TỔ NG QUAN
Tương tác gamma vớ i v ậ t ch ấ t
Hiệu ứng quang điện xảy ra khi photon tương tác với electron liên kết, truyền toàn bộ năng lượng cho chúng, dẫn đến việc electron bị đánh bật ra khỏi quỹ đạo và trở thành electron quang điện.
Hình 1.1 Hiện tượng quang điện
Năng lượng photon ban đầu:
Quang electron có động năng ban đầu:
Với B là năng lương liên kết của electron
Khi hiệu ứng này xảy ra, một lỗ trống xuất hiện tại vị trí tương ứng, và các electron lớp ngoài nhanh chóng lấp đầy chỗ trống này, dẫn đến việc hình thành tia X đặc trưng hoặc electron Auger.
Trong quá trình tương tác, tia gamma có năng lượng dưới 1MeV thường đóng vai trò quan trọng Hơn nữa, vật liệu với số nguyên tử lớn hơn sẽ có khả năng xảy ra hiện tượng quang điện cao hơn.
Hiệu ứng Compton mô tả quá trình tương tác giữa photon và electron, trong đó photon truyền một phần năng lượng và động lượng cho electron, dẫn đến sự giảm năng lượng và động năng của photon Thông thường, electron được xem là hạt mang điện trong quá trình này, bắt đầu từ trạng thái nghỉ khi tương tác với tia X hoặc tia gamma Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng tia gamma từ nguồn 137 Cs, với mỗi photon có năng lượng ban đầu là 662 keV.
Theo Thuyết tương đối, electron có khối lượng nghỉ m0, chuyển động với vận tốc v có khối lượng m được xác định bằng công thức:
Từđó, 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
Hiện tượng tán xạ Compton là quá trình va chạm đàn hồi giữa photon và electron tự do, diễn ra thông qua tương tác động học Khi năng lượng gamma vượt trội so với năng lượng liên kết, electron bị tán xạ sẽ được xem như electron tự do.
(1.4) (1.2) lượng và động năng của va chạm đàn hồi bảo toàn, giá trị năng lượng tán xạ 'E phụ thuộc vào góc tán xạđược xác định bằng công thức:
Hình 1.2 Hiện tượng tán xạ Compton
Từ kết quả nêu trên, năng lượng tia gamma đi ra sau tán xạ E’ phải nhỏhơn năng lượng ban đầu E và phụ thuộc vào góc tán xạ
Trong các tương tác của tia gamma với vật chất, có hiện tượng hiệu ứng tạo cặp, xảy ra khi tia gamma có năng lượng tối thiểu bằng năng lượng nghỉ của hai electron (trên 1022 keV) Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng nguồn 137 Cs với năng lượng photon ban đầu là 662 keV, do đó hiệu ứng tạo cặp không xảy ra trong thí nghiệm được mô phỏng.
K ỹ thu ậ t gamma tán x ạ ngượ c
1.2.1.Kỹ thuật gamma tán xạngược
Khi tia tán xạ hợp với tia tới một góc lớn hơn 90 o (hay góc tán xạ>90 o ) trong hiệu ứng Compton được gọi là hiện tượng gamma tán xạngược
Số đếm tại đầu dò phụ thuộc vào sự suy giảm cường độ trong quá trình truyền, được chia thành ba 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 xạđi vào vật liệu (đường 1) [6]:
Với I0, I1 lần lượt là thông lượng gamma tới và thông lượng gamma truyền qua
là mật độ của vật liệu;
E0 là năng lượng photon tới
Giai đoạn 2: Sự suy giảm tại vị trí tán xạ [6]:
là tiết diện tán xạ vi phân được tính theo công thức Klein- Nishina;
S E Z là hàm tán xạ bất kết hợp; e
A là mật độ electron tại P
Giai đoạn 3: Sự suy giảm cường độ sau tán xạđến đầu dò (đường 2) [6]:
Với là mật độ của vật liệu;
E là năng lượng photon sau tán xạ
Như vậy, cường độ chùm tia tán xạ được ghi nhận ở đầu dò xác định bởi công thức:
Với cùng một cách bố trí thí nghiệm, 0 d ( E 0 , ) ( 0 , , ) Z
được coi là hằng số [14] Mối quan hệ giữa mật độ vật chất tán xạvà cường độ tán xạ được thể hiện qua biểu thức:
Theo nghiên cứu của nhóm Guang Lou, cường độ gamma tán xạ tỷ lệ thuận với mật độ chất lỏng, dẫn đến việc công thức (1.10) có thể được rút gọn.
