›

Khóa luận So sánh kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua trong xác mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP

pdf 50 trang thiennha21 16/04/2022 3871
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận So sánh kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua trong xác mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_so_sanh_ky_thuat_gamma_tan_xa_nguoc_va_ky_thuat_ga.pdf

Nội dung text: Khóa luận So sánh kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua trong xác mật độ dung dịch bằng chương trình MCNP

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRỊNH THỊ NGỌC HUYỀN KHĨA 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
  2. 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. Hồng Đức Tâm Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2018
  3. LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khĩa luận này, tơi xin chân thành cảm ơn những người luơn đồng hành và hỗ trợ tơi trong suốt quá trình thực hiện. Đầu tiên, tơi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Tiến sĩ Hồng Đức Tâm – người đã tận tình tạo điều kiện và hướng dẫn tơi. Sự tin tưởng của thầy đã tạo động lực to lớn để tơi hồn thành khĩa luận này. Chân thành gửi lời cảm ơn đến anh chị trong nhĩm nghiên cứu đã tận tình giải đáp thắc mắc và hỗ trợ tơi trong cả quá trình thực hiện. Cuối cùng, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luơn động viên tơi cho đến khi hồn thành khĩa luận tốt nghiệp này. Trịnh Thị Ngọc Huyền.
  4. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt FWHM Full Width at Haft Maximum Bề rộng tồn phẩn một nửa cực đại NDE Non – Destructive Evaluation Kỹ thuật khơng phá hủy vật liệu MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình Monte Carlo RD Relative Deviation Độ lệch tương đối
  5. DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17] 9 Bảng 2.2. Các thơng 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. Thơng số diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh của 10 dung dịch 24 Bảng 3.2. Thơng số diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh của 10 dung dịch. 26 Bảng 3.3. Mật độ dung dịch tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) 26 Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) 28 Bảng 3.5. Mật độ dung dịch tính tốn bằng kỹ thuật gamma truyền qua. 30
  6. 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. Thơng số tinh thể NaI [1] 18 Hình 2.3. Mơ hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược trong MCNP5 19 Hình 2.4. Mơ 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 tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0 cm) 29 Hình 3.8. Mật độ tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0 cm) 29 Hình 3.9. Mật độ tính tốn 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 tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) 31
  7. Hình 3.11. Mật độ tính tốn 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 tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm) 32
  8. 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. MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG MƠ 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. Mơ phỏng Monte Carlo trong xác định khối lượng riêng của dung dịch 16 2.3.1. Nguồn phĩng xạ 17 2.3.2. Vật liệu 17 2.3.3. Đầu dị 17 2.3.4. Mơ hình mơ 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
  9. 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
  10. MỞ ĐẦU Kỹ thuật kiểm tra khơng 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 khơng phá hủy trong xác định mật độ cũng đã được tiến hành [1, 2, 14, 17]. Đặc biệt, cơng trình của nhĩm nghiên cứu Priyada đã cho thấy tiềm năng xác định mật độ các vật liệu của kỹ thuật NDT, mà ở đây, chúng tơi đang đề cập đến là kỹ thuật gamma tán xạ ngược và gamma truyền qua. Với cường độ ghi nhận lớn ở đầu dị, kỹ thuật gamma truyền qua thể hiện khả năng áp dụng rộng rãi và cĩ tiềm năng lớn thơng qua nhiều cơng 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 cơng 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 dị 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 khơng 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 tơng [2] Trong cơng trình của nhĩm 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 đĩ, trong cơng trình Priyada cơng 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 khơng tăng liên tục mà sẽ đạt giá trị bão hịa tại ngưỡng nào đĩ. Do vậy, việc áp dụng kỹ thuật này khơng 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 dị HPGe với độ phân giải lớn, song điều kiện áp dụng cĩ nhiều hạn chế.
