Đang tải... (xem toàn văn)
Mô phỏng monte carlo và kiểm chứng thực nghiệm phép đo chiều vật liệu đối với hệ chuyên dụng MYO-101
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ******* NGUYỄN THỊ KIM THỤC MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM PHÉP ĐO CHIỀU DÀY VẬT LIỆU ĐỐI VỚI HỆ CHUYÊN DỤNG MYO-101 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Tp. Hồ Chí Minh - 2010 THƯ VIỆN LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý Thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy TS. Nguyễn Văn Hùng, Thầy đã tận tình hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy đã luôn động viên, đóng góp ý kiến và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học. Thầy là người đã định hướng cho tôi tham gia lớp học "Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và môi trường" phối hợp JAEA, Nhật Bản tổ chức tại Trung Tâm Đào Tạo Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Thầy còn là người gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N- Particle) trong nghiên cứu đề tài này. Xin cảm ơn các anh chị ở Trung Tâm nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các Thầy cô đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua. Xin gởi lời biết ơn chân thành đến quý Thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và đóng góp những ý kiến quý báu về luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường THPT Xuân Lộc – Tỉnh Đồng Nai (nơi tôi đang công tác) và các Thầy cô trong Tổ Vật Lý Trường THPT Xuân Lộc đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Mình cám ơn các bạn gần xa đã giúp đỡ tài liệu, chia sẽ phương pháp học tập, kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, em cảm ơn gia đình luôn động viên, chia sẽ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU : hệ số chuyển đổi của hệ số hấp thụ khối giữa lý thuyết và thực nghiệm. : bình phương độ lệch tương đối của số đếm theo lý thuyết và thực nghiệm. : hệ số hấp thụ khối : sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm I: cường độ bức xạ R: sai số tương đối x: chiều dày của vật liệu tán xạ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ENDL: Thư viện các số liệu hạt nhân ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) ENDF: Thư viện các số liệu hạt nhân ENDF (Evaluated Nuclear Data File) IAEA: Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (International Atomic Energy Agency). JAEA: Cơ quan năng lượng nguyên tử Nhật Bản (Janpan Atomic Energy Agency) MCNP: Monte Carlo N-particle (Chương trình Monte-Carlo mô phỏng vận chuyển hạt N của nhóm J.F. Briesmeister, 1997, Los Alamos National Laboratory Report, LA-12625-M) MYO-101: Tên gọi của hệ đo chiều dày vật liệu NDT: không phá hủy mẫu (Non-Destructive Testing) NJOY: Mã định dạng các thư viện số liệu hạt nhân trong MCNP YAP(Ce): tinh thể nhấp nháy của detector (Yttrium Aluminum Perovskite with activated Cerium) DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO Các đơn vị đo năng lượng: Các đơn vị đo bức xạ: 1 eV (electron - Volt) = 1,602.10 -19 J (Joule) 1 J = 6,246.10 18 eV 1 keV = 10 3 eV 1 MeV = 10 6 eV 1 GeV = 10 9 eV 1 m e c 2 = 0,511 MeV (đối với electron) 1 m P c 2 = 938,3 MeV (đối với proton) 1 m n c 2 = 939,6 MeV (đối với neutron) 1 Bq (Becquerel) = 2,7.10 -11 Ci (Curi) 1 Ci = 3,7.10 10 Bq 1 Gy (Grey) = 100 Rad (Rad) 1 Rad = 0,01 Gy 1 Rem (Rem) = 0,01 Sv (Sievert) 1 Sv = 100 Rem MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các nguồn bức xạ được sử dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt các lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, sinh học, y học, khảo cổ, tạo vật liệu mới, kiểm tra khuyết tật, đo chiều dày vật liệu, xử lý nâng cao chất lượng sản phẩm… Vì vậy, việc sử dụng các nguồn bức xạ ngày càng trở nên thường xuyên và phổ biến hơn. Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra khuyết tật hay đo chiều dày sản phẩm mà không cần phá hủy mẫu (Non-Destructive Testing – NDT) như phương pháp truyền qua, chụp ảnh phóng xạ, siêu âm, … cho kết quả nhanh chóng với độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong một số trường hợp thực tế các phương pháp trên không được áp dụng mà thay thế vào đó là phương pháp tán xạ, đặc biệt là tán xạ ngược được dùng và mang lại độ chính xác cao không kém hơn các phương pháp khác. Hiện nay, phép đo chiều dày vật liệu dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ở nước ta, như ở các nhà máy giấy với việc sử dụng hệ đo chuyên dụng dùng nguồn phóng xạ beta hay gamma mềm. Ưu điểm của phương pháp này là đo chiều dày vật liệu chỉ cần dùng một phía của vật liệu (nguồn phóng xạ và detector ở cùng môt phía) thuận lợi trong hệ thống băng chuyền công nghiệp, tốt với vật liệu nhẹ. Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của máy tính chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ bằng phương pháp Monte-Carlo ngày càng được sử dụng rộng rãi. Điều này gắn liền yêu cầu của thực tế vì các thí nghiệm trong các lĩnh vực hạt nhân phức tạp và chi phí cho thí nghiệm tốn kém. Tuy nhiên về mặt lý thuyết, việc hiểu bản chất một cách trực quan về hiệu ứng tán xạ Compton còn là điều khó khăn đối với học viên khi tiến hành các bài thực tập về đo cường độ và chiều dày vật liệu sử dụng bức xạ tán xạ. Vì vậy, để hỗ trợ và so sánh với kết quả đo thực nghiệm, trong luận văn này đã áp dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particles) đối với phép đo chiều dày một số liệu nhẹ khác nhau dựa trên hiệu ứng bức xạ gamma tán xạ ngược. Với mục đích nêu trên, nội dung của luận văn bao gồm 3 chương. Chương 1: Trình bày tương tác của bức xạ gamma với vật chất và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tia gamma tán xạ ngược. Chương 2: Giới thiệu phương pháp Monte Carlo, trình bày đặc điểm về chương trình MCNP và trình bày phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vật chất của chương trình MCNP. Chương 3: Giới thiệu chi tiết về hệ đo chuyên dụng MYO-101 thuộc Phòng thí nghiệm Trung tâm Đào tạo - Viện nghiên cứu hạt nhân, Đà Lạt. Sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng hệ đo MYO-101. Sau đó đo thực nghiệm chiều dày các vật liệu nhẹ trên hệ đo và kiểm chứng với kết quả tính toán bằng MCNP. CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua vật chất Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV có khả năng xuyên sâu rất lớn. Bức xạ gamma được phát ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong những quá trình hạt nhân khác nhau. Các nhân phóng xạ xác định phát ra các bức xạ gamma có năng lượng xác định, năng lượng cao nhất có thể tới 8 -10 MeV. Bước sóng của bức xạ gamma là hc λ = E (h = 6,625.10 -34 J.s, c = 3.10 -8 m) nhỏ hơn nhiều so kích thước nguyên tử, cỡ 10 10 m. Tia gamma có mối nguy hiểm bức xạ cao về mặt an toàn bức xạ. Do có độ xuyên sâu lớn nên có thể gây nguy hiểm đáng kể ở khoảng cách khá xa nguồn. Các tia tán xạ cũng gây nguy hiểm vì thế khi che chắn phải quan tâm đến mọi hướng. Tia gamma gây tổn hại cho các mô, bao trùm cả cơ thể do đó những mô nhạy cảm với bức xạ sẽ bị tổn hại khi con người có mặt trong trường gamma ngoài. So với bức xạ alpha và beta, tia gamma nguy hiểm hơn về mặt chiếu ngoài nhưng chiếu trong thì kém hơn vì quãng chạy lớn nên năng lượng truyền cho một thể tích nhỏ của mô là nhỏ. Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma bị mất năng lượng do ba quá trình chính là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Khi đi xuyên qua vật chất, bức xạ gamma tương tác với các nguyên tử môi trường, tức là với các electron và hạt nhân. Bức xạ gamma bị vật chất hấp thụ do tương tác điện từ. Tuy nhiên cơ chế của quá trình hấp thụ bức xạ gamma khác với các hạt tích điện do hai nguyên nhân. Thứ nhất, lượng tử gamma không có điện tích nên không chịu ảnh hưởng của lực Coulomb tác dụng xa. Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong miền với bán kính cỡ 10 -13 m tức là nhỏ hơn 3 bậc kích thước nguyên tử. Vì vậy khi qua vật chất lượng tử gamma ít va chạm với các electron và hạt nhân, do đó ít lệch khỏi phương bay ban đầu của mình. Thứ hai, khối lượng nghỉ của gamma bằng không nên không có vận tốc khác với vận tốc ánh sáng. Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không bị làm chậm trong môi trường. Nó hoặc bị hấp thụ, hoặc bị tán xạ và thay đổi phương bay [10]. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các hạt tích điện (như bức xạ alpha, bức xạ beta,…). Các hạt tích điện có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong lúc đó bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Do đó đối với lượng tử gamma không có khái niệm quãng chạy. Xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I 0 . Sự thay đổi cường độ khi đi qua lớp vật chất có độ dày dx bằng: dI = -Idx (1.1) Trong đó μ là hệ số suy giảm tuyến tính. Đại lượng này có thứ nguyên (độ dày) -1 và thường tính theo cm -1 . Từ công thức (1.1) ta có thể viết phương trình: dI = -μdx I (1.2) Tích phân phương trình này từ 0 đến x ta được: I = I 0 e -x (1.3) Công thức (1.3) mô tả sự suy giảm theo hàm số mũ của cường độ chùm gamma hẹp và đơn năng. Sự suy giảm của chùm tia hẹp gamma theo bề dày vật liệu được mô tả bởi hình 1.1. Hình 1.1. Sự suy giảm chùm tia hẹp gamma theo bề dày vật liệu. - Các đường liền nét: chùm gamma đơn năng 0,661 MeV - Đường gạch nối: chùm gamma đa năng lượng Hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi trường. Bảng 1.1 trình bày hệ số suy giảm tuyến tính của một số vật liệu che chắn thông dụng đối với các giá trị năng lượng từ 0,1 MeV đến 1 MeV. Bảng 1.1. Hệ số suy giảm tuyến tính (cm -1 ). Vật liệu Mật độ 3 ( / )g cm Năng lượng bức xạ gamma MeV 0,1 0,15 0,2 0,3 0,5 1,0 C 2,25 0,335 0,301 0,274 0,238 0,196 0,143 Al 2,7 0,435 0,362 0,324 0,278 0,227 0,166 Độ dày giảm một nửa d 1/2 là độ dày vật chất mà chùm tia đi qua bị suy giảm cường độ hai lần, nghĩa là còn một nửa cường độ ban đầu. Độ dày giảm một nửa liên hệ với hệ số suy giảm tuyến tính như sau: 1/2 0,693 d = μ (1.4) Với chủ yếu do hiệu ứng Compton đóng góp. Ngoài hệ số suy giảm tuyến tính , người ta còn sử dụng hệ số suy giảm khối m , thường tính theo đơn vị (g/cm 2 ) -1 , được xác định như sau: m μ μ = ρ (1.5) Trong đó là mật độ vật chất môi trường, có thứ nguyên là g/cm 3 . Hình 1.3 trình bày sự phụ thuộc của hệ số suy giảm khối vào năng lượng tia gamma đối với một số vật liệu che chắn thông dụng. Fe 7,9 2,720 1,445 1,090 0,858 0,655 0,470 Cu 8,9 3,80 1,83 1,309 0,960 0,730 0,520 Pb 11,3 59,7 20,8 10,15 4,02 1,64 0,771 Không khí 3 1,29.10 1,95.10 4 1,73.10 4 1,59.10 4 1,37.10 4 1,12.10 5 8,45.10 Nước 1 0,167 0,149 0,136 0,118 0,097 0,071 Bê tông 2,35 0,397 0,326 0,291 0,251 0,204 0,149 Hình 1.2. Sự suy giảm cường độ chùm tia gamma theo độ dày giảm một nửa d 1/2 . [...]... CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM PHÉP ĐO CHIỀU DÀY VẬT LIỆU ĐỐI VỚI HỆ ĐO CHUYÊN DỤNG MYO-101 3.1 Mô tả hệ đo MYO-101 dùng trong thực nghiệm và mô phỏng [13] Hệ đo chiều dày vật liệu nhẹ chuyên dụng MYO-101 được sử dụng trong luận văn thuộc phòng thí nghiệm của Trung Tâm Đào Tạo – Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, được NuTEC/JAEA, Nhật Bản viện trợ năm 2007 Để mô hình hoá hệ đo MYO-101. .. cần đo một phía của vật liệu (nguồn phóng xạ và đầu dò được bố trí cùng một phía) thuận lợi trong hệ thống băng chuyền công nghiệp, tốt với vật liệu nhẹ [12], [14] 3.3 Các loại vật liệu nhẹ dùng