Khóa luận tốt nghiệp vật lý nghiên cứu phương pháp xách định hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu mẫu môi trường

Khóa luận nghiên cứu phương pháp xác định hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu mẫu môi trường trong vật lý. Tìm hiểu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Vũ Diệu Hồng Hao
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý học
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Xác Định Hệ Số Suy Giảm Tuyến Tính Của Vật Liệu Mẫu Môi Trường
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu
• 1.2. Tương tác của tia X với vật chất
• 1.3. Hệ số suy giảm tuyến tính
• 1.4. Suất kerma không khí
• 1.5. Độ không đảm bảo đo
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hệ thiết bị chuẩn tia X
• 2.2. Điện kế SuperMAX và điều kiện vận hành hệ đo
• 2.3. Phương pháp xác định hệ số suy giảm tuyến tính
• 2.4. Xác định hệ số suy giảm tuyến tính
• 2.5. Thực nghiệm xác định suất Kerma không khí và độ không đảm bảo đo thực nghiệm
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khóa luận tốt nghiệp vật lý và hệ số suy giảm tuyến tính

Khóa luận tốt nghiệp vật lý nghiên cứu phương pháp xác định hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu mẫu môi trường là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Hệ số suy giảm tuyến tính đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng hấp thụ bức xạ của các vật liệu khác nhau. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về tương tác của bức xạ với vật chất mà còn có ứng dụng thực tiễn trong y học và công nghiệp.

1.1. Tình hình nghiên cứu hiện tại về hệ số suy giảm tuyến tính

Nghiên cứu về hệ số suy giảm tuyến tính đã được thực hiện từ những năm cuối thế kỷ 19. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng hệ số suy giảm tuyến tính có thể thay đổi tùy thuộc vào loại vật liệu và năng lượng bức xạ. Các phương pháp hiện đại như chụp cắt lớp đã được áp dụng để xác định chính xác hơn hệ số này.

1.2. Ý nghĩa của hệ số suy giảm tuyến tính trong vật lý

Hệ số suy giảm tuyến tính không chỉ giúp xác định hoạt độ của đồng vị phóng xạ mà còn có vai trò quan trọng trong việc thiết kế các lớp che chắn bức xạ. Điều này giúp bảo vệ con người khỏi tác hại của bức xạ ion hóa.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ số suy giảm tuyến tính

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về hệ số suy giảm tuyến tính, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc xác định chính xác giá trị này. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị đo, điều kiện môi trường và loại vật liệu đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ số suy giảm

Độ chính xác của hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng mẫu, thiết bị đo và phương pháp thực hiện. Việc lựa chọn thiết bị đo phù hợp và điều kiện thí nghiệm tối ưu là rất cần thiết.

2.2. Thách thức trong việc áp dụng phương pháp đo hiện đại

Các phương pháp đo hiện đại như chụp cắt lớp có thể mang lại kết quả chính xác hơn, nhưng cũng đòi hỏi thiết bị phức tạp và chi phí cao. Điều này có thể là một rào cản đối với nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ số suy giảm tuyến tính hiệu quả

Để xác định hệ số suy giảm tuyến tính, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thiết bị đo bức xạ và phân tích dữ liệu thu được. Việc áp dụng các phương pháp này một cách chính xác sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

3.1. Phương pháp đo bức xạ và phân tích dữ liệu

Phương pháp đo bức xạ thường sử dụng buồng ion hóa để ghi nhận cường độ bức xạ. Dữ liệu thu được sẽ được phân tích để xác định hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu. Việc sử dụng phần mềm phân tích dữ liệu cũng giúp nâng cao độ chính xác.

3.2. Các bước thực hiện thí nghiệm xác định hệ số suy giảm

Quá trình thực hiện thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị mẫu, thiết lập thiết bị đo và tiến hành đo bức xạ. Sau khi thu thập dữ liệu, các bước phân tích sẽ được thực hiện để tính toán hệ số suy giảm tuyến tính.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ số suy giảm tuyến tính trong vật lý

Hệ số suy giảm tuyến tính có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Việc hiểu rõ về hệ số này giúp cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, cũng như tối ưu hóa quy trình sản xuất trong công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong y học và chẩn đoán

