Khóa luận tốt nghiệp vật lý phát triển mô hình mạng nơ ron nhân tạo kết hợp với mô phỏng monte carlo để xác định độ dày của vật liệu hai lớp

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp vật lý phát triển mô hình mạng nơ ron nhân tạo kết hợp với mô phỏng monte carlo để xác, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Tran Nguyễn Minh Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Đức Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Phát Triển Mô Hình Mạng Nơ-Ron Nhân Tạo Kết Hợp Với Mô Phỏng Monte Carlo Để Xác Định Độ Dày Của Vật Liệu Hai Lớp
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Giới thiệu về bức gamma
• 1.2. Hiệu ứng quang điện
• 1.3. Tán xạ Compton
• 1.4. Hiệu ứng tạo cặp
• 1.5. Sự suy giảm cường độ gamma qua vật chất
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG MONTE CARLO
• 2.1. Giới thiệu chương trình MCNP
• 2.2. Thẻ mô tả hình học (Cell Cards)
• 2.3. Thẻ mô tả các mặt (Surface Cards)
• 2.4. Thẻ dữ liệu (Data Cards)
• 2.5. Mô phỏng hệ đo bài toán
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO
• 3.1. Giới thiệu về mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng nơ-ron
• 3.3. Phương pháp kết hợp mô phỏng MCNP và xây dựng mô hình nơ-ron nhân tạo cho việc dự đoán bề dày vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ DỰ ĐOÁN BỀ DÀY VẬT LIỆU BẰNG MÔ HÌNH MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khóa luận tốt nghiệp vật lý và mô hình mạng nơ ron nhân tạo

Khóa luận tốt nghiệp vật lý này tập trung vào việc phát triển mô hình mạng nơ ron nhân tạo kết hợp với mô phỏng Monte Carlo để xác định độ dày của vật liệu hai lớp. Mục tiêu chính là ứng dụng các phương pháp hiện đại trong việc đo lường và phân tích vật liệu, từ đó nâng cao độ chính xác trong các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật.

1.1. Tổng quan về mô hình mạng nơ ron nhân tạo

Mô hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN) là một công cụ mạnh mẽ trong việc xử lý và phân tích dữ liệu. ANN mô phỏng cách thức hoạt động của não bộ con người, cho phép học hỏi từ dữ liệu và đưa ra dự đoán chính xác.

1.2. Ý nghĩa của mô phỏng Monte Carlo trong nghiên cứu vật lý

Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp thống kê mạnh mẽ, cho phép mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên trong vật lý. Phương pháp này giúp xác định các thông số quan trọng trong nghiên cứu vật liệu mà không cần thực hiện thí nghiệm thực tế.

II. Vấn đề và thách thức trong xác định độ dày vật liệu hai lớp

Việc xác định độ dày của vật liệu hai lớp gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp và y tế. Các phương pháp truyền thống thường không đủ chính xác và tốn thời gian. Do đó, cần có những giải pháp mới để cải thiện độ chính xác và hiệu quả.

2.1. Những khó khăn trong việc đo lường độ dày vật liệu

Các phương pháp đo lường hiện tại thường gặp khó khăn trong việc xác định chính xác độ dày của vật liệu hai lớp do sự tương tác phức tạp của bức xạ gamma với vật chất.

2.2. Tác động của các yếu tố môi trường đến kết quả đo

Nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và thành phần hóa học của vật liệu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng trong nghiên cứu.

III. Phương pháp kết hợp mô phỏng Monte Carlo và mạng nơ ron nhân tạo

Phương pháp kết hợp mô phỏng Monte Carlo và mạng nơ ron nhân tạo mang lại nhiều lợi ích trong việc xác định độ dày vật liệu. Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa quy trình đo lường và nâng cao độ chính xác của kết quả.

3.1. Quy trình mô phỏng Monte Carlo trong nghiên cứu

Quy trình mô phỏng Monte Carlo bao gồm việc tạo ra các mô hình vật lý và thực hiện các phép đo ảo để thu thập dữ liệu. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo.