  11. Để mở rộng áp dụng thí nghiệm ở điều kiện thường, khĩa luận của chúng tơi sử dụng đầu dị tinh thể NaI (Tl) nhấp nháy nhưng cĩ độ phân giải thấp. Do đĩ, chúng tơi đã sử dụng ống chuẩn trực cho đầu dị cĩ bán kính lớn hơn (R = 1,5 cm) so với nghiên cứu của Priyada. Bên cạnh đĩ, chúng tơi nhận thấy rằng nghiên cứu của Priyada sử dụng các dung dịch cĩ mật độ nhỏ (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 1,2 g/cm3). Để khảo sát sự tồn tại của ngưỡng bão hịa của kỹ thuật gamma tán xạ ngược, chúng tơi đã mở rộng mật độ dung dịch cho nghiên cứu (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 2,9 g/cm3). Trong khĩa luận này, chúng tơi chỉ bước đầu tiến hành mơ phỏng thí nghiệm gamma tán xạ và gamma truyền qua cho 17 dung dịch và xác định mật độ của chúng. Những kết quả mơ phỏng này gĩp phần xây dựng cơ sở cho tiến hành xác định mật độ các dung dịch trên trong thực nghiệm. Nội dung của khĩa luận bao gồm ba phần. Chương 1 bao gồm cơ sở lý thuyết về tia gamma và các tương tác với vật chất. Từ đĩ, 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 mơ phỏng MCNP5, mơ hình mơ 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 đĩ, so sánh độ tin cậy của kết quả xác định mật độ dung dịch bằng hai kỹ thuật này.
  12. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Thơng tin được cung cấp từ tia gamma đĩng một vai trị quan trọng trong việc phân tích khơng phá hủy vật liệu. Mặc dù các đồng vị phĩng xạ từ nguồn cĩ năng lượng và tỉ lệ xác định, cường độ gamma nhận được ở đầu dị sau khi đi qua vật liệu luơn nhỏ hơn do tương tác với các vật chất trong quá trình truyền đi [11]. Trong chương này, chúng tơi 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 dị 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 tồn 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)
  13. 4 Quang electron cĩ động năng ban đầu: E e 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 ngồi nhanh chĩng chiếm chỗ và dẫn đến quá trình tạo tia X đặc trưng hay các electron Auger. Trong quá trình tương tác, những tia gamma cĩ năng lượng nhỏ hơn 1MeV thường đĩng vai trị chủ yếu. Tương tự, vật liệu cĩ 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 mơ tả quá trình tương tác của photon với electron, truyền một phần năng lượng và động lượng cho hạt mang điện; khi đĩ, năng lượng và động năng photon thốt ra giảm. Thơng 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 khĩa luận này, chúng tơi sử dụng tia gamma từ nguồn 137Cs, mỗi photon mang năng lượng ban đầu là 662 keV. Theo Thuyết tương đối, electron cĩ khối lượng nghỉ m0, chuyển động với vận tốc v cĩ khối lượng m được xác định bằng cơng thức: mc m 0 (1.3) 22 cv- Từ đĩ, 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. 22 2 EEpee- c0 (1.4) Hiện tượng tán xạ Compton được phân tích thành va chạm đàn hồi của photon và electron tự do thơng 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
  14. 5 lượng và động năng của va chạm đàn hồi bảo tồn, giá trị năng lượng tán xạ E ' phụ thuộc vào gĩc tán xạ được xác định bằng cơng thức: E E ' (1.5) E 1(1- cos)  mc2 e 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 gĩc tán xạ  . Ngồi ra, trong các tương tác của tia gamma với vật chất cịn cĩ cơ chế hiệu ứng tạo cặp. Điều kiện để hiện tượng này xảy ra khi tia gamma tương tác phải cĩ năng lượng tối thiểu bằng năng lượng ở trạng thái nghỉ của hai electron (tức trên 1022 keV). Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng nguồn 137Cs với năng lượng mỗi photon ban đầu là 662 keV nên hiệu ứng này khơng thể xảy ra trong thí nghiệm được mơ 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 gĩc lớn hơn 90o (hay gĩc tán xạ >90o) trong hiệu ứng Compton được gọi là hiện tượng gamma tán xạ ngược.
