Tài liệu Khảo sát bề dày vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược Gamma sử dụng chương trình MCNP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ -----------------------------ĐOÀN THỊ ÁNH XUÂN KHẢO SÁT BỀ DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ NGƯỢC GAMMA SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ----------------------------- ĐOÀN THỊ ÁNH XUÂN KHẢO SÁT BỀ DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ NGƯỢC GAMMA SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS. HOÀNG ĐỨC TÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2012 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi muốn dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến ThS. Hoàng Đức Tâm – giảng viên hướng dẫn tôi thực hiện đề tài luận văn này. Thầy chính là người đã định hướng, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và cho tôi những nhận xét quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn với hiệu quả cao nhất. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Thiện Thanh, giảng viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã dành cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện mô phỏng. Xin bày tỏ lòng biết ơn quý Thầy Cô Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã đem đến cho tôi những giờ giảng thú vị và những bài giảng chất lượng là nền tảng kiến thức vững chắc để thực hiện đề tài luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn luôn quan tâm, giúp đỡ và động viên tôi suốt thời gian học tập dưới mái trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh và trong suốt khoảng thời gian tôi thực hiện luận văn. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 6 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 8 CHƯƠNG 1 - PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ NGƯỢC GAMMA KHẢO SÁT BỀ DÀY VẬT LIỆU .......................................................................................................... 11 1.1. Tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất [1, 7, 9] ........................................ 11 1.1.1. Hiệu ứng quang điện ................................................................................. 11 1.1.2. Hiệu ứng tạo cặp ........................................................................................ 12 1.1.3. Tán xạ Compton ........................................................................................ 12 1.2. Ứng dụng tán xạ ngược gamma đo bề dày vật liệu .......................................... 13 1.2.1. Sự suy giảm cường độ bức xạ gamma khi đi qua vật chất [1] .................. 13 1.2.2. Phương pháp tán xạ ngược gamma xác định bề dày vật liệu .................... 15 CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ CẤU TRÚC XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP ......................................................................................... 18 2.1. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo............................................................... 18 2.1.1. Phương pháp Monte Carlo [2, 8] ............................................................... 18 2.1.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo [2] ........................................... 19 2.1.2.1. Định lý giới hạn trung tâm ......................................................... 20 2.1.2.2. Luật số lớn ................................................................................... 20 2.1.2.3. Số ngẫu nhiên .............................................................................. 20 2.1.3. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp Monte Carlo............. 20 2.1.3.1. Độ lệch chuẩn S x và sai số tương đối R ...................................... 21 2.1.3.2. Tiêu chuẩn FOM ......................................................................... 22 2.2. Chương trình MCNP [10, 11] ............................................................................ 22 2.2.1. Sơ lược về MCNP ..................................................................................... 22 2.2.2. Khai báo chương trình MCNP [11] ........................................................... 23 2.2.2.1. Cấu trúc một tệp đầu vào của chương trình MCNP ................... 23 2.2.2.2. Hình học trong MCNP ................................................................ 24 2.2.2.3. Khai báo ô mạng (Cell Card) ...................................................... 24 2.2.2.4. Khai báo mặt mạng (Surface Card) ............................................. 25 2.2.2.5. Khai báo dữ liệu (Data Card) ...................................................... 25 2.2.3. Đánh giá Tally F8 ...................................................................................... 27 CHƯƠNG 3 – MÔ PHỎNG HỆ ĐO TÁN XẠ NGƯỢC GAMMA SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP ................................................................................................ 