamma hẹp ở các mức năng lượng 356 keV (nguồn 133Ba), 662 keV (nguồn 137Cs), 1173 keV và 1332 keV (nguồn 60Co) của 9 mẫu thủy tinh trong hệ thủy tinh pha chì đã được đo thực nghiệm bằng phương pháp gamma truyền qua [34]. Thủy tinh là loại vật liệu che chắn đang được các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng rất quan tâm để thay thế cho vật liệu bê tông truyền thống nhờ tính linh động hơn. Ngoài ra, thủy tinh cũng là loại vật liệu có hệ số truyền quang cao, rất phù hợp cho các công trình xây dựng công cộng, nó lại rất dễ thay đổi hình dạng nên có tính thẩm mỹ cao. Chì là một loại vật liệu được biết đến như là một loại vật liệu che chắn hiệu quả nhất hiện nay. Tuy
6 nhiên, việc sử dụng vật liệu chì với hàm lượng cao trong một thời gian dài lại ảnh hưởng đến sức khỏe. Qua kết quả của công trình này, việc pha trộn một hàm lượng chì vào thủy tinh giúp tăng hiệu quả che chắn bức xạ nhưng lại có nguy cơ ảnh hưởng cho sức khỏe con người. Để loại bỏ hoàn toàn tác hại của chì, các nhà nghiên cứu tích cực tìm các chất khác thay chì để pha trộn với thủy tinh mà vẫn đảm bảo che chắn bức xạ gamma hiệu quả. Cụ thể, năm 2017, các nhà nghiên cứu đã khảo sát sự thay đổi của hệ số suy giảm khối của hệ thủy tinh pha Gadolinium khi có oxit flo và khi không có oxit flo [27]. Kết quả nghiên cứu của công trình cho thấy khả năng che chắn bức xạ của thủy tinh pha Gadolinium bị giảm khi pha thêm oxit flo vào thành phần vật liệu. Như vậy, việc xác định các đặc trưng suy giảm của gamma đối với các loại vật liệu che chắn rất có ý nghĩa trong khoa học và thực tiễn. Trong các phương pháp được sử dụng hiện nay, phương pháp mô phỏng Monte Carlo đã được nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước kiểm tra tính chính xác và cho kết quả đáng tin cậy. Phương pháp mô phỏng còn có ưu điểm linh động khi muốn thay đổi cấu hình hệ đo, năng lượng photon tới, các loại vật liệu, hàm lượng chất pha hoặc khảo sát các loại vật liệu hỗn hợp mới có khả năng che chắn tốt mà khi đo thực nghiệm sẽ rất khó khăn và hao phí. Đặc biệt là trong các trường hợp sử dụng liều bức xạ cao, sử dụng phương pháp mô phỏng sẽ tránh được cho các nhà nghiên cứu khỏi nguy cơ nhiễm bức xạ. Ngoài ra, việc kết hợp giữa hai phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ, đồng thời sử dụng phương pháp xử lý phổ cải tiến hứa hẹn mở ra cho các nhà nghiên cứu hướng nghiên cứu hiệu quả về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu. Đây là hướng nghiên cứu rất phù hợp cho điều kiện nghiên cứu còn hạn chế của nước ta hiện nay trong lĩnh vực hạt nhân. Sau khi tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước như trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Trong đề tài, chúng tôi sẽ kiểm tra lại độ tin cậy của phương pháp mô phỏng Monte Carlo, sử dụng chương trình MCNP5 để xác định các
7 đặc trưng suy giảm tia gamma gồm hệ số suy giảm khối, quãng đường tự do trung bình, bề dày một nửa và bề dày một phần mười của các vật liệu che chắn bức xạ đã có kết quả thực nghiệm ở 3 mức năng lượng 662, 1173, 1332 keV là các mẫu đá Granite [24], hệ thủy tinh pha Gadolinium [27] và hệ thủy tinh pha chì [34]. Sau đó chúng tôi sẽ dùng MCNP5 khảo sát sự thay đổi các đặc trưng suy giảm này theo các mức năng lượng photon tới là 122, 145, 279, 320, 391, 511, 662, 835, 1115, 1173, 1275, 1332, 1408, 1836 keV tương ứng với các nguồn 57Co, 141Ce, 203Hg, 51Cr, 120Sn, 22Na, 137Cs, 54Mn,65Zn,60Co, 22Na, 60 Co, 152Eu, 88Y sử dụng phương pháp gamma truyền qua với đầu dò nhấp nháy NaI(Tl), kết hợp phương pháp xử lý phổ cải tiến. Tiếp theo, chúng tôi tìm hàm làm khớp sự thay đổi của hệ số suy giảm khối theo năng lượng của 3 loại vật liệu này theo kết quả mô phỏng và theo kết quả từ dữ liệu NIST. Từ hàm làm khớp phù hợp, chúng tôi sẽ nội suy hệ số suy giảm khối cho các mức năng lượng mới và so sánh kết quả với dữ liệu NIST. Sau cùng, chúng tôi sẽ kết hợp phương pháp gamma tán xạ để sử dụng 2 mức năng lượng là 279 và 320 keV từ nguồn 662 keV (137Cs) để khảo sát các đặc trưng suy giảm gamma của các loại vật liệu đã chọn theo cơ chế gamma truyền qua, kết quả được so sánh với phương pháp truyền qua truyền thống dùng nguồn phóng xạ để phát năng lượng trực tiếp qua bia vật liệu. Mục đích nghiên cứu của đề tài: Cùng với sự phát triển của ngành khoa học hạt nhân và các ứng dụng của nó, vấn đề chọn vật liệu che chắn bức xạ ngày càng cấp thiết và đa dạng tùy theo mục đích sử dụng. Các vật liệu che chắn đơn chất như đồng, chì, thép, nhôm không còn đáp ứng đủ nhu cầu che chắn bức xạ gamma cả về chất lượng, tính thẩm mỹ và ảnh hưởng sức khỏe con người. Điều này đòi hỏi cần có thêm nhiều vật liệu che chắn khác là các hợp chất hay hỗn hợp phù hợp với từng điều kiện sử dụng để người dùng lựa chọn. Thông thường, để lựa chọn loại vật liệu che chắn phù hợp thì cần có dữ liệu về các hệ số suy giảm đối với tia gamma của loại vật liệu đó, đặc biệt là hệ số suy giảm khối. Đối với các loại vật liệu là hợp chất hay hỗn hợp thì việc xác định nguyên tử số khá phức tạp vì nó thay đổi theo thành phần cấu tạo của hợp chất, mật độ vật liệu và theo cả năng lượng photon tới. Nguyên tử số của các loại vật liệu này được gọi là nguyên
8 tử số hiệu dụng (Zeff). Ngoài ra, mật độ electron cũng ảnh hưởng đến sự suy giảm của bức xạ gamma khi tương tác với vật liệu là hợp chất hay hỗn hợp được gọi là mật độ electron hiệu dụng (Neff). Quãng đường tự do trung bình (MFP) cho chúng ta biết khoảng cách giữa 2 lần va chạm liên tiếp khi photon di chuyển trong vật liệu bia. Bề dày một nửa (HVT) cho biết bề dày của vật liệu làm cho năng lượng photon bị suy giảm đi một nửa. Bề dày một phần mười (TVT) cho biết bề dày của vật liệu làm cho năng lượng photon bị suy giảm đi mười lần. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định cả 5 tham số là hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng, quãng đường tự do trung bình, bề dày một nửa, bề dày một phần mười cho các loại vật liệu gồm 19 mẫu hợp chất và hỗn hợp bao gồm: 8 mẫu đá Granite, 9 mẫu thủy tinh pha chì và 2 mẫu thủy tinh pha Gadolinium bằng phương pháp Monte Carlo thông qua chương trình mô phỏng MCNP5, nhằm bổ sung dữ liệu khả quan nhất về khả năng che chắn của chúng. Các kết quả mô phỏng thu được đều được chúng tôi tính độ lệch tương đối RD (%) so với kết quả thực nghiệm trong các công trình [24, 27, 34] và với kết quả lý thuyết. Việc sử dụng phương pháp mô phỏng xác định các hệ số suy giảm tia gamma có độ sai lệch ít so với kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết lấy từ trang NIST cũng góp phần làm tăng độ tin cậy của phương pháp. Đồng thời, trong nghiên cứu này, chúng tôi kết hợp phương pháp xử lý phổ cải tiến có thể sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) với độ phân giải kém hơn đầu dò bán dẫn HPGe nhưng vẫn cho kết quả có độ tin cậy cao, góp phần bổ sung thêm cho các nhà nghiên cứu phương pháp nghiên cứu hạt nhân bằng mô phỏng một cách tin cậy và tiết kiệm về chi phí. Ngoài ra, trong luận văn, chúng tôi tiến hành tìm hàm khớp thể hiện quy luật thay đổi của hệ số suy giảm khối theo năng lượng của các loại vật liệu đã chọn nhằm giúp cho các nhà nghiên cứu có cơ sở nghiên cứu hệ số này cho các mức năng lượng khác hoặc cho các loại vật liệu che chắn khác có liên quan, giúp tiết kiệm thời gian cũng như chi phí nghiên cứu. Như vậy, đề tài: “Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo” mà chúng tôi chọn thực hiện có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn và khoa học.