  15. 6 Số đếm ghi nhận ở đầu dị phụ thuộc vào sự suy giảm cường độ ở đầu dị 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) IIx10 exp Với I0, I1 lần lượt là thơng lượng gamma tới và thơng 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]: dE (,) 0 (1.7) IIS210  EZ dV( , , ) .  e d
  16. 7 dE ( , )  Với 0 là tiết diện tán xạ vi phân được tính theo cơng thức Klein- d Nishina; S E( , Z, )0  là hàm tán xạ bất kết hợp; Z N là mật độ electron tại P. e A Giai đoạn 3: Sự suy giảm cường độ sau tán xạ đến đầu dị (đường 2) [6]: ()E IIx32 exp' (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 dị xác định bởi cơng thức: ()E0 dE (,)0  ()E IIx 0 exp .S ( E0 , , Z ). d .e . V exp' x (1.9) d dE (,)  Z Với cùng một cách bố trí thí nghiệm,  IS EZdNV0 . (,,)  00dA 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 Ixx  expexp'  (1.10) Theo nhĩm nghiên cứu Guang Lou, cường độ gamma tán xạ ghi nhận được phụ thuộc hàm bậc nhất theo mật độ chất lỏng [3]. Khi đĩ, cơng thức (1.10) được thu gọn lại thành: IAB (1.11) Với là mật độ của vật liệu; A, B là hằng số. Như cơng thức (1.11), chúng tơi tiến hành mơ phỏng thí nghiệm gamma tán xạ bằng chương trình MCNP để xác định cường độ tán xạ. Từ đĩ, khảo sát sự phụ thuộc cường
  17. 8 độ ghi nhận vào mật độ dung dịch, sử dụng cường độ tán xạ ghi nhận ở đầu dị tìm mật độ của các dung dịch. 1.2.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần Trong cơng 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 cịn 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 đĩng gĩp vào phơng 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 tơi đã sử dụng ống chuẩn trực bán kính nhỏ cho nguồn và đầu dị trong mơ phỏng thí nghiệm [14]. Đồng thời, chúng tơi đã sử dụng chương trình Colegram để loại bỏ phơng 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 cơng thức định luật Beer-Lambert [6]: IIx 0 exp- t (1.12) I0 và I - cường độ của bức xạ trước và sau khi đi qua mơi trường vật chất cĩ bề dày x (cm); t - hệ số suy giảm tuyến tính tồn phần của mơi trường vật chất đối với bức xạ đĩ (cm-1). Để mở rộng áp dụng cho bất kì dạng mơi trường vật chất nào, người ta thưởng sử dụng hệ số suy giảm khối μm vì nĩ khơng phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật liệu [7]. Cơng thức (1.12) tương đương: II exp - m 0 mp (1.13) mp - khối lượng hợp chất tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích μt 2 2 trong chất hấp thụ với μ= (cm /g); m=p ρx (g/cm ). m ρ
  18. 9 Cơng thức (1.13) chỉ áp dụng đối với bức xạ truyền qua vật chất cĩ quãng đường chuyển động tự do trong vật liệu lớn hơn nhiều so với quãng đường từ vật liệu đến đầu dị. Ngược lại, chùm tia tới khi xuyên qua mơi trường vật chất đến bề mặt đầu dị lớn hơn so với quãng đường chuyển động tự do trong vật liệu thì cần bổ sung vào cơng 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 thơng tin được ghi nhận ở đầu dị và cường độ được ghi nhận được xác định bằng cơng thức (1.14): t IBIxBmBx 000exp-.-  tmp IIexpexp (1.14) Dựa vào mối quan hệ giữa cường độ gamma truyền qua và mật độ dung dịch, chúng tơi tiến hành mơ phỏng thí nghiệm truyền qua cho các dung dịch; từ đĩ, xây dựng đường phụ thuộc cường độ gamma truyền qua vào mật độ. Sử dụng kết quả cường độ truyền qua xác định bằng mơ phỏng MCNP để xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
