Luận văn nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma đối với một số loại vật liệu bằng phương pháp monte carlo

Nghiên cứu đặc trưng suy giảm tia gamma trong vật liệu bằng phương pháp Monte Carlo, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và hiệu quả.

• Tác giả: Lâm Duy Nhất
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Đức Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lí Nguyên Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Đặc Trưng Suy Giảm Tia Gamma Qua Phương Pháp Monte Carlo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Suy Giảm Tia Gamma Ứng Dụng Tầm Quan Trọng

Nghiên cứu về suy giảm tia gamma có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ nông nghiệp đến y tế và công nghiệp. Ứng dụng của tia gamma bao gồm tạo giống, kiểm tra không phá hủy (NDT), xạ trị, và nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với bức xạ gamma cũng đặt ra những thách thức về an toàn bức xạ. Do đó, việc nghiên cứu các đặc trưng suy giảm của tia gamma qua các vật liệu khác nhau là vô cùng cần thiết để phát triển các biện pháp che chắn hiệu quả. Các đặc trưng suy giảm như hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng, quãng đường tự do trung bình, bề dày một nửa, và bề dày một phần mười đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng che chắn của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng và phân tích các đặc trưng này.

1.1. Ứng Dụng Đa Dạng Của Bức Xạ Gamma Trong Thực Tiễn

Bức xạ gamma được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong nông nghiệp, nó được sử dụng để tạo giống mới, cải tạo thổ nhưỡng, bảo vệ thực vật, và bảo quản nông sản. Trong công nghiệp, tia gamma được dùng trong kiểm tra không phá hủy (NDT), hệ điều khiển hạt nhân, chiếu xạ công nghiệp, và kỹ thuật đánh dấu. Trong y tế, bức xạ gamma được sử dụng trong xạ trị và chẩn đoán y học hạt nhân. Kiến thức về đặc trưng suy giảm tia gamma là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các ứng dụng này.

1.2. Thách Thức An Toàn Bức Xạ Và Nhu Cầu Che Chắn Hiệu Quả

Việc sử dụng bức xạ gamma đặt ra những thách thức về an toàn bức xạ. Tiếp xúc thường xuyên với bức xạ có thể gây ra những nguy cơ đối với sức khỏe. Do đó, việc phát triển các biện pháp che chắn hiệu quả là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu về tính chất che chắn của các loại vật liệu thông qua các đặc trưng suy giảm gamma giúp bảo vệ con người khỏi tác động của bức xạ. Che chắn là một trong những phương pháp hiệu quả để bảo vệ trước ảnh hưởng của bức xạ.

II. Phương Pháp Monte Carlo Giải Pháp Nghiên Cứu Suy Giảm Gamma

Phương pháp Monte Carlo là một kỹ thuật mô phỏng mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật lý hạt nhân để nghiên cứu tương tác của bức xạ với vật chất. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng các số ngẫu nhiên để mô phỏng các quá trình vật lý, cho phép các nhà nghiên cứu ước tính các đại lượng quan trọng như hệ số suy giảm, quãng đường tự do trung bình, và các đặc trưng suy giảm khác. Chương trình MCNP5 là một công cụ phổ biến để thực hiện các mô phỏng Monte Carlo trong lĩnh vực này. MCNP5 cung cấp một môi trường linh hoạt để mô hình hóa hình học, vật liệu, và nguồn bức xạ, cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo các thí nghiệm thực tế và thu thập dữ liệu một cách hiệu quả.

2.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Monte Carlo Trong Nghiên Cứu Bức Xạ

Phương pháp Monte Carlo có nhiều ưu điểm so với các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm truyền thống. Nó cho phép mô phỏng các hệ thống phức tạp với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian so với các thí nghiệm thực tế. Phương pháp này cũng cho phép nghiên cứu các trường hợp mà các phương pháp khác gặp khó khăn, chẳng hạn như các vật liệu không đồng nhất hoặc các cấu hình hình học phức tạp. Mô phỏng Monte Carlo giúp các nhà nghiên cứu khắc phục được vấn đề về cách bố trí cấu hình đo và sự không đồng nhất của vật liệu.

