Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Z_eff Của Một Số Chất Lỏng Tại Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM

Khóa luận tốt nghiệp phân tích nguyên tử số hiệu dụng zeff của một số chất lỏng, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất vật lý và hóa học.

• Đề tài: Xác Định Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Z_eff Của Một Số Chất Lỏng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 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
• 1.4.1. Đối với chùm tia hẹp
• 1.4.2. Đối với chùm tia rộng - Hệ số tích lũy B
• 1.5. Mật độ khối 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 Zeff 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
• 3.2.1. Phương pháp Monte Carlo
• 3.2.2. Chức năng của MCNP6
• 3.2.3. Mô hình trong mô phỏng MCNP6
• 3.2.4. Vật liệu mô phỏng
• 3.3. Phương pháp xử lý phổ
• 3.3.1. Phần mềm Colegram
• 3.3.2. Phổ thực nghiệm
• 3.4. Phương pháp tính sai số thực nghiệm
• 3.4.1. Đối với các phép đo thực nghiệm
• 3.4.2. Phương pháp truyền sai số
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH NGUYÊN TỬ SỐ HIỆU DỤNG VÀ MẬT ĐỘ CỦA MỘT SỐ AXIT
• 4.1. Xác định nguyên tử số hiệu dụng
• 4.2. Mật độ chất lỏng
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. Dữ liệu đầu vào mô phỏng MCNP6
• B. Bảng số liệu thể hiện sự trùng khớp giữa hai phương pháp tính nguyên tử số hiệu dụng bằng công thức trực tiếp và phương pháp tính toán từ tiết diện nguyên tử

Tóm tắt

I. Giải Mã Nguyên Tử Số Hiệu Dụng Z_eff Và Tầm Quan Trọng

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và ứng dụng, việc hiểu rõ đặc tính tương tác của bức xạ với vật chất là yếu tố then chốt. Đối với các nguyên tố đơn lẻ như chì (Pb) hay nhôm (Al), nguyên tử số (Z) là một tham số đặc trưng duy nhất. Tuy nhiên, phần lớn vật liệu trong thực tế là hợp chất hoặc hỗn hợp, ví dụ như nước (H₂O), mô sinh học, hay các dung dịch axit. Khi đó, một nguyên tử số đơn lẻ không thể đại diện cho toàn bộ vật liệu. Đây là lúc khái niệm nguyên tử số hiệu dụng Z_eff ra đời. Z_eff là một tham số được tính toán có trọng số, đại diện cho nguyên tử số của một nguyên tố giả định mà nó có đặc tính tương tác với photon tương tự như vật liệu hỗn hợp đang xét. Việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff không chỉ là một bài toán học thuật mà còn có ý nghĩa thực tiễn sâu sắc. Giá trị Z_eff là nền tảng để tính toán liều hấp thụ trong xạ trị, thiết kế vật liệu che chắn bức xạ hiệu quả, và phát triển các vật liệu tương đương mô trong vật lý y khoa. Theo G.J. Hine (1952), Z_eff không phải là một hằng số cố định cho một vật liệu mà nó phụ thuộc mạnh vào năng lượng photon và loại tương tác của photon với vật chất (hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp). Do đó, việc xác định chính xác Z_eff của các chất lỏng như axit mở ra nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và y tế, đặc biệt là trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy (NDT) và đảm bảo an toàn bức xạ.

1.1. Hiểu đúng nguyên tử số hiệu dụng là gì

Nguyên tử số hiệu dụng là gì? Đây là một tham số không có đơn vị, được định nghĩa để mô tả đặc tính tương tác của một vật liệu đa nguyên tố với bức xạ ion hóa. Thay vì sử dụng nhiều nguyên tử số Z khác nhau của các nguyên tố thành phần, Z_eff cung cấp một giá trị duy nhất, tương đương. Điều này giúp đơn giản hóa các mô hình tính toán. Ví dụ, nước bao gồm Hydro (Z=1) và Oxy (Z=8), Z_eff của hợp chất này sẽ là một giá trị nằm giữa 1 và 8, phản ánh tỷ lệ đóng góp của mỗi nguyên tố vào quá trình hấp thụ và tán xạ photon. Việc tính toán Z_eff cho phép các nhà khoa học so sánh khả năng che chắn hoặc hấp thụ bức xạ của các vật liệu khác nhau một cách trực quan.

1.2. Ứng dụng Z_eff trong vật lý y khoa và an toàn bức xạ

Trong vật lý y khoa, Z_eff là một thông số cực kỳ quan trọng. Nó giúp phân biệt giữa mô khỏe mạnh và mô bệnh lý (ví dụ, mô ung thư thường có Z_eff khác biệt). Trong xạ trị, việc biết Z_eff của các mô cơ thể cho phép tính toán chính xác liều lượng bức xạ cần thiết để tiêu diệt tế bào ung thư mà ít gây hại nhất cho các mô lành xung quanh. Hơn nữa, Z_eff là cơ sở để phát triển các vật liệu tương đương mô (tissue-equivalent materials) sử dụng trong các phantom đo liều. Trong lĩnh vực an toàn bức xạ, việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff giúp đánh giá và lựa chọn vật liệu che chắn tối ưu cho các nguồn bức xạ khác nhau, từ tia X trong chẩn đoán hình ảnh đến tia gamma trong công nghiệp hạt nhân.

II. Thách Thức Khi Xác Định Z_eff Của Hợp Chất Và Hỗn Hợp

Việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff cho một vật liệu phức tạp không phải là một quá trình đơn giản. Thách thức lớn nhất đến từ sự phụ thuộc của Z_eff vào hai yếu tố chính: loại tương tác và năng lượng photon. Khi một chùm photon gamma đi qua vật chất, nó có thể tương tác thông qua ba cơ chế chính: hiệu ứng quang điện, tiết diện tán xạ Compton, và tạo cặp. Mỗi cơ chế này lại có sự phụ thuộc khác nhau vào nguyên tử số Z của môi trường. Cụ thể, hiệu ứng quang điện tỷ lệ với Z⁴ đến Z⁵, tán xạ Compton tỷ lệ với Z, và tạo cặp tỷ lệ với Z². Do đó, tùy thuộc vào dải năng lượng mà một trong ba hiệu ứng này chiếm ưu thế, giá trị Z_eff của cùng một vật liệu sẽ thay đổi. Ví dụ, ở vùng năng lượng thấp nơi hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế, các nguyên tố có Z cao trong hợp chất sẽ có đóng góp lớn hơn vào Z_eff. Ngược lại, ở vùng năng lượng trung bình (khoảng 0.5-5 MeV) nơi tán xạ Compton là chủ đạo, Z_eff sẽ gần với giá trị trung bình của các Z thành phần. Sự phức tạp này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải xác định Z_eff trong một dải năng lượng cụ thể hoặc chỉ rõ năng lượng photon khi công bố kết quả, nếu không giá trị Z_eff sẽ mất đi ý nghĩa vật lý của nó.