28 3.1. Cấu hình hệ đo và mô phỏng hệ đo bằng chương trình MCNP ............................ 28 3.1.1. Cấu hình hệ đo ........................................................................................... 28 3.1.1.1. Nguồn Cs-137 [14] ...................................................................... 29 3.1.1.2. Vật liệu cần đo bề dày ................................................................. 29 3.1.1.3. Đầu dò NaI [13] ........................................................................... 29 3.1.2. Mô hình hóa hệ đo bằng chương trình MCNP .......................................... 32 3.1.2.1. Khai báo....................................................................................... 32 3.1.2.2. Xử lý kết quả thu được [4] .......................................................... 34 3.2. Kết quả và thảo luận.................................................................................................. 36 3.2.1. Năng lượng tán xạ Compton ..................................................................... 36 3.2.2. Nhận xét về mối liên hệ giữa bề dày và cường độ tán xạ ......................... 39 3.2.2.1. Kết quả thu được từ mô phỏng đối với vật liệu giấy đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ................................................ 40 3.2.2.2. Kết quả thu được từ mô phỏng đối với vật liệu nhôm đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ................................................ 43 3.2.2.3. Kết quả thu được từ mô phỏng đối với vật liệu thép đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ................................................ 46 3.2.2.4. Kết quả thu được từ mô phỏng đối với vật liệu đồng đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ................................................ 49 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 53 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 56 PHỤ LỤC............................................................................................................................ 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tán xạ Compton ........................................................................................... 12 Hình 1.2: Chùm tia gamma chiếu xuyên qua vật chất ................................................ 14 Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm cường độ chùm tia gamma khi chiếu qua vật chất .......................................................................................................................... 15 Hình 1.4: Sơ đồ mô phỏng phương pháp tán xạ ngược gamma [3] ............................. 15 Hình 1.5: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tán xạ và bề dày vật liệu ............ 16 Hình 1.6: Nguyên tắc xác định số đếm tổng ................................................................ 17 Hình 2.1: Sơ đồ thuật toán của phương pháp Monte Carlo ......................................... 19 Hình 2.2: Cấu trúc một ô mạng .................................................................................... 25 Hình 3.1: Cấu hình hệ đo tán xạ ................................................................................... 28 Hình 3.2: Mô phỏng nguồn Cs-137.............................................................................. 29 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma ....................................................................... 30 Hình 3.4: Cấu trúc vùng hoạt động bên trong đầu dò NaI ........................................... 31 Hình 3.5: Các ô mạng và mặt mạng cấu thành đầu dò NaI .......................................... 32 Hình 3.6: Phổ tán xạ mô phỏng đối với vật liệu nhôm dày 4cm.................................. 35 Hình 3.7: Phổ tán xạ mô phỏng không vật liệu ............................................................ 35 Hình 3.8: Phổ tán xạ mô phỏng đã trừ đối với vật liệu nhôm dày 4cm ....................... 35 Hình 3.9: Sự suy giảm năng lượng chùm tia gamma tán xạ ........................................ 37 Hình 3.10: Đồ thị biễu diễn số đếm tổng theo bề dày thu được mô phỏng và từ hàm làm khớp đối với vật liệu giấy đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò............ 41 Hình 3.11: Bề dày bão hòa của giấy ........................................................................... 42 Hình 3.12: Đồ thị biễu diễn số đếm tổng theo bề dày thu được mô phỏng và từ hàm làm khớp đối với vật liệu nhôm đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ......... 44 Hình 3.13: Bề dày bão hòa của nhôm .......................................................................... 45 Hình 3.14: Đồ thị biễu diễn số đếm tổng theo bề dày thu được mô phỏng và từ hàm làm khớp đối với vật liệu thép đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò............ 47 Hình 3.15: Bề dày bão hòa của thép ............................................................................ 