2.2. Giới Thiệu Chương Trình MCNP5 Và Khả Năng Mô Phỏng

Chương trình MCNP5 là một công cụ mạnh mẽ để thực hiện các mô phỏng Monte Carlo trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Nó cung cấp một môi trường linh hoạt để mô hình hóa hình học, vật liệu, và nguồn bức xạ. MCNP5 cho phép các nhà nghiên cứu định nghĩa các thông số vật liệu, nguồn bức xạ, và các thông số mô phỏng khác một cách chi tiết. Chương trình này cũng cung cấp các công cụ để phân tích kết quả mô phỏng và trích xuất các đại lượng quan trọng như hệ số suy giảm khối và quãng đường tự do trung bình.

2.3. Mô Hình Hóa Hình Học Vật Liệu Và Nguồn Bức Xạ Trong MCNP5

Để thực hiện mô phỏng Monte Carlo bằng MCNP5, cần phải mô hình hóa hình học của hệ thống, vật liệu, và nguồn bức xạ. Việc định nghĩa hình học trong MCNP5 được thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh và cú pháp cụ thể. Vật liệu được định nghĩa bằng cách chỉ định thành phần nguyên tố và mật độ. Nguồn bức xạ được định nghĩa bằng cách chỉ định loại hạt, năng lượng, và phân bố không gian. Việc mô hình hóa chính xác các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng.

III. Nghiên Cứu Hệ Số Suy Giảm Khối Phương Pháp Gamma Truyền Qua

Phương pháp gamma truyền qua là một kỹ thuật thực nghiệm phổ biến để xác định hệ số suy giảm khối của vật liệu. Trong phương pháp này, một chùm tia gamma hẹp được chiếu qua một mẫu vật liệu, và cường độ của tia gamma sau khi truyền qua mẫu được đo bằng một đầu dò. Hệ số suy giảm khối được tính toán dựa trên sự suy giảm của cường độ tia gamma khi truyền qua vật liệu. Phương pháp gamma truyền qua có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, và cho kết quả chính xác. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế, chẳng hạn như yêu cầu mẫu vật liệu phải có kích thước phù hợp và nguồn bức xạ phải có cường độ đủ lớn.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Phương Pháp Gamma Truyền Qua

Phương pháp gamma truyền qua dựa trên nguyên tắc rằng khi tia gamma truyền qua vật liệu, một phần của tia gamma sẽ bị hấp thụ hoặc tán xạ, dẫn đến sự suy giảm cường độ của tia gamma. Mức độ suy giảm phụ thuộc vào hệ số suy giảm khối của vật liệu, năng lượng của tia gamma, và bề dày của vật liệu. Bằng cách đo cường độ của tia gamma trước và sau khi truyền qua vật liệu, có thể tính toán được hệ số suy giảm khối.

3.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Phương Pháp Gamma Truyền Qua

Phương pháp gamma truyền qua có nhiều ưu điểm, bao gồm tính đơn giản, dễ thực hiện, và cho kết quả chính xác. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế. Phương pháp này yêu cầu mẫu vật liệu phải có kích thước phù hợp để đảm bảo tia gamma truyền qua được. Nguồn bức xạ phải có cường độ đủ lớn để đảm bảo có thể đo được cường độ của tia gamma sau khi truyền qua vật liệu. Ngoài ra, phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.

3.3. Ứng Dụng Phương Pháp Gamma Truyền Qua Trong Nghiên Cứu Vật Liệu

Phương pháp gamma truyền qua được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu để xác định hệ số suy giảm khối của các loại vật liệu khác nhau. Kết quả này có thể được sử dụng để đánh giá khả năng che chắn bức xạ của vật liệu, cũng như để nghiên cứu cấu trúc và thành phần của vật liệu. Phương pháp này cũng được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy (NDT) để phát hiện các khuyết tật bên trong vật liệu.

IV. Kết Hợp Gamma Tán Xạ Thay Đổi Năng Lượng Bức Xạ Tới

Một phương pháp tiếp cận tiên tiến là kết hợp phương pháp gamma tán xạ để thay đổi năng lượng bức xạ tới trong phương pháp gamma truyền qua. Bằng cách sử dụng một vật liệu tán xạ để làm thay đổi năng lượng của tia gamma trước khi nó truyền qua mẫu vật liệu cần nghiên cứu, có thể khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào năng lượng. Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu về đặc trưng suy giảm ở nhiều mức năng lượng khác nhau mà không cần sử dụng nhiều nguồn bức xạ khác nhau. Điều này giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quá trình thí nghiệm.