Trong y học, hệ số suy giảm tuyến tính được sử dụng để xác định liều lượng bức xạ cần thiết cho các phương pháp điều trị như xạ trị. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác hại cho bệnh nhân.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và kiểm tra chất lượng

Trong công nghiệp, hệ số suy giảm tuyến tính được áp dụng để kiểm tra chất lượng các vật liệu và sản phẩm. Việc sử dụng bức xạ để kiểm tra các mối hàn và vết nứt giúp đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ số suy giảm tuyến tính

Nghiên cứu về hệ số suy giảm tuyến tính vẫn đang tiếp tục phát triển với nhiều phương pháp và công nghệ mới. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau, từ y học đến công nghiệp. Việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các phương pháp đo sẽ là mục tiêu hàng đầu trong nghiên cứu tiếp theo.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp đo mới và cải tiến thiết bị hiện có. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu chi phí trong nghiên cứu.

5.2. Tầm quan trọng của việc giáo dục và đào tạo

Giáo dục và đào tạo trong lĩnh vực vật lý hạt nhân là rất quan trọng để đảm bảo rằng các nhà nghiên cứu có đủ kiến thức và kỹ năng cần thiết để thực hiện các nghiên cứu chất lượng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở lý thuyết của các vẫn đề được sử dụng trong khóa luận. > Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của khóa luận. > Chương 3: Kết quả và tháo luận. Ở chương này đưa ra kết quả thực nghiệm, so sánh kết quả thu được từ thực nghiệm với kết quả có được từ lý thuyết.

TONG QUAN TINH HÌNH NGHIÊN CUU 1. Tinh hình nghiên cứu Vào những năm cuối thế kỷ 19. khi tia X được phát hiện, người ta cũng đã nhận thay lợi ich cũng như tác hại của nó. Từ những năm 1890 cho đến nay tia X được sử dụng nhiều trong y học.

Năm 1899, nền y học đã thành công khi sử dụng tia X dé chữa bệnh ung thư thượng bì trên mặt người phụ nữ. Năm 1987, trong chiến trường quân sự Baklan tia X được dùng dé tìm các mảnh đạn và xương gãy bên trong cơ thé bệnh nhân (2]. Tác hại của phóng xạ điền hình như Emile Grubbe bị bỏng nặng ở tay khi đang làm thí nghiệm với ông Cathode, hay là Henri Becquerel bị loét da nặng ở phần ngực khi ông bỏ ống nghiệm chứa muối radium vào trong túi áo vest. Nhìn chung không nên tiếp xúc trực tiếp nhiều với các chất phóng xạ.

Do vậy các tô chức, cơ quan ban ngành trong và ngoải nước đã đưa ra các tiêu chuẩn nguyên tắc khi tiếp xúc làm việc trực tiếp với các chất phóng xạ. Trong các nguyên tắc được đưa ra, nguyên tắc che chắn bức xạ được xem là một trong các yếu tố quan trọng nhất. Mỗi vật liệu khác nhau sẽ có lớp be dày thích hợp dé che chắn khác nhau. Đề tiết kiệm chi phí cũng như tìm vật liệu che chắn cho hiệu quả cao nhất người ta buộc phải xác định hệ SỐ suy giảm của các loại vật liệu.

Năm 1999, Yoichi Watanabe [3] đã đưa ra phương pháp tỉnh hệ số suy giảm tuyển tính ở vùng năng lượng thấp từ các hệ số có trong chụp cắt lớp. Trong phương pháp này Yoichi Watanabe đã str dụng môi liên hệ của số bậc nguyên tứ (Z), các chỉ số chụp cắt lớp và mật độ electron dé tính hệ số suy giảm tuyến tính. Bên cạnh đó ông sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp hiệu chuẩn phantom dé tìm các hệ số còn thiếu trong biểu thức. Phương pháp này của tác giả được cải thiện đáng ké so với phương pháp chuân đánh giá hệ số suy giảm tuyển tính của các vật liệu có số bậc nguyên tử lớn trong vùng năng lượng thấp.