2.1. Tương tác của photon với vật chất Nền tảng cốt lõi

Cơ sở của mọi phương pháp xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff đều dựa trên sự hiểu biết về tương tác của photon với vật chất. Ba hiệu ứng chính bao gồm: Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), chiếm ưu thế ở năng lượng thấp, trong đó photon bị hấp thụ hoàn toàn và giải phóng một electron. Tán xạ Compton (Compton scattering) là quá trình chủ đạo ở dải năng lượng trung bình (ví dụ như từ nguồn phóng xạ Cs-137 với 662 keV), photon truyền một phần năng lượng cho electron và bị tán xạ theo một hướng khác. Cuối cùng, tạo cặp (pair production) xảy ra ở năng lượng cao (>1.022 MeV), photon biến mất và tạo ra một cặp electron-positron. Mỗi hiệu ứng này có một tiết diện tương tác khác nhau, và tổng của chúng tạo nên hệ số suy giảm tuyến tính và hệ số suy giảm khối của vật liệu.

2.2. Vai trò của hệ số suy giảm khối và tuyến tính

Hệ số suy giảm tuyến tính (μ) mô tả xác suất tương tác của photon trên một đơn vị chiều dài đường đi trong vật liệu. Tuy nhiên, hệ số này phụ thuộc vào mật độ vật chất. Để loại bỏ sự phụ thuộc này và so sánh các vật liệu một cách công bằng, người ta sử dụng hệ số suy giảm khối (μ/ρ). Đại lượng này đặc trưng cho bản chất của vật liệu và là chìa khóa để tính toán Z_eff. Theo định luật Beer-Lambert, cường độ chùm tia gamma suy giảm theo hàm mũ khi đi qua vật liệu, và hệ số suy giảm này có thể được xác định bằng thực nghiệm. Từ đó, dựa trên mối liên hệ lý thuyết giữa hệ số suy giảm khối và Z, Z_eff có thể được suy ra.

III. Phương Pháp Tính Z_eff Trực Tiếp Từ Công Thức Lý Thuyết

Một trong những cách tiếp cận phổ biến để xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff là sử dụng các công thức tính toán trực tiếp dựa trên thành phần nguyên tố của vật liệu. Phương pháp này không đòi hỏi thực nghiệm phức tạp mà dựa trên các dữ liệu về tiết diện tương tác đã được chuẩn hóa, ví dụ như từ cơ sở dữ liệu của NIST (Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ). Nền tảng của phương pháp này là định luật Bragg về quy tắc cộng (Mixture Rule), phát biểu rằng hệ số suy giảm khối của một hợp chất hoặc hỗn hợp bằng tổng có trọng số của hệ số suy giảm khối của các nguyên tố thành phần. Từ đó, nhiều công thức đã được phát triển để tính Z_eff. Phương pháp tính trực tiếp theo tỷ lệ tiết diện nguyên tử và tiết diện electron là một ví dụ điển hình. Bằng cách tính tổng tiết diện nguyên tử và tổng tiết diện electron của hợp chất, Z_eff được xác định là tỷ số giữa hai đại lượng này. Các phương pháp khác như công thức của Spiers hay Tsai và Cho cũng cung cấp các biểu thức toán học với số mũ khác nhau (ví dụ m = 2.94 hoặc m = 3.4), cho phép tính toán Z_eff một cách nhanh chóng khi đã biết thành phần phần trăm của từng nguyên tố.

3.1. Áp dụng công thức tính Z_eff cho hợp chất và hỗn hợp

Công thức cơ bản và chính xác nhất để tính Z_eff của hợp chất dựa trên tỷ lệ đóng góp của từng nguyên tố vào tổng tiết diện tương tác. Một công thức tính Z_eff phổ biến là Z_eff = (∑fᵢσₐᵢ) / (∑fᵢσₑᵢ), trong đó fᵢ là phần mol của nguyên tố thứ i, σₐᵢ là tiết diện nguyên tử và σₑᵢ là tiết diện trên một electron của nguyên tố đó. Các giá trị tiết diện này phụ thuộc vào năng lượng và được tra cứu từ các cơ sở dữ liệu chuẩn như XCOM. Phương pháp này cho kết quả tin cậy và thường được dùng làm giá trị tham chiếu để so sánh với kết quả từ thực nghiệm và mô phỏng.

3.2. Mối liên hệ với mật độ electron hiệu dụng N_eff

Mật độ electron hiệu dụng N_eff là một đại lượng liên quan chặt chẽ đến Z_eff, được định nghĩa là số electron trên một đơn vị khối lượng của vật liệu. N_eff có thể được tính bằng công thức: N_eff = (Nₐ/M) * Z_eff, trong đó Nₐ là số Avogadro và M là khối lượng mol trung bình của vật liệu. Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là ở vùng năng lượng Compton, nơi tương tác chủ yếu xảy ra với các electron, N_eff trở thành một tham số quan trọng hơn Z_eff để mô tả đặc tính của vật liệu. Việc xác định N_eff và Z_eff thường được tiến hành song song trong các nghiên cứu về tương tác bức xạ.

IV. Hướng Dẫn Xác Định Z_eff Bằng Thực Nghiệm Và Mô Phỏng

Bên cạnh các phương pháp lý thuyết, việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff bằng thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo cung cấp những kết quả có tính xác thực cao và phản ánh điều kiện thực tế. Phương pháp thực nghiệm thường dựa trên kỹ thuật truyền qua gamma (gamma-ray transmission). Một hệ đo điển hình bao gồm một nguồn phóng xạ chuẩn (như Cs-137 phát gamma 662 keV hoặc Co-60 phát hai tia 1173 và 1332 keV), một phổ kế gamma với đầu dò nhạy (thường là NaI(Tl) hoặc HPGe), và các khối chuẩn trực bằng chì để tạo chùm tia hẹp. Bằng cách đo cường độ chùm tia gamma trước (I₀) và sau (I) khi đi qua mẫu chất lỏng có độ dày xác định, hệ số suy giảm tuyến tính có thể được tính toán. Từ đó, hệ số suy giảm khối được suy ra và Z_eff được xác định bằng phương pháp nội suy đồ thị hoặc tính toán dựa trên tiết diện. Song song với thực nghiệm, mô phỏng Monte Carlo, đặc biệt là sử dụng phần mềm MCNP (Monte Carlo N-Particle), là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ. Nó cho phép tái tạo lại toàn bộ hệ đo thực nghiệm trên máy tính, từ hình học của đầu dò, nguồn phóng xạ đến thành phần chi tiết của vật liệu, giúp nghiên cứu ảnh hưởng của từng tham số và giảm thiểu sai số hệ thống.