Với là mật độ của vật liệu; A, B là hằng số
Chúng tôi sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng thí nghiệm gamma tán xạ, nhằm xác định cường độ tán xạ Qua đó, chúng tôi khảo sát sự phụ thuộc của cường độ này.
(1.11) độ ghi nhận vào mật độ dung dịch, sử dụng cường độ tán xạ ghi nhận ở đầu dò tìm mật độ của các dung dịch
1.2.2 Ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần
Trong công thức (1.11), mật độ dung dịch được tính dựa trên cường độ tán xạ đơn, nhưng thực tế, cường độ tán xạ còn bao gồm tán xạ nhiều lần, dẫn đến sai số trong kết quả đo Để giảm thiểu sai số này, chúng tôi đã áp dụng phương pháp nghiên cứu của Priyada bằng cách sử dụng ống chuẩn trực có bán kính nhỏ cho nguồn và đầu dò trong thí nghiệm Đồng thời, chương trình Colegram đã được sử dụng để loại bỏ phông nền cho tín hiệu nhận được.
Kỹ thuật gamma truyền qua
Kỹ thuật gamma truyền qua dựa trên quy luật suy giảm cường độ chùm tia gamma theo hàm mũ khi đi qua vật chất, do bị hấp thụ hoặc tán xạ Đối với chùm tia mảnh, đơn năng, sự suy giảm cường độ được tính theo định luật Beer-Lambert.
I0 và I - cường độ của bức xạ trước và sau khi đi qua môi trường vật chất có bề dày x (cm);
Hệ số suy giảm tuyến tính toàn phần μt của môi trường vật chất đối với bức xạ (cm -1) được sử dụng để mô tả mức độ suy giảm của bức xạ khi đi qua môi trường Để áp dụng cho nhiều loại môi trường khác nhau, hệ số suy giảm khối μm thường được sử dụng vì nó không phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật liệu Công thức tương ứng với hệ số này là (1.12).
I I mp - khối lượng hợp chất tính bằng khối lượng trên một đơn vị diện tích trong chất hấp thụ với μ = m μ t ρ (cm 2 /g); m = p ρx (g/cm 2 )
Công thức (1.13) chỉ áp dụng khi bức xạ truyền qua vật chất có quãng đường chuyển động tự do lớn hơn nhiều so với quãng đường từ vật liệu đến đầu dò Nếu chùm tia tới xuyên qua môi trường vật chất đến bề mặt đầu dò lớn hơn quãng đường chuyển động tự do trong vật liệu, cần bổ sung một hệ số tích lũy B vào công thức Điều này giải thích sự gia tăng xác suất xuất hiện của bức xạ thứ cấp, ảnh hưởng đến thông tin ghi nhận ở đầu dò, với cường độ được xác định theo công thức (1.14).
Chúng tôi đã tiến hành mô phỏng thí nghiệm truyền gamma qua các dung dịch dựa trên mối quan hệ giữa cường độ gamma và mật độ dung dịch Từ kết quả mô phỏng cường độ truyền qua bằng kỹ thuật MCNP, chúng tôi xây dựng đường phụ thuộc cường độ gamma vào mật độ, nhằm xác định mật độ dung dịch thông qua kỹ thuật gamma truyền qua.
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆ M TRONG MÔ PH Ỏ NG MONTE CARLO
Chương trình MCNP
Chương trình này hỗ trợ việc mô phỏng neutron, photon, electron và các quá trình truyền tải của chúng, bao gồm cả quá trình tạo cặp Nó cho phép xử lý cấu hình ba chiều của bất kỳ vật liệu nào trong giới hạn của ô mạng.
Chương trình này áp dụng dữ liệu cắt ngang, tức là dữ liệu được chọn ngẫu nhiên Các quá trình tương tác được mô phỏng thông qua việc sử dụng số ngẫu nhiên theo quy luật thống kê đã định, và quy trình này được thực hiện trên máy tính do yêu cầu về số lần thử nghiệm thường rất lớn.
Đặc điểm chương trình MCNP5
Hình học trong MCNP được mô tả bằng cấu hình 3 chiều tùy ý trong hệ tọa độ Descartes thông qua các ô mạng (cell cards) và mặt (surface cards) Để hoàn thiện dữ liệu, cần nắm rõ các thông số kỹ thuật của đầu dò, bao gồm loại vật liệu, hình dạng và kích thước của nó.
