Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Z_eff Của Một Số Chất Lỏng

Bài viết phân tích và xác định nguyên tử số hiệu dụng zeff của một số chất lỏng, cung cấp kiến thức sâu sắc về tính chất vật lý và hóa học.

• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Đức Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Zeff Của Các Chất Lỏng
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GAMMA TRUYỀN QUA
• 1.1. Vài nét về bức xạ gamma
• 1.2. Tương tác của gamma với vật chất
• 1.3. Sự phụ thuộc xác suất xảy ra các hiệu ứng với nguyên tử số Z
• 1.4. Sự suy giảm cường độ gamma
• 1.5. Đối với chùm tia hẹp
• 1.6. Đối với chùm tia rộng - Hệ số tích lũy B
• 1.7. Mật độ khối ρ của chất lỏng
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG
• 2.1. Phương pháp tính trực tiếp
• 2.2. Phương pháp tính Z eff theo tiết diện nguyên tử
• 2.3. Phương pháp nội suy
• 2.4. Xác định nguyên tử số hiệu dụng bằng công thức XMuDat
• 2.5. Một số công thức khác
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG VÀ MẬT ĐỘ CỦA AXIT BẰNG MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Bố trí thực nghiệm
• 3.2. Phương pháp Monte Carlo và mô phỏng MCNP
• 3.3. Phương pháp Monte Carlo. Chức năng của MCNP6
• 3.4. Mô hình trong mô phỏng MCNP6. Vật liệu mô phỏng
• 3.5. Phương pháp xử lý phổ
• 3.6. Phần mềm Colegram
• 3.7. Phổ thực nghiệm
• 3.8. Phương pháp tính sai số thực nghiệm
• 3.9. Đối với các phép đo thực nghiệm
• 3.10. Phương pháp truyền sai số
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG VÀ MẬT ĐỘ CỦA MỘT SỐ AXIT
• 4.1. Mật độ chất lỏng
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. Dữ liệu đầu vào mô phỏng MCNP6

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Zeff USP TPHCM

Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, giúp kiểm tra hệ thống, vật liệu và sản phẩm một cách nhanh chóng, chính xác. Ưu điểm vượt trội của NDT là không ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của vật liệu sau kiểm tra, có thể thực hiện ngay trên dây chuyền sản xuất. Có nhiều phương pháp NDT khác nhau, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp siêu âm đơn giản, chi phí thấp nhưng chỉ kiểm tra bề mặt. Phương pháp chụp ảnh phóng xạ chính xác cao nhưng rủi ro phóng xạ lớn. Phương pháp gamma truyền qua đang được sử dụng nhiều để xác định các thông số tương tác photon với vật liệu, đánh giá khả năng che chắn, nguyên tử số hiệu dụng, hệ số suy giảm, tiết diện tương tác photon và mật độ electron. Nguyên tử số Z là tham số quan trọng trong vật lý hạt nhân và NDT. Việc xác định Zeff cho vật liệu hỗn hợp là cần thiết, vì một nguyên tử số đơn lẻ không thể đại diện cho hợp chất phức tạp.

1.1. Ứng Dụng Của Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Zeff Trong Thực Tế

Biết được nguyên tử số hiệu dụng rất quan trọng trong việc tính toán tương tác của tia X và tia gamma, ví dụ như trong thiết kế che chắn bức xạ hoặc tính toán liều hấp thụ khi xạ trị. Đối với vật liệu đơn nguyên tử như đồng, chì, nhôm, việc xác định nguyên tử số khá đơn giản. Tuy nhiên, thực tế thường gặp các vật liệu hỗn hợp như nhựa, dung dịch lỏng hoặc vật rắn cấu tạo từ nhiều nguyên tử khác nhau. Trong trường hợp này, cần tìm nguyên tử số hiệu dụng Zeff để thay thế cho nguyên tử số Z của nguyên tố đơn nguyên tử. Zeff không phải là hằng số mà phụ thuộc vào năng lượng photon và các quá trình tương tác như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp.

1.2. Các Phương Pháp Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Zeff Phổ Biến

Có nhiều phương pháp tính Zeff, chia thành hai loại chính: phương pháp trực tiếp từ công thức và phương pháp nội suy. Zeff có thể được suy ra từ nhiều tham số phản ứng khác như tiết diện phản ứng toàn phần, hệ số suy giảm khối lượng, tỉ số R/C (đối với gamma tán xạ), mật độ electron hiệu dụng Neff. Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng tiết diện tổng của vật liệu hỗn hợp để xác định Zeff bằng cách nội suy từ đồ thị biểu diễn tiết diện tổng của các nguyên tố tinh khiết theo nguyên tử số. Phương pháp này được áp dụng để xác định Zeff cho mô sinh học, vật liệu đo liều, phân biệt mô thường và mô ung thư.

II. Thách Thức Trong Xác Định Zeff Chất Lỏng Tại Đại Học Sư Phạm

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về Zeff cho các vật liệu khác nhau, nhưng ít nghiên cứu tập trung vào tính toán Zeff của các dung dịch, đặc biệt là axit vô cơ. Do đó, việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Zeff cho một số loại axit là một thách thức. Sau khi xác định, cần đánh giá kết quả bằng cách so sánh độ chênh lệch giữa các phương pháp so với giá trị chuẩn của NIST. Tương tự như Zeff, hệ số suy giảm khối và mật độ cũng là các tham số quan trọng của vật liệu. Mật độ chính xác của chất lỏng cho phép tính toán tỉ trọng so với nước, ứng dụng trong các lĩnh vực dầu khí và công nghiệp để phân biệt các loại dầu hoặc đánh giá hàm lượng chất hòa tan.