Midgley [4] tính hệ số suy giảm tuyến tính tia X đặc trưng có năng lượng từ 32 keV đến 66 keV của các vật liệu có thành phan là các nguyên tố có số bậc nguyên tứ nhỏ. Trong công trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng đầu dò Germanium có độ tinh khiết cao và nguồn năng lượng don năng dé phân biệt các vạch tia X đặc trưng 2 như la Ky, Kp khi di qua các mẫu vật liệu có thành phân là số bậc nguyên tử Z nằm trong khoảng 1< Z< 20. Kết quả ghi nhận được trong công trình này có độ không đảm bảo đo thấp hơn 2% và có sự chênh lệch vài phần trăm so với các công trình trước đây của Creagh va Hubbell đã làm. Celiktas [5] dùng phương pháp xác định thời gian và phương pháp xác định năng lượng đề xác định hệ số Suy giảm tuyến tính gamma của các loại vật liệu như là: Pb, Fe, Cu, AI,.

Dé kiểm chứng lại tính chính xác của kết quả thực nghiệm, tác giả đã đem số liệu thực nghiệm so sánh với kết quả tính được từ XCOM. Và kết quả thực nghiệm của hai phương pháp này có độ chênh lệch dưới 10% so với XCOM. Năm 2016, Laith Ahmed Najam và các cộng sự [6] xác định hệ s6 suy giám của các mẫu đá Granite. Trong bài báo này.

hệ số suy giảm được đo bằng hệ đo gamma và so sánh lại với kết quả từ XCOM. Bài báo cũng chỉ ra rằng sự chênh lệch đáng kẻ hệ số suy giảm tuyến tính từ thực nghiệm và XCOM ở mức năng lượng thấp là do sự phân tán Compton. Tương tác của tia X với vật chất Không như các hat mang điện, tia X khi di qua vật chất làm bức electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử, sinh ra các cặp electron — positron. Trong quá trình tương tác với vật chất, năng lượng tia X bị suy giảm thông qua ba quá trình là: ¢ Hiệu ứng quang điện: hiệu ứng quang điện thường xảy ra ở lớp K.

Khi photon tới tương tác với các electron quỹ đạo của nguyên tử, photon bj hap thụ va truyền toàn bộ năng lượng cho electron dé nó bứt ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng nay được minh họa qua hình vẽ 1. Electron bị bứt ra khỏi 2® nguyên tử Photon tới ¢ Hiệu ứng Compton: hiệu ứng compton xảy ra khi xuất hiện quá trình tương tác tán xạ đàn hồi giữa các photon có năng lượng cao hơn so với năng lượng các electron tự do ở lớp ngoài cùng. Khi quá trình tương tác xảy ra photon tới sẽ bị lệch phương so với ban đầu và chuyên một phan năng lượng cho electron, con electron được thoát ra khỏi nguyên tử (Hình 1.

„@ Electron thoát ra khỏi nguyên tử Photon tới năng lượng E Photon tấn xạ năng E>E’ lượng E’ Hình 1. Hiệu ứng Compton 4 © Hiệu ứng tạo cặp: là kết quả của quá trình tương tác khi photon tới có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron, nghĩa là lớn hơn 1.02 MeV và tương tác với nguyên tử, photon tới sẽ sinh ra 1 cặp electron — positron. Trong hiệu ứng này nguyên tử chuyên động giật lùi dé đảm bảo động lượng được bảo toàn. Thông thường, quá trình tạo cặp sẽ xảy ra gần hạt nhân vì động năng chuyên động giật lùi của hạt nhân rất bé xem như không đáng kẻ.

Positron là phan hạt electron, khi positron tương tac với electron điện tích của chúng sẽ bị trung hòa và hủy lần nhau nên tương tác này gọi là tương tác hủy cặp electron — positron. Quá trình hủy cặp giải phóng hai photon, mỗi photon có năng lượng 0,511 MeV. Hiệu ứng này được minh họa qua hình 1. Photon có năng lượng 0.511 MeV Photon tới Photon có năng lượng 0.

Hiệu ứng tạo cặp Như đã trình bảy, khi photon tương tác với vật chất sẽ có ba hiệu ứng chính xảy ra gây ra sự suy giảm năng lượng của photon khi đi qua vật chất. Đặc trưng cho sự suy giám năng lượng là hệ số suy giảm tuyến tính. Hệ số suy giảm tuyến tính của photon bằng tông hệ số suy giảm tuyến tinh của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp, biểu thức (1.1) [2]: t= Heompt + Photo + Hair (1.1) Trong đó: yw: hệ số suy giảm tuyến tính (cm). Heompt ! hệ số Suy giảm tuyến tính Compton (cmr`).