2.2.1.Cấu trúc chương trình MCNP5
Phần input của chương trình gồm các thành phần chính:
THÔNG TIN CHUNG [Không bắt buộc]
TIÊU ĐÊ [Không bắt buộc] ĐỊNH NGHĨA Ô – KHỐI I
ĐỊNH NGHĨA MẶT – KHỐI II
ĐỊNH NGHĨA DỮ LIỆU – KHỐI III
2.2.1.1 Định nghĩa mặt – Khối II Định nghĩa mặt được hiểu đơn giản là các khai báo hình học hai hoặc ba chiều mà từđó ta xây dựng khối vật cần mô phỏng
Cú pháp khai báo mặt:
[Tên mặt] [Kí hiệu hình học khai báo]
Tên mặt được đặt bằng các kí tự số 1, 2, 3… theo ý người dùng Mỗi mặt được khai báo với một sốxác định và không được trùng lặp
Kí hiệu hình học và các thông sốđược khai báo dựa trên khối vật cần mô phỏng:
Bảng 2.1 Một số mặt thường dùng trong chương trình MCNP [17]
Kí hiệu Loại Hàm Tham số
Mặt phẳng Ax By Cz 0 x D = 0 ( Ox) y D = 0 ( Oy) z D = 0 ( Oz)
Ngoài ra, các định nghĩa mặt còn có thể khai báo bằng các khối hình học trong không gian ba chiều (Macrobodies)
Việc xây dựng các định nghĩa ô mạng được dựa trên các định nghĩa mặt đã được khai báo
Ví dụ: Để khai báo một khối ống trụ có bán kính trong là 5cm và bán kính ngoài 5.7 cm với chiều cao 12 cm như Hình 2.1
Hình 2.1 Ống trụ Định nghĩa mặt cần dùng:
3 CZ 5.0 $mặt trụ bán kính 5cm
4 CZ 5.7 $mặt trụ bán kính 5.7cm
Từđó ta có định nghĩa ô mạng như sau:
Cú pháp khai báo ô mạng:
Tên ô mạng phải được đặt bằng các ký tự số từ 1 đến 3 theo ý người dùng Mỗi ô mạng cần được khai báo với một số xác định và không được trùng lặp.
Vật liệu với thành phần được khai báo ở phần định nghĩa dữ liệu – Khối III Ở phần này, vật liệu được khai báo bằng cách gọi tên
Mật độ vật liệu mang dấu dương khi được tính bằng (nguyên tử/cm 3 ) và mang dấu âm khi được tính bằng (g/cm 3 )
Khối hình học của ô mạng được khai báo bằng các mặt thông qua toán tử giao
(khoảng trắng), hợp (:) và bù (#) với các dấu âm, dương tương ứng chiều của các mặt
2.2.1.3 Định nghĩa dữ liệu – Khối III
Mode cards là phần khai báo loại hạt mà ta muốn xét trong mô phỏng
Cú pháp khai báo mode cards:
MODE X Trong đó, X tương ứng với loại hạt đang xét:
Định nghĩa vật liệu – Material Cards
Cú pháp khai báo vật liệu:
Mn ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 … Trong đó: n – chỉ số vật liệu;
ZAID1– nguyên tố 1 với tỉ lệ fraction1;
ZAID2– nguyên tố 2 với tỉ lệ fraction2;
ZAID: số hiệu xác định đồng vị, có dạng ZZZAAA.nnX với:
ZZZ: nguyên tử số AAA: số khối nn: số chỉ của bộ số liệu tiết diện tương tác sẽđược sử dụng
X: kiểu dữ liệu (C –năng lượng liên tục; D – phản ứng rời rạc;…)
Định nghĩa nguồn – Source Cards
Chương trình MCNP hỗ trợ người dùng trong việc sử dụng nhiều loại nguồn khác nhau, thông qua các hàm giải tích có sẵn hoặc mô tả phân bố xác suất.
Một số nguồn được sử dụng trong MCNP: nguồn tổng quát (SDEF); nguồn tới hạn (KCODE); nguồn mặt (SSR/SSW) hoặc nguồn điểm (KSRC)
Bảng 2.2 Các thông số nguồn liên quan đến nguồn [17] Ô mạng (CELL – CEL)
Chương trình MCNP cung cấp các phần hỗ trợ để định nghĩa các kiểu nguồn khác nhau, bao gồm thông tin nguồn (SIn), xác suất nguồn (SPn) và độ thiên lệch nguồn (SBn).