2.1. Vấn Đề An Toàn Khi Thực Nghiệm Với Axit Trong Nghiên Cứu Zeff

Phương pháp cổ điển xác định mật độ chất lỏng là đo khối lượng và thể tích, cho kết quả chính xác cao. Tuy nhiên, với chất lỏng độc hại như axit mạnh hoặc benzene, phương pháp này có thể gây nguy hiểm cho người thực hiện do sơ suất hoặc bay hơi. Nghiên cứu này làm việc trực tiếp với axit và nghiên cứu tính chất bằng phương pháp gamma truyền qua. Do đó, đề xuất phương pháp xác định mật độ chất lỏng bằng kỹ thuật gamma truyền qua, cho phép đo mật độ trong ống đựng kín, giảm thiểu rủi ro.

2.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Zeff Chất Lỏng Tại Trường Sư Phạm TP.HCM

Nghiên cứu này hướng đến các mục tiêu sau: (1) Tính toán nguyên tử số hiệu dụng Zeff cho các loại axit bằng phương pháp tính trực tiếp và nội suy. (2) So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo bằng phần mềm MCNP6. (3) Xây dựng đường chuẩn mật độ đối với axit, sử dụng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Các chương tiếp theo sẽ trình bày tóm tắt nội dung của các chương trong khóa luận, cũng là những nội dung chính của khóa luận.

III. Phương Pháp Tính Zeff Trực Tiếp Nội Suy Cho Chất Lỏng

Khóa luận này tập trung vào hai phương pháp chính để tính toán nguyên tử số hiệu dụng Zeff: phương pháp tính trực tiếp từ công thức và phương pháp nội suy dựa trên hệ số suy giảm khối lượng. Phương pháp tính trực tiếp sử dụng các công thức đã được thiết lập, dựa trên thành phần nguyên tố của vật liệu. Phương pháp nội suy sử dụng đồ thị hoặc bảng dữ liệu về hệ số suy giảm khối lượng của các nguyên tố để ước tính Zeff của vật liệu hỗn hợp. Cả hai phương pháp đều yêu cầu thông tin về thành phần nguyên tố của vật liệu.

3.1. Ưu Điểm Hạn Chế Của Phương Pháp Tính Trực Tiếp Zeff

Phương pháp tính trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện khi biết thành phần nguyên tố của vật liệu. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào độ chính xác của các công thức và dữ liệu đầu vào. Ngoài ra, phương pháp này có thể không phù hợp cho các vật liệu có cấu trúc phức tạp hoặc thành phần không đồng nhất.

3.2. Ứng Dụng Phương Pháp Nội Suy Để Xác Định Zeff Hiệu Quả

Phương pháp nội suy có ưu điểm là có thể áp dụng cho các vật liệu có thành phần phức tạp hoặc không đồng nhất. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu nội suy và phương pháp nội suy được sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp nội suy phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

IV. Mô Phỏng Monte Carlo Thực Nghiệm Xác Định Zeff Axit

Khóa luận sử dụng cả phương pháp mô phỏng Monte Carlo và thực nghiệm để xác định nguyên tử số hiệu dụng Zeff của các loại axit. Mô phỏng Monte Carlo được thực hiện bằng phần mềm MCNP6, cho phép mô phỏng tương tác của photon với vật chất. Thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng hệ đo gamma truyền qua, bao gồm nguồn gamma, mẫu axit và detector. Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để đánh giá độ tin cậy của các phương pháp.

4.1. Chi Tiết Về Mô Phỏng MCNP6 Trong Nghiên Cứu Zeff

Phần mềm MCNP6 sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng tương tác của photon với vật chất. Mô hình mô phỏng bao gồm nguồn gamma, mẫu axit và detector NaI(Tl). Các thông số của mô hình được thiết lập sao cho phù hợp với điều kiện thực nghiệm. Kết quả mô phỏng được sử dụng để tính toán hệ số suy giảm khối lượng và Zeff của các loại axit.

4.2. Quy Trình Thực Nghiệm Đo Zeff Axit Bằng Gamma Truyền Qua

Thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng nguồn gamma 137Cs, mẫu axit và detector NaI(Tl). Chùm tia gamma được cho đi qua mẫu axit, và detector ghi nhận phổ gamma sau khi truyền qua mẫu. Phổ gamma được xử lý để xác định hệ số suy giảm khối lượng của axit. Từ hệ số suy giảm khối lượng, Zeff của axit được tính toán.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Zeff Mật Độ Của Một Số Axit

Chương này trình bày kết quả tính toán hệ số suy giảm khối lượng, nguyên tử số hiệu dụng Zeff và xây dựng đường chuẩn mật độ cho axit. Đánh giá độ sai biệt giữa các phương pháp tính Zeff, so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Kết quả cho thấy có sự phù hợp giữa các phương pháp tính Zeff và giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Đường chuẩn mật độ được xây dựng có thể được sử dụng để xác định mật độ của axit một cách nhanh chóng và chính xác.

5.1. So Sánh Zeff Thực Nghiệm Mô Phỏng Giá Trị Chuẩn NIST

Kết quả Zeff thu được từ thực nghiệm và mô phỏng được so sánh với giá trị chuẩn của NIST. Độ sai lệch giữa các kết quả được đánh giá để xác định độ tin cậy của các phương pháp. Kết quả cho thấy có sự phù hợp tốt giữa các kết quả, cho thấy các phương pháp được sử dụng là đáng tin cậy.

5.2. Xây Dựng Đường Chuẩn Mật Độ Axit Bằng Phương Pháp Gamma

Đường chuẩn mật độ được xây dựng bằng cách đo hệ số suy giảm khối lượng của axit ở các nồng độ khác nhau. Mối quan hệ giữa hệ số suy giảm khối lượng và mật độ được sử dụng để xây dựng đường chuẩn. Đường chuẩn này có thể được sử dụng để xác định mật độ của axit một cách nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp gamma truyền qua.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Zeff Chất Lỏng

Khóa luận đã thành công trong việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Zeff và mật độ của một số loại axit bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo và thực nghiệm. Kết quả cho thấy có sự phù hợp giữa các phương pháp và giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Nghiên cứu này có thể được mở rộng để xác định Zeff và mật độ của các loại chất lỏng khác, cũng như để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến Zeff và mật độ.

6.1. Đánh Giá Ưu Điểm Của Phương Pháp Gamma Trong Xác Định Zeff

Phương pháp gamma truyền qua có ưu điểm là không phá hủy, nhanh chóng và có thể áp dụng cho các chất lỏng độc hại. Phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như kiểm tra chất lượng sản phẩm, giám sát môi trường và nghiên cứu khoa học.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Về Zeff Ứng Dụng

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để xác định Zeff với độ chính xác cao hơn, cũng như nghiên cứu ứng dụng của Zeff trong các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, Zeff có thể được sử dụng để phân biệt các loại chất lỏng khác nhau, hoặc để đánh giá hiệu quả của các vật liệu che chắn bức xạ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing - NDT) giữ vai trò quan trọng trong việc kiểm tra, đánh giá chất lượng vật liệu và linh kiện công nghiệp mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng sau này của sản phẩm. Các phương pháp NDT truyền thống đều tồn tại những giới hạn kỹ thuật nhất định: phương pháp siêu âm có chi phí thấp nhưng chỉ kiểm tra bề mặt và không xuyên sâu; phương pháp chụp ảnh phóng xạ cho độ chính xác cao nhưng mang rủi ro bức xạ lớn và không xác định được chiều sâu khuyết tật; phương pháp thẩm thấu chất lỏng đòi hỏi bề mặt mẫu phải thật sạch, khô và không áp dụng được cho bề mặt nhám; trong khi phương pháp gamma tán xạ có hệ đo và cơ sở lý thuyết phức tạp. Trong bối cảnh đó, kỹ thuật gamma truyền qua được ứng dụng rộng rãi nhằm xác định các thông số tương tác photon như hệ số suy giảm khối lượng, tiết diện tương tác, mật độ electron và nguyên tử số hiệu dụng ($Z_{eff}$).

Đối với các vật liệu hợp chất hoặc dung dịch hỗn hợp, nguyên tử số $Z$ đơn lẻ không thể đại diện cho toàn bộ môi trường vật chất. Do đó, tham số nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ được đưa ra để thay thế, phản ánh trọng số tương tác của các nguyên tố cấu thành theo từng mức năng lượng photon. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu $Z_{eff}$ trên các vật liệu rắn như polymer, hợp kim, amino axit, thủy tinh, vật liệu xây dựng và mô sinh học, các dữ liệu thực nghiệm và tính toán $Z_{eff}$ dành riêng cho pha lỏng, đặc biệt là các axit vô cơ và hữu cơ, vẫn còn rất hạn chế. Bên cạnh đó, việc xác định mật độ chất lỏng bằng phương pháp đo khối lượng - thể tích truyền thống thường tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn hóa chất khi thao tác trực tiếp với các axit mạnh hoặc dung môi độc hại dễ bay hơi. Việc ứng dụng kỹ thuật gamma truyền qua cho phép xác định mật độ chất lỏng ngay trong bình chứa đóng kín.

Khóa luận được thực hiện nhằm giải quyết 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tính toán các giá trị nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ cho các loại axit bằng phương pháp tính trực tiếp và phương pháp nội suy.
2. So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng Monte Carlo bằng chương trình MCNP6.
3. Xây dựng đường chuẩn mật độ đối với axit bằng phương pháp mô phỏng kết hợp thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: 6 loại axit đo thực nghiệm (axit acetic $\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$, axit formic $\text{CH}_2\text{O}_2$, axit lactic $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$, axit nitric $\text{HNO}_3$, axit phosphoric $\text{H}_3\text{PO}_4$, axit sulfuric $\text{H}_2\text{SO}_4$) cùng nước cất $\text{H}_2\text{O}$; tập dữ liệu mô phỏng mở rộng gồm 23 loại axit vô cơ, hữu cơ và nước cất có mật độ từ $0,430\text{ g/cm}^3$ đến $1,830\text{ g/cm}^3$.
• Phạm vi nghiên cứu: Năng lượng photon đơn dòng $661,7\text{ keV}$ từ nguồn phóng xạ $^{137}\text{Cs}$; điều kiện thực nghiệm duy trì ở nhiệt độ phòng $24^\circ\text{C}$ với thời gian đo mỗi mẫu là 28.800 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng tính toán dựa trên các quy luật tương tác photon với vật chất trong cơ chế suy giảm chùm tia gamma:

• Các quá trình tương tác gamma chính:

  • Hiệu ứng quang điện: Chiếm ưu thế ở vùng năng lượng thấp, có tiết diện tương tác tỷ lệ với $\sigma_{photo} \sim \frac{Z^5}{E^{7/2}}$.
  • Tán xạ Compton: Chiếm ưu thế ở vùng năng lượng trung bình (bao gồm mức năng lượng $661,7\text{ keV}$ của $^{137}\text{Cs}$), có tiết diện tương tác tỷ lệ với $\sigma_{Compton} \sim \frac{Z}{E}$.
  • Hiệu ứng tạo cặp: Xảy ra khi năng lượng photon lớn hơn $1022\text{ keV}$, có tiết diện tương tác tỷ lệ với $\sigma_{pair} \sim Z^2 \ln(E)$.

• Định luật suy giảm chùm tia hẹp (Beer - Lambert): Cường độ chùm tia truyền qua lớp vật chất có bề dày $x\text{ (cm)}$ và mật độ khối $\rho\text{ (g/cm}^3\text{)}$ tuân theo biểu thức $I = I_0 e^{-\mu x} = I_0 e^{-\mu_m \rho x}$, trong đó $\mu\text{ (cm}^{-1}\text{)}$ là hệ số suy giảm tuyến tính và $\mu_m = \frac{\mu}{\rho}\text{ (cm}^2\text{/g)}$ là hệ số suy giảm khối lượng. Đối với chùm tia rộng, công thức được hiệu chỉnh qua hệ số tích lũy $B(E, Z)$: $I = I_0 B(E, Z) e^{-\mu_m \rho x}$. Trong nghiên cứu này, việc bố trí hai hệ chuẩn trực chì đường kính nhỏ giúp giảm thiểu tán xạ nhiều lần, do đó hệ số tích lũy được giả định xấp xỉ bằng 1 ($B \approx 1$).

