Khóa luận: Xác định nguyên tử số hiệu dụng của polyme (ĐH Sư phạm TP.HCM)

Khóa luận vật lý: Xác định nguyên tử số hiệu dụng của polyme. Nghiên cứu tính chất vật lý, ứng dụng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật.

• Tác giả: Trần Thị Mỹ Duyên
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Đức Tâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý học
• Đề tài: Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Của Một Số Loại Polyme
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG
• 1.1. Tương tác bức xạ gamma với vật chất
• 1.2. Hiệu ứng Compton
• 1.3. Hiệu ứng tạo cặp
• 1.4. Cơ sở lý thuyết
• 1.5. Xác định hệ số suy giảm khối
• 1.6. Xác định nguyên tử số hiệu dụng
• 1.7. Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng
• 1.7.1. Phương pháp tính trực tiếp
• 1.7.2. Phương pháp Monte Carlo
• 1.7.3. Phương pháp XMuDat
• 1.7.4. Phương pháp nội suy
• 1.8. Tóm tắt chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP6
• 2.1. Phương pháp Monte Carlo
• 2.2. Chương trình MCNP6
• 2.3. Cấu trúc tập tin đầu vào
• 2.3.1. Thẻ khai báo ô mạng (Cell Cards)
• 2.3.2. Thẻ khai báo mặt (Surface Cards)
• 2.3.3. Thẻ khai báo dữ liệu (Data Cards)
• 2.4. Tóm tắt chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG
• 3.1. Mô hình mô phỏng
• 3.2. Phương pháp xử lý phổ
• 3.3. Kết quả và thảo luận
• 3.3.1. Xác định hệ số suy giảm khối
• 3.3.2. Xác định nguyên tử số hiệu dụng
• 3.3.3. So sánh kết quả
• 3.4. Tóm tắt chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Vì sao cần nghiên cứu nguyên tử số hiệu dụng của polyme

Trong khoa học vật liệu và vật lý hạt nhân, việc đánh giá đặc tính của vật liệu khi tương tác với bức xạ là vô cùng quan trọng. Polyme, với tính ứng dụng rộng rãi, đang trở thành đối tượng nghiên cứu trọng tâm cho các ứng dụng che chắn bức xạ và y tế. Để định lượng khả năng tương tác này, một thông số vật lý quan trọng được sử dụng là số hiệu nguyên tử hiệu dụng (Z_eff). Đây không phải là một hằng số vật lý cơ bản mà là một tham số được tính toán, đại diện cho số hiệu nguyên tử "trung bình" của một vật liệu hỗn hợp (như polyme) khi tương tác với photon. Giá trị Z_eff giúp dự đoán và so sánh cách các vật liệu khác nhau hấp thụ hay tán xạ bức xạ gamma và tia X. Việc nghiên cứu và xác định chính xác Z_eff của polyme mở ra nhiều cơ hội trong việc thiết kế vật liệu che chắn bức xạ nhẹ, hiệu quả, và an toàn sinh học. Nó cũng là nền tảng để phát triển các vật liệu tương đương mô trong ngành liều kế bức xạ (dosimetry), giúp hiệu chuẩn thiết bị y tế và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân. Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn tập trung vào các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng, nhằm cung cấp một bộ dữ liệu đáng tin cậy cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái niệm số hiệu nguyên tử hiệu dụng Z_eff là gì

Đối với một nguyên tố đơn lẻ, số hiệu nguyên tử (Z) là số proton trong hạt nhân. Tuy nhiên, với vật liệu phức tạp như polyme, được cấu tạo từ nhiều nguyên tố khác nhau (Carbon, Hydro, Oxy, Clo...), không thể dùng một số Z duy nhất để mô tả. Số hiệu nguyên tử hiệu dụng (Z_eff) được định nghĩa là một tham số đặc trưng cho sự tương tác của photon với vật chất hỗn hợp. Nó được tính toán dựa trên tiết diện tương tác và hệ số suy giảm khối, phản ánh số hiệu nguyên tử của một nguyên tố giả định có cùng đặc tính tương tác với bức xạ như vật liệu hỗn hợp đó. Về bản chất, Z_eff cho biết vật liệu đó hành xử giống như một nguyên tố có số hiệu nguyên tử bằng bao nhiêu khi có chùm photon đi qua. Giá trị này không phải hằng số mà phụ thuộc mạnh vào năng lượng photon và thành phần nguyên tố của vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của Z_eff trong khoa học vật liệu và y tế