4.1. Quy trình thực nghiệm với phổ kế gamma và nguồn phóng xạ

Quy trình thực nghiệm bắt đầu bằng việc bố trí hệ đo sao cho nguồn phóng xạ Cs-137, mẫu chất lỏng và tâm đầu dò của phổ kế gamma thẳng hàng. Chùm tia gamma được chuẩn trực để đảm bảo điều kiện chùm tia hẹp. Phổ năng lượng được ghi lại cho hai trường hợp: không có mẫu (để xác định I₀) và có mẫu (để xác định I). Diện tích dưới đỉnh năng lượng toàn phần (photopeak) trên phổ được xác định bằng các phần mềm xử lý phổ như Colegram hoặc Origin. Từ tỷ số I/I₀, hệ số suy giảm khối được tính toán. Cuối cùng, giá trị Z_eff được suy ra bằng cách so sánh hệ số này với đường cong chuẩn của các nguyên tố đã biết.

4.2. Mô phỏng Monte Carlo bằng phần mềm MCNP và XCOM

Mô phỏng Monte Carlo là phương pháp thống kê số, theo dõi đường đi và tương tác của hàng triệu đến hàng tỷ photon riêng lẻ. Phần mềm MCNP là công cụ tiêu chuẩn trong lĩnh vực này. Người dùng cần định nghĩa chi tiết hình học của hệ đo, vị trí và đặc tính của nguồn, thành phần và mật độ của mẫu chất lỏng. MCNP sẽ mô phỏng quá trình tương tác của photon với vật chất và xuất ra kết quả là phổ năng lượng tại đầu dò. Kết quả mô phỏng cho phép tính toán Z_eff tương tự như thực nghiệm. Bên cạnh đó, phần mềm XCOM là cơ sở dữ liệu của NIST, cung cấp các giá trị tiết diện và hệ số suy giảm chuẩn, thường được sử dụng để kiểm chứng kết quả từ cả thực nghiệm và MCNP.

V. Top Kết Quả Z_eff Của Chất Lỏng So Sánh Với Dữ Liệu

Nghiên cứu "Xác định nguyên tử số hiệu dụng Zeff của một số chất lỏng" đã cung cấp những kết quả cụ thể cho các loại axit vô cơ và hữu cơ. Bằng cách kết hợp cả phương pháp thực nghiệm và mô phỏng MCNP6, các giá trị Z_eff đã được tính toán và so sánh với dữ liệu chuẩn từ NIST. Kết quả cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa mật độ của axit và giá trị Z_eff của nó – các axit có mật độ cao hơn thường có Z_eff lớn hơn. Ví dụ, axit Sulfuric (H₂SO₄) với mật độ 1.839 g/cm³ cho giá trị Z_eff thực nghiệm là 7.87, cao hơn đáng kể so với axit Acetic (CH₃COOH) có mật độ 1.045 g/cm³ với Z_eff là 3.83. Sự chênh lệch giữa kết quả thực nghiệm và giá trị chuẩn NIST dao động trong khoảng từ 0.07% (đối với axit Nitric) đến khoảng 10% (đối với axit Sunfuric). Sai số này có thể đến từ các yếu tố trong quá trình đo đạc như sự không đồng trục của hệ đo, ảnh hưởng của phông môi trường, và độ chính xác của các dụng cụ đo. Phân tích kết quả này không chỉ xác nhận tính đúng đắn của các phương pháp mà còn cung cấp một bộ dữ liệu giá trị cho các ứng dụng thực tiễn trong việc lựa chọn vật liệu và tính toán che chắn bức xạ.

5.1. Bảng giá trị Z_eff thực nghiệm của một số loại axit

Kết quả thực nghiệm cho thấy các giá trị Z_eff phù hợp với dự đoán lý thuyết. Ví dụ, tại năng lượng 662 keV từ nguồn phóng xạ Cs-137, giá trị Z_eff đo được cho axit Formic (CH₂O₂) là 4.70, rất gần với giá trị chuẩn NIST là 4.80 (độ lệch 2.02%). Đối với nước cất, giá trị thực nghiệm là 3.31 so với chuẩn 3.33 (độ lệch 0.57%), cho thấy độ tin cậy cao của hệ đo. Tuy nhiên, với axit Sulfuric, độ lệch là 10.17%, cho thấy sự phức tạp và thách thức khi làm việc với các chất có nguyên tố Z cao (Lưu huỳnh Z=16) và mật độ lớn.

5.2. Đánh giá độ chính xác và sai số so với giá trị chuẩn

So sánh giữa kết quả từ mô phỏng phần mềm MCNP và thực nghiệm cho thấy một sự tương đồng về xu hướng, mặc dù có một độ lệch hệ thống (kết quả mô phỏng thường thấp hơn giá trị NIST khoảng 6-7%). Độ lệch này có thể do sự lý tưởng hóa trong mô hình mô phỏng so với điều kiện thực tế. Nhìn chung, kết quả thực nghiệm cho thấy độ phù hợp cao hơn với chuẩn NIST đối với hầu hết các mẫu đo. Việc phân tích sai số chỉ ra rằng độ chính xác của việc xác định nguyên tử số hiệu dụng Z_eff phụ thuộc rất nhiều vào việc kiểm soát các điều kiện thí nghiệm và xử lý phổ chính xác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing - NDT) đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng máy móc, cấu trúc vật liệu và sản phẩm công nghiệp mà không làm suy giảm hay biến đổi khả năng sử dụng của đối tượng khảo sát. Các phương pháp NDT truyền thống đều tồn tại những ưu điểm và giới hạn kỹ thuật riêng:

• Phương pháp siêu âm có chi phí thấp và dễ triển khai nhưng chỉ kiểm tra được bề mặt hoặc độ sâu nông, không xuyên sâu để xác định chính xác các khuyết tật ẩn bên trong vật liệu.
• Phương pháp chụp ảnh phóng xạ có độ chính xác cao nhưng mang lại rủi ro an toàn bức xạ lớn và hình ảnh trên phim không thể hiện trực tiếp thông tin về chiều sâu khuyết tật.
• Phương pháp thẩm thấu chất lỏng phát hiện tốt vết nứt trên bề mặt kim loại phi từ tính nhưng đòi hỏi bề mặt phải sạch và khô, không phù hợp với các mẫu bị bám bẩn hoặc có độ nhám cao.
• Phương pháp gamma tán xạ tuy có tiềm năng khảo sát nhưng phức tạp về cơ sở lý thuyết và cách bố trí hệ đo.