3.2. Cách thức hoạt động của mạng nơ ron nhân tạo trong dự đoán

Mạng nơ ron nhân tạo sử dụng các thuật toán học máy để phân tích dữ liệu từ mô phỏng và đưa ra dự đoán về độ dày của vật liệu. Điều này giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu sai số trong kết quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo kết hợp với mô phỏng Monte Carlo đã mang lại những kết quả khả quan trong việc xác định độ dày của vật liệu hai lớp. Các ứng dụng thực tiễn của phương pháp này rất đa dạng, từ ngành công nghiệp đến y tế.

4.1. Kết quả dự đoán độ dày vật liệu

Kết quả từ mô hình cho thấy độ chính xác cao trong việc dự đoán độ dày của vật liệu hai lớp, với sai số thấp hơn so với các phương pháp truyền thống.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp và y tế

Phương pháp này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm kiểm tra chất lượng vật liệu trong sản xuất và đánh giá an toàn trong y tế.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Khóa luận đã chứng minh rằng việc kết hợp mạng nơ ron nhân tạo và mô phỏng Monte Carlo là một giải pháp hiệu quả trong việc xác định độ dày của vật liệu hai lớp. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc mở rộng ứng dụng của phương pháp này trong các lĩnh vực khác.

5.1. Những ưu điểm của phương pháp kết hợp

Phương pháp kết hợp này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng cho các loại vật liệu khác nhau và cải tiến thuật toán của mạng nơ ron nhân tạo để đạt được kết quả tốt hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Cơ sở lý thuyết. Trong chương sẽ trình bày vẻ lý thuyết tương tác bức xạ gamma với vat chat và các công thức toán được dùng trong phương pháp gamma truyền qua. Chương 2: Mô phỏng Monte Carlo. Giới thiệu tông quan về mô phỏng Monte Carlo và chương trình MCNP.

Đông thời tôi cũng sẽ trình bày mô hình bố trí thí nghiệm. vật liệu từ mô phỏng của kỹ thuật gamma truyền qua và phương pháp xử lý phố mô phỏng thu được bằng phần mềm Colegram. Chương 3: Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo. Trình bày tổng quan về mô hình mạng nơ-ron nhân tạo.

Sau đỏ, tôi sẽ trình bảy các bước huấn luyện cũng như các thuật toán ở lớp ân của mô hình nhằm đưa ra được mô hình thích hợp và tối ưu để dự đoán bẻ dày vật liệu trong khóa luận này. Chương 4: Kết qua dự đoán be dày vật liệu da lớp. Trình bày các kết quả bề day được tính toán thu được dựa trên mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP6 kết hợp với mô hình mạng nơ-ron nhân tạo dé so sánh với bề dày tham khảo. Từ đó đưa ra nhận 2 xét, đánh giá việc sử dụng phương pháp này.

Cuối cùng là phần kết luận trình bày những ưu điểm, hướng phát triển của kỹ thuật ANN trong việc xác định bẻ dày vật liệu. Giới thiệu về bức gamma Bức gamma lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà hóa học người Pháp Paul Villard vào năm 1900 khi ông đang nghiên cứu bức xạ phát ra từ radium. Vào năm 1903, Ernest Rutherford, nhà hóa học và vật lí học gốc New Zealand, ông đã quan sat ra một loại bức xạ được phát hiện (nhưng không được đặt tên) bởi Paul Villard. Bức xạ mà Rutherford quan sát được có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với bức xạ alpha, beta.

Do đó, Rutherford đã đặt tên cho loại bức xạ này là bức xạ gamma. Bức xạ gamma không mang điện nên không bị lệch hướng trong điện từ trường. Bức xạ gamma là photon năng lượng cao có bản chất là sóng điện từ, bước sóng ngắn hơn bước sóng tia X, được phát ra khi một hạt nhân chuyền từ trạng thái kích thích vẻ trạng thái cơ ban và có khả năng đâm xuyên rat lớn [12]. Khi đi qua vật chất, bức xa gamma bị mat năng lượng theo ba quá trình chính là hiệu ứng quang điện.

hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp [L3]. Hiệu ứng quang điện Khi bức xa gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mat và năng lượng của gamma truyền toàn bộ cho electron quỳ dao dé nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron. Quang electron nhận được năng lượng E,, bằng hiệu sé giữa năng lượng của lượng tử gamma ban đầu E, và nang lượng liên kết £, của electron trên lớp vỏ trước khi bứt ra (hình 1) [14].1) trong đó: E, là động năng của quang electron.