MCNP cung cấp các mức tính toán cơ bản cho các loại hạt được xem xét (7 tallies chuẩn cho neutron; 6 tallies cho proton và 4 tallies cho electron)
Bảng 2.3 Các khai báo tallies [17]
Kí hiệu khai báo Mô tả
F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E Dòng trên bề mặt
F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E Trung bình thông lượng bề mặt
F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E Trung bình thông lượng ô mạng
F5:N hoặc F5:P Thông lượng điểm hay đầu dò
F6:N hoặc F6:P hoặc F6:N,P Năng lượng còn lại
F7:N Năng lượng phân hạch còn lại trong ô mạng F8:P hoặc F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P,E Phân bốnăng lượng xung trong ô mạng
Trong luận văn này, chúng tôi chỉ xét phân bố tạo xung ở đầu dò (Tally F8)
Ngoài ra, chương trình MCNP còn cho người dùng dễ dàng mô phỏng các quá trình thông qua các định nghĩa chuyển trục tọa độ
Trong mô phỏng chương trình MCNP, kết quả từ cùng một nguồn sẽ cho ra cùng một sai số tương đối R Việc đánh giá sai số này giúp phân tích đóng góp của các quá trình khác nhau Sai số tương đối được coi là tốt khi tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của số lịch sử N.
Bảng 2.4 Đánh giá ý nghĩa sai số tương đối [17]
Có thể chấp nhận trong một vài trường hợp Chưa tin cậy hoàn toàn
Tin cậy (ngoại trừđối với đầu dò điểm/vòng) Tin cậy đối với cảđầu dò điểm/vòng
Đánh giá sai số tương đối R phụ thuộc vào hiệu suất của lịch sử ghi nhận các hạt khác không, cũng như độ phân tán của các kết quả ghi nhận khác không.
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo so với thực nghiệm bao gồm chương trình tính toán, mô hình bài toán và yếu tố con người Đặc biệt, sự tương đồng giữa mô hình bài toán và thực nghiệm có tác động mạnh mẽ đến độ sai lệch giữa hai kết quả.
Mô ph ỏng Monte Carlo trong xác đị nh kh ối lượ ng riêng c ủ a dung d ị ch
Để thực hiện mô phỏng bằng chương trình MCNP, yêu cầu đầu tiên là cung cấp đầy đủ các thông số đầu vào, bao gồm thông số nguồn, thông số dung dịch đo, thông số đầu dò và xây dựng bố trí mô phỏng cho hệ đo.
Nguồn phóng xạ được mô phỏng là 137 Cs với chu kỳ bán rã 30,05 năm, phát ra tia gamma có năng lượng 662 keV Để giảm thiểu sai số trong kết quả đo, chúng tôi sử dụng ống chuẩn trực cho nguồn có bán kính 0,5 cm.
Trong nghiên cứu của Priyada, nhóm nghiên cứu chỉ khảo sát vùng mật độ dung dịch nhỏ từ 0,7 g/cm³ đến 1,3 g/cm³ Tuy nhiên, trong khóa luận này, chúng tôi mở rộng phạm vi nghiên cứu đến vùng mật độ lớn hơn, từ 0,7 g/cm³ đến 2,9 g/cm³ Qua đó, chúng tôi tiến hành khảo sát vùng bão hòa của kỹ thuật gamma tán xạ khi mật độ vật mẫu tăng lên.
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/cm 3 ) Dung dịch Mật độ (g/cm 3 )
Chúng tôi sử dụng đầu dò NaI(Tl) từ hãng Ampek, như thể hiện trong Hình 3.9 Đầu dò này có ưu điểm là có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, khác với đầu dò HPGe.
Đầu dò tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) có độ phân giải thấp hơn so với đầu dò HPGe Để thu thập thông tin hiệu quả, ống chuẩn trực với bán kính 1,5 cm đã được sử dụng, lớn hơn so với bán kính ống 0,5 cm của đầu dò HPGe trong nghiên cứu của nhóm Priyada.
Hình 2.2 Thông số tinh thể NaI(Tl) [1]
Việc áp dụng ống chuẩn trực với bán kính lớn đã làm tăng ảnh hưởng của tán xạ nhiều lần đến tín hiệu ghi nhận tại đầu dò Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng chương trình Colegram để xử lý phổ, như đã trình bày trong mục 2.3.5.