Z_eff là một chỉ số cốt lõi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành kỹ thuật hạt nhân, nó được dùng để thiết kế và đánh giá hiệu quả của các vật liệu che chắn bức xạ (radiation shielding materials). Một vật liệu có Z_eff cao thường có khả năng hấp thụ tia X và gamma tốt hơn, đặc biệt ở vùng năng lượng thấp nơi hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế. Trong vật lý y khoa, Z_eff giúp phân biệt các loại mô trong cơ thể (mô mềm, xương) trên ảnh chụp X-quang và CT. Hơn nữa, việc chế tạo các phantom và vật liệu tương đương mô (tissue-equivalent materials) cho ngành liều kế bức xạ đòi hỏi vật liệu phải có Z_eff và mật độ điện tử gần giống với mô người. Điều này đảm bảo các thiết bị đo liều và xạ trị được hiệu chuẩn chính xác, mang lại an toàn tối đa cho bệnh nhân. Do đó, việc xác định Z_eff của polyme là bước đi cơ bản nhưng thiết yếu để ứng dụng chúng trong các công nghệ tiên tiến.

II. Hiểu rõ tương tác photon Nền tảng xác định Z_eff polyme

Việc xác định Z_eff của polyme về cơ bản là định lượng tổng hợp các quá trình tương tác của photon với vật chất. Bức xạ gamma và tia X, bản chất là các hạt photon không mang điện, không ion hóa vật chất một cách trực tiếp. Thay vào đó, chúng truyền năng lượng cho các electron trong vật liệu thông qua ba hiệu ứng chính: hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, và hiệu ứng tạo cặp. Mức độ xảy ra của mỗi hiệu ứng phụ thuộc rất lớn vào năng lượng photon và số hiệu nguyên tử (Z) của vật liệu. Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế ở năng lượng thấp và tỷ lệ thuận với Z⁴-Z⁵, làm cho các vật liệu có Z cao (như chì) che chắn rất tốt tia X năng lượng thấp. Tán xạ Compton chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trung bình (khoảng 0.1-10 MeV) và phụ thuộc vào mật độ điện tử của vật liệu. Hiệu ứng tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng photon vượt ngưỡng 1.022 MeV. Tổng hợp xác suất xảy ra của ba hiệu ứng này được thể hiện qua hệ số suy giảm khối (mass attenuation coefficient), một đại lượng then chốt để từ đó tính toán ra Z_eff.

2.1. Phân tích hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi một photon tới va chạm và truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron liên kết chặt (thường ở lớp K), làm electron này bật ra khỏi nguyên tử. Hiện tượng này chỉ xảy ra khi năng lượng photon lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm nhanh khi năng lượng photon tăng nhưng tăng rất mạnh khi số hiệu nguyên tử Z của vật liệu tăng. Ngược lại, tán xạ Compton là hiện tượng photon tới va chạm với một electron liên kết lỏng lẻo (coi như tự do), truyền một phần năng lượng cho electron và bị tán xạ theo một hướng khác với năng lượng thấp hơn. Hiệu ứng này là quá trình tương tác chính đối với các vật liệu có Z thấp như polyme trong dải năng lượng của nguồn ¹³⁷Cs (0.662 MeV) được sử dụng trong nhiều nghiên cứu.

2.2. Vai trò của hiệu ứng tạo cặp ở năng lượng photon cao

Khi một photon mang năng lượng rất cao (Eγ ≥ 1.022 MeV) đi qua điện trường mạnh của hạt nhân, nó có thể biến mất và sinh ra một cặp electron-positron. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tạo cặp. Năng lượng dư thừa so với ngưỡng 1.022 MeV được chuyển thành động năng của cặp hạt. Xác suất của hiệu ứng này tăng theo Z² và tăng theo năng lượng photon. Đối với các nghiên cứu sử dụng nguồn ¹³⁷Cs (0.662 MeV) hoặc các nguồn năng lượng dưới 1 MeV, hiệu ứng này không xảy ra. Tuy nhiên, trong các ứng dụng liên quan đến máy gia tốc tuyến tính y tế hoặc các nguồn bức xạ năng lượng cao, hiệu ứng tạo cặp trở thành một cơ chế suy giảm quan trọng và phải được tính đến khi xác định Z_eff của các vật liệu che chắn.