E, là năng lượng của bức xạ gamma. £„ là năng lượng liên kết của electron với hạt nhân. &, =&, đối với electron lớp K, &, =e, đối với electron lớp L, ø„ =e, đối với electron lớp M và £„ >£, > @. Theo công thức (1.1) hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng của gamma vào ít nhat phải bằng năng lượng liên kết của electron, với năng lượng liên kết của electron giảm dan theo các lớp K, L.Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với các electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn năng — xung lượng.

Lỗ trông được tạo nên trong lớp vỏ electron đo sự phát xạ electron bị chiếm bởi do quá trình tái lap electron. Khi đó tia X đặc trưng hoặc electron Auger sẽ được tạo ra [14]. Ex Auger = (uy ~ Ens) ~ Eng ( 2) Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện. Bức xạ đi vào đầu đò và tương tác quang điện với các electron bên trong đầu dò.

Bởi vì electron bị bức ra do hiệu ứng quang điện có quãng chạy ngắn bên trong đầu dò. Do đó, toàn bộ năng lượng của bức xạ gamma đều được đầu dò hap thu hinh thanh nén dinh quang điện hay đỉnh năng lượng toàn phan. Do vậy hiệu ứng quang điện ở đầu dò là quá trình lý tưởng khi đo năng lượng bức xạ gamma. Tan xạ compton Sự tán xạ Compton, được phát hiện boi Arthur Holly Compton năm 1920 [30], là sự tương tác giữa chùm gamma năng lượng cao với electron tự do ở quỳ đạo ngoài.

Gamma thay đôi phương bay và bi mat một phan nang lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử (hình 1. Quá trình tán xa Compton có thẻ coi như là quá trình gamma tán xạ đản hỏi lên electron tự do (hình 1. Gamma sau tin xạ, năng lượng E Electron sau tán xạ Hình 1. a) Hiệu ứng Compton; b) Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự đo [15].

Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hôi của hat gamma chuyên động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma [14]. I ee (13) *1+a(l—cos¢) ' l E/=E—————— (14) “]+z(l—cosø) trong đó a@ = =~; m,=9,1x10“'kg là khối lượng electron; e= 3x10”/ s là vận tốc mc ¢ ánh sáng; mc =0,51MeV. Góc bay Ø của electron sau tán xạ liên hệ với góc @ như sau: __! tan@ = ? E cot 2 (1.5) E ? Theo góc bay của gamma sau tán xạ càng lớn thì E, càng bé. nghĩa là gamma càng mat nhiều năng lượng.

Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khí bức xạ gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron (1,022 MeV) đi qua điện trường của hạt nhân và tạo ra một cặp electron - positron. Theo định luật bảo toàn năng lượng. tông động năng của electron và positron bay ra bằng hiệu số năng lượng E,- 2m.6) Sau khi được tạo ra, electron mat dan năng lượng dé ion hóa các nguyên tử môi trường, positron đi vào và gặp electron của nguyên tử dẫn đến hiện tượng hủy cặp electron — positron và có hai bức xạ gamma mang năng lượng 0,511 MeV bay ngược chiều nhau được sinh ra ngay sau sự hủy cặp đó. Hai bức xạ này có thê bị hap thụ hoặc thoát ra khỏi đầu đò và tạo thành các đỉnh năng lượng trong phô gamma.

Nếu có một bức xạ thoát ra khỏi đầu đò thì đính quan sát được gọi là đỉnh thoát đơn, có năng lượng thấp hơn năng lượng đỉnh quang điện 0,511 MeV [14]. Nếu cả hai bức xạ đều thoát ra ngoài thì xuất hiện đỉnh thoát gọi la đính thoát đôi, có năng lượng nhỏ hơn năng lượng đính quang điện 1,022 MeV. Sự suy giảm cường độ gamma qua vật chất Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta. Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong khi đó bức xa gamma chi bị suy giảm về cường độ chim tia khi tăng bề day vật chất mà không bi hap thụ hoàn toàn.