• Mô hình và phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$:

  • Phương pháp tính trực tiếp: Tính từ thành phần phần trăm khối lượng $f_i$, khối lượng nguyên tử $A_i$ (theo chuẩn IUPAC-2008), nguyên tử số $Z_j$ và hệ số suy giảm khối lượng $(\mu/\rho)$ của từng nguyên tố cấu thành: $$Z_{eff, I} = \frac{\sum f_i A_i (\mu/\rho)_i}{\sum f_j \frac{A_j}{Z_j} (\mu/\rho)_j}$$
  • Phương pháp tính theo tiết diện nguyên tử: Sử dụng quy tắc cộng hỗn hợp (Mixture - Rule) $\mu_m = \sum w_i \mu_{m,i}$. Tiết diện nguyên tử tổng $\sigma_a$ và tiết diện electron hiệu dụng $\sigma_e$ được xác định qua $\sigma_a = \frac{\mu_m}{N_A \sum (w_i/A_i)}$ và $\sigma_e = \frac{1}{N_A} \sum \frac{f_i A_i}{Z_i} (\mu_m)i$, từ đó suy ra $Z{eff, II} = \frac{\sigma_a}{\sigma_e}$.
  • Các phương pháp giải tích và nội suy khác: Phương pháp khớp hàm đa thức $\mu_m \sim Z^4$, chương trình tính toán XMuDat với công thức $Z_{eff} = \left(\sum \alpha_i Z_i^{m-1}\right)^{1/(m-1)}$ cùng các hệ số $m$ thực nghiệm từ Spiers ($m = 3,94$), Tsai - Cho ($m = 3,4$), Manninen - Koikkalainen và Glasser.

• Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: Sử dụng mã MCNP6 (Monte Carlo N-Particle phiên bản 6.1) phát triển bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL). Mô phỏng vận chuyển photon với $6 \times 10^9$ hạt lịch sử để đảm bảo sai số thống kê nhỏ trên phổ phân bố độ cao xung (PHS) được chia thành 8192 kênh. Hàm độ rộng nửa chiều cao FWHM thực nghiệm được đưa vào tệp đầu vào MCNP6 dưới dạng $\text{FWHM}(\text{MeV}) = a + b\sqrt{E + cE^2}$ với các tham số khớp được: $a = -0,00526\text{ MeV}$, $b = 0,06096\text{ MeV}^{1/2}$ và $c = 0,01401\text{ MeV}^{-1}$.

• Phương pháp thực nghiệm và xử lý phổ:

  • Hệ đo sử dụng đầu dò nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ kích thước $76,2\text{ mm} \times 76,2\text{ mm}$ của hãng Amptek, kết nối khối phân tích đa kênh MCA 8192 kênh và phần mềm ADMCA.
  • Nguồn phóng xạ $^{137}\text{Cs}$ có hoạt độ danh định $1,00 \pm 0,03\ \mu\text{Ci}$, hoạt độ tại thời điểm đo là $0,76 \pm 0,03\ \mu\text{Ci}$. Hệ chuẩn trực chì cho nguồn có bán kính $0,251\text{ cm}$ và cho đầu dò có bán kính $0,50\text{ cm}$. Hệ thống được căn chỉnh đồng trục bằng tia laser.
  • Ống đong thủy tinh dung tích $100\text{ ml}$ có bán kính trong đo bằng thước kẹp panme là $r = 1,340 \pm 0,009\text{ cm}$ (độ lệch chuẩn trung bình).
  • Phổ thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Colegram sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu Levenberg - Marquardt để tách đỉnh Gauss và làm khớp hàm nền One Step; kết hợp phần mềm Origin để trừ phông môi trường.
  • Tính toán sai số thực nghiệm bằng phương pháp truyền sai số với độ tin cậy $99,99%$ ($z = 2,58$).
  • Nguồn dữ liệu đối sánh: Cơ sở dữ liệu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật quốc gia Hoa Kỳ (NIST).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về gamma truyền qua

Chương này tổng kết lịch sử phát hiện tia gamma của Paul Villard (1900) và cách đặt tên của Ernest Rutherford (1903), đồng thời phân tích chi tiết bản chất sóng điện từ mang năng lượng cao của bức xạ gamma. Tác giả trình bày các cơ chế tương tác cơ bản khi gamma đi qua vật chất gồm hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp, kèm theo sự phụ thuộc của tiết diện vi phân toàn phần $\sigma_{total} = \sigma_{photo} + \sigma_{Compt} + \sigma_{pair}$ vào nguyên tử số $Z$ và năng lượng $E$.

Chương 1 cũng phân tích cấu trúc phức tạp của phổ năng lượng gamma thực nghiệm ghi nhận qua đầu dò (đỉnh hấp thụ toàn phần FEA, tán xạ đơn SS, tán xạ nhiều lần MS, tán xạ ngược BS, đỉnh thoát đơn SPE, đỉnh thoát đôi DPE). Tác giả thiết lập biểu thức suy giảm chùm tia theo định luật Beer - Lambert, định nghĩa hệ số tích lũy $B(E, Z)$ để đánh giá đóng góp của tia tán xạ nhiều lần trong chùm tia rộng, và xây dựng cơ sở lý thuyết tuyến tính hóa logarit $\ln(I) = \ln(I_0) - \mu_m \rho x$ nhằm phục vụ việc xác định mật độ chất lỏng $\rho$.