Trong bối cảnh đó, phương pháp gamma truyền qua nổi lên như một công cụ hiệu quả để xác định các thông số tương tác của photon với vật chất, bao gồm hệ số suy giảm, tiết diện tương tác, mật độ electron và nguyên tử số hiệu dụng ($Z_{eff}$). Đối với các đơn chất (nhôm, đồng, chì), nguyên tử số $Z$ là một đại lượng cố định. Tuy nhiên, đối với các hợp chất hoặc hỗn hợp phức tạp (dung dịch lỏng, polyme, hợp kim, mô sinh học), một nguyên tử số đơn lẻ không thể đại diện cho toàn bộ vật liệu. Theo nghiên cứu của Hine, $Z_{eff}$ không phải là hằng số cố định mà là một tham số phụ thuộc vào năng lượng photon và các quá trình tương tác tương ứng.

Bên cạnh $Z_{eff}$, mật độ khối $\rho$ là một tham số vật lý then chốt của chất lỏng. Phương pháp đo mật độ truyền thống dựa trên tỉ số giữa khối lượng và thể tích tuy chính xác nhưng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng đối với các hóa chất độc hại, dễ bay hơi như axit mạnh hay benzene. Việc áp dụng kỹ thuật gamma truyền qua cho phép xác định mật độ chất lỏng trực tiếp bên trong các bình chứa đóng kín mà không cần tiếp xúc vật lý.

Đề tài đặt ra 3 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm:

1. Tính toán các giá trị nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ cho các loại axit bằng phương pháp trực tiếp và phương pháp nội suy.
2. Thực hiện đo đạc thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo bằng phần mềm MCNP6, sau đó so sánh và đánh giá kết quả thu được với cơ sở dữ liệu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật quốc gia Hoa Kỳ (NIST).
3. Xây dựng đường chuẩn mật độ đối với chất lỏng axit dựa trên tỉ số số đếm thực nghiệm và mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các dung dịch axit hữu cơ và vô cơ lỏng (Acetic, Formic, Lactic, Nitric, Phosphoric, Sunfuric, Perchloric, v.v.) cùng mẫu chuẩn nước cất. Đề tài được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thu Hằng dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Đức Tâm tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM (hoàn thành vào tháng 7 năm 2020).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết tương tác bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma khi truyền qua vật chất sẽ tương tác với lớp vỏ electron hoặc hạt nhân nguyên tử thông qua ba hiệu ứng chính:

• Hiệu ứng quang điện: Photon truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết ở lớp trong, làm electron bứt ra khỏi nguyên tử và phát ra tia X đặc trưng. Tiết diện vi phân quang điện tỉ lệ với: $$\sigma_{photo} \sim \frac{Z^5}{E^{7/2}}$$
• Tán xạ Compton: Photon truyền một phần năng lượng cho electron lớp ngoài, làm electron bật ra mang động năng và photon bị tán xạ lệch hướng với năng lượng giảm. Tiết diện tán xạ Compton tỉ lệ với: $$\sigma_{Compton} \sim \frac{Z}{E}$$
• Hiệu ứng tạo cặp: Photon có năng lượng lớn hơn $1022\text{ keV}$ tương tác với trường hạt nhân để tạo thành một cặp electron - positron, sau đó quá trình hủy hạt tạo ra hai photon $511\text{ keV}$. Tiết diện tạo cặp tỉ lệ với: $$\sigma_{pair} \sim Z^2 \ln(E)$$

Tiết diện tương tác tổng cộng được tính bằng: $$\sigma_{total} = \sigma_{photo} + \sigma_{Compt} + \sigma_{pair}$$

Định luật suy giảm chùm tia gamma

Khi chùm tia gamma hẹp đã được chuẩn trực truyền qua lớp vật chất có bề dày $x\text{ (cm)}$ và mật độ khối $\rho\text{ (g/cm}^3)$, cường độ chùm photon suy giảm theo định luật Beer - Lambert: $$I = I_0 e^{-\mu x} = I_0 e^{-\mu_m \rho x}$$ Trong đó:

• $I_0$ và $I$ lần lượt là cường độ chùm tia trước và sau khi đi qua mẫu.
• $\mu$ là hệ số suy giảm tuyến tính ($\text{cm}^{-1}$), được xác định bởi: $\mu = \frac{1}{x} \ln\left(\frac{I_0}{I}\right)$.
• $\mu_m$ là hệ số suy giảm khối ($\text{cm}^2\text{/g}$), liên hệ qua công thức: $\mu_m = \frac{\mu}{\rho}$.
• Đối với hợp chất, $\mu_m$ tuân theo quy tắc cộng tính: $\mu_m = \sum w_i (\mu_m)_i$ với $w_i$ là phần trăm khối lượng của nguyên tố thứ $i$.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ thực nghiệm

1. Phương pháp thực nghiệm:
   • Hệ đo sử dụng đầu dò nhấp nháy NaI(Tl) kết nối bộ xử lý tín hiệu và phần mềm thu nhận phổ ADMCA.
   • Nguồn phóng xạ gamma đơn năng $^{137}\text{Cs}$ phát bức xạ năng lượng $662\text{ keV}$.
   • Mẫu chất lỏng được chứa trong các ống trụ có kích thước hình học xác định.
   • Phổ thực nghiệm được phân tích vùng đỉnh hấp thụ toàn phần (FEA) bằng phần mềm Colegram (khớp đỉnh dạng Gauss kết hợp đường nền One Step) và Origin.
2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo:
   • Sử dụng mã tính MCNP6 (Los Alamos National Laboratory) để mô phỏng sự vận chuyển của photon qua hình học hệ đo và các loại vật liệu axit.
3. Phương pháp xử lý sai số:
   • Sử dụng giải thuật truyền sai số cho các hàm nhiều biến. Phương sai của tỉ số số đếm $R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$ được tính với hệ số $2,58$, tương ứng độ tin cậy $99,99%$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về gamma truyền qua

Chương này hệ thống hóa lịch sử phát hiện tia gamma từ công trình của Paul Villard năm 1900 đến các định danh và mô tả bản chất của Ernest Rutherford năm 1903. Tác giả phân tích chi tiết cơ chế vi mô của ba quá trình tương tác (quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp) và phân bố năng lượng trên phổ gamma thực tế với các thành phần: đỉnh hấp thụ toàn phần (FEA), tán xạ đơn (SS), tán xạ nhiều lần (MS), tán xạ ngược (BS), đỉnh thoát đơn (SPE) và đỉnh thoát đôi (DPE). Chương 1 cũng trình bày định luật suy giảm bức xạ cho chùm tia hẹp, chùm tia rộng (kèm hệ số tích lũy $B$) và mối liên hệ xác định mật độ khối $\rho$.