III. Cách xác định Z_eff polyme bằng phương pháp tính trực tiếp

Phương pháp tính trực tiếp là cách tiếp cận lý thuyết phổ biến nhất để xác định số hiệu nguyên tử hiệu dụng (Z_eff) của một hợp chất hoặc hỗn hợp như polyme. Phương pháp này không đòi hỏi thiết bị thực nghiệm phức tạp mà dựa hoàn toàn vào các công thức lý thuyết và cơ sở dữ liệu đã được chuẩn hóa. Nền tảng của phương pháp là dựa vào định luật suy giảm cường độ tia gamma khi đi qua vật liệu, được biểu diễn qua hệ số suy giảm khối (mass attenuation coefficient). Theo tài liệu của Trần Thị Mỹ Duyên (2020), hệ số suy giảm khối của một hợp chất có thể được tính bằng cách lấy tổng có trọng số của các hệ số suy giảm khối của từng nguyên tố thành phần. Các giá trị này được tra cứu từ các cơ sở dữ liệu uy tín như WinXCom (NIST). Từ đó, Z_eff được tính toán thông qua tỉ số giữa tiết diện tương tác phân tử và tiết diện tương tác electron. Phương pháp này cho kết quả nhanh chóng, có độ chính xác cao và thường được dùng làm tham chiếu để so sánh với các kết quả từ thực nghiệm hoặc mô phỏng Monte Carlo.

3.1. Công thức tính Z_eff polyme từ hệ số suy giảm khối

Công thức cơ bản để xác định Z_eff được trình bày trong nhiều nghiên cứu, bao gồm cả khóa luận tham khảo. Đầu tiên, hệ số suy giảm khối của polyme (μ/ρ) được tính theo quy tắc trộn: (μ/ρ) = Σᵢ wᵢ(μ/ρ)ᵢ, trong đó wᵢ là tỉ số khối lượng và (μ/ρ)ᵢ là hệ số suy giảm khối của nguyên tố thứ i. Sau đó, tiết diện tương tác nguyên tử hiệu dụng (σₐ) và tiết diện tương tác electron hiệu dụng (σₑ) được tính. Cuối cùng, Z_eff được xác định bằng tỉ số Z_eff = σₐ / σₑ. Một công thức trực tiếp hơn cũng được áp dụng rộng rãi, dựa trên việc nội suy logarit hoặc sử dụng các hàm mũ của Z, cho phép tính toán số hiệu nguyên tử hiệu dụng một cách hiệu quả.

3.2. Sử dụng dữ liệu WinXCom để tra cứu thông số vật liệu

Cơ sở dữ liệu WinXCom, được phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), là công cụ không thể thiếu cho phương pháp tính trực tiếp. Chương trình này cung cấp các giá trị chính xác về hệ số suy giảm khối và tiết diện tương tác của tất cả các nguyên tố cho một dải năng lượng photon rộng. Bằng cách nhập công thức hóa học (ví dụ C₂H₄ cho Polyethylene) và mật độ của polyme, người dùng có thể nhận được giá trị (μ/ρ) của hợp chất. Các nghiên cứu như của Trần Thị Mỹ Duyên đã sử dụng WinXCom để lấy dữ liệu chuẩn, từ đó tính toán Z_eff lý thuyết và so sánh với kết quả mô phỏng, đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

IV. Hướng dẫn mô phỏng Z_eff polyme bằng phương pháp Monte Carlo

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là một công cụ số mạnh mẽ để nghiên cứu các quá trình vật lý ngẫu nhiên, đặc biệt là sự vận chuyển của các hạt bức xạ qua vật chất. Thay vì giải các phương trình giải tích phức tạp, phương pháp này mô phỏng hành trình của hàng triệu, thậm chí hàng tỷ photon riêng lẻ khi chúng đi qua vật liệu. Mỗi tương tác của photon với vật chất (quang điện, Compton, tạo cặp) được quyết định dựa trên xác suất thống kê và các số ngẫu nhiên. Bằng cách theo dõi và ghi nhận trạng thái cuối cùng của các photon (bị hấp thụ hoặc đi qua), ta có thể tính toán các đại lượng vĩ mô như cường độ chùm tia suy giảm, từ đó suy ra hệ số suy giảm khối và Z_eff. Các chương trình như MCNP6 hay Geant4 là những công cụ hàng đầu để thực hiện loại mô phỏng này. Phương pháp Monte Carlo cho phép kiểm soát hoàn toàn mô hình hình học, thành phần vật liệu và nguồn bức xạ, giúp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến Z_eff một cách chi tiết mà không cần thực nghiệm tốn kém.