Chúng tôi tiến hành mô phỏng cho thí nghiệm của hai kỹ thuật gamma tán xạ ngược và kỹ thuật gamma truyền qua bằng chương trình MCNP5.
Hình ảnh mô phỏng của hai thí nghiệm được thể hiện qua Hình 2.3 và Hình 2.4 bên dưới
Hình 2.3 Mô hình bố trí thí nghiệm gamma tán xạngược trong MCNP5
Hình 2.4 Mô hình bố trí thí nghiệm gamma truyền qua
Hàm bề rộng một nửa năng lượng (FWHM) mô phỏng có dạng:
Trong đó, a = 0,0137257 MeV, b = 0,0739501 MeV 1/2 và c = 0,152982 MeV 1 là các số liệu thu được từ khớp hàm thực nghiệm [4]
K ỹ thu ậ t x ử lí ph ổ
Để xử lí phổ từ kết quả mô phỏng, chúng tôi sử dụng chương trình Colegram
Dựa vào nghiên cứu của nhóm Hoàng Đức Tâm, chúng tôi đã đánh giá tín hiệu nhận được từ hai phần và thực hiện khớp hàm với đỉnh tán xạ đơn khớp hàm Gauss.
Phông nền tín hiệu nhiễu khớp hàm đa thức:
Sau kết quả xử lí, chúng tôi lấy được diện tích đỉnh tán xạ đơn làm cơ sở cho quá trình tính toán mật độ dung dịch
Hình 2.5 Phổ tán xạ gamma của Glyxerol (Đường kính D = 2,0 cm) được khớp hàm bằng chương trình Colegram Đỉ nh tán x ạ đơn
KẾ T QU Ả VÀ TH Ả O LU Ậ N
S ự ph ụ thu ộ c c ủa cường độ chùm tia gamma tán x ạ ngược và cường độ chùm tia
Chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của cường độ ghi nhận vào mật độ dung dịch thông qua việc mô phỏng hai kỹ thuật bằng chương trình MCNP, như thể hiện trong Hình 2.3 và Hình 2.4 Sau khi xử lý phổ bằng phương pháp Colegram được trình bày ở chương 2, chúng tôi đã thu được diện tích đỉnh của 10 dung dịch mô phỏng.
Chúng tôi sử dụng phần mềm Origin 9.0 để phân tích mối quan hệ giữa diện tích đỉnh và mật độ dung dịch, từ đó rút ra sự phụ thuộc của 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 xạở đầu dò và mật độ dung dịch cho, chúng tôi chọn ra 10 dung dịch có mật độ và diện tích đỉnh trình bày ở Bảng 3.1 Dựa vào sự phân bố các cường độ tán xạ ghi nhận được vào mật độ, chúng tôi tiến hành khớp hàm bậc hai và thu được kết quảnhư Hình 3.1 và Hình 3.2
Bảng 3.1 Thông số diện tích đỉnh tán xạ đơn và vị trí kênh của 10 dung dịch
(g cm -3 ) Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Diện tích đỉnh tán xạđơn
Diện tích đỉnh tán xạ đơn
Diện tích đỉnh t án xạ đơn
Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) I() = -3074,8 2 + 18141,7+ 5108,5
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)
Mật độ dung dịch (g cm -3 )
Diện tích đỉnh t án xạ đơn
Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) I() = -3751,1 2 + 21216,9 + 9488,3
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 cho thấy hệ số R² đạt khoảng 0,995 và 0,990, chứng tỏ rằng việc sử dụng hàm bậc hai để mô tả mối quan hệ giữa cường độ tán xạ ngược và mật độ dung dịch là rất hợp lý.
Dựa vào đồ thị khớp hàm, chúng tôi nhận thấy rằng cường độ tán xạ gamma phụ thuộc vào mật độ dung dịch một cách không tuyến tính Cụ thể, ở vùng mật độ cao, cường độ tán xạ tăng chậm hơn Điều này cho thấy rằng khi đạt đến một ngưỡng mật độ nhất định, cường độ ghi nhận sẽ bão hòa, khiến kỹ thuật gamma tán xạ không còn hiệu quả.