đo gamma tán xạ [15] Hệ đo chiều dày vật liệu MYO-101 dựa trên hiệu ứng gamma tán xạ ngược, với nguồn phóng xạ gamma mềm (năng lượng 59,9 keV) vật liệu được sử dụng đo chiều dày là các vật liệu nhẹ Các tấm vật. .. phẩm, xác định mật độ vật chất, mà ta sẽ dựa vào những số liệu cụ thể thu được để xác định đại lượng cần đo Đối với hệ đo chiều dày chuyên dụng sử dụng trong luận văn thì năng lượng gamma tới không đổi, góc tới và góc phản xạ được bố trí theo hình học của hệ đo Cường độ của tia gamma tán xạ phụ thuộc vào bề dày vật liệu và bản chất vật liệu cần đo CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP... màu vàng 10x10 0,99 0,180 0,01783 5 Giấy viết màu trắng 10x10 0,93 0,102 0,00946 Hình 3.5 Các vật liệu nhẹ dùng đo gamma tán xạ ngược đối với hệ MYO-101 3.4 Mô phỏng hệ đo MYO-101 bằng chương trình MCNP Đối với mỗi tính toán MCNP cụ thể chúng ta cần cung cấp tệp các số liệu đầu vào chứa đựng thông tin liên quan đến thư viện các tiết diện và mô tả hình học vật lý của nguồn, detector và các vật liệu. .. đồ cắt dọc của hệ gamma tán xạ ngược mô phỏng bằng MCNP (xz) 3.5 Xác định chiều dày bão hòa của một số vật liệu nhẹ So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm [7], [9] 3.5.1 Xác định chiều dày trong thực nghiệm Để xác định chiều dày của mỗi loại vật liệu chuẩn, chúng ta lần lượt đặt các tấm vật liệu này đối diện và xuyên tâm so với nguồn Am241 (sát bề mặt nguồn) Sau đó đo số đếm xung... bức xạ tán xạ của vật liệu x: là chiều dày khối của vật liệu (g/cm2) : là hệ số hấp thụ khối của vật liệu (cm2/g) μ = μ1 + μ 2 ( μ1 , μ 2 là hệ số hấp thụ khối sơ cấp và hệ số hấp thụ khối thứ cấp của vật liệu) Để xác định cường độ bức xạ tán xạ, chúng ta dùng detector đo số đếm xung khi tăng dần bề dày các tấm vật liệu đặt sát bề mặt nguồn Ưu điểm của phương pháp đo chiều dày vật liệu dựa trên hiệu... xác và thành công Hệ đo MYO-101 gồm có các thành phần chính như sau: detector với tinh thể nhấp nháy YAP(Ce) (Yttrium Aluminum Perovskite with activated Cerium) và các thiết bị kèm theo gồm nguồn nuôi cao thế cho detector, bộ khuếch đại, tiền khuếch đại và tạo xung, khối đo và định thời gian; nguồn phóng xạ kín 241 Am Hệ đo chiều dày vật liệu MYO-101 được thể hiện trên hình 3.1 Hình 3.1 Hệ đo chiều. .. các vật liệu nhẹ Các tấm vật liệu chuẩn được sử dụng trong luận văn là: thép, nhôm, plastic, giấy viết màu trắng và giấy bìa màu vàng Hình 3.8 mô tả các vật liệu chuẩn sử dụng trong luận văn Các tấm vật liệu chuẩn có kích thước, bề dày và mật độ được trình bày ở bảng 3.1 Bảng 3.1 Kích thước, bề dày và mật độ của các tấm vật liệu STT Vật liệu Kích thước Mật độ Chiều dày Chiều dày khối (cm2) (g/cm3)... ô từ ô 1 đến ô 22 bằng 1 và ô 23 bằng 0 nghĩa là trong quá trình mô phỏng nếu có hạt nào ra ngoài không gian phòng thí nghiệm thì MCNP sẽ không theo dõi hạt này nữa Hình 3.6 mô tả nguồn đặt cố định trong detector và hình 3.7 mô tả sơ đồ cắt dọc của hệ đo MYO-101 được mô phỏng bằng chương trình MCNP5 Một input điển hình của chương trình MCNP5 được xây dựng để mô phỏng hệ đo MYO-101 được trình bày trong... nhận trong một vài trường hợp 0,1 - 0,2 Chưa tin cậy hoàn toàn < 0,1 Tin cậy (ngoại trừ đối với detector điểm hay vòng) < 0,05 Tin cậy đối với cả detector điểm hay vòng Đối với phương pháp Monte Carlo có ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết qủa so với giá trị vật lý thực nghiệm: chương trình tính, mô hình bài toán và người sử dụng Các yếu tố chương trình tính gồm: các đặc trưng vật lý trong bài . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ******* NGUYỄN THỊ KIM THỤC MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM PHÉP ĐO CHIỀU. trình MCNP để mô phỏng hệ đo MYO-101. Sau đó đo thực nghiệm chiều dày các vật liệu nhẹ trên hệ đo và kiểm chứng với kết quả tính toán bằng MCNP.