4.1. Giới thiệu chương trình mô phỏng MCNP6 và Geant4

MCNP (Monte Carlo N-Particle), đặc biệt là phiên bản MCNP6, là một chương trình được phát triển tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, được xem là tiêu chuẩn vàng trong mô phỏng vận chuyển hạt nhân. Nó sử dụng các thư viện dữ liệu tiết diện năng lượng liên tục (như ENDF), mang lại độ chính xác rất cao. Geant4 là một bộ công cụ mô phỏng mã nguồn mở được phát triển tại CERN, có tính linh hoạt cao và được sử dụng rộng rãi trong vật lý năng lượng cao, vật lý y khoa và khoa học không gian. Cả hai chương trình đều có khả năng mô phỏng chi tiết các tương tác của photon với vật chất và xây dựng các mô hình hình học phức tạp, là công cụ lý tưởng để xác định Z_eff của polyme composite hay các vật liệu có cấu trúc phức tạp.

4.2. Xây dựng mô hình gamma truyền qua trong mô phỏng

Để xác định Z_eff bằng mô phỏng, một mô hình thực nghiệm ảo thường được thiết lập, gọi là mô hình gamma truyền qua. Mô hình này, như được mô tả trong tài liệu tham khảo, bao gồm: một nguồn phát gamma đơn năng (ví dụ ¹³⁷Cs, phát ra năng lượng photon 0.662 MeV), một bộ chuẩn trực để tạo chùm tia hẹp, mẫu vật liệu polyme cần khảo sát, và một đầu dò (detector) ảo để đếm số photon đi qua. Trong MCNP6, người dùng sẽ định nghĩa hình học của các thành phần này bằng các thẻ khai báo mặt và ô mạng, khai báo thành phần hóa học và mật độ của vật liệu, và định nghĩa các thông số của nguồn. Đầu dò ảo (Tally F8 trong MCNP) sẽ ghi nhận năng lượng lắng đọng hoặc số hạt đi qua, cung cấp dữ liệu thô để xử lý.

4.3. Xử lý phổ năng lượng và thu thập dữ liệu từ mô phỏng

Kết quả từ mô phỏng là một phổ kế gamma ảo, cho thấy số đếm photon theo từng kênh năng lượng. Để lấy được cường độ chùm tia chính xác, cần phải xử lý phổ này. Các phần mềm như Colegram được sử dụng để khớp đỉnh năng lượng toàn phần (photopeak) bằng hàm Gauss và trừ đi phông nền (background) từ các sự kiện tán xạ. Diện tích dưới đỉnh Gauss này chính là cường độ chùm tia (I) sau khi đi qua vật liệu. Bằng cách chạy mô phỏng với và không có mẫu vật liệu (tương ứng thu được I và I₀), ta có thể tính toán hệ số suy giảm khối từ công thức I = I₀e^(-(μ/ρ)ρx). Từ đây, việc tính toán Z_eff được thực hiện tương tự như phương pháp tính trực tiếp, nhưng sử dụng giá trị hệ số suy giảm từ kết quả mô phỏng Monte Carlo.

V. Ứng dụng Z_eff polyme trong vật liệu che chắn bức xạ

Việc xác định chính xác số hiệu nguyên tử hiệu dụng (Z_eff) của polyme không chỉ là một bài toán học thuật mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn to lớn. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo vật liệu che chắn bức xạ. Theo truyền thống, các vật liệu như chì (Z=82) và bê tông được sử dụng rộng rãi do khả năng che chắn tốt. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là nặng, độc hại (với chì) và thiếu linh hoạt. Polyme, với đặc tính nhẹ, bền, dễ gia công và giá thành rẻ, là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn. Bằng cách thêm các chất độn có Z cao (như oxit bismuth, vonfram, bari) vào nền polyme, các nhà khoa học có thể tạo ra các polyme composite có Z_eff cao, tăng cường đáng kể khả năng che chắn tia X và gamma. Nghiên cứu Z_eff giúp tối ưu hóa thành phần của các vật liệu này để đạt hiệu quả che chắn mong muốn mà vẫn giữ được các ưu điểm của polyme.

5.1. Chế tạo vật liệu tương đương mô cho liều kế bức xạ

Trong xạ trị và chẩn đoán hình ảnh y tế, việc đo lường chính xác liều bức xạ là cực kỳ quan trọng. Các thiết bị đo liều cần được hiệu chuẩn bằng các phantom, là các vật thể mô phỏng lại cơ thể người. Để mô phỏng chính xác, các vật liệu tương đương mô (tissue-equivalent materials) phải có đặc tính tương tác bức xạ giống hệt mô người. Điều này có nghĩa là chúng phải có cùng Z_eff và mật độ điện tử như mô mềm, xương hoặc phổi. Nhiều loại polyme như Polystyrene (PS), Polymethylmethacrylate (PMMA) có Z_eff rất gần với mô mềm của người. Việc nghiên cứu và điều chỉnh thành phần của các polyme này cho phép tạo ra các vật liệu phantom có độ chính xác cao, đóng vai trò then chốt trong ngành liều kế bức xạ (dosimetry).