3.1.2.Khảo sát hàm bậc nhất cho sự phụ thuộc cường độ chùm tia gamma tán xạ vùng mật độ nhỏhơn
Dựa trên Hình 3.1 và Hình 3.2, chúng tôi xác nhận tính chính xác của mô hình nghiên cứu do Lou và cộng sự đề xuất trong khoảng mật độ nhỏ hơn vùng đã khảo sát, cụ thể 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
Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) I() = 10662,7 + 9332,8
Diện tích đỉnh t án xạ đơn
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)
Mật độ dung dịch (g cm -3 )
Diện tích đỉnh t án xạ đơn
Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) I() = 12152,3 + 14581,4
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)
Kết quả khớp hàm với hệ số R² khoảng 0,994 và 0,987 cho thấy rằng khớp hàm bậc nhất cho hàm cường độ gamma tán xạ ngược và mật độ có thể áp dụng hiệu quả trong việc xác định mật độ của dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược.
Cường độ gamma tán xạ không tăng tuyến tính liên tục, do đó việc áp dụng hàm bậc nhất trở nên không đáng tin cậy ở các vùng có mật độ lớn Dựa vào các hình ảnh 3.1, 3.2, 3.3 và 3.4, chúng tôi dự đoán ngưỡng bão hòa của kỹ thuật gamma tán xạ nằm trong khoảng mật độ từ 1,90 đến 2,20 g/cm³.
3.1.3 Đường phụ thuộc cường độ chùm tia gamma truyền qua vào mật độ dung dịch
Trong luận văn này, chúng tôi cũng mô phỏng kỹ thuật gamma truyền qua cho
Mười dung dịch và quá trình khớp hàm phụ thuộc vào cường độ gamma truyền qua ghi nhận cùng với mật độ dung dịch đã được thực hiện Kết quả xử lý phổ thu được thể hiện trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2 Thông số diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh của 10 dung dịch
(g cm -3 ) Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Diện tích đỉnh truyền qua
Diện tích đỉnh truyền qua
Dựa vào hàm phân bố của cường độ gamma truyền qua vào mật độ, chúng tôi tiến hành khớp hàm và thu được kết quảnhư Hình 3.7 và Hình 3.8.
Mật độ dung dịch (g cm -3 )
Dieọn tớch ủổnh t ruyeàn qua
Mô phỏng (Đường kính D = 2,0 cm) I() = -6,9.10 6 + 6,9.10 7
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)
Mật độ dung dịch (g cm -3 )
Dieọn tớch ủổnh t ruyeàn qua
Mô phỏng (Đường kính D = 3,0 cm) I() = -9,5.10 6 + 6,6.10 7
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)
Kết quả khớp hàm với hệ số R² khoảng 0,99 cho thấy rằng việc áp dụng khớp hàm bậc hai cho hàm phụ thuộc vào cường độ gamma và mật độ dung dịch là rất phù hợp.
Xác đị nh m ật độ dung d ị ch
3.2.1.Kỹ thuật gamma tán xạngược
Chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của cường độ tán xạ vào mật độ dung dịch theo bậc nhất và bậc 2 Để kiểm tra độ tin cậy của các hàm đã khớp, chúng tôi tiến hành xác định mật độ dung dịch của 7 dung dịch khác dựa trên cường độ tán xạ từ mô phỏng.
Sử dụng hàm bậc hai trong xác đinh mật độ dung dịch
Dựa trên kết quả khớp hàm bậc hai được ghi nhận ở Mục 3.1.1, chúng tôi đã tiến hành tính toán mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ từ mô phỏng, và kết quả thu được được trình bày trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc hai)
Mật độ chuẩn (g cm -3 ) Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Mật độ tính toán (g cm -3 )
Mật độ tính toán (g cm -3 )
Dựa vào kết quả từ Bảng 3.3, chúng tôi kết luận rằng khi giá trị RD(%) nhỏ hơn 3,30%, việc sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ của dung dịch là hoàn toàn hợp lý.
Sử dụng hàm bậc nhất xác định mật độ dung dịch
Dựa trên kết quả khớp hàm bậc nhất được ghi nhận ở Mục 3.1.2, chúng tôi đã tiến hành tính toán mật độ của một số dung dịch dựa vào cường độ tán xạ từ mô phỏng, và kết quả thu được được trình bày trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc nhất)
Mật độ chuẩn (g cm -3 ) Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Mật độ tính toán (g cm -3 )
Mật độ tính toán (g cm -3 )
Theo kết quả từ Bảng 3.4, chúng tôi kết luận rằng khi giá trị RD(%) dưới 6,90%, việc áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ ngược để xác định mật độ dung dịch là hoàn toàn hợp lý và có cơ sở thực nghiệm.