Chương 2. Phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng

Chương 2 phân loại và phân tích hệ thống các phương pháp xác định $Z_{eff}$ cho hợp chất. Nội dung tập trung làm rõ 4 nhóm phương pháp:

1. Phương pháp tính trực tiếp: Dựa trên phần trăm khối lượng và hệ số suy giảm khối NIST của từng nguyên tố cấu thành.
2. Phương pháp tính theo tiết diện nguyên tử: Kết hợp quy tắc pha trộn Mixture - Rule để tính các tiết diện phân tử $\sigma_m$, tiết diện nguyên tử $\sigma_a$ và tiết diện electron $\sigma_e$.
3. Phương pháp nội suy: Xây dựng đường chuẩn thực nghiệm $\mu_m$ theo hàm đa thức của $Z^4$.
4. Các công thức bán kinh nghiệm: Trình bày thuật toán của phần mềm XMuDat và các biểu thức kinh nghiệm của Spiers ($m = 3,94$), Tsai - Cho ($m = 3,4$), Manninen - Koikkalainen và Glasser.

Tác giả lựa chọn phương pháp tính trực tiếp và phương pháp tính theo tiết diện nguyên tử kết hợp dữ liệu NIST làm tiêu chuẩn đối sánh cốt lõi cho các phép đo thực nghiệm và mô phỏng.

Chương 3. Khảo sát nguyên tử số hiệu dụng và mật độ của axit bằng mô phỏng Monte Carlo và thực nghiệm

Chương 3 trình bày chi tiết thiết kế hệ đo thực nghiệm và mô hình mô phỏng. Đối với phần thực nghiệm, tác giả mô tả thông số hình học bố trí đồng trục giữa nguồn $^{137}\text{Cs}$, ống mẫu thủy tinh và đầu dò $\text{NaI(Tl)}$, quy trình căn chỉnh tâm bằng tia laser đỏ, và đặc tính của 6 loại axit thực nghiệm (acetic, formic, lactic, nitric, phosphoric, sulfuric) cùng nước cất. Phương pháp xác định sai số độ dài ống đo và quy tắc truyền sai số thống kê cũng được giải trình chi tiết.

Đối với phần mô phỏng, chương 3 khái quát lịch sử phát triển của phương pháp Monte Carlo từ dự án Manhattan và quá trình phát triển các phiên bản mã MCNP tại LANL đến MCNP6. Tác giả đặc tả việc thiết lập tệp đầu vào (input card) cho hệ đo nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$, khai báo 24 vật liệu mô phỏng (gồm 23 loại axit và nước cất), thiết lập tham số hàm mở rộng năng lượng FWHM và số lịch sử hạt mô phỏng ($6 \times 10^9$ hạt). Quy trình xử lý phổ 6 bước trên phần mềm Colegram bằng hàm đỉnh Gaussian kết hợp nền One Step và thao tác trừ phông trên Origin được quy chuẩn hóa.

Chương 4. Xác định nguyên tử số hiệu dụng và mật độ của một số axit

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu định lượng thu được từ thực nghiệm và mô phỏng MCNP6:

• Trình bày bảng số liệu diện tích đỉnh đếm xung, hệ số suy giảm khối lượng $\mu_m$ và giá trị $Z_{eff}$ thực nghiệm của 6 loại axit và nước cất, so sánh trực tiếp với dữ liệu NIST.
• Trình bày bảng số liệu $\mu_m$ và $Z_{eff}$ của 24 chất mô phỏng MCNP6, đánh giá độ sai biệt tương đối $\text{RD}(%)$ so với NIST và so với các nghiên cứu trước ở mức năng lượng $1\text{ MeV}$.
• Phân tích tương quan tổng hợp giữa thực nghiệm, mô phỏng và lý thuyết NIST, chỉ ra xu hướng tăng của $Z_{eff}$ theo mật độ chất lỏng.
• Xây dựng đường chuẩn mật độ chất lỏng dựa trên tỷ số diện tích đỉnh đếm xung $R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$ giữa axit và nước cất từ dữ liệu mô phỏng, chứng minh sự tương thích với dữ liệu thực nghiệm để nội suy mật độ.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu thập và đối sánh hệ thống dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng về hệ số suy giảm khối lượng và nguyên tử số hiệu dụng tại mức năng lượng $661,7\text{ keV}$:

STT	Loại mẫu	Mật độ $\rho$ $(\text{g/cm}^3)$	$\mu_m$ Thực nghiệm $(\text{cm}^2/\text{g})$	$\mu_m$ NIST $(\text{cm}^2/\text{g})$	$Z_{eff}$ Thực nghiệm	$Z_{eff}$ MCNP6	$Z_{eff}$ NIST	Sai biệt thực nghiệm - NIST $(%)$
1	Nước cất	1,000	$0,085 \pm 0,006$	0,086	$3,31 \pm 0,09$	-	3,33	0,57
2	Axit Acetic	1,045	$0,085 \pm 0,006$	0,082	$3,83 \pm 0,07$	3,75	4,00	4,28
3	Axit Formic	1,220	$0,079 \pm 0,005$	0,080	$4,70 \pm 0,07$	4,49	4,80	2,02
4	Axit Lactic	1,206	$0,079 \pm 0,005$	0,082	$4,13 \pm 0,09$	3,74	4,00	3,24
5	Axit Nitric	1,513	$0,080 \pm 0,005$	0,078	$6,42 \pm 0,07$	5,87	6,43	0,07
6	Axit Phosphoric	1,390 (TN) / 1,685 (MP)	$0,087 \pm 0,004$	0,079	$6,04 \pm 0,05$	5,76	6,19	2,44
7	Axit Sulfuric	1,839 (TN) / 1,830 (MP)	$0,077 \pm 0,004$	0,079	$7,87 \pm 0,06$	6,65	7,14	10,17

So sánh giữa mô phỏng MCNP6 và chuẩn NIST trên tập 24 chất cho thấy độ lệch tương đối của hệ số suy giảm khối lượng đều nằm dưới $8%$ (dao động từ $3,6%$ đến $7,4%$). Các giá trị $Z_{eff}$ thu được từ mô phỏng đều thỏa mãn điều kiện vật lý $Z_{min} < Z_{eff} < Z_{max}$.

Về việc xác định mật độ, nghiên cứu đã thiết lập quan hệ tuyến tính qua tỷ số đếm xung $R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$ với $R_{MP} \approx R_{TN}$, xây dựng thành công đường chuẩn mật độ theo hàm $\ln(R)$ giúp nội suy mật độ chất lỏng mà không cần mở nắp bình chứa.