4.1. Nguyên Lý Của Phương Pháp Gamma Tán Xạ Và Thay Đổi Năng Lượng

Phương pháp gamma tán xạ dựa trên hiện tượng tán xạ Compton, trong đó một photon gamma tương tác với một electron và mất một phần năng lượng. Năng lượng của photon gamma sau khi tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ. Bằng cách chọn góc tán xạ phù hợp, có thể tạo ra các chùm photon gamma có năng lượng khác nhau từ một nguồn gamma duy nhất. Các chùm photon này sau đó có thể được sử dụng trong phương pháp gamma truyền qua để khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào năng lượng.

4.2. Ưu Điểm Của Việc Kết Hợp Gamma Tán Xạ Và Gamma Truyền Qua

Việc kết hợp phương pháp gamma tán xạ và gamma truyền qua có nhiều ưu điểm. Nó cho phép khảo sát sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào năng lượng mà không cần sử dụng nhiều nguồn bức xạ khác nhau. Điều này giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quá trình thí nghiệm. Phương pháp này cũng cho phép tạo ra các chùm photon gamma có năng lượng hẹp, giúp cải thiện độ chính xác của phép đo.

4.3. Ứng Dụng Trong Nghiên Cứu Sự Phụ Thuộc Năng Lượng Của Suy Giảm

Phương pháp kết hợp gamma tán xạ và gamma truyền qua có thể được sử dụng để nghiên cứu sự phụ thuộc năng lượng của hệ số suy giảm cho các loại vật liệu khác nhau. Kết quả này có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình lý thuyết về tương tác của bức xạ gamma với vật chất, cũng như để thiết kế các vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả hơn. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc nghiên cứu các vật liệu có nguyên tử số hiệu dụng cao, vì sự phụ thuộc năng lượng của hệ số suy giảm trở nên phức tạp hơn ở các vật liệu này.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Vật Liệu Che Chắn Bức Xạ Gamma Hiệu Quả

Nghiên cứu về suy giảm tia gamma có ứng dụng trực tiếp trong việc phát triển các vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả. Các vật liệu che chắn được sử dụng để bảo vệ con người và thiết bị khỏi tác động của bức xạ gamma trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến công nghiệp hạt nhân. Việc lựa chọn vật liệu che chắn phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm năng lượng của bức xạ gamma, yêu cầu về trọng lượng và kích thước, và chi phí. Các vật liệu phổ biến được sử dụng làm vật liệu che chắn bao gồm chì, bê tông, thép, và các vật liệu composite.

5.1. Tiêu Chí Lựa Chọn Vật Liệu Che Chắn Bức Xạ Gamma

Việc lựa chọn vật liệu che chắn bức xạ gamma phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Hệ số suy giảm khối là một trong những yếu tố quan trọng nhất, vì nó quyết định khả năng suy giảm tia gamma của vật liệu. Các yếu tố khác bao gồm năng lượng của bức xạ gamma, yêu cầu về trọng lượng và kích thước, chi phí, và tính chất cơ học của vật liệu. Vật liệu che chắn lý tưởng nên có hệ số suy giảm khối cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, và tính chất cơ học tốt.

5.2. Các Loại Vật Liệu Che Chắn Bức Xạ Gamma Phổ Biến

Có nhiều loại vật liệu được sử dụng làm vật liệu che chắn bức xạ gamma. Chì là một trong những vật liệu che chắn hiệu quả nhất, nhờ vào nguyên tử số hiệu dụng cao và hệ số suy giảm khối lớn. Tuy nhiên, chì có độc tính và trọng lượng lớn, nên nó không phù hợp cho tất cả các ứng dụng. Bê tông là một vật liệu che chắn phổ biến khác, nhờ vào chi phí thấp và khả năng che chắn tốt đối với bức xạ gamma năng lượng thấp. Thép và các vật liệu composite cũng được sử dụng làm vật liệu che chắn trong một số ứng dụng.