Kết quả so sánh kết quảxác định mật độ dung dịch sử dụng hàm bậc hai và hàm bậc nhất bằng kỹ thuật gamma tán xạngược
Dựa vào Bảng 3.3 và 3.4, việc áp dụng hàm bậc hai để xác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ cho kết quả tốt hơn so với hàm bậc nhất, như thể hiện qua Hình 3.7 và Hình 3.8.
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen
Mật độ chuẩn Tính toán từ hàm bậc hai Tính toán từ hàm bậc nhất
DUNG DÒCH Ma ọt đ ộ d un g d ịch ( g cm -3 )
Hình 3.7 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen 0.6
Mậ t độ d ung dị ch ( g cm -3 )
Mật độ chuẩn Tính toán từ hàm bậc hai Tính toán từ hàm bậc nhất
Hình 3.8 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược
3.2.2.Kỹ thuật gamma truyền qua
Hình 3.7 và Hình 3.8 minh họa hàm mới được xây dựng, từ đó chúng tôi đã xác định mật độ của 7 dung dịch khác nhau bằng kỹ thuật gamma truyền qua.
Kết quảthu được trình bày trong Bảng 3.5
Bảng 3.4 Mật độ dung dịch tính toán bằng kỹ thuật gamma truyền qua
Mật độ chuẩn (g cm -3 ) Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Mật độ tính toán (g cm -3 ) RD(%) Mật độ tính toán (g cm -3 ) RD(%)
Dựa trên kết quả từ Bảng 3.4, chúng tôi kết luận rằng việc sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua để xác định mật độ của dung dịch là hoàn toàn phù hợp khi giá trị RD(%) ≤ 2,0%.
3.2.3.Kết quảxác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạngược và kỹ thuật gamma truyền qua
So sánh kết quảxác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược khớp hàm bậc nhất và kỹ thuật gamma truyền qua
Từ kết quảxác định mật độ dung dịch trình bày ở Mục 3.2.1 và 3.2.2, chúng tôi thu được kết quảđược trình bày trong Hình 3.9 và Hình 3.10
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen
Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) Kỹ thuật gamma truyền qua
DUNG DÒCH Ma ọt đ ộ d un g d ịch ( g cm -3 )
Hình 3.9 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc nhất) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm)
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen 0.6
Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc nhất) Kỹ thuật gamma truyền qua
DUNG DÒCH Ma ọt đ ộ d un g d ịch ( g cm -3 )
Hình 3.10 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc nhất) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm)
So sánh kết quảxác định mật độ dung dịch bằng kỹ thuật gamma tán xạ ngược khớp hàm bậc hai và kỹ thuật gamma truyền qua
Từ kết quảxác định mật độ dung dịch trình bày ở Mục 3.2.1 và 3.2.2, chúng tôi thu được kết quảđược trình bày trong Hình 3.11 và Hình 3.12
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen
Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) Kỹ thuật gamma truyền qua
DUNG DÒCH Ma ọt đ ộ d un g d ịch ( g cm -3 )
Hình 3.11 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc hai) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 2,0 cm)
Octane Aceton Benzen Oleic acid Nước Nitrobenzen 1,2 Dichlobenzen 0.6
Mật độ chuẩn Kỹ thuật gamma tán xạ ngược (Bậc hai) Kỹ thuật gamma truyền qua
DUNG DÒCH Ma ọt đ ộ d un g d ịch ( g cm -3 )
Hình 3.12 Mật độ tính toán bằng kỹ thuật gamma tán xạngược (Bậc hai) và kỹ thuật gamma truyền qua (Đường kính D = 3,0 cm)
Kết quả từ giá trị RD(%) cho thấy kỹ thuật gamma truyền qua có độ tin cậy cao hơn kỹ thuật gamma tán xạ trong việc xác định mật độ dung dịch Điều này được minh chứng rõ ràng qua các hình ảnh Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 và Hình 3.12.
Trong bài viết này, chúng tôi đã thực hiện so sánh giữa kỹ thuật gamma tán xạ và kỹ thuật gamma truyền qua trong việc xác định mật độ dung dịch, sử dụng chương trình MCNP Những nội dung chính của nghiên cứu bao gồm phân tích hiệu quả của từng kỹ thuật và đánh giá độ chính xác của chúng trong ứng dụng thực tiễn.