Các đóng góp chính của khóa luận gồm:

• Bổ sung cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng về nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ và hệ số suy giảm khối lượng $\mu_m$ cho nhóm dung dịch axit vô cơ và hữu cơ – một mảng dữ liệu ít được khảo sát so với các vật liệu rắn.
• Chứng minh tính khả thi của phương pháp đo mật độ chất lỏng gián tiếp thông qua kỹ thuật gamma truyền qua kết hợp mô phỏng MCNP6, loại bỏ sự tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại trong phòng thí nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra các hạn chế kỹ thuật trong quá trình thực hiện:

• Việc sử dụng ống đong thủy tinh dạng hình trụ tròn gây khó khăn cho việc đảm bảo chùm tia chuẩn trực đi qua chính xác tâm đối xứng của ống mà không bị lệch góc, dẫn đến sai số hình học trong phép đo thực nghiệm (đặc biệt là sai số $10,17%$ của axit sulfuric).
• Mô hình mô phỏng MCNP6 tuy cho kết quả phù hợp với thực nghiệm nhưng vẫn tồn tại độ lệch hệ thống lặp lại khoảng dưới $8%$ so với chuẩn NIST do chưa bao quát toàn bộ các chi tiết tán xạ thứ cấp phức tạp từ môi trường xung quanh.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Cải tiến cấu hình hình học của hệ đo thực nghiệm (thay đổi kết cấu bình chứa mẫu sang dạng phẳng song song thay vì hình trụ) để tối ưu hóa điều kiện chùm tia hẹp.
• Nâng cấp và hiệu chỉnh các tham số chi tiết trong tệp đầu vào của mô hình mô phỏng MCNP6 nhằm thu hẹp khoảng cách sai lệch giữa mô phỏng, thực nghiệm và dữ liệu NIST.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo học thuật cho:

• Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân, Vật lý y khoa và Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT).
• Các nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng mô hình mô phỏng hệ đo phổ nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ bằng chương trình MCNP6, đặc biệt là cách khai báo hàm FWHM thực nghiệm vào tệp đầu vào.
• Tài liệu hướng dẫn quy trình tách đỉnh và làm khớp phổ gamma thực nghiệm bằng phần mềm Colegram kết hợp Origin, cũng như phương pháp truyền sai số trong đo lường bức xạ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn nguồn bức xạ $^{137}\text{Cs}$ mà không sử dụng các nguồn phóng xạ khác?
Nguồn $^{137}\text{Cs}$ phát bức xạ gamma đơn dòng có năng lượng $661,7\text{ keV}$ với xác suất phát cao ($84,99%$). Ở mức năng lượng này, cơ chế tương tác chủ yếu giữa photon và các dung dịch chất lỏng nhẹ là tán xạ Compton, giúp việc phân tích và đánh giá sự suy giảm chùm tia diễn ra thuận lợi, hạn chế sự phức tạp của hiệu ứng tạo cặp (chỉ xảy ra khi năng lượng $> 1022\text{ keV}$).

2. Nguyên nhân nào khiến sai số $Z_{eff}$ của axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$) trong thực nghiệm cao hơn các axit khác ($10,17%$)?
Axit sulfuric có mật độ lớn nhất ($1,839\text{ g/cm}^3$) và chứa nguyên tố lưu huỳnh ($Z=16$), làm tăng mức độ suy giảm chùm tia. Khi kết hợp với cấu trúc ống đo hình trụ tròn, sự lệch góc nhỏ của chùm tia truyền qua tâm ống sẽ gây ra biến thiên lớn về độ dày hấp thụ biểu kiến, dẫn đến độ lệch tương đối cao hơn so với các dung dịch có mật độ thấp.

3. Tại sao hệ số tích lũy $B(E, Z)$ trong khóa luận được xem xấp xỉ bằng 1?
Tác giả đã bố trí hệ thống chuẩn trực kép bằng chì dày: khối chuẩn trực trước nguồn có bán kính lỗ $0,251\text{ cm}$ và khối chuẩn trực trước đầu dò $\text{NaI(Tl)}$ có bán kính lỗ $0,50\text{ cm}$. Cấu hình này giới hạn chùm tia ở dạng chùm tia hẹp, loại bỏ hầu hết các photon tán xạ nhiều lần và bức xạ thứ cấp đi vào đầu dò, do đó $B \approx 1$.

4. Ý nghĩa của tỷ số $R$ trong việc xác định mật độ chất lỏng là gì?
Tỷ số $R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$ là tỷ lệ giữa diện tích đỉnh đếm xung của axit cần đo và diện tích đỉnh của nước cất trong cùng điều kiện hình học. Vì $R_{MP} \approx R_{TN}$, tác giả có thể dùng mô phỏng MCNP6 để xây dựng đường chuẩn $\ln(R)$ theo mật độ $\rho$, sau đó đưa giá trị $R$ đo được từ thực nghiệm vào đường chuẩn để nội suy chính xác mật độ mà không cần mở bình chứa.