H photo : hỆ sỐ suy g i ả m t u yể n tính q u a ng đ i ệ n ( c m ). F a tA cA D " * " pair : Tiết diện hiệu ứng tạo cặp (cm). Hệ số suy giảm tuyến tính Các tia bức xạ đi qua bề dày vật liệu bat kì, có tia sẽ đi qua được bê day lớp vật liệu đó, có tia sẽ bị bẻ dày lớp vật liệu hap thụ giữ lại và tán xạ theo các hướng khác nhau (Hình! 4). Hiện tượng nảy được gọi là hiện tượng tự hap thụ.

Hiện tượng này đóng vai trò rat quan trọng trong việc xác định chính xác hoạt độ của một dong vi, mẫu đo. Bức xa bị hap thụ qua lớp bẻ dày vật liệu 6 Khi một chùm bức xạ đi qua một vật liệu bé dày nhất định không bị hap thụ hoàn toàn mà chỉ bị suy giảm đi một phần nào đó. Sự suy giảm cường độ bức xạ thường sẽ phụ thuộc vào hệ số suy giám tuyến tính của vật liệu. Sự thay đổi cường độ bức xạ khi đi qua vật liệu được biéu diễn theo biéu thức (1.2) Trong đó: I: cường độ bức xạ sau khi đi qua bẻ day vật liệu (số đêm).

lạ : cường độ bức xạ ban đầu (số đếm). wt: hệ số suy giảm tuyến tính (cm). X: bè day lớp vật liệu (cm). Suất kerma không khí Kerma có ý nghĩa là *Động năng được truyền cho vật chat” và được viết tắt từ tiếng Anh “ Kinetic Energy Released in Material”, được ký hiệu là K.

Theo lý thuyết, hệ số Kerma được xác định bằng tỉ số giữa tông giá trị động năng ban đầu của tất cả các hạt mang điện được sinh ra từ các bức xạ ion hóa gián tiếp trong thẻ tích vật chất dE, với khối lượng của thẻ tích vật chất đó dm[2].3) Hệ số Kerma có đơn vị chuẩn theo hệ SĨ là J/kg. Trong quá trình thực nghiệm ở khóa luận này hệ số kerma không khí khi có mẫu đo và không có mau đo được xác định dựa vào biểu thức (1.4) sau đây [7]: (Mra : May, | Ka = Ny “KiTKgpec k (1.4) Trong đó: Kạ : suất Kerma không khí (uGy/h). Ny: hệ số hiệu chuẩn buông ion hóa (uGy/pC). Mray : điện tích ghi nhận từ buồng ion hóa TK-30 và được hiến thị trên điện kế SuperMAX khi có bức xạ (pC).

Mrav : điện tích ghi nhận từ buông ion hóa TK-30 và được hiền thị trên điện kế SuperMAX khi chưa phát bức xạ (pC). t: thời gian mỗi lần đo (s). kor : hệ số chuẩn áp suất — nhiệt độ. : hệ số hiệu chuẩn điện kế.

elec Tuy nhiên, hệ số chuẩn áp suất — nhiệt độ được tinh từ biêu thức (1.5) — là biểu thức gián tiếp [8]: T Po _ 273,15+t° 1013,25 k » =kpk, =—— = ———— pt F KrĂp Ty P 293,15 p (1.5) Trong đó: kp : hệ số chuân nhiệt độ. k p: hệ số chuan áp suat. T,g: hệ số hiệu chuẩn nhiệt độ 293,15 K. Pg: hệ số hiệu chuẩn áp suất 1013,25 hPa.

Độ không đảm bảo đo Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 6165:2009 và LAEA [7, 8, 9, 11], độ không đảm bao đo được định nghĩa bằng một thông số gắn với kết quả đo của phép do, đặc trưng cho sự phân tán của các giá trị có thé quy cho đại lượng một cách hợp lý. Thông số gắn kết có thé hiểu rang là một tham số về độ lệch chuẩn của phép đo. Tất cả các tham số đó đều phải nam trong một giới hạn tin cậy đo cho phép do đó. Độ không đảm bảo đo bị ảnh hướng bởi các thành phan: mẫu đo, chuẩn đo lường và chất chuẩn, thiết bị và phương pháp đo.

kỹ thuật của người thực hiện phép đo và điều kiện môi trường đo.