CHƯƠNG 1 TONG QUAN 1. Sơ lược về tinh hình nghiên cứu phương pháp gamma tán xa ngược 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1983, Paramesh và cộng sự [6] đã xác định sự phụ thuộc của bẻ dày bão hòa vào bậc số nguyên tử Z sử dụng nguồn Os, Kết quả mà họ đã thu được cho thay rang, độ dày bão hòa của Al, Fe, Cu, Pb lần lượt là 8,3, 2,65, 2. Năm 2011, nhóm nghiên cứu Priyada và cộng sự [7] đã so sánh độ chính xác giữa phương pháp gamma tắn xạ ngược.
chụp anh gamma và chụp ảnh tia X trong việc xác định độ ăn mòn của thép mém. Kết quả mô phỏng Monte Carlo được nhóm tác giả sử dụng chương trình MCNP4C thực hiện. sau đó so sánh với các dữ liệu thực nghiệm và cho thay sự phù hợp khá tốt. Nhóm tác giả cũng chi ra rằng độ chính xác của các kỹ thuật này là tương đương nhau, đặc biệt kỹ thuật gamma tin xạ được sử dụng phô biến vì có nhiều ưu điểm như: có thể đo trong các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất cao), chỉ cần tiếp cận đối tượng từ một phía thậm chí là không cần dừng hoạt động các thiết bị.
Singh và cộng sự [8] đã tiến hành thực nghiệm các phép do gamma tán xạ ngược trên các bia vật liệu AI, Fe, Zn, Sn, Pb đề nghiên cứu sự phụ thuộc của bê day bão hòa vào bậc số nguyên tử Z ứng với năng lượng 662keV và đầu dò HPGe. Theo đó, nhóm đã đánh giá sự phụ thuộc của bé day bão hòa vào bậc số nguyên tử Z của vật liệu làm bia, cụ thé là bé day bão hòa tăng cùng với sự tăng của số hiệu nguyên tử. Các kết quá nghiên cứu được sử dụng đề làm cơ sở cho các phép đo thực nghiệm. Tình hình nghiên cứu trong nước Hoàng Đức Tâm và các cộng sự [1] đã mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP§ dé tìm bề dày bão hòa của vật liệu thép chịu nhiệt đối với chùm tia nm gamma tới có năng lượng 662keV của nguồn '“’Cs, kết quả cho thay bề day bão hòa đối với góc tán xạ 135” là 17mm.
Hoàng Đức Tâm và các cộng sự [5] đã tiến hành thực nghiệm và mô phỏng bằng chương trình MCNPS cho các phép đo gamma tan xạ ngược trên vật liệu thép C45, sử dụng nguồn ' “Cs và đầu đò Nal(TD). Trong công trình này, các tác giả đã đưa ra biêu thức giải tích đẻ tính toán bẻ dày vật liệu và kỹ thuật xử lý pho cải tiền dé phân tích phô tán xạ từ dit liệu mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thay sự phù hợp khá tốt giữa thực nghiệm và mô phỏng, độ sai biệt giữa độ dày thực tế và độ day tính toán được la đưới 4%. Nhằm thực hiện dé tài nghiên cứu với tên dé tài: "Đánh giá kỹ thuật xử lý pho cải tiến áp dụng cho việc xác định be day nhiều loại vật liệu Z khác nhau bằng phương pháp Monte Carlo”, trong luận văn nảy tác giả đã thiết lập một mô hình mô phỏng đề xác định cường độ chùm photon tại góc tán xạ 120” trên các bia vật liệu C, AI, Fe, Cu, Zn, Sn, Ag, Au, Pb dang tắm phăng.
Bên cạnh đó, tác giả áp dụng kỹ thuật xử lý phô cải tiến trong nghiên cứu [5] dé phân tích phô tán xạ. Dựa trên kết qua mô phóng dé tìm bề day bão hòa của vật liệu, từ đó xác định bé day của các loại vật liệu khác nhau. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP 1. Phương pháp Monte Carlo Mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo là phương pháp mô phỏng trên máy tính dựa vào sự phát sinh các số ngẫu nhiên.
Do đó, phương pháp Monte Carlo cung cấp những lời giải gần đúng cho các bài toán bằng cách thực hiện các thí nghiệm lay mẫu thống kê sử dụng số ngẫu nhiên [9]. Dé giải bài toán Monte Carlo ta phải: ~ Tạo các sô ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0,1]. — Lấy mau các đại lượng ngẫu nhiên từ các phân bỗ cho trước của chúng dựa trên các sô ngẫu nhiên phân bo đều trên đoạn [0,1]. — Tính các đặc trưng trung bình được quan tâm dựa trên các giá trị của các đại lượng ngẫu nhiên được lựa chọn và xử lý thông kê.
Phương pháp Monte Carlo sử dụng các số ngẫu nhiên nên phương pháp này có thành công hay không còn tùy thuộc vào tập hợp các số ngẫu nhiên có đáng tin cậy hay không. Da phần các số ngẫu nhiên được phát sinh từ các ngôn ngữ lập trình trên máy tính có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1, gọi là các giả ngẫu nhiên và chúng có tính tuần hoàn lặp lại sau một chu kỳ nhất định tương ứng với mỗi thuật toán. Tuy nhiên, rất khó có khả năng để những mỗi liên hệ tinh vi giữa các giá trị giả ngau nhiên có ảnh hưởng đáng kẻ lên kết quả bài toán. Cho nên trong phạm vi giới han của chu kỳ tuần hoàn, ta có thé ứng dụng các số giả ngẫu nhiên cho bài toán Monte Carlo.
