Luận văn Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp monte carlo

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp monte carlo

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 72 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 74 Phụ lục
8. 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
9. 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
10. 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