Mô phỏng kỹ thuật gamma tán xạngược 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
Kỹ thuật gamma truyền qua cho thấy độ đáng tin cậy cao hơn so với kỹ thuật gamma tán xạ ở những chất có mật độ cao Khi cường độ tán xạ đạt đến ngưỡng bão hòa, việc sử dụng kỹ thuật gamma tán xạ sẽ không còn chính xác, dẫn đến kết quả không đáng tin cậy.
Kết quả trình bày sẽ là cơ sở để xác định ngưỡng áp dụng kỹ thuật gamma tán xạ trong việc xác định mật độ dung dịch Đề tài khẳng định rằng độ tin cậy của kỹ thuật gamma truyền qua vượt trội hơn so với kỹ thuật gamma tán xạ trong mô hình thí nghiệm Điều này sẽ là nền tảng để đánh giá kết quả của hai kỹ thuật trong thực nghiệm.
KIẾN NGHỊVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Như đã trình bày trong đề tài, chúng tối kiến nghịhướng mở rộng nghiên cứu sau:
Nghiên cứu tiếp tục mở rộng để đánh giá ảnh hưởng của bề dày vật liệu đến hiệu quả của hai kỹ thuật Qua đó, khảo sát ngưỡng áp dụng của kỹ thuật gamma tán xạ đối với các loại vật liệu có độ dày khác nhau.
Tiến hành khảo sát mật độ dung dịch trong thực nghiệm cho hai kỹ thuật để tăng độ tin cậy trong mô phỏng
Nguyễn Thị Mỹ Lệ, Hồ Thị Tuyết Ngân và Hoàng Đức Tâm (2017) đã nghiên cứu về việc sử dụng kỹ thuật gamma tán xạng để xác định mật độ chất lỏng thông qua phương pháp Monte Carlo Nghiên cứu này được công bố trong Tạp chí khoa học tự nhiên và công nghệ của Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh, trang 17.
[2] Boldo E.M., Appoloni C.R (2014), “Inspection of reinforced concrete samples by Compton backscattering technique”, Radiation Physics and Chemistry 95, pp 392
[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
In their 2014 study published in the Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Hoang Duc Tam and colleagues present an advanced gamma spectrum processing technique aimed at analyzing scattering spectra to accurately determine material thickness This innovative approach enhances the precision of material analysis, contributing valuable insights to the field of nuclear chemistry.
[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
[9] Metropolis N (1987), The Begin of Monte Carlo Method, Lost Alamos Science
[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-
[12] NIOSH (2016): Chemical Hazard, USA https://www.cdc.gov/niosh/npg/default.html Accessed 3 Sep 2017
[13] NIST (2013) XCOM: photon cross sections database, USA http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm Accessed 3 Sep 2017
[14] Priyada P., Margret M., Ramar R., Shivaramu (2012) “Intercomparison of gamma ray scattering and transmission techniques for fluid–fluid and fluid–air interface levels detection and density measurements”, Applied Radiation and Isotopes 70, pp 462–469
[15] Ruellan H., Lepy M., Etcheverry M., Plagnard J., Morel J (1996) “A new spectra processing code applied to the analysis of 235U and 238U in the 60 to 200 keV energy range”, Nucl Instrum Methods A 369, pp 651–656
[16] Shi H.X., C B (2002), “Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response functions for an NaI(Tl) detector”, Applied Radiation and Isotopes 57, pp 517–524
[17] Shultis J K., Faw R E.(2010), An MCNP Primer, Kansas State University,
[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
Phụ lục 1: Phổ Gamma ghi nhận –Đường kính D = 2,0 cm
Ethy alcolhol Methanol Toluene Aniline Chlorobenzen
Glyxerol Chloroform Acid surfuric 1,2 - Dibromethane Bromoform
Phụ lục 2: Phổ Gamma ghi nhận –Đường kính D = 3,0 cm
Ethy alcolhol Methanol Toluene Aniline
Glyxerol Chloroform Acid surfuric 1,2 - Dibromethane Bromoform
Phụ lục 3: Diện tích đỉnh tán xạđơn và vị trí kênh 7 dung dịch xác định mật độ
Dung dịch Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Diện tích đỉnh tán xạ đơn (a)
Diện tích đỉnh tán xạ đơn (b)
Diện tích đỉnh truyền qua và vị trí kênh 7 dung dịch xác định mật độ
Dung dịch Đường kính ống nghiệm 2,0 cm Đường kính ống nghiệm 3,0 cm
Diện tích đỉnh truyền qua (a)
Diện tích đỉnh truyền qua (b)