  19. 10 CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM TRONG MƠ PHỎNG MONTE CARLO Về bản chất, mơ phỏng Monte Carlo là chuỗi ngẫu nhiên các đối tượng và sự kiện bằng các thuật tốn máy tính. Trong trường hợp này, phương pháp Monte Carlo liên quan đến các đối tượng mơ 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 mơ phỏng, thuật tốn bao gồm số lượng lớn các biến dựa trên luật số lớn và các suy luận thống kê [5]. Mơ 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 mơ phỏng các quá trình Vật lý bằng Monte Carlo tiếp tục pháp triển mạnh mẽ ví dụ như: Số đếm neutron bằng mơ phỏng Monte Carlo cho ngưỡng an tồn ứng dụng [15, 8]; Phương pháp tán xạ và kỹ thuật chuẩn đốn y học [19] Phương pháp Monte Carlo ngày càng đĩng vai trị 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 cĩ 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 tơi 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 hồn thiện luận văn này, chúng tơi đã sử dụng chương trình MCNP5 để mơ 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 dịng lệnh xử lý cấu hình ba chiều của bất kì vật liệu nào được giới hạn bởi ơ 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 mơ phỏng bằng cách gieo số ngẫu nhiên
  20. 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 cĩ cấu hình 3 chiều tùy ý trong hệ tọa độ Descartes và được mơ tả thơng qua các ơ mạng (cell cards) và mặt (surface cards). Để viết được phần dữ liệu đầy đủ cần phải biết các thơng số kỹ thuật của đầu dị (bao gồm các loại vật liệu cấu tạo nên đầu dị, hình dạng và kích thước của đầu dị). 2.2.1. Cấu trúc chương trình MCNP5 Phần input của chương trình gồm các thành phần chính: THƠNG TIN CHUNG [Khơng bắt buộc] . . . TIÊU ĐÊ [Khơng bắt buộc] ĐỊNH NGHĨA Ơ – 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 đĩ ta xây dựng khối vật cần mơ phỏng Cú pháp khai báo mặt: [Tên mặt] [Kí hiệu hình học khai [Các tham số] báo]
  21. 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 khơng được trùng lặp. Kí hiệu hình học và các thơng số được khai báo dựa trên khối vật cần mơ phỏng: Bảng 2.1. Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17] Kí hiệu Loại Hàm Tham số P Mặt phẳng AxByCz 0 A,B,C,D PX x D = 0 ( Ox) D PY y D = 0 ( Oy) D PZ z D = 0 ( Oz) D SO Mặt cầu xyzR2222 -0 R S (-)(-)(-)-0xxyyzzR2222 x, y ,z , R SX (-)-0xxyzR2222 xR, SY 2 2 2 2 SZ x ( y - y ) z - R 0 yR, xyzzR2222 (-)-0 zR, C/X Mặt trụ (-)(-)-0yyzzR222 y z, ,R C/Y (-)(-)-0xxzzR222 x,, z R C/Z 222 CX (-)(-)-0xxyyR x, y , R CY yzR222 -0 R CZ x+222 z-R= 0 R Ngồi ra, các định nghĩa mặt cịn cĩ thể khai báo bằng các khối hình học trong khơng gian ba chiều (Macrobodies). 2.2.1.2. Định nghĩa ơ mạng – Khối I Việc xây dựng các định nghĩa ơ mạng được dựa trên các định nghĩa mặt đã được khai báo.
  22. 13 Ví dụ: Để khai báo một khối ống trụ cĩ bán kính trong là 5cm và bán kính ngồi 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 đĩ ta cĩ định nghĩa ơ 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 ơ mạng: [Tên] [Vật liệu] [Mật độ] [Các mặt] [Dữ liệu ơ] 1 5 -7.89 1 -2 3 -4 IMP:N=0 IMP:P=1 Tên ơ mạng được đặt bằng các kí tự số 1, 2, 3 theo ý người dùng. Mỗi ơ mạng được khai báo với một số xác định và khơng 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.