5. Cơ sở nào khẳng định các giá trị $Z_{eff}$ tính toán được là hợp lý?
Tất cả các giá trị $Z_{eff}$ thu được từ cả thực nghiệm và mô phỏng đều thỏa mãn tiêu chuẩn vật lý $Z_{min} < Z_{eff} < Z_{max}$ (nằm giữa nguyên tử số của nguyên tố nhẹ nhất và nặng nhất trong phân tử). Ví dụ, $\text{H}_2\text{SO}4$ cấu thành từ H ($Z=1$), O ($Z=8$) và S ($Z=16$) có $Z{eff}$ thực nghiệm là $7,87$, hoàn toàn nằm trong khoảng từ 1 đến 16.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thu Hằng đã nghiên cứu và xác định nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ cùng mật độ $\rho$ của các dung dịch axit thông qua phương pháp gamma truyền qua. Bằng việc kết hợp thực nghiệm trên đầu dò $\text{NaI(Tl)}$ với nguồn $^{137}\text{Cs}$ và mô phỏng Monte Carlo MCNP6 trên 24 chất lỏng, công trình đã kiểm chứng độ phù hợp của các giá trị $Z_{eff}$ và hệ số suy giảm khối lượng so với cơ sở dữ liệu NIST. Kết quả nghiên cứu đồng thời chứng minh tính hiệu quả của việc thiết lập đường chuẩn tỷ số đếm xung $R$ để xác định gián tiếp mật độ chất lỏng, mở ra giải pháp đo lường an toàn đối với các hóa chất độc hại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Kĩ thuật kiểm tra không hủy mẫu (NDT) được ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp. NDT giúp kiểm tra các hệ thống máy móc, vật liệu, sản phẩm công nghiệp một cách nhanh chóng, tiện lợi với độ chính xác cao. Ưu điểm của phương pháp kiểm tra không phá hủy này so với các phương pháp khác đó là NDT không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của vật được kiểm tra sau này. Ngoài ra NDT có thể kiểm tra ngay khi mẫu nằm trên dây chuyền sản xuất mà không phải dừng dây chuyền sản xuất lại.

Trong kĩ thuật NDT có nhiều phương pháp khác nhau như: kiểm tra thẩm thấu màu, kiểm tra bằng phương pháp siêu âm, kiểm tra bằng dòng điện xoáy, chụp ảnh phóng xạ, phương pháp kiểm tra hạt từ, kiểm tra bằng truyền âm, phương pháp nhận diện vật liệu thực,. Trong các phương pháp NDT đã nêu trên, mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng và hạn chế riêng. Ứng với mỗi trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn những phương pháp kiểm tra phù hợp. Phương pháp siêu âm dễ áp dụng và chi phí thấp.

Trên cơ sở phân tích các tia phản xạ lại các chùm tia siêu âm phát vào vật liệu, phương pháp này có khuyết điểm là chỉ kiểm tra trên bề mặt vật liệu và không xuyên sâu vào bên trong vật liệu nên không xác định chính xác được các khuyết tật trong vật liệu. Phương pháp chụp ảnh phóng xạ mặc dù cho độ chính xác cao nhưng rủi ro do phóng xạ cũng cao tương đương và hình ảnh hiện trên phim không cho ta biết chiều sâu khuyết tật. Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu là phương pháp phát hiện các vết nứt trên bề mặt kim loại, mối hàn và các vật liệu không nhiễm từ như thép không rỉ. Trong phương pháp này người ta phun chất lỏng có khả năng thẩm thấu và có màu sắc dễ nhận diện lên bề mặt vật cần kiểm tra.

Chất thẩm thấu sẽ ngấm vào và đọng lại ở các vết nứt trên bề mặt vật liệu. Sau khi quá trình thẩm thấu kết thúc, người ta loại bỏ sạch phần chất thẩm thấu thừa và tiếp tục lên bề mặt kiểm tra một chất gọi là “chất hiện màu” làm cho phần chất thẩm thấu nổi rõ. Hạn chế của phương pháp này là bề mặt vật kiểm tra phải rất sạch và khô vì vậy nó không thích hợp với các bề mặt bị bám bẩn và có độ nhám cao. Phương pháp gamma tán xạ mặc dù được các nhà nghiên cứu quan tâm, nhưng nó phức tạp về mặt lý thuyết và bố trí hệ đo.

Ngoài các phương pháp nêu trên, phương pháp gamma truyền qua đang được sử dụng nhiều để xác định các thông số tương tác photon với vật liệu và đánh giá khả năng che chắn của vật liệu 2 đó như là nguyên tử số hiệu dụng, hệ số suy giảm, tiết diện tương tác photon, và mật độ electron,. Nguyên tử số Z là một tham số phổ biến trong vật lý hạt nhân cũng như trong ngành công nghiệp kiểm tra không phá hủy. Biết được nguyên tử số thuận tiện cho việc tính toán các tương tác của tia X đặc trưng và tia gamma [1], ví dụ, trong thiết kế che chắn bức xạ hoặc trong tính toán liều hấp thụ khi xạ trị. Đối với các loại vật liệu được cấu tạo từ đơn nguyên tử như đồng, chì, nhôm, có thể xác định nguyên tử số cho các vật liệu trên dễ dàng.

Tuy nhiên trên thực tế, người ta cần phân tích các loại vật liệu hỗn hợp như các loại nhựa, dung dịch chất lỏng hay các vật rắn cấu tạo từ nhiều loại nguyên tử khác nhau. Trong nghiên cứu của Hine [2] đã nêu, một nguyên tử số đơn lẻ không thể đại diện cho nguyên tử số của một hợp chất phức tạp. Vì với mỗi quá trình di chuyển, tia X và tia gamma tương tác với vật chất bao gồm nhiều các nguyên tử cấu tạo nên vật liệu nên các số nguyên tử khác nhau trong vật liệu phải được tính toán có trọng số. Trong trường hợp đó, cần tìm nguyên tử số hiệu dụng Zeff thay thế cho nguyên tử số Z của nguyên tố đơn nguyên tử.

Nguyên tử số hiệu dụng không thực sự là một hằng số đối với một loại vật liệu [2] mà là một tham số phục thuộc vào năng lượng photon trong các quá trình tương tác có liên quan (hiệu ứng quang điện, tán xạ compton, tạo cặp). Nguyên tử số hiệu dụng Zeff có thể được tính bằng các phương pháp khác nhau nhưng cụ thể chia thành hai loại là: phương pháp trực tiếp từ công thức, phương pháp nội suy. Zeff có thể được suy ra từ nhiều tham số phản ứng khác như: tiết diện phản ứng toàn phần, hệ số suy giảm khối lượng, tỉ số R/C (đối với gamma tán xạ), mật độ electron hiệu dụng Neff [3]. Khóa luận trình bày trình bày các cách tính Zeff khác nhau được tổng hợp từ các nghiên cứu trước đây nhưng tôi chỉ sử dụng phương pháp tính toán trực tiếp và tính toán dựa trên hệ số suy giảm khối lượng m   /  , nghĩa là các phương pháp tính phải biết trước về các nguyên tố trong vật liệu.