5.3. Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Che Chắn Mới Thủy Tinh Pha Chì

Các nhà nghiên cứu đang tích cực tìm kiếm các vật liệu che chắn mới để thay thế các vật liệu truyền thống như chì. Thủy tinh pha chì là một trong những vật liệu tiềm năng, nhờ vào khả năng che chắn tốt và tính chất quang học tốt. Việc pha trộn chì vào thủy tinh giúp tăng hệ số suy giảm khối của vật liệu, đồng thời vẫn giữ được tính trong suốt của thủy tinh. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng về độc tính của chì trong thủy tinh để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Suy Giảm Tia Gamma

Nghiên cứu về suy giảm tia gamma là một lĩnh vực quan trọng với nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc sử dụng phương pháp Monte Carlo và các kỹ thuật thực nghiệm như gamma truyền qua và gamma tán xạ giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tương tác của bức xạ gamma với vật chất. Các kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả hơn, cũng như để cải thiện các ứng dụng của bức xạ gamma trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu che chắn mới, cũng như phát triển các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm tiên tiến hơn.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Suy Giảm Gamma

Nghiên cứu về suy giảm tia gamma đã đạt được nhiều tiến bộ trong những năm gần đây. Các nhà nghiên cứu đã xác định được hệ số suy giảm của nhiều loại vật liệu khác nhau, cũng như hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm của tia gamma. Các kết quả nghiên cứu này đã được sử dụng để phát triển các vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả hơn, cũng như để cải thiện các ứng dụng của bức xạ gamma trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Vật Liệu Che Chắn Bức Xạ

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu che chắn mới để thay thế các vật liệu truyền thống như chì. Các vật liệu tiềm năng bao gồm các vật liệu composite, các vật liệu nano, và các vật liệu sinh học. Cần cũng cần phát triển các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm tiên tiến hơn để nghiên cứu sự suy giảm của tia gamma trong các vật liệu phức tạp.

6.3. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Suy Giảm Gamma Trong An Toàn Bức Xạ

Nghiên cứu về suy giảm tia gamma đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn bức xạ. Bằng cách hiểu rõ hơn về tương tác của bức xạ gamma với vật chất, có thể phát triển các biện pháp che chắn hiệu quả hơn để bảo vệ con người và thiết bị khỏi tác động của bức xạ. Nghiên cứu này cũng giúp cải thiện các ứng dụng của bức xạ gamma trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho sức khỏe và môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng bức xạ gamma như nông nghiệp (tạo giống, thổ nhưỡng, bảo vệ thực vật, bảo quản và chế biến nông phẩm…), công nghiệp (kiểm tra không phá hủy - NDT, hệ điều khiển hạt nhân, chiếu xạ công nghiệp, kỹ thuật đánh dấu…), y tế (xạ trị bằng phóng xạ, chuẩn đoán y học hạt nhân…), sinh lý bức xạ, khoa học công nghệ… Vì vậy, kiến thức về các đặc trưng suy giảm tia gamma của các nguyên tố, các chất, hợp chất có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật ứng dụng hạt nhân. Việc phát triển ứng dụng bức xạ kéo theo sự tiếp xúc thường xuyên của con người với bức xạ gây nên những nguy cơ đối với sức khỏe. Điều này đặt ra cho con người bài toán về an toàn bức xạ. Che chắn là một trong những phương pháp hiệu quả để bảo vệ trước ảnh hưởng của bức xạ.

Vì vậy, việc tìm hiểu tính chất che chắn của các loại vật liệu thông qua các đặc trưng suy giảm gamma như hệ số suy giảm khối   m  , nguyên tử số     hiệu dụng Zeff , mật độ electron hiệu dụng Neff , quãng đường tự do trung bình (MFP), bề dày một nửa (HVT) và bề dày một phần mười (TVT) có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ con người đối với tác dụng của bức xạ. Đến nay, đã có một lượng lớn các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc xác định hệ số suy giảm của các chất, hợp chất, hỗn hợp khác nhau. Trong số đó, nổi bật lên các công trình khảo sát các đặc trưng suy giảm tia gamma của các vật liệu che chắn bức xạ dùng trong lĩnh vực xây dựng. Năm 2009, Kurudirek và cộng sự [8] đã xác định hệ số suy giảm tuyến tính    của một số vật liệu xây dựng được dùng pha trộn với xi măng Portland, từ đó các tác giả đã xác định quãng đường tự do trung bình MFP, bề dày một nửa, bề dày một phần mười và quan trọng nhất là hệ số suy giảm khối (đặc trưng cho khả năng che chắn của vật liệu) của chúng.