48 Hình 3.16: Đồ thị biễu diễn số đếm tổng theo bề dày thu được mô phỏng và từ hàm làm khớp đối với vật liệu đồng đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò .......... 50 Hình 3.17: Bề dày bão hòa của đồng ........................................................................... 51 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Ý nghĩa giá trị sai số tương đối .................................................................... 22 Bảng 2.2: Cấu trúc của một tệp đầu vào....................................................................... 23 Bảng 3.1: Bảng số liệu FWHM theo năng lượng và giá trị năng lượng tương ứng với kênh đo .................................................................................................................... 31 Bảng 3.2: Năng lượng tán xạ theo bề dày đối với giấy, nhôm, thép, đồng đặt nghiêng góc 30o so với trục đầu dò ............................................................................... 37 Bảng 3.3: Năng lượng tán xạ theo bề dày đối với giấy, nhôm, thép, đồng đặt nghiêng góc 45o so với trục đầu dò ............................................................................... 38 Bảng 3.4: Bảng giá trị số đếm tổng theo bề dày đối với vật liệu giấy đặt nghiêng góc 30o và góc 45o so với trục đầu dò thu được từ mô phỏng ..................................... 40 Bảng 3.5: Hàm làm khớp biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tổng và bề dày đối với vật liệu giấy đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục của đầu dò................................... 40 Bảng 3.6: Số đếm tổng theo bề dày thu được từ mô phỏng và suy ra từ hàm làm khớp đối vật liệu giấy đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò .......................... 41 Bảng 3.7: Bảng giá trị số đếm tổng theo bề dày đối với vật liệu nhôm đặt nghiêng góc 30o và góc 45o so với trục đầu dò thu được từ mô phỏng ...................................... 43 Bảng 3.8: Hàm làm khớp biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tổng và bề dày đối với vật liệu nhôm đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục của đầu dò ................................ 43 Bảng 3.9: Số đếm tổng theo bề dày thu được từ mô phỏng và suy ra từ hàm làm khớp đối vật liệu nhôm đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ........................ 44 Bảng 3.10: Bảng giá trị số đếm tổng theo bề dày đối với vật liệu thép đặt nghiêng góc 30o và góc 45o so với trục đầu dò thu được từ mô phỏng ...................................... 46 Bảng 3.11: Hàm làm khớp biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tổng và bề dày đối với vật liệu thép đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục của đầu dò................................... 46 Bảng 3.12: Số đếm tổng theo bề dày thu được từ mô phỏng và suy ra từ hàm làm khớp đối vật liệu thép đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò .......................... 47 Bảng 3.13: Bảng giá trị số đếm tổng theo bề dày đối với vật liệu đồng đặt nghiêng góc 30o và góc 45o so với trục đầu dò thu được từ mô phỏng ...................................... 49 Bảng 3.14: Hàm làm khớp biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tổng và bề dày đối với vật liệu đồng đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục của đầu dò ................................. 49 Bảng 3.15: Số đếm tổng theo bề dày thu được từ mô phỏng và suy ra từ hàm làm khớp đối vật liệu đồng đặt nghiêng góc 30o và 45o so với trục đầu dò ......................... 50 Bảng 3.16: Bề dày bão hòa của các loại vật liệu .......................................................... 52 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay việc xác định bề dày, cấu trúc của vật liệu, kiểm tra khuyết tật sản phẩm bằng phương pháp tán xạ ngược gamma tuy được nghiên cứu rộng rãi nhưng chưa được áp dụng mạnh mẽ vào công nghiệp do việc bố trí thực nghiệm để đạt đến điều kiện tối ưu rất khó khăn và tốn kém. Do đó việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo nhằm hỗ trợ quá trình khảo sát thực nghiệm ngày càng chiếm ưu thế, đặc biệt là sử dụng chương trình mô phỏng MCNP (viết tắt của cụm từ Monte Carlo N -Particle). Tuy nhiên tại Việt Nam, số công trình nghiên cứu và sử dụng chương trình mô phỏng MCNP để khảo sát phương pháp tán xạ ngược gamma còn khá hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu của thực tế, mong muốn được nghiên cứu, tìm hiểu đồng thời tạo cơ sở cho các quá trình thực nghiệm xác định bề dày vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược gamma là động lực giúp tôi chọn đề tài “Khảo sát bề dày vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược gamma sử dụng chương trình MCNP” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài Khảo sát bề dày một số loại vật liệu đơn giản như giấy, nhôm, thép, đồng và xác định bề dày bão hòa của từng loại vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược gamma sử dụng chương trình mô phỏng MCNP, hệ đo được sử dụng là đầu dò NaI và nguồn Cs-137 phát bức xạ gamma. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài có những nhiệm vụ cơ bản sau: - Nghiên cứu những kiến thức cơ bản về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất và phương pháp tán xạ ngược gamma trong việc khảo sát bề dày vật liệu, tìm hiểu cấu hình hệ đo. - Nghiên cứu những kiến thức tổng quan về chương trình mô phỏng MCNP, cách viết một chương trình MCNP. - Nghiên cứu hệ đo tán xạ ngược gamma hiện có tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh. - Vận dụng hiệu quả những kiến thức được nêu ở trên để mô phỏng tán xạ ngược gamma khảo sát bề dày vật liệu bằng chương trình MCNP. - Tìm hiểu và sử dụng thành thạo các phần mềm hỗ trợ để được kết quả tối ưu. 4. Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu thành công những nội dung kiến thức cần thiết cho việc thực hiện đề tài tôi đã sử dụng: Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu những giáo trình, tài liệu, tạp chí khoa học và những trang Web tin cậy để có những kiến thức cần thiết phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài. Nghiên cứu các phần mềm hỗ trợ xử lý phổ và phần mềm xử lý số liệu hạt nhân. Phương pháp thu nhận dữ kiện: Trao đổi và thu nhận ý kiến đóng góp của giáo viên hướng dẫn và những tác giả đã từng nghiên cứu đề tài khoa học có liên quan. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Viết chương trình mô phỏng tán xạ ngược gamma đối với hệ đo tán xạ của phòng thí nghiệm Vật lý hạt nhân Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. Sử dụng có hiệu quả những phần mềm xử lý số liệu hạt nhân để xử lý kết quả thu được. 5. Nội dung chính của đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận thì kết cấu của luận văn gồm 3 phần chính: Chương 1: Phương pháp tán xạ ngược gamma khảo sát bề dày vật liệu. Nội dung chính của chương là những kiến thức cơ bản về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất và phương pháp tán xạ ngược gamma xác định bề dày vật liệu. Chương 2: Tổng quan về mô phỏng và cấu trúc chương trình MCNP. Trong chương này tôi sẽ trình bày những kiến thức tổng quan về chương trình MCNP, cấu trúc và cách viết một tệp đầu vào MCNP. Chương 3: Mô phỏng hệ đo tán xạ ngược gamma bằng sử dụng chương trình MCNP. Chương 3 bao gồm những nội dung chính về cấu hình hệ đo tán xạ ngược gamma trong mô phỏng, những thao tác cơ bản để xử lý kết quả mô phỏng và kết quả đạt được. CHƯƠNG 1 - PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ NGƯỢC GAMMA KHẢO SÁT BỀ DÀY VẬT LIỆU 1.1. Tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất [1, 7, 9] Bức xạ gamma là sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử (khoảng 10-8 cm), bức xạ này cũng mang lưỡng tính sóng hạt, giới hạn năng lượng thấp nhất của lượng tử gamma là 10KeV. Công thức 1.1 cho biết liên hệ giữa năng lượng và bước sóng gamma: E= 2π hc λ (1.1) Trong đó E (keV) là năng lượng bức xạ gamma, λ là bước sóng của bức xạ gamma, h là hằng số Planck, c là vận tốc ánh sáng. Giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma cũng bị hấp thụ bởi môi trường, chủ yếu do tương tác điện từ. Khi xét đến cơ chế tương tác của bức xạ gamma với môi trường ta phải xét đến tính lượng tử, nghĩa là tính chất sóng hạt của bức xạ gamma. Tính lượng tử của bức xạ gamma rất rõ nét vì bước sóng bức xạ gamma nhỏ hơn khoảng cách giữa nguyên tử và electron. Tương tác giữa bức xạ gamma với môi trường vật chất xảy ra theo 3 cơ chế chính: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tạo cặp, tán xạ Compton. 1.1.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma với electron liên kết trong nguyên tử. Bức xạ gamma bị hấp thụ trong môi trường giải phóng electron từ lớp vỏ nguyên tử, nguyên tử bị ion hóa. Cuối cùng nguyên tử chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra tia X đặc trưng. Hiệu ứng quang điện là cơ chế hấp thụ chính đối với bức xạ gamma có năng lượng thấp, vai trò của hiệu ứng quang điện trở nên không đáng kể đối với bức xạ gamma có năng lượng cao. 1.1.2. Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi năng lượng của photon rất lớn so với giá trị 2m o c2 (tức là E >> 1,022 MeV). Khi đó một electron và một positron được tạo ra với sự hủy photon.Positron có thời gian sống rất ngắn và bị hủy để tạo thành hai photon có năng lượng bằng nhau và ngược hướng. 