Trong các nghiên cứu trước đây, tiết diện tổng của một vật liệu hỗn hợp được sử dụng để xác định nguyên tử số hiệu dụng bằng cách nội suy từ đồ thị biểu diễn tiết diện tổng của các nguyên tố tinh khiết như là hàm theo nguyên tử số [4]. Phương pháp này được áp dụng để xác định Zeff cho các mô sinh học, các vật liệu ứng dụng đo liều, phân biệt mô thường và mô ung thư [4]. Đối với các tính toán trong khóa luận, tôi tìm tiết diện 3 tổng của các vật liệu dựa trên công thức có đóng góp của hệ số suy giảm khối lượng m. Nhiều nghiên cứu trước đây đã thực hiện tính toán nguyên tử số hiệu dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau như: Polymer [5 − 6] , hỗn hợp khí [7] , hợp kim [2,8 − 10] , vật liệu xây dựng [11] , thủy tinh [12 − 13] , aminoaxit [14] , mẫu sinh học [15 − 16].

Có thể nói các đề tài về Zeff có được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên, có ít nghiên cứu tính toán Zeff của các dung dịch- đặc biệt là cho axit vô cơ [2], vì vậy tôi quyết định sẽ xác định nguyên tử số hiệu dụng Zeff cho một số loại axit. Sau đó, tôi sẽ đánh giá kết quả của mình bằng cách so sánh độ chênh lệch giữa các phương pháp so với giá trị chuẩn của NIST. Tương tự như nguyên tử số hiệu dụng Zeff , hệ số suy giảm khối  m , mật độ ρ cũng là một tham số quan trọng của vật liệu.

Có được mật độ chính xác của chất lỏng, người ta tính toán được tỉ trọng của chất lỏng so với nước. Ứng dụng của việc này trong các lĩnh vực dầu khí để phân biệt các loại dầu, hay trong công nghiệp, người ta đánh giá được hàm lượng chất hòa tan đã sử dụng [18]. Phương pháp cổ điển được sử dụng để xác định mật độ chất lỏng là đo khối lượng của chất lỏng và thể tích tương ứng của nó, kết quả mật độ là tỉ số giữa khối lượng chất lỏng và thể tích tương ứng. Phương pháp trên cho ra kết quả với độ chính xác cao.

Tuy nhiên, với những chất lỏng có tính độc hại như các loại axit mạnh hay benzene, phương pháp này có thể gây nguy hiểm trực tiếp đến sức khỏe của người làm thí nghiệm do sơ suất khi tiến hành thí nghiệm hoặc do sự bay hơi của chất lỏng. Trong khóa luận này, tôi làm việc trực tiếp với các đối tượng là axit và nghiên cứu tính chất của chúng bằng phương pháp gamma truyền qua. Vì thế, tôi đề xuất một phương pháp xác định mật độ chất lỏng bằng việc sử dụng kĩ thuật gamma truyền qua. Thông qua kĩ thuật hạt nhân, có thể tiến hành đo mật độ chất lỏng trong khi ống đựng chất lỏng đó vẫn đóng kín.

Cho chùm tia gamma đi qua ống đựng axit, chùm photon sau khi đi qua vật liệu mang thông tin về mật độ của chất lỏng sẽ đến được đầu dò. Phân tích phổ của gamma ghi nhận để thu được mật độ của chất lỏng chứa trong ống. Kĩ thuật này đã được nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện trước đó [18]. 4 Tôi tiến hành nghiên cứu với các mục đích: (1) tính toán các giá trị nguyên tử số hiệu dụng Zeff cho các loại axit bằng các phương pháp tính trực tiếp và nội suy, (2) So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo bằng phần mềm MCNP6, (3) Xây dựng đường chuẩn mật độ đối với axit với phương pháp chính mà tôi sử dụng là phương pháp mô phỏng và thực nghiệm.

Ở các phần bên dưới tôi trình bày tóm tắt về nội dung của các chương trong khóa luận cũng là những nội dung chính của khóa luận. Chƣơng 1: Tổng quan về gamma truyền qua. Chương này trình bày lý thuyết có liên quan đến các công thức, định luật, quy luật sử dụng trong khóa luận. Chương này được chia làm hai phần.

Đầu tiên, giới thiệu tổng quan về tương tác của bức xạ gamma và các hệ số cần quan tâm trong quá trình suy giảm chùm tia gamma khi đi qua vật liệu. Tiếp theo, tôi sẽ trình bày về cách xác định mật độ khối ρ. Chƣơng 2: Cách xác định nguyên tử số hiệu dụng. Trong chương này, tôi sẽ trình bày lý thuyết về bốn phương pháp đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để tính nguyên tử số hiệu dụng bằng phương pháp gamma truyền qua.

Chƣơng 3: Khảo sát nguyên tử số hiệu dụng và mật độ của axit bằng mô phỏng MCNP và thực nghiệm. Ở chương 3, hai phương pháp nghiên cứu chính của khóa luận là thực nghiệm và mô phỏng được đưa ra. Về phần mô phỏng: khóa luận mô phỏng bằng phần mềm MCNP6. Phần này trình bày các đặc điểm của chương trình MCNP và phương pháp Monte Carlo trong mô phỏng tương tác của photon với vật chất của chương trình MCNP.

Đồng thời giới thiệu mô hình mô phỏng hệ đo sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) bằng chương trình MCNP6. Về phần thực nghiệm: nêu cách bố trí thí nghiệm, phương pháp xử lý phổ thực nghiệm và phương pháp tính sai số. Chƣơng 4: Xác định nguyên tử số hiệu dụng và mật độ của một số axit. Công việc trong chương này là trình bày kết quả tính toán hệ số suy giảm khối lượng µm , nguyên tử số hiệu dụng Zeff , xây dựng đường chuẩn mật độ cho axit ρ.