Phương pháp Monte Carlo có hai đặc điểm chính: đặc điểm thứ nhất của phương pháp là thuật toán đơn giản. Khi mô phỏng, ta chỉ cần xây dựng thuật toán 31 (thuật toán tạo số ngẫu nhiên phân bố đều trên đoạn [0,1]) cho sự kiện va sau đó lặp cho tất cá các sự kiện còn lại. Vì vậy phương pháp Monte Carlo còn được gọi là phương pháp thử thông kê. Đặc điểm thứ hai của phương pháp là sai số của kết quả nhận được tỉ lệ với đại lượng ÍN gọi là độ lệch chuẩn.
trong đó D là phương sai còn N là số sự kiện dùng để mô phỏng. Theo công thức này ta thấy nêu lấy mẫu thông kê càng lớn thì kết quả tính toán Monte Carlo càng chính xác. Chương trình MCNP MCNP (Monte Carlo N-Partuicles) là một chương trình máy tính ứng dụng phương pháp Monte Carlo dé mô phóng quá trình vận chuyên của các hat neutron, photon và electron riêng biệt. hoặc kết hợp sự vận chuyển của neutron/photon (trong đó các photon được tạo ra bởi tương tác của neutron với vật liệu), neutron/photon/ electron, photon/electron, electron/photon trong những môi trường vật liệu khác nhau.
Chương trình MCNP được phát triển bởi Trung tâm thí nghiệm quốc gia Los Alamos = My (Los Alamos National Laboratory = USA). Ké tir khi các phiên ban đầu tiên của MCNP được đưa vào ứng dung trong thập niên 1980, các nhà lập trình MCNP đã không ngừng nâng cấp và cho ra đời những phiên bản mới hơn trong một thời gian ngắn cùng với sự hoàn thiện hơn về các quá trình vật lý của các hạt, các thư viện ứng dụng và những tính năng tiện ích của chúng. Chương trình MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân và nguyên tử năng lượng liên tục. Các nguồn số liệu hạt nhân chủ yếu là các đánh giá từ các số liệu hạt nhân ENDE, thư viện các số liệu hạt nhân ENDL, các thư viện kích hoạt AC TL từ Livemore và các đánh giá từ nhóm khoa học hạt nhân ứng dụng ở Los Alamos [9].
Các bảng tương tác gamma được xây dựng đối với tat cả các nguyên tổ từ Z = 1 đến Z = 94. Các số liệu trong các bảng tương tác photon cho phép MCNP tính toán tán xạ kết hợp, không kết hợp, hấp thụ quang điện với khả năng phát huỳnh quang và tạo cặp. Trong luận văn này, phiên bản MCNPS được sử dụng đẻ mô phỏng bài toán vận chuyên của photon trong mô hình hệ đo tan xạ ngược nhằm thu được các phé tan xa. Mô hình tương tác của photon với vật chat trong MCNP Chương trình MCNP giải bài toán va chạm của các photon (xem như là hạt) với vật chất qua hai mô hình: đơn giản và chi tiết, dựa trên lý thuyết của ba loại tương tác là tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp [2].
Sau đây, cơ sở lý thuyết của sự mô phỏng ba loại tương tác theo mô hình chỉ tiết sẽ được trình bày: 1. Tấn xạ Compton Tán xạ Compton lả quả trình tương tác của photon với electron liên kết yếu của nguyên tử, trong đó photon truyền một phan năng lượng cho electron và bị lệch đi so với hướng ban đầu (hình 1. Do năng lượng của photon lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử nên electron được xem là electron tự đo. Từ định luật bảo toàn năng lượng va xung lượng ta có mỗi liên hệ giữa năng lượng sau tan xạ E, góc tan xạ 6 và năng lượng ban dau Ea, như sau: Eq 1+—*, (1-cos@) m.c* Năng lượng truyền cho electron: E.
hv, ; với Ky= mc’ E,= hy, và góc tán xạ của electron được tinh theo công thức: tang = cot! (1.3) ltkẹ 2 , * Đối với góc tán xạ rất nhỏ (0=0"), năng lượng electron Egnin = 0, khi đó photon tán xạ có năng lượng gần bằng với năng lượng của photon tới. * Dối với góc tán xạ lớn (8 =180”), electron giật lùi có năng lượng cực đại và bằng: E. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác giữa photon và các electron liên kết trong nguyên tử (hình 1. Trong quá trình tương tác này, photon truyền toàn bộ năng lượng của minh cho electron liên kết của nguyên tử, năng lượng này đủ đẻ birt các electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử, các electron này được gọi là electron quang điện (photoelectron).
Một phần nhỏ năng lượng này giúp electron thắng năng lượng liên kết giữa electron với nguyên tử dé đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng photon tới lớn hơn năng lượng liên kết của clectron trong nguyên tử. Trong hiệu ứng quang điện. năng lượng giật lùi của nguyên tử xem như không đáng kê, do đó động năng của clectron được xác định: E.5) với E, là năng lượng liên kết của electron thứ i (i = K, L, M,.
bức xạ đặc trưng Hình 1. Minh họa hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là một kênh trội của tương tác giữa photon với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp. Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của photon tới và điện tích Z của hạt nhân nguyên tử. Đối với những vật liệu nặng (Z lớn) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện lớn ngay cả với những photon có năng lượng cao.
đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chi có ý nghĩa với những photon năng lượng thấp. Biểu thức thé hiện tiết điện quang điện ty lệ theo hệ thức sau: G9 z* (1.