5.2. So sánh Z_eff của polyme phổ biến PVC PE và PMMA

Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã cung cấp một cơ sở dữ liệu phong phú về Z_eff của nhiều loại polyme. Ví dụ, Polyvinylchloride (PVC - (C₂H₃Cl)n) có Z_eff cao hơn đáng kể so với Polyethylene (PE - (C₂H₄)n) do sự hiện diện của nguyên tử Clo (Z=17) trong cấu trúc của nó. Điều này làm cho PVC có khả năng che chắn tia X năng lượng thấp tốt hơn PE. Trong khi đó, Polymethylmethacrylate (PMMA - (C₅H₈O₂)n), thường được biết đến với tên gọi acrylic, có Z_eff nằm giữa hai loại trên và rất gần với mô mềm, khiến nó trở thành vật liệu phổ biến cho các ứng dụng liều kế bức xạ. Việc so sánh các giá trị Z_eff này cho phép các kỹ sư và nhà khoa học lựa chọn loại polyme phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể, từ tạp dề chì không chì đến các thiết bị hiệu chuẩn y tế.

VI. Tương lai nghiên cứu Z_eff polyme Thách thức và cơ hội

Nghiên cứu về số hiệu nguyên tử hiệu dụng (Z_eff) của polyme đang tiếp tục phát triển, đối mặt với những thách thức và mở ra nhiều cơ hội mới. Một trong những thách thức chính là sự sai lệch giữa kết quả lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Như đã chỉ ra trong khóa luận của Trần Thị Mỹ Duyên, độ chênh lệch giữa giá trị Z_eff từ mô phỏng Monte Carlo và tính toán lý thuyết có thể lên tới 11-13%. Nguyên nhân có thể đến từ việc khai báo thành phần vật liệu chưa hoàn toàn chính xác trong mô phỏng, sự không đồng nhất của mẫu thực tế, hoặc mật độ vật liệu được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau. Việc giải quyết những sai lệch này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ hơn giữa các phương pháp, kiểm tra chéo dữ liệu và tiến hành các thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ. Hướng đi tương lai tập trung vào việc phát triển các polyme composite và vật liệu nano polyme với các đặc tính che chắn bức xạ vượt trội, được thiết kế riêng cho các dải năng lượng cụ thể.

6.1. Phân tích sai lệch giữa lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm

Sự phù hợp giữa các phương pháp xác định Z_eff là yếu tố cốt lõi để đảm bảo độ tin cậy. Sai lệch có thể xuất phát từ nhiều nguồn. Về mặt lý thuyết, các công thức tính trực tiếp dựa trên giả định vật liệu là đồng nhất tuyệt đối. Về mặt mô phỏng, kết quả phụ thuộc vào độ chính xác của thư viện tiết diện (ví dụ ENDF trong MCNP6) và việc khai báo đúng thành phần nguyên tố, bao gồm cả các tạp chất微 lượng. Về mặt thực nghiệm, các yếu tố như hình học của hệ đo, độ chuẩn trực của chùm tia, và độ phân giải của phổ kế gamma đều ảnh hưởng đến kết quả. Việc phân tích và định lượng các nguồn sai số này là một hướng nghiên cứu quan trọng, giúp hoàn thiện các mô hình và nâng cao độ chính xác trong việc xác định Z_eff.

6.2. Hướng phát triển polyme composite và vật liệu nano polyme

Tương lai của vật liệu che chắn bức xạ dựa trên polyme nằm ở các vật liệu composite và nano. Bằng cách phân tán các hạt nano có số Z cao (như Bi₂O₃, WO₃, Gd₂O₃) một cách đồng đều trong nền polyme, có thể tạo ra các vật liệu nano polyme với Z_eff được tối ưu hóa. Những vật liệu này không chỉ có khả năng che chắn hiệu quả mà còn có thể trong suốt, linh hoạt và có các đặc tính cơ học ưu việt. Nghiên cứu Z_eff của các hệ vật liệu mới này đòi hỏi các công cụ mô phỏng tiên tiến có khả năng xử lý các cấu trúc nano không đồng nhất. Việc kết hợp mô phỏng Monte Carlo với các kỹ thuật mô phỏng phân tử sẽ mở đường cho việc thiết kế các vật liệu thông minh, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong y tế, hàng không vũ trụ và an ninh hạt nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỎ CHÍ MINH KHOA VAT LÝ ĐẠI HỌC S%SP TP. HO CHÍ MINH TRAN THI MỸ DUYEN KHOA LUAN TOT NGHIEP CUA MOT SO LOAI POLYME Chuyén nganh: Vat ly hoc Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHOA VAT LY XAC DINH NGUYEN TU SO HIEU DUNG CUA MOT SO LOẠI POLYME Cán bộ hướng dan: TS.