  23. 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 ơ mạng được khai báo bằng các mặt thơng qua tốn 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 mơ phỏng. Cú pháp khai báo mode cards: MODE X Trong đĩ, 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 đĩ: 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, cĩ 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; )
  24. 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 mơ 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 thơng số nguồn liên quan đến nguồn [17] Ơ 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 thơng 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 tốn 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 Mơ tả F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E Dịng trên bề mặt F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Trung bình thơng lượng bề mặt F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Trung bình thơng lượng ơ mạng F5:N hoặc F5:P Thơng lượng điểm hay đầu dị F6:N hoặc F6:P hoặc F6:N,P Năng lượng cịn lại F7:N Năng lượng phân hạch cịn lại trong ơ mạng F8:P hoặc F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E Phân bố năng lượng xung trong ơ mạng
  25. 16 Trong luận văn này, chúng tơi chỉ xét phân bố tạo xung ở đầu dị (Tally F8). Ngồi ra, chương trình MCNP cịn cho người dùng dễ dàng mơ phỏng các quá trình thơng qua các định nghĩa chuyển trục tọa độ. 2.2.2. Đánh giá sai số Trong quá trình mơ 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 đĩng gĩp 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. 1/2 1x 2 R1 2 (2.1) N x Bảng 2.4. Đánh giá ý nghĩa sai số tương đối [17] R Ý nghĩa của kết quả > 0,5 Khơng cĩ ý nghĩa 0,2 – 0,5 Cĩ thể chấp nhận trong một vài trường hợp 0,1 – 0,2 Chưa tin cậy hồn tồn < 0,1 Tin cậy (ngoại trừ đối với đầu dị điểm/vịng) < 0,05 Tin cậy đối với cả đầu dị điểm/vịng. Việc đánh giá sai số tương đối R phụ thuộc vào hiệu suất của lịch sử ghi nhận các hạt khác khơng và độ phân tán của kết quả ghi nhận khác khơng. Ngồi ra, các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả mơ phỏng so với thực nghiệm bẳng phương pháp Monte Carlo bao gồm: chương trình tính, mơ hình bài tốn và yếu tố người dùng. Trong đĩ, sự tương đồng giữa mơ hình bài tốn và thực nghiệm sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự sai lệch của hai kết quả nhất. 2.3. Mơ phỏng Monte Carlo trong xác định khối lượng riêng của dung dịch Yêu cầu đầu tiên cho viêc mơ phỏng bằng chương trình MCNP, ta cần cung cấp đầy đủ các thơng số đầu vào. Bao gồm: thơng số nguồn, thơng số của dung dịch đo, thơng số của đầu dị, xây dựng bố trí mơ phỏng của hệ đo.
  26. 17 2.3.1. Nguồn phĩng xạ Nguồn phĩng xạ được mơ phỏng: 137Cs, chu kì bán rã: 30,05 năm; phát ra tia gamma cĩ năng lượng đơn 662 keV. Để giảm thiểu sai số kết quả đo như đã trình bày ở chương Một, chúng tơi sử dụng ống chuẩn trực cho nguồn cĩ bán kính 0,5 cm. 2.3.2. Vật liệu Trong nghiên cứu của Priyada [14], nhĩm 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 khĩa luận này, chúng tơi mở rộng nghiên cứu cho vùng mật độ lớn hơn (từ khoảng 0,7 g/cm3 đến 2,9 g/cm3). Từ đĩ, chúng tơi tiến hành khảo sát vùng bão hịa 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 Ethy alcolhol 0,789 1,2 - Dibromethane 2,180 Aceton 0,790 CHBr3 2,890 Aniline 1,024 2.3.3. Đầu dị Mơ hình chúng tơi sử dụng đầu dị cĩ tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) do hãng Ampek cung cấp cĩ thơng số như Hình 3.9. Khác với đầu dị HPGe, đầu dị NaI(Tl) cĩ thể áp dụng được ở nhiệt độ phịng. Tuy nhiên, đầu dị tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) cĩ độ phân giải thấp hơn so với đầu dị HPGe. Vì vậy, để ghi nhận thơng tin, ống chuẩn trực được sử dụng cĩ bán
  27. 18 kính 1,5 cm lớn hơn bán kính ống – 0,5 cm sử dụng đối với đầu dị HPGe của nhĩm Priyada. Hình 2.2. Thơng số tinh thể NaI(Tl) [1] Việc sử dụng ống chuẩn trực cĩ bán kính lớn nên đĩng gĩp của tán xạ nhiều lần ảnh hưởng đến tín hiệu ghi nhận ở đầu dị. Trong luận văn này, chúng tơi 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. Mơ hình mơ phỏng Chúng tơi tiến hành mơ phỏng cho thí nghiệm của hai kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua bằng chương trình MCNP5. Hình ảnh mơ phỏng của hai thí nghiệm được thể hiện qua Hình 2.3 và Hình 2.4 bên dưới.
  28. 19 Hình 2.3. Mơ hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạ ngược trong MCNP5 (với gĩc tán xạ 120o) Hình 2.4. Mơ hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua. Hàm bề rộng một nửa năng lượng (FWHM) mơ phỏng cĩ dạng: 2 FWHM() MeVa b c cE (2.2) Trong đĩ, a = 0,0137257 MeV, b = 0,0739501 MeV1/2 và c = 0,152982 MeV 1 là các số liệu thu được từ khớp hàm thực nghiệm [4].