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

Chương 2 trình bày tổng quan 4 phương pháp xác định $Z_{eff}$ trong các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết:

1. Phương pháp tính trực tiếp: Xác định $Z_{eff}$ từ công thức giải tích dựa trên thành phần khối lượng nguyên tố và hệ số suy giảm khối.
2. Phương pháp tính theo tiết diện nguyên tử: Tính toán $Z_{eff}$ thông qua mối tương quan giữa tiết diện nguyên tử tổng và tiết diện điện tử.
3. Phương pháp nội suy: Xây dựng đường cong chuẩn tiết diện tương tác của các nguyên tố tinh khiết theo nguyên tử số $Z$, sau đó nội suy giá trị $Z_{eff}$ của mẫu hỗn hợp.
4. Phương pháp sử dụng công thức XMuDat: Áp dụng phần mềm và cơ sở dữ liệu chuyên dụng để tính toán nhanh các tham số tương tác.

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

Nội dung chương 3 tập trung mô tả chi tiết quy trình triển khai:

• Thiết lập hệ đo thực nghiệm gamma truyền qua gồm nguồn $^{137}\text{Cs}$, hệ chuẩn trực chì, giá đỡ ống chứa mẫu axit và detector NaI(Tl).
• Xây dựng mô hình MCNP6 mô phỏng cấu trúc đầu dò NaI(Tl), kích thước ống nghiệm và các thẻ vật liệu chứa thành phần hóa học của axit.
• Quy trình xử lý phổ thực nghiệm qua phần mềm Colegram nhằm bóc tách diện tích đỉnh thực nghiệm $N$ và trừ phông nền môi trường trên Origin.
• Thiết lập hệ thống công thức đánh giá sai số thực nghiệm và thuật toán truyền sai số cho tỉ số số đếm $R$.

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

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên 6 loại axit và dữ liệu mô phỏng trên 24 loại axit. Tác giả đối chiếu hệ số suy giảm khối $\mu_m$, tính toán giá trị $Z_{eff}$, kiểm tra tiêu chuẩn hợp lệ $Z_{min} < Z_{eff} < Z_{max}$ và phân tích độ sai biệt tương đối (RD%) so với NIST. Đồng thời, chương 4 thiết lập đường chuẩn tương quan tuyến tính giữa mật độ $\rho$ và $\ln(R)$, chứng minh khả năng đo mật độ chất lỏng không tiếp xúc.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo hệ số suy giảm khối và nguyên tử số hiệu dụng thực nghiệm

Số liệu đo diện tích đỉnh thực nghiệm $N_{TN}$, hệ số suy giảm khối $\mu_m$ và $Z_{eff}$ của 6 loại axit và nước cất khi chiếu xạ bởi nguồn $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$) được tổng hợp dưới đây:

STT	Loại mẫu	Diện tích đỉnh $N_{TN}$ (số đếm)	$\mu_m$ Thực nghiệm ($\text{cm}^2\text{/g}$)	$\mu_m$ NIST ($\text{cm}^2\text{/g}$)	Độ sai biệt $\mu_m$ (%)	$Z_{eff}$ Thực nghiệm	$Z_{eff}$ NIST	Độ sai biệt $Z_{eff}$ (%)
1	Axit Lactic	$70669,83 \pm 685,86$	$0,079 \pm 0,005$	0,082	4,14	$4,13 \pm 0,09$	4,00	3,24
2	Axit Acetic	$71883,80 \pm 691,73$	$0,085 \pm 0,006$	0,082	3,23	$3,83 \pm 0,07$	4,00	4,28
3	Axit Formic	$70488,80 \pm 684,98$	$0,079 \pm 0,005$	0,080	2,18	$4,70 \pm 0,07$	4,80	2,02
4	Axit Nitric	$67690,20 \pm 671,25$	$0,080 \pm 0,005$	0,078	2,05	$6,42 \pm 0,07$	6,43	0,07
5	Axit Photphoric	$61533,98 \pm 640,00$	$0,087 \pm 0,004$	0,079	10,09	$6,04 \pm 0,05$	6,19	2,44
6	Axit Sunfuric	$62405,97 \pm 644,51$	$0,077 \pm 0,004$	0,079	2,20	$7,87 \pm 0,06$	7,14	10,17
7	Nước cất	$72571,39 \pm 695,03$	$0,085 \pm 0,006$	0,086	0,58	$3,31 \pm 0,09$	3,33	0,57

Tất cả giá trị $Z_{eff}$ thực nghiệm đều thỏa mãn điều kiện $Z_{min} < Z_{eff} < Z_{max}$. Ví dụ đối với $\text{H}2\text{SO}4$ cấu thành từ H ($Z=1$), O ($Z=8$), S ($Z=16$), giá trị $Z{eff} = 7,87$ nằm hoàn toàn trong khoảng từ 1 đến 16. Mẫu Axit Nitric có độ sai biệt $Z{eff}$ nhỏ nhất ($0,07%$), trong khi Axit Sunfuric có độ sai biệt lớn nhất ($10,17%$).

So sánh nguyên tử số hiệu dụng giữa mô phỏng MCNP6, thực nghiệm và NIST

Hệ số suy giảm khối lượng của các nguyên tố đơn chất dùng trong tính toán gồm: H ($0,1531$), C ($0,0771$), N ($0,0771$), O ($0,0771$), S ($0,0770$), Cl ($0,0740$) và P ($0,0747\text{ cm}^2\text{/g}$).

Bảng so sánh kết quả $Z_{eff}$ giữa ba phương pháp:

Loại axit	$Z_{eff}$ NIST	$Z_{eff}$ Thực nghiệm	$Z_{eff}$ Mô phỏng	Độ sai biệt RD (%) giữa Mô phỏng và Thực nghiệm
Axit Lactic	4,00	4,13	3,74	9,44
Axit Acetic	4,00	3,83	3,75	2,09
Axit Formic	4,80	4,70	4,49	4,47
Axit Nitric	6,43	6,42	5,87	8,57
Axit Photphoric	6,19	6,04	5,76	4,64
Axit Sunfuric	7,14	7,87	6,65	15,50

Kết quả mô phỏng trên 24 loại axit cho thấy độ lệch tương đối của hệ số suy giảm khối $\mu_m$ so với NIST đều dưới $8%$. Dữ liệu $Z_{eff}$ mô phỏng cũng phù hợp tốt với các công bố trước đây tại năng lượng $1\text{ MeV}$ (như Arachidic: 2,84; Behenic: 2,82; Cerotic: 2,80; Lauric: 2,95; Oleic: 2,93; Palmitic: 2,88; Stearic: 2,86).