Hoang Đức Tâm Sinh viên thực hiện: Trần Thị Mỹ Duyén LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện khóa luận, em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Đức Tâm. Thay đã luôn hướng dẫn và truyền đạt nhiều kiến thức cho tôi trong quá trình thực hiện. Thầy không chỉ truyền đạt những kiến thức khoa học mà còn truyền đạt nhiều giá trị nhân văn giúp em có thêm tri thức trên con đường tương lai. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Vật lý và trường Đại học Sư phạm đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và rèn luyện.

tôi xin cảm ơn các bạn lớp Vật lý Cử nhân A K42 đã đồng hành cùng tôi và giúp đỡ trong những năm học qua. Cuỗi cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ba mẹ và các thành viên trong gia đình đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi dé tôi có thê tập trung hoàn thành khóa luận. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TÁT Zeff Nguyên tử số hiệu dụng Effective atomic number CTHH Cấu tạo hóa học Chemical formula DANH MỤC HÌNH VE - DO THỊ Hinh I.1,/HiÊ20'006 Quảng HH casooaoooaioaioeoooaiooaoooaiioiioioiooiooiiooiitiiitiistitatiiegiieaiooaiaa 3 Hình 1. Hiệu ứng Compton và sơ đồ tán xạ của bức xạ gamma lên electron tự do .4 Hinh:1:3: Hiện nz tad: cặp và MEU BE NOY COD s sisicssississaisesssssassaissainsassssisassssaassosinoasse 5 Hình 2.

Cau trúc thẻ khai báo 6 mang trong tập tin đầu vào. Cau trúc thẻ khai báo mặt trong tập tin đầu vào.cc-cccsec 16 Hình 2. Cau trúc thẻ khai bao nguồn trong tập tin đầu vào. Cau trúc thẻ khai báo vật liệu trong tap tin đầu vào.

Sơ đồ mô hình thực nghiệm gamma truyền qua. Mô hình mô phỏng gamma truyền qua trong chương trình MCNP6. Thông số của nguồn phóng Xạ. Phé năng lượng trước và sau khi xử lý bằng phần mềm Colegram.

Đô thị so sánh giữa hai phương pháp. So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụng giữa phương pháp tính trực tiếp với các nghiên cứu khác.-- 2-2 s£2s+£E+EEZ£EEZEEEZ xE2SxE22E2SE2222222222- 28 Hình 3. So sánh độ chênh lệch của nguyên tử số hiệu dụng giữa phương pháp Monte Cailo.v0ii6ñe:npghiBn.icieeeieiiiiiieiiiiniiiiiiii6510055022326655122385385053663358538 29 DANH MỤC BANG BIÊU Bảng 2. Cau trúc tập tin dau vào của chương trình MCNP6.

Một số mặt được Nghia trong MCNEGceseieeeeeeaeieeoeei 16 Bảng 2. Các định nghĩa thông số trong MCNP6.sccseccsss-essveeseeeseeesseesscenseesseeenees 17 Bang 3. Tên gọi, cấu trúc hóa học và mật độ của một số vật liệu polyme. Cau hình và thông số kỹ thuật của đầu đò Nal(TÌ).

Dữ liệu tính toán hệ số suy giảm khối của vật liệu. Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng giữa hai phương pháp. Bảng so sánh nguyên tử số hiệu dụng với các nghiên cứu khác. 27 iv MỤC LỤC LH NHƠN bnnaniasoiiniiiniittoiti2i300121018009000200130020002010200080010033000820030H0300030gg86a04 i DANH MUC CAC TỪ VIET TẤT,.