Đến năm 2013, Singh và cộng sự [9] đã xác định hệ số suy giảm khối, nguyên tử số hiệu dụng, mật độ electron hiệu dụng của thép cacbon và thép không gỉ bằng chương trình WinXcom, kết quả thu được rất phù hợp với thực nghiệm đã được xác định trước đó. Năm 2015, Elmahroung và cộng sự [10] cũng sử dụng chương trình WinXcom để khảo sát tương tác gamma với 8 loại vật liệu 2 che chắn khác nhau, kết quả cho thấy các đặc trưng suy giảm thay đổi theo năng lượng photon tới do sự đóng góp khác nhau của các loại tương tác bao gồm tạo cặp, quang điện và tán xạ. Đến thời điểm này, phương pháp lý thuyết sử dụng dữ liệu hạt nhân thực nghiệm sẵn có để nội suy cho các trường hợp còn lại trong vùng năng lượng khảo sát đã được sử dụng khá phổ biến. Phương pháp lý thuyết sử dụng chương trình WinXCom (phiên bản Windows của chương trình XCOM) trở thành một công cụ đắc lực bổ sung cho các nhà nghiên cứu các kết quả lý thuyết để so sánh với thực nghiệm.

Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn đặt ra nhiều nghi vấn về độ tin cậy của kết quả thu được và cần thêm nhiều kết quả thực nghiệm hoặc các phương pháp khác đáng tin cậy hơn để kiểm chứng và hoàn thiện. Năm 2016, Yildirim và cộng sự [11] đã tiến hành khảo sát tính chất che chắn của một số hợp kim nhôm sử dụng kỹ thuật gamma truyền qua với nguồn phóng xạ có hoạt độ khá cao là 137Cs và 60Co, kết quả được so sánh với lý thuyết thông qua chương trình XCOM với sai lệch dưới 5%. Trước đó, một loạt các công trình thực nghiệm tương tự xác định hệ số suy giảm và các đặc trưng suy giảm của bê tông-loại vật liệu che chắn phổ biến nhất - do Akkurt và Khayatt [12] thực hiện năm 2013, của xi măng Portland do Kurudirek và cộng sự [13] khảo sát năm 2010, của một số vật liệu xây dựng ở Ai Cập do Medhat [14] khảo sát năm 2012, của thủy tinh-loại vật liệu có ưu thế về khả năng truyền quang trong xây dựng công cộng- do El-Sersy và cộng sự [15] khảo sát năm 2014… Việc khảo sát sử dụng các nguồn phóng xạ hoạt độ cao kéo theo nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe cho các nhà khoa học khi tiếp xúc với nguồn phóng xạ. Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm này đều sử dụng đầu dò bán dẫn HPGe có độ phân giải cao nên cho kết quả rất khả quan (sai lệch so với dữ liệu của trang NIST đều dưới 5%).

Tuy nhiên, khi sử dụng, đầu dò HPGe cần được làm lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng, điều này dẫn đến hao phí và sự kém linh động của đầu dò HPGe trong việc đo đạc các vật liệu ở hiện trường. Trước đây, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng đầu dò NaI(Tl) hoạt động ở nhiệt độ phòng nên linh động hơn, tuy nhiên độ phân giải của loại đầu dò này kém nên kết quả xử lý dễ sai số. Điều này đã được khắc phục nhờ phương pháp xử lý phổ cải tiến trong công trình [1] và các 3 công trình nghiên cứu hoàn thiện liên quan [25, 26], giúp mở ra hướng nghiên cứu có hiệu quả về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Việc đo thực nghiệm hiển nhiên cho các kết quả đáng tin cậy trong khoa học, tuy nhiên vẫn có thể xuất hiện sai số do sai lệch về cách bố trí thí nghiệm, sai số trong xử lý kết quả.

Đặc biệt, các thí nghiệm hạt nhân rất tốn kém nên việc khảo sát nhiều lần với nhiều trường hợp để giảm sai số sẽ rất khó khăn, kém linh động. Gần đây, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hạt nhân đã tích cực sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để xác định các đặc trưng suy giảm đối với bức xạ gamma của các loại vật liệu có nguyên tử số hiệu dụng khác nhau, đặc biệt là các vật liệu che chắn vì thường được nghiên cứu tương tác với bức xạ gamma năng lượng cao. Năm 2013, Gurler và Tarim [16] đã sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo khảo sát các đặc trưng suy giảm bức xạ gamma đối với các loại xi măng và bê tông đã có trong các nghiên cứu thực nghiệm khác để phát triển phương pháp Monte Carlo, kết quả thu được rất phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Trước đó, vào năm 2009, Moravek và cộng sự [17] cũng đã xem xét tương tác của gamma trong nước bằng phương pháp Monte Carlo sử dụng chương trình Geant4.