Xây dựng đường chuẩn xác định mật độ chất lỏng

Tỉ số số đếm $R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$ được khảo sát trên 21 axit mô phỏng và mẫu nước cất để thiết lập tương quan với mật độ $\rho$:

STT	Loại axit	Mật độ $\rho\text{ (g/cm}^3)$	Tỉ số $R$	$\ln(R)$
1	Oleic	0,781	1,05	0,04
2	Montanic	0,819	1,04	0,04
3	Cerotic	0,820	1,04	0,04
4	Lignoceric	0,821	1,04	0,04
5	Behenic	0,822	1,04	0,03
6	Arachidic	0,824	1,04	0,03
7	Palmitic	0,852	1,03	0,03
8	Palmitoleic	0,894	1,02	0,02
9	Myristic	0,990	1,00	0,00
10	Lauric	1,007	1,00	0,00
11	Acetic	1,045	1,00	0,00
12	Acrylic	1,051	1,00	0,00
13	Leucine	1,170	0,97	-0,03
14	Lactic	1,206	0,97	-0,03
15	Formic	1,220	0,97	-0,03
16	Aminobutanoic	1,230	0,96	-0,04
17	Adipic	1,360	0,94	-0,06
18	Nitric	1,513	0,92	-0,08
19	Photphoric	1,685	0,89	-0,12
20	Perchloric	1,770	0,88	-0,13
21	Sunfuric	1,830	0,87	-0,14
22	Nước cất	1,000	1,00	0,00

Vì tỉ số mô phỏng $R_{MP}$ và thực nghiệm $R_{TN}$ có độ tương thích cao, đường chuẩn $\ln(R)$ theo mật độ $\rho$ cho phép nội suy trực tiếp mật độ của các mẫu axit thực nghiệm với độ tin cậy cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế thực nghiệm: Việc sử dụng các ống chứa mẫu hình trụ tròn làm tăng nguy cơ sai lệch hình học. Rất khó để đảm bảo chùm tia gamma đã chuẩn trực truyền qua chính xác tâm đối xứng của ống trụ và đi thẳng vào tâm bề mặt đầu dò mà không bị lệch góc. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến độ sai biệt lớn ở một số mẫu (Axit Sunfuric chênh lệch $10,17%$ ở thực nghiệm và $15,50%$ so với mô phỏng).
• Hạn chế mô phỏng: Mô hình hình học trong MCNP6 cần tiếp tục được tinh chỉnh chi tiết hơn để giảm thiểu sự chênh lệch có tính hệ thống đối với thực nghiệm.
• Hướng mở rộng: Cải tiến hệ chuẩn trực và cấu trúc giá đỡ ống chứa mẫu, tối ưu hóa các thông số hình học trong tệp đầu vào MCNP6 và mở rộng dải khảo sát sang các dung dịch hóa chất công nghiệp khác.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Vật lý học, Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân và Kỹ thuật an toàn bức xạ.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Quy trình chuẩn hóa việc phân tích phổ kế gamma thực nghiệm bằng phần mềm Colegram và Origin.
• Phương pháp xây dựng tệp dữ liệu đầu vào mô phỏng tương tác bức xạ gamma trên MCNP6.
• Bộ số liệu thực nghiệm và mô phỏng về $\mu_m$, $Z_{eff}$ và tỉ số $R$ của 24 loại axit.
• Phương pháp luận đo mật độ chất lỏng nguy hại trong bình kín bằng kỹ thuật NDT hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ không phải là một hằng số cố định của vật liệu?

Theo Hine (1952), đối với các hợp chất hoặc hỗn hợp, bức xạ gamma tương tác đồng thời với nhiều loại nguyên tử khác nhau. Do xác suất xảy ra của từng hiệu ứng (quang điện tỉ lệ $Z^5/E^{7/2}$, Compton tỉ lệ $Z/E$, tạo cặp tỉ lệ $Z^2\ln(E)$) phụ thuộc vào mức năng lượng của photon tới, giá trị $Z_{eff}$ sẽ thay đổi tương ứng theo năng lượng của chùm bức xạ.

2. Mẫu axit nào có độ sai biệt $Z_{eff}$ thực nghiệm thấp nhất và cao nhất so với dữ liệu chuẩn NIST?

Trong các phép đo thực nghiệm với nguồn $^{137}\text{Cs}$, Axit Nitric đạt độ sai biệt thấp nhất so với NIST là $0,07%$ ($Z_{eff}$ thực nghiệm đạt $6,42 \pm 0,07$ so với NIST là $6,43$). Axit Sunfuric có độ sai biệt lớn nhất là $10,17%$ ($Z_{eff}$ thực nghiệm đạt $7,87 \pm 0,06$ so với NIST là $7,14$).

3. Phương pháp gamma truyền qua khắc phục nhược điểm gì của phương pháp đo mật độ truyền thống?

Phương pháp truyền thống (cân khối lượng và đo thể tích) gây nguy hiểm trực tiếp cho người thực hiện khi tiếp xúc với các hóa chất độc hại, ăn mòn mạnh hoặc dễ bay hơi như axit đặc, benzene. Phương pháp gamma truyền qua cho phép xác định mật độ gián tiếp khi dung dịch vẫn được niêm phong an toàn trong bình chứa kín.

4. Tỉ số $R$ dùng để dựng đường chuẩn mật độ được tính toán như thế nào?

Tỉ số $R$ là tỉ số giữa diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của mẫu axit ($N_{Acid}$) và diện tích đỉnh của mẫu nước cất ($N_{H_2O}$) đo trong cùng điều kiện hình học: $$R = \frac{N_{Acid}}{N_{H_2O}}$$ Khi mật độ chất lỏng tăng từ $0,781\text{ g/cm}^3$ (Oleic) đến $1,830\text{ g/cm}^3$ (Sunfuric), tỉ số $R$ giảm từ $1,05$ xuống $0,87$, tạo nên đường chuẩn tuyến tính theo $\ln(R)$.

5. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá tính hợp lệ của giá trị $Z_{eff}$ tính toán được?

Giá trị nguyên tử số hiệu dụng của một hợp chất được xem là hợp lệ khi nằm trong khoảng giới hạn giữa nguyên tử số nhỏ nhất và lớn nhất của các nguyên tố cấu thành: $Z_{min} < Z_{eff} < Z_{max}$. Toàn bộ các giá trị $Z_{eff}$ thực nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu đều thỏa mãn tiêu chuẩn này.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thu Hằng đã nghiên cứu và ứng dụng thành công phương pháp gamma truyền qua kết hợp mô phỏng Monte Carlo (MCNP6) để xác định nguyên tử số hiệu dụng $Z_{eff}$ và mật độ $\rho$ của các dung dịch axit. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng trên nguồn $^{137}\text{Cs}$ ($662\text{ keV}$) cho thấy sự phù hợp cao với cơ sở dữ liệu chuẩn NIST và các công bố quốc tế. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của kỹ thuật kiểm tra không phá hủy bằng bức xạ hạt nhân trong việc phân tích tham số vật lý của các chất lỏng độc hại trong bình chứa kín.