52-22 222222225223225223222122112121122 211212212 cee il DANH MỤC HÌNH VE : DG THD scssscosssessscsssosssessenssssosssesssesssosssasseessesssssssssesssosssesssess ii DANHMIIEBANGIBIEI.eeeeeaiaineieeoearieioeiosieeoonnoiiaouoooi iv OlUỪY ¿s53 56022511225595590250150902310223555112210351022107283350072210101931902399291283331300237/5200031122339319023377 | CHUONG |. TONG QUAN VE NGUYEN TU SO HIEU DỤNG. Tương tác bức xa gamma với vật Chat.,HiEniRE(8NEIilTlLisiiiiiiiiiieii2iiiiiiiiiiitiiiiiii2i044012200121112111011062121400201245125138243103556 3 1.02: Hiện ng COMMON sssecccsceicasecesssscsssecsscassscsssassestsecsisacssassescesestsescssecsssstsastesssecereait: 4 WAP Hiện H6 |HẠð!'EBD snssiniiinniiniiniiiiiitiiiiiiaiiiititiiiii21ii6i0i2i114111011118011311148110301131188330352082188 5 eo) 0 ere 6 1. Xác định hệ số suy giảm khối.

Xác định nguyên tử số hiệu dụng. Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu AUN oo. cee cece eesesssesseeseerseeeseeeceeneeane 9 1. Phwong phan Monte Carlo scciscccccscssacssaseseasseacssstssacssasssaassesssesescasssacssaessasssaseseerseass: 9 1.

Tóm tắt chương Ì .- c2 SE 122112 112111 11 11 11 111 112 1111 1 1 1 0121 c6 ll CHUONG 2. PHƯƠNG PHAP MONTE CARLO VA CHUONG TRINH MCNP6.IPFhương phán Monte Casto ‹¡cooccocooaooaoooooiooiiiaioaniinnaiiidiiiitiisiiisii2530ã81818ã886ã8 12 2„:inifinigiEmhiMNEEuaaaaiaaiaaaiaiiiiiiidiiiiiiiiiiiii1iii1100110224062121214822gã833 12 2. Câu trúc tập tin đầu vào. Thẻ khai báo ô mạng (Cell Card§).

Thẻ khai báo mặt (Surface Card$). Thẻ khai báo dữ liệu (Data Cards),. Tóm tắt chương 2. XÁC ĐỊNH NGUYEN TU SO HIỆU DUNG .---- 20 Sl MG Mitta MG | PHONG saceeeioeiioioiiooaioioooiioiiitiiiitiittiistttisiti3i30161555182016519855:3856185i 20 BF lì NI.

091in 51: ONIN nerne. Phương pháp xử lý phô.2- 222 2222222222 2EE22EEE2EEE2EEE AE 2E 2EEecExecrrrcrrrce 23 5/0: IK'€0008:03/HH1R(XÊT: anh nh öanhgnnggi0gEH023088108308331138083550380185805880088318381338138883831 24 3. Xác định hệ số suy giảm khối. 2222 ©V22222t#ECEE2SE2EEEecEEecErrcrrrrerrred 24 3.2, Xác định nguyên tử số hiệu AYN.

eee cescessoesseessesssesseeseeeseeescesecesecssenseeseeseeeeess 25 5/3! Tni(UHHCHIEOE ses 05260012 100220121002432505511962411852301219121412103323021935308823E12710211121/321142311G: 29 n0.5n 30 TÀHEIEU THAM HT an enneontintoeenseesanaseersrossnttanoteinnsa01210650100553610020005800827 31 vi MỞ DAU Kiém tra và đánh giá vật liệu là một trong những van dé cần thiết đối với các ngành trong lĩnh vực khoa học. Hiện nay, một trong những phương pháp kiêm tra được sử dụng rộng rãi là phương pháp kiểm tra không phá hủy. Phương pháp này dùng dé phát hiện khuyết tật của vật liệu mà không làm ảnh hưởng khả năng sử dụng của vật liệu sau này. Trong đó, phương pháp chụp ảnh phóng xạ là phương pháp sử dụng tia bức xạ chiều qua vật liệu cần kiểm tra và dựa vào sự suy giảm của tia bức xạ khi xuyên qua chiêu đày vật liệu để đánh giá kết cau vật liệu.

Đề đánh giá khả năng che chắn của vật liệu, các nhà khoa học nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các photon với vật liệu, trong đó bao gồm nguyên tử số hiệu dụng. Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định nguyên tử số hiệu dụng như phương pháp gamma tán xạ [1-2], gamma truyền qua [3- 4I. Kucuk và cộng sự [4] đã xác định nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng cho 5 vật liệu polyme. Trong nghiên cứu, Kucuk sử dụng hệ đo gamma truyền qua với dau đò Nal(TI) tại nhiều mức năng lượng đề tiên hành thực nghiệm.