  29. 20 2.4. Kỹ thuật xử lí phổ Để xử lí phổ từ kết quả mơ phỏng, chúng tơi sử dụng chương trình Colegram [15]. Dựa theo nghiên cứu nhĩm Hồng Đức Tâm [4], chúng tơi đánh giá tín hiệu nhận được đĩng gĩp bởi hai phần và tiến hành khớp hàm: Đỉnh tán xạ đơn khớp hàm Gauss: A ()xx 2 Gx()exp 0 2 (2.3)  2 2 Phơng nền tín hiệu nhiễu khớp hàm đa thức: P()()()()() xaaxxaxxaxxaxx 234 010203040 (2.4) Sau kết quả xử lí, chúng tơi lấy được diện tích đỉnh tán xạ đơn làm cơ sở cho quá trình tính tốn mật độ dung dịch. Đỉnh tán xạ đơn Phơng 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.
  30. 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 khơng tăng liên tục, đến một giá trị nào đĩ cường độ tán xạ ghi nhận đạt giá trị bão hịa. Ở phần này, chúng tơi đã tiến hành mở rộng mơ phỏng thí nghiệm gamma tán xạ ngược cho vùng dung dịch cĩ 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 tơi cũng tiến hành xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật truyền qua. Từ đĩ, 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 tơi tiến hành mơ 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 tơi thu được diện tích đỉnh của 10 dung dịch mơ phỏng. Trong phần này, chúng tơi 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 đĩ, 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 dị và mật độ dung dịch cho, chúng tơi chọn ra 10 dung dịch cĩ 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 tơi tiến hành khớp hàm bậc hai và thu được kết quả như Hình 3.1 và Hình 3.2.
  31. 22 Bảng 3.1. Thơng 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 1168,0 17788 1168,3 24031 Methanol 0,791 1168,9 17579 1168,5 23974 Toluene 0,867 1168,7 18357 1167,6 24600 Aniline 1,024 1167,3 20439 1168,4 27590 Chlorobenzen 1,106 1167,1 20944 1168,5 28250 Glyxerol 1,261 1167,9 23276 1169,2 30647 Chloroform 1,438 1166,6 24823 1167,8 31625 Acid surfuric 1,840 1167,5 28662 1168,3 36720 1,2 - Dibromethane 2,180 1167,7 29572 1170,4 37182 Bromoform 2,890 1168,1 31922 1170,9 39578 3.4x104 Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) 2 3.2x104 I( ) = -3074,8 + 18141,7 + 5108,5 R2 = 0,995 3.0x104 2.8x104 2.6x104 2.4x104 2.2x104 4 Diện tích đỉnh tán xạ đơn 2.0x10 1.8x104 1.6x104 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -3 Mật độ (g cm ) 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)
  32. 23 4.0x104 Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) I( ) = -3751,1 2 + 21216,9 + 9488,3 2 3.8x104 R = 0,990 3.6x104 3.4x104 3.2x104 3.0x104 2.8x104 Diện tích đỉnh tán xạ đơn 2.6x104 2.4x104 2.2x104 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Mật độ dung dịch (g cm-3) 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 tơi nhận thấy rằng: sự phụ thuộc cường độ tán xạ gamma tăng nhưng khơng tuyến tính một cách đều đặn mà ở vùng mật độ càng cao thì cường độ tán xạ tăng chậm hơn. Điều này cĩ nghĩa rằng, đến một ngưỡng nào đĩ của mật độ dung dịch, khi cường độ ghi nhận bão hịa thì kỹ thuật gamma tán xạ khơng cịn 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 tơi cũng ghi nhận tính đúng đắn mơ 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.