Năm 2010, Stankovic và cộng sự [18] sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng xác định hệ số suy giảm của bê tông thường và bê tông pha bari oxit dùng để che chắn bức xạ. Đến năm 2014, Elkhayatt và cộng sự [19] sử dụng chương trình MCNP 4B để mô phỏng xác định hệ số suy giảm của các vật liệu có số Z thấp ứng dụng trong y tế. Các nghiên cứu của A.Waly và cộng sự [20] năm 2016 sử dụng chương trình MicroShield cho thủy tinh pha chì, của Tarim [21] năm 2013, của Medhat và cộng sự [22] năm 2014 cho các mẫu đất. Mới đây nhất, năm 2017, các công trình sử dụng phương pháp mô phỏng như của Tarim và cộng sự [23] khảo sát các đặc trưng suy giảm gamma của thủy tinh bismuth borat, của Ozyurt và cộng sự [24] dùng chương trình GATE mô phỏng cho các mẫu đá granite.

Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình sử dụng phương pháp mô phỏng dùng các chương trình tương thích khác nhau để nghiên cứu các đặc trưng suy giảm bức xạ gamma của các loại vật liệu che chắn khác nhau hoặc kết hợp cả hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để so sánh độ tin cậy của kết quả thu được [27, 4 28, 29, 30, 31]…. Các kết quả mô phỏng thu được rất phù hợp với lý thuyết lấy từ XCOM với sai lệch dưới 1% và sai lệch so với thực nghiệm dưới 16% [24]. Sự sai lệch so với với thực nghiệm được các nhà nghiên cứu chỉ ra là do cách bố trí cấu hình đo và sự không đồng nhất của vật liệu. Như vậy, phương pháp mô phỏng giúp cho các nhà nghiên cứu khắc phục được vấn đề này.

Hiện nay, ở nước ta phương pháp mô phỏng Monte Carlo sử dụng chương trình MCNP5 đã được một số nhóm áp dụng chủ yếu trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy mẫu - gọi tắt là NDT [1, 2, 3, 4, 6]. Việc áp dụng mô phỏng Monte Carlo để xác định các đặc trưng suy giảm của các vật liệu che chắn ở nước ta vẫn còn là hướng nghiên cứu mới mẻ. Trong một đề tài nghiên cứu, với phương pháp xử lý phổ cải tiến, tác giả Hoàng Đức Tâm đã xác định bề dày thép C45 bằng phương pháp gamma tán xạ ngược sử dụng đầu dò NaI(Tl), kết quả sai lệch giữa mô phỏng bằng MCNP5 và lý thuyết thu được dưới 3% [1]. Các công trình nghiên cứu tương tự nhưng các tác giả xác định bề dày của vật liệu khác là đồng, thép, nhôm [2]; của thành bình thủy tinh [6] hay dùng chương trình mô phỏng khác là Geant4 để xác định bề dày của vật liệu nhôm [3].

Riêng đề tài của tác giả Hồ Thị Tuyết Ngân đã xác định số nguyên tử hiệu dụng và mật độ electron hiệu dụng của một số nhựa, polymer phổ biến trên thị trường bằng phương pháp gamma truyền qua, kết quả thu được có độ sai lệch so với lý thuyết của NIST dưới 2%. Trong đề tài này, để kiểm tra tính chính xác của phương pháp mô phỏng, tác giả đã dùng MCNP5 để tính lại các hệ số suy giảm của nhựa PMMA và Kapton rồi so sánh với kết quả thực nghiệm đã có trước đó, kết quả thu được có độ sai lệch dưới 5% [4]. Trong các phương pháp kiểm tra không phá hủy mẫu, ngoài các phương pháp như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, thẩm thấu lỏng…, hiện nay các nhà nghiên cứu đang rất quan tâm đến phương pháp gamma truyền qua và phương pháp gamma tán xạ. Mỗi phương pháp có một thế mạnh riêng được ứng dụng cho từng trường hợp cụ thể.

Phương pháp gamma truyền qua thường được sử dụng nhiều hơn nhờ cấu hình đo đơn giản, dễ thực hiện và lý thuyết để tính các hệ số suy giảm cũng đơn giản [4, 8, 11, 12, 13, 14]. Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước dần quan tâm hơn về 5 phương pháp gamma tán xạ [1, 2, 3, 5, 6, 32, 33].