Đồng thời, tính toán các thông số trên bang lý thuyết dé so sánh kết quả với thực nghiệm. Kết qua thu được là giá trị thực nghiệm phù hợp với giá trị lý thuyết. Với độ phù hợp cao giữa giá trị lý thuyết với giá trị thực nghiệm trong nghiên cứu trên, chúng tôi sử dụng một số phương pháp đề xác định nguyên tử số hiệu dụng của hợp chất. Đối tượng được chọn đề khảo sát là một số vật liệu polyme (14 loại) vì đây là một loại vật liệu hợp chất mang tính ứng dụng cao trong đời sống.

Bên cạnh đó, chúng tôi sử dụng phương pháp Monte Carlo cùng phan mềm mô phỏng MCNP6 đẻ mô phỏng mô hình gamma truyền qua với năng lượng xác định của nguồn '*’Cs (0,662 MeV). Từ kết quả thu được, so sánh giá trị lý thuyết và giá trị mô phỏng với giá trị thực nghiệm từ một số nghiên cứu khác. đánh giá sự phù hợp của phương pháp lý thuyết và mô hình mô phỏng được xây dựng trong khóa luận. Ngoài ra, trong nghiên cứu trước đây của Chương và cộng sự [Š].

Chương sử dụng tỉ lệ của điện tích đỉnh tán xạ đơn của chất lỏng so với nước dé xác định mật độ của môt số loại chat lỏng. Phương pháp này bỏ qua sự ảnh hưởng của thành phan vật liệu và coi như mật độ chỉ phụ thuộc vào năng lượng. Sự ảnh hưởng của thành phần vật liệu vào mật độ cần được đánh giá lại dé hoàn thiện dữ liệu. Chúng tôi muốn khao sát sự ảnh hưởng của nguyên tử số hiệu dụng của vật liệu vào việc dự đoán mật độ vật liệu.

Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng và mô hình mô phỏng trong khóa luận này sẽ là tien dé dé chúng tôi tiễn hành khảo sát trên. Nội dung khóa luận được chia thành ba chương: Chương | trình bày những tương tác của bức xạ gamma với vật chất, cơ sở lý thuyết và một số phương pháp dé xác định nguyên tử số hiệu dụng. Chương 2 giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP6. Chương 3 trình bay mô hình mô phỏng của mô hình gamma truyền qua, đồng thời, trình bày và so sánh các kết quả thu được từ các phương pháp.

TONG QUAN VE NGUYÊN TU SO HIỆU DỤNG 1. Tương tác bức xạ gamma với vật chất Bức xạ gamma được tạo ra từ quá trình phân rã của các đồng vị phóng xạ và từ sự tương tác giữa các hạt cơ bản. Bản chất của bức xạ gamma là sóng điện từ mang năng lượng cao. Khi đi qua vật chất, bức xạ gamma không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp như các hạt mang điện mà thường xảy ra ba hiệu ứng: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tao cặp.

Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện xáy ra khi bức xạ gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử và truyền toàn bộ nang lượng cho electron đó khiến electron thoát ra khỏi nguyên tử. Electron đó được gọi là quang electron. Quang electron được cung cấp động năng cực đại E. bằng hiệu của năng lượng bức xạ gamma tới E với năng lượng liên kết của electron với hạt nhân Ex [6]: (1.

Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng bức xa gamma tới phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron với hạt nhân, trong đó, năng lượng liên kết của electron giảm dan theo các lớp K, L, M,. Ngoài ra, hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với các electron tự đo vì vi phạm định luật báo toản năng lượng va động lượng. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng Compton là hiện tượng khi bức xạ gamma va chạm với electron lớp ngoài của nguyên tử, truyền một phần năng lượng khiến electron bật ra khỏi nguyên tử còn bức xạ gamma bị giảm năng lượng và thay đôi phương bay. Hiện tượng chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ gamma tới mang giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử.

Khi đó có thé bỏ qua năng lượng liên kết của electron và tán xạ của bức xạ gamma lên electron có thé coi như là tán xạ với electron tự đo. Hiệu ứng Compton và sơ dé tán xa của bức xa gamma lên electron tự do Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, thu được công thức năng lượng gamma sau tan xạ và năng lượng electron sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay của gamma sau tấn xạ: e Nang lượng gamma sau tan xạ [6]: E=———— E (12) Tả BĐSO) l+ I—cos8 e Nang lượng electron sau tan xạ [6]: E.3) trong đó: e E là năng lượng gamma trước tán xạ. e F' là năng lượng gamma sau tan xạ. e E: là năng lượng electron sau tin xa.

e 0 là góc bay của gamma sau tan xạ.