  33. 24 3.0x104 Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) 2.8x104 I( ) = 10662,7 + 9332,8 R2 = 0,994 2.6x104 2.4x104 2.2x104 2.0x104 Diện tích đỉnh tán xạ đơn 1.8x104 1.6x104 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 -3 Mật độ (g cm ) 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) 3.8x104 Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) 3.6x104 I( ) = 12152,3 + 14581,4 R2 = 0,987 3.4x104 3.2x104 3.0x104 2.8x104 4 Diện tích đỉnh tán xạ đơn 2.6x10 2.4x104 2.2x104 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Mật độ dung dịch (g cm-3) 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)
  34. 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 cĩ 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 khơng tăng tuyến tính liên tục nên việc áp dụng hàm bậc nhất sẽ khơng đáng tin cậy ở những vùng cĩ mật độ lớn. Dựa vào Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3 và Hình 3.4, chúng tơi dự đốn ngưỡng bão hịa 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 tơi cũng mơ 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. Thơng 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
  35. 26 Dựa vào hàm phân bố của cường độ gamma truyền qua vào mật độ, chúng tơi tiến hành khớp hàm và thu được kết quả như Hình 3.7 và Hình 3.8. 6.6x107 Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) 7 6.4x10 I( ) = -6,9.106 + 6,9.107 R2 = 0,990 6.2x107 6.0x107 5.8x107 5.6x107 5.4x107 7 Diện tích đỉnh truyền qua 5.2x10 5.0x107 4.8x107 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -3 Mật độ dung dịch (g cm ) 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) 6.2x107 7 6.0x10 Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) 6 7 5.8x107 I( ) = -9,5.10 + 6,6.10 R2 = 0,990 5.6x107 5.4x107 5.2x107 5.0x107 4.8x107 4.6x107 4.4x107 Diện tích đỉnh truyền qua 4.2x107 4.0x107 3.8x107 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -3 Mật độ dung dịch (g 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)
  36. 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 tơi 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 tơi tiến hành xác định mật độ dung dịch của 7 dung dịch khác từ cường độ tán xạ từ mơ 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 tơi tiến hành tính tốn mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ ghi nhận được từ mơ phỏng và thu được kết quả như Bảng 3.3. Bảng 3.3. Mật độ dung dịch tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) Đường kính Đường kính Mật độ ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Dung dịch chuẩn Mật độ Mật độ (g cm-3) tính tốn RD(%) tính tốn 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 tơi 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 hồn tồn phù hợp.
  37. 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 tơi tiến hành tính tốn mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ ghi nhận được từ mơ phỏng và thu được kết quả như Bảng 3.4. Bảng 3.4. Mật độ dung dịch tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) Đường kính Đường kính Mật độ ống nghiệm 2,0 cm ống nghiệm 3,0 cm Dung dịch chuẩn Mật độ Mật độ (g cm-3) tính tốn RD(%) tính tốn 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 tơi 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 hồn tồn cĩ 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 tơi 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.
  38. 29 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Tính toán từ hàm bậc hai 1.2 Tính toán từ hàm bậc nhất ) -3 1.1 g cm ( 1.0 0.9 Mật độMật dung dịch 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.7. Mật độ tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 2,0 cm) 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Tính toán từ hàm bậc hai 1.2 Tính toán từ hàm bậc nhất ) -3 1.1 g cm g ( 1.0 0.9 Mật độ dung dịch dịch Mậtđộ dung 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.8. Mật độ tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Đường kính D = 3,0 cm)
  39. 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 tơi 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 tốn 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(%) tốn (g cm-3) tốn (g cm-3) Octane 0,703 0,713 1,50% 0,706 0,49% Aceton 0,790 0,798 1,07% 0,794 0,51% Benzen 0,879 0,864 1,70% 0,884 0,58% Oleic acid 0,895 0,906 1,20% 0,902 0,78% Nước 1,000 1,020 2,00% 1,006 0,63% Nitrobenzen 1,199 1,209 0,82% 1,207 0,70% 1,2 - Dichlobenzen 1,305 1,309 0,33% 1,321 1,20% Từ kết quả thể hiện Bảng 3.4, chúng tơi 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 hồn tồn 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 tơi thu được kết quả được trình bày trong Hình 3.9 và Hình 3.10.
  40. 31 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) 1.2 Kỹ thuật gamma truyền qua ) -3 1.1 g cm ( 1.0 0.9 Mật độMật dung dịch 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.9. Mật độ tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) 1.2 Kỹ thuật gamma truyền qua ) -3 1.1 g cm ( 1.0 0.9 Mật độMật dung dịch 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.10. Mật độ tính tốn 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 tơi thu được kết quả được trình bày trong Hình 3.11 và Hình 3.12.