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 6b4090 276 f85e 7e79a2 7b4 f9d31306 2ff9828 5326 33d3 1409 b83a2 1eabae5 c78 phóng xạ mặc dù cho độ chính xác cao nhưng rủi ro do phóng xạ cũng cao tương 69b235 50a5 c3c862be85 c992 c8a9 d31 cc7 8eb5 4cfda56e 5e9a28 26f8fcf74 565 4bb45 0f2 178 f0e02 f11 f3 f858 dd7 e448a6 231fe65db2a88 2044 c48 1c3 5a24df6 đương và hình ảnh hiện trên phim không cho ta biết chiều sâu khuyết tật. Kiểm tra bc9 b0bcf6 4689 7071a2 696e7 f15 1a28a c446 11fbd8 db86 80ef6b9 8cc9b6 74dc1 df3a6 b9d39e60 7c3 09863 4a0f18e f8e90e f5 f54e 4fe0e e17fc36 91491 3481e 6e 688f0 1fc5a0 f29fe 01a1 f12bc58 e905 f3 c73b1d0e 18686 7c9 5c8 533 ccdd31 d8d bằng chất lỏng thẩm thấu là phương pháp phát hiện các vết nứt trên bề mặt kim loại, 5ac1c03e9 7c0 9d11a 1e51fcb6a1e21 f59a 46c9796 d3ad0 16f5a324 85d6 6092 0b 85cbfd0 b14 f24 f71ee 04fbcfdd5 ed71 5fb4642 584d703 b0754 31c9d59 8785 e42 mối hàn và các vật liệu không nhiễm từ như thép không rỉ. Trong phương pháp này 05bb4 6d10 f6a1 0a49fc87 4f4 ef7ff3 9e845fb 99d8 98157 b65 4c10 7b6 6e5e0 857 203076 c61 1f4 9f0 bca c3e09 e51 c452fb8 e3c6 26d5db4b01 0a9c3f7 752e7 b46e 3 d9d2e cb4 2640a 78d3 1c7 88be 3195e d06 f227a 0a55e6 3c9 5c6 e5bdc8 493b45233 người ta phun chất lỏng có khả năng thẩm thấu và có màu sắc dễ nhận diện lên bề 6241c8cf19 f4fe 18aca c143 58ed f87 5118 5b19 39fdd99 4c7 e0b6 5e9fca936 474 d600 f8f5a5205 f30 0647 0eaa75fb c03a6 cd1 296a7 baff2fde4fc88 c5d8 0e7e8 0 mặt vật cần kiểm tra.

Chất thẩm thấu sẽ ngấm vào và đọng lại ở các vết nứt trên bề 05c20 445 f057 6fba59ac8c4e 9bdf4e 2d37a 6e52e 4d1 fc0 d97e 52033 2486 b108 b 6ac85e 6b36 36b4 1df49 c267 c062 235bd48 0e9ed f9 dbd175b8eb7a 87444 0fa0 7 mặt vật liệu. Sau khi quá trình thẩm thấu kết thúc, người ta loại bỏ sạch phần chất 1dfe7 d7f7cf90a6 f92 74c81be 6be3 cbf7ee2 0416 0b53 5f5 7d8 c76 f1e6e 17e9 fe f3a8e f7a276 b2a0 4f9 2b17a 67137 b8a2 b5c136efb1e 7eaf7 81d1f4 316c593 d2c 0a2f44 210d1bfbcc3a7 35d5 1d13 f37 7b1 72d0 079b6dc0dfc35 e5ac1d8a5 f07 b5 thẩm thấu thừa và tiếp tục lên bề mặt kiểm tra một chất gọi là “chất hiện màu” làm ab5a5c1d67 622e0 44fd9c038a98 b3 f82 f5a071 7f5 9adefb04 4eeafe be3 c4c40e 54813e1 1a2e6a 6638e 29b2 0b7 c7e8a 1f7 92736 b1e8 c7ee ba292 7f7 2950 b4a90 b cho phần chất thẩm thấu nổi rõ. Hạn chế của phương pháp này là bề mặt vật kiểm 87d180a 6f6 794a2 2d3 bb70a 4e2d2289aa8 df113fa 96d4 dd6 0d1 555e5 50f50086 24f6fb cc2 c3e2 d82a 7f4 2dc11d3 f7a8 4c9 d529 044 b7cfa91b4143 0b68 8aca f29 c5eac84c3f6 c86 c63 6c6 9f5ae 9f2 1f1 94c4b94 d1 c92e f3b8 8c4 e9b9a 3b5 cb2 8e tra phải rất sạch và khô vì vậy nó không thích hợp với các bề mặt bị bám bẩn và có b4a4b4 8b05 3489 bfa88 9d0 2057a9 3d2fb dd52 510 c0571 74e5 b5d0 9708 eb22 f03 1be6b6b5 d865 d19a15 7c0 c61 287d53f3bbef7 b31 c9b2 6f7 1494 f5a9 52c6be3 c9 độ nhám cao. Phương pháp gamma tán xạ mặc dù được các nhà nghiên cứu quan 9f937 3257 f26 5f9 43b5 6a1771 9851 f86 54481 0935 c52 003e be480 8c5 d5fba3e7 df50 b161 db0 3291ea f55 69f0537a9 e320 25a6bfdb6a95a68 c4 df2 df6e38a9 623 tâm, nhưng nó phức tạp về mặt lý thuyết và bố trí hệ đo.