Phương trình sau đây biểu thị sự suy giảm giữa cường độ của tia gamma truyền qua ( 7.) trong bề dày của vật liệu [16]. = MLB Ds 1 =Bl,e an trong đó /, là cường độ của chùm gamma tới; / (cm ') là hệ số suy giảm tuyến tinh; E, (keV) là năng lượng của tia gamma truyền qua; x (cnt) 1A bề dày vat liệu; Bla hệ số tích lũy. Nếu một chùm tia hẹp được chuẩn trực khi đi qua vật liệu thì hệ số ~ 1. Lúc này ta viết lại công thức (1.8) Trường hop vật liệu N lớp với các thành phan vật liệu khác nhau: 1, = 1exe{ “S44 (1.9) N Xét một chùm tia gamma hẹp có cường độ 7„(Ej) là cường độ ban đầu của chùm tia gamma truyền qua khi không có mẫu có năng lượng E,, ï(F,) cường là cường độ ban dau của chùm tia gamma truyền qua vật liệu hai lớp có năng lượng E1, T,(E,) là cường độ ban đầu của chùm tia gamma truyền qua khi không có mẫu có năng lượng E,.T(E,) cường là cường độ ban đầu của chùm tia gamma truyền qua vật liệu hai lớp có năng lượng E,.

Bè dày của bê tông và thép lần lượt là x,. Ứng với mỗi nguồn, mỗi bé dày khác nhau có các hệ số suy giảm khác nhau. Đặt R = _ và lay In hai về khi đó ta được hệ phương trình q xác định bè dày vật liệu: InRÌ == 441, TA: InR? =— mẻ x, phx, (1.10) Hệ số hap thụ tuyến tính phụ thuộc vào mật độ khối lượng (7) của vật chat. Do đó hệ số hap thụ khối được tính theo công thức: H,, = LS plem | g) (1.

MÔ PHÒNG MONTE CARLO Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là một thuật toán được sử dụng rộng rãi, ý tưởng cơ bản của phương pháp nay là mô phỏng bằng xác suất. Tên gọi của phương pháp này được đặt theo tên của một thành phố ở Monaco, nơi nỗi tiếng với các sòng bạc. Phương pháp mô phỏng hoạt động chủ yếu dựa trên hai luật quan trọng của xác suất dé lay mẫu ngẫu nhiên trong một bài toán không dự đoán trước dé thu được kết quả. Trong các nghiên cứu hiện nay, phương pháp Monte Carlo thường được ứng dụng để mô phỏng sự tương tác của các photon và nơ-tron.

Phương pháp này thích hợp khi giải các bài toán phức tạp không thẻ mồ hình bằng các chương trình máy tính theo các phương pháp thông thường. Giới thiệu chương trình MCNP MCNP là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo dé mô phỏng các quá trình vật lý mang tính thông kê. Ban đầu chương trình được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos của Mỹ. Đây là một công cụ tính toán rất mạnh.

có thé mô phỏng vận chuyển nơ-tron, photon và electron, Chương trình nảy là công cụ mô phỏng được thiết lập rất tốt cho phép người sử dụng xây dựng các dạng hình học phức tạp và mô phỏng dựa trên các thư viện hạt nhân. MCNP được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực liên quan tới kỹ thuật hạt nhân như: y học hạt nhân, che chắn bức xa, thiết kế may gia toc,. và đặc biệt được sử dụng nhiều trong mô phỏng thiết kế lò phản ứng hạt nhân. Hiện nay một số các cơ sở ứng dụng các tính toán mô phỏng bằng chương trình MCNP cụ thé là tính toán vận chuyên gamma trong hai kỹ thuật truyền qua và kỹ thuật tán xạ đã được triển khai, giảng đạy và nghiên cứu cho sinh viên như là Bộ môn Vật lý Hạt nhân — Kỹ thuật Hạt nhân Trường Dai học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM và Bộ môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Sư Phạm Tp.