  41. 32 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) 1.2 Kỹ thuật gamma truyền qua ) -3 1.1 g cm ( 1.0 0.9 Mật độMật dung dịch 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.11. Mật độ tính tốn bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm) 1.4 1.3 Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) 1.2 Kỹ thuật gamma truyền qua ) -3 1.1 g cm ( 1.0 0.9 Mật độMật dung dịch 0.8 0.7 0.6 Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen DUNG DỊCH Hình 3.12. Mật độ tính tốn 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 mơ hình của chúng tơi. Điều này được thể hiện rõ hơn thơng qua Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 và Hình 3.12.
  42. 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 tơi đã tiến hành được những nội dung sau: Mơ 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 cĩ mật độ càng cao. Cường độ tán xạ ghi nhận bị bão hịa với một ngưỡng mật độ nào đĩ, khi vượt qua ngưỡng, việc áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược cho kết quả khơng cịn 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 mơ hình thí nghiệm của chúng tơi. Đây sẽ là cơ sở cho việc đánh giá kết quả của hai kỹ thuật trong thực nghiệm.
  43. 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 đĩ, khảo sát ngưỡng áp dụng của kỹ thuật gamma tán xạ ngược đối với vật liệu cĩ 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 mơ phỏng.
  44. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Mỹ Lệ, Hồ Thị Tuyết Ngân, Hồng 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 cơng 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.
  45. 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. Accessed 3 Sep 2017. [13] NIST (2013) XCOM: photon cross sections database, USA. 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.
  46. 37 Phụ lục 1: Phổ Gamma ghi nhận – Đường kính D = 2,0 cm 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 222 Chlorobenzen 270000 Chlorobenzen 148 180000 74 90000 0 0 237 Aniline 273000 Aniline 158 182000 79 91000 0 0 231 Toluene 279000 Toluene 154 186000 93000 77 0 0 279000 Methanol 237 Methanol 186000 158 93000 79 0 0 279000 Ethy alcolhol 231 Ethy alcolhol 186000 154 93000 77 0 0 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 Kênh Kênh 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 330 Bromoform 219000 Bromoform 220 146000 110 73000 0 0 330 1,2 - Dibromethane 240000 1,2 - Dibromethane 220 160000 110 80000 0 0 291 Acid surfuric 243000 Acid surfuric 194 162000 97 81000 0 0 264 Chloroform 261000 Chloroform 176 174000 88 87000 0 0 264 Glyxerol 264000 Glyxerol 176 176000 88 88000 0 0 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 Kênh Kênh Phổ gamma tán xạ ngược Phổ gamma truyền qua
  47. 38 Phụ lục 2: Phổ Gamma ghi nhận – Đường kính D = 3,0 cm 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 276 Chlorobenzen 246000 Chlorobenzen 184 164000 92 82000 0 0 291 Aniline 249000 Aniline 194 166000 97 83000 0 0 285 Toluene 261000 Toluene 190 174000 95 87000 0 0 300 Methanol 264000 Methanol 200 176000 100 88000 0 0 300 Ethy alcolhol 264000 Ethy alcolhol 200 176000 100 88000 0 0 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 Kênh Kênh 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 420 Bromoform 219000 Bromoform 280 146000 140 73000 0 0 420 1,2 - Dibromethane 240000 1,2 - Dibromethane 280 160000 140 80000 0 0 420 Acid surfuric 243000 Acid surfuric 280 162000 140 81000 0 0 330 Chloroform 261000 Chloroform 220 174000 110 87000 0 0 330 Glyxerol 264000 Glyxerol 220 176000 110 88000 0 0 0 2000 4000 6000 8000 0 2000 4000 6000 8000 Kênh Kênh Phổ Gamma tán xạ ngược Phổ Gamma truyền qua
  48. 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) Octane 1169,2 16473 1168,3 22615 Aceton 1167,8 17552 1168,2 23519 Benzen 1167,2 18494 1167,1 25025 Oleic acid 1169,1 19074 1167,6 25391 Nước 1168,2 20390 1168,4 27073 Nitrobenzen 1167,0 22014 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
  49. XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN XÁC NHẬN CỦA THÀNH VIÊN PHẢN BIỆN
  50. XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. Hồng Đức Tâm Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trịnh Thị Ngọc Huyền