Ngoài các phương pháp 2b77ae3 f85 3222 3db95346 d300 0d8 68e6ddad9 20a7ba 014 ce7d06ee8 95a2fa e1 ab38e52 7a1f04aa55 bce 221d5ac4 2f1 4f8 b883 b9c08a42 99f2488 c61 c615 f54 f 9a4dfb005aa 1c4 96bfb25 b1e0 d760 7750 67084 0577 2254fb1 58f03b2 d6b49817 nêu trên, phương pháp gamma truyền qua đang được sử dụng nhiều để xác định các 080f1 60e2 d78 c3f57a67a b43d1d4 9e5d1 7ed5 3e3b57ad1 6592 cc4d62 b9aa8 7e3 d22c57008 165 f64e 080b2350 cf37f2d7a0 6aa0164 4b4aaa b383ae 0d92a cab8b5 thông số tương tác photon với vật liệu và đánh giá khả năng che chắn của vật liệu f8d2 e7f0b0d5d0 c7b2466 32074 e7d5 dee c289 77f33ed0 b62 c2abcf2417 1c5 5ab 79a5e77a d2d6 c3 bc8e 88b1bde 442fe00d6c2 8da41 da9d0585 dc8aa 9f0 c70 f60 4 447b14 faea0 d730 d286 87a0ee 3e82 c349 609d215 f8355a d21 7fd8 774e8 99bf88 d54395a c02 c16 b196 cc74e0 c79 d3a2a7 c15aa 5b71 b9aa86 8194 7ac88 281e 8d76 b48182 8e6b398 c7a71a 5ee1 f02 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 6b4090 276 f85e 7e79a2 7b4 f9d31306 2ff9828 5326 33d3 1409 b83a2 1eabae5 c78 dụng Zeff có thể được tính bằng các phương pháp khác nhau nhưng cụ thể chia 69b235 50a5 c3c862be85 c992 c8a9 d31 cc7 8eb5 4cfda56e 5e9a28 26f8fcf74 565 4bb45 0f2 178 f0e02 f11 f3 f858 dd7 e448a6 231fe65db2a88 2044 c48 1c3 5a24df6 thành hai loại là: phương pháp trực tiếp từ công thức, phương pháp nội suy. Zeff có bc9 b0bcf6 4689 7071a2 696e7 f15 1a28a c446 11fbd8 db86 80ef6b9 8cc9b6 74dc1 df3a6 b9d39e60 7c3 09863 4a0f18e f8e90e f5 f54e 4fe0e e17fc36 91491 3481e 6e 688f0 1fc5a0 f29fe 01a1 f12bc58 e905 f3 c73b1d0e 18686 7c9 5c8 533 ccdd31 d8d thể được suy ra từ nhiều tham số phản ứng khác như: tiết diện phản ứng toàn phần, 5ac1c03e9 7c0 9d11a 1e51fcb6a1e21 f59a 46c9796 d3ad0 16f5a324 85d6 6092 0b 85cbfd0 b14 f24 f71ee 04fbcfdd5 ed71 5fb4642 584d703 b0754 31c9d59 8785 e42 05bb4 6d10 f6a1 0a49fc87 4f4 ef7ff3 9e845fb 99d8 98157 b65 4c10 7b6 6e5e0 857 hệ số suy giảm khối lượng, tỉ số R/C (đối với gamma tán xạ), mật độ electron hiệu 203076 c61 1f4 9f0 bca c3e09 e51 c452fb8 e3c6 26d5db4b01 0a9c3f7 752e7 b46e 3 d9d2e cb4 2640a 78d3 1c7 88be 3195e d06 f227a 0a55e6 3c9 5c6 e5bdc8 493b45233 dụng Neff [3]. Khóa luận trình bày trình bày các cách tính Zeff khác nhau được tổng 6241c8cf19 f4fe 18aca c143 58ed f87 5118 5b19 39fdd99 4c7 e0b6 5e9fca936 474 d600 f8f5a5205 f30 0647 0eaa75fb c03a6 cd1 296a7 baff2fde4fc88 c5d8 0e7e8 0 05c20 445 f057 6fba59ac8c4e 9bdf4e 2d37a 6e52e 4d1 fc0 d97e 52033 2486 b108 b hợp từ các nghiên cứu trước đây nhưng tôi chỉ sử dụng phương pháp tính toán trực 6ac85e 6b36 36b4 1df49 c267 c062 235bd48 0e9ed f9 dbd175b8eb7a 87444 0fa0 7 1dfe7 d7f7cf90a6 f92 74c81be 6be3 cbf7ee2 0416 0b53 5f5 7d8 c76 f1e6e 17e9 fe tiếp và tính toán dựa trên hệ số suy giảm khối lượng m   /  , nghĩa là các phương f3a8e f7a276 b2a0 4f9 2b17a 67137 b8a2 b5c136efb1e 7eaf7 81d1f4 316c593 d2c 0a2f44 210d1bfbcc3a7 35d5 1d13 f37 7b1 72d0 079b6dc0dfc35 e5ac1d8a5 f07 b5 ab5a5c1d67 622e0 44fd9c038a98 b3 f82 f5a071 7f5 9adefb04 4eeafe be3 c4c40e pháp tính phải biết trước về các nguyên tố trong vật liệu.

Trong các nghiên cứu 54813e1 1a2e6a 6638e 29b2 0b7 c7e8a 1f7 92736 b1e8 c7ee ba292 7f7 2950 b4a90 b 87d180a 6f6 794a2 2d3 bb70a 4e2d2289aa8 df113fa 96d4 dd6 0d1 555e5 50f50086 trước đây, tiết diện tổng của một vật liệu hỗn hợp được sử dụng để xác định nguyên 24f6fb cc2 c3e2 d82a 7f4 2dc11d3 f7a8 4c9 d529 044 b7cfa91b4143 0b68 8aca f29 c5eac84c3f6 c86 c63 6c6 9f5ae 9f2 1f1 94c4b94 d1 c92e f3b8 8c4 e9b9a 3b5 cb2 8e b4a4b4 8b05 3489 bfa88 9d0 2057a9 3d2fb dd52 510 c0571 74e5 b5d0 9708 eb22 f03 tử số hiệu dụng bằng cách nội suy từ đồ thị biểu diễn tiết diện tổng của các nguyên 1be6b6b5 d865 d19a15 7c0 c61 287d53f3bbef7 b31 c9b2 6f7 1494 f5a9 52c6be3 c9 9f937 3257 f26 5f9 43b5 6a1771 9851 f86 54481 0935 c52 003e be480 8c5 d5fba3e7 tố tinh khiết như là hàm theo nguyên tử số [4]. Phương pháp này được áp dụng để df50 b161 db0 3291ea f55 69f0537a9 e320 25a6bfdb6a95a68 c4 df2 df6e38a9 623 2b77ae3 f85 3222 3db95346 d300 0d8 68e6ddad9 20a7ba 014 ce7d06ee8 95a2fa e1 ab38e52 7a1f04aa55 bce 221d5ac4 2f1 4f8 b883 b9c08a42 99f2488 c61 c615 f54 f xác định Zeff cho các mô sinh học, các vật liệu ứng dụng đo liều, phân biệt mô 9a4dfb005aa 1c4 96bfb25 b1e0 d760 7750 67084 0577 2254fb1 58f03b2 d6b49817 080f1 60e2 d78 c3f57a67a b43d1d4 9e5d1 7ed5 3e3b57ad1 6592 cc4d62 b9aa8 7e3 thường và mô ung thư [4].