1.1.3. Tán xạ Compton Tán xạ Compton là tán xạ không đàn hồi giữa bức xạ gamma với electron của nguyên tử. Khi bức xạ gamma đi vào môi trường sẽ tương tác với một electron, truyền cho electron một phần năng lượng và bức electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử. Tia gamma tới bị tán xạ theo một góc nào đó với năng lượng nhỏ hơn năng lượng bức xạ tới. Hình 1.1: Tán xạ Compton Giả sử trước lúc va chạm, electron đứng yên, áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng cho hệ electron và lượng tử gamma, ta có thể xác định được năng lượng của tia gamma tán xạ bằng công thức 1.2: E' = Trong đó E E 1+ (1 − cosθ ) mo c 2 E: năng lượng của lượng tử gamma ban đầu E’: năng lượng của lượng tử gamma tán xạ (1.2) m o c2: năng lượng nghỉ của electron θ: góc hợp bởi hướng ban đầu của lượng tử gamma tới và lượng tử gamma tán xạ. Từ kết quả trên nhận thấy năng lượng của tia gamma tán xạ chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ tới và góc tán xạ. Khi năng lượng của lượng tử gamma tăng thì hiệu ứng hấp thụ quang điện trở thành cơ chế tương tác thứ yếu. Hiệu ứng Compton trở thành cơ chế tương tác chiếm ưu thế trong khoảng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết trung bình của electron trong nguyên tử. Xác suất tương tác giữa các loại tương tác trên phụ thuộc vào năng lượng của photon tới. Các loại tương tác này góp phần làm suy giảm cường độ chùm photon khi đi qua vật chất. Đồng thời với những loại vật liệu khác nhau có đặc tính hấp thụ photon khác nhau và được đặc trưng bởi hệ số hấp thụ µ. Ngoài ra đối với một loại vật chất xác định thì sự suy giảm chùm gamma chiếu tới vật chất còn phụ thuộc vào bề dày của vật chất đó. 1.2. Ứng dụng tán xạ ngược gamma đo bề dày vật liệu Dựa trên cơ sở lý thuyết về tương tác giữa bức xạ gamma với vật chất, người ta đã thiết lập nhiều phương pháp xác định bề dày hay mật độ của các loại vật liệu. Hai phương pháp thông dụng nhất là: phương pháp gamma truyền qua và phương pháp tán xạ ngược gamma. Mặc dù phương pháp gamma truyền qua được sử dụng rộng rãi nhưng còn vướng phải một số hạn chế cần được thay thế bởi phương pháp tán xạ ngược gamma. Và bây giờ tôi sẽ giới thiệu hai phương pháp nêu trên bằng những khái niệm sau: 1.2.1. Sự suy giảm cường độ bức xạ gamma khi đi qua vật chất [1] Ở phần 1.1.3 tôi đã đề cập đến hệ số hấp thụ µ là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ photon của từng loại vật liệu. Hệ số này phụ thuộc vào loại vật liệu và năng lượng của lượng tử gamma. Trong trường hợp chiếu một chùm tia gamma đơn năng và song song tới một lớp vật chất bề dày x, chùm tia gamma có có cường độ ban đầu là A 0 , sau khi đi qua lớp vật chất thì cường độ A của chùm tia gamma được xác định bằng biểu thức 1.3. Sự suy giảm cường độ bức xạ gamma trong trường hợp này chủ yếu do sự hấp thụ quang điện của vật chất. Từ công thức trên nếu xác định được cường độ bức xạ gamma sau khi truyền qua vật chất ta sẽ xác định được bề dày x của vật liệu. Đây là phương pháp đo bề dày vật liệu bằng phương pháp gamma truyền qua. Phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện trong nhiều trường hợp với hiệu suất khá cao. Thế nhưng trong một số trường hợp đặc biệt thì việc đo bề dày vật liệu bằng phương pháp này gặp khó khăn vì không thể bố trí nguồn và đầu dò nằm về hai phía đối nhau so với vật chất như hình vẽ. Như vậy để khắc phục hạn chế này có thể bố trí nguồn và đầu dò nằm một phía so với vật chất và đo bề dày vật liệu bằng phương pháp tán xạ ngược gamma. A = A0 e- µ x (1.3) Vật chất Nguồn Đầu dò A Ao x Hình 1.2: Chùm tia gamma chiếu xuyên qua vật chất A/A0 1 d 0 Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm cường độ chùm tia gamma khi chiếu qua vật chất 1.2.2. Phươngpháp tán xạ ngược gamma xác định bề dày vật liệu Phương pháp tán xạ ngược gamma có thể được bố trí hệ đo như hình 1.4. Theo bố trí thí nghiệm hình 1.4 thì sau khi truyền đến vật chất thì chùm tia gamma tán xạ bị lệch một góc θ so với chùm tia gamma tới và cường độ của chia tán xạ bị suy giảm. Vật chất θ Nguồn Chùm tia gamma tán xạ Buồng chì Đầu dò NaI Hình 1.4: Sơ đồ mô phỏng phương pháp tán xạ ngược gamma [3] Hình 1.5: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa số đếm tán xạ và bề dày vật liệu Trong luận văn này tôi đề xuất hàm làm khớp số đếm tổng và bề dày vật liệu có dạng hàm cho bởi biểu thức 1.4 [6]: I= a + bx + cx 2 + dx 3 + ex 4 + fx 5 (1.4) Trong đó I là số tổng(số đếm tán xạ) và x là bề dày vật liệu. Dựa vào đồ thị hình 1.5 thấy rằng: khi bề dày vật liệu tăng lên thì cường độ chùm tia tán xạ cũng tăng theo, và khi bề dày chưa lớn lắm thì cường độ chùm tia tán xạ tăng gần như tuyến tính khi bề dày tăng. Nhưng khi bề dày của vật liệu đạt đến một giá trị nào đó thì cường độ chùm tia tán xạ tăng rất chậm và đạt giá trị bão hòa. Bề dày mà cường độ tán xạ đạt giá trị bão hòa gọi là bề dày bão hòa. Bề dày bão hòa rất quan trọng trong việc khảo sát tán xạ ngược gamma, vượt quá bề dày này thì phép đo không còn chính xác nữa. Bề dày bão hòa của một loại vật liệu xác định phụ thuộc vào nhiều yếu tố: năng lượng của nguồn đồng vị phóng xạ, hoạt độ nguồn, cách bố trí hình học của hệ đo….. Ngoài ra đối với những vật liệu khác nhau thì cường độ tán xạ còn phụ thuộc vào mật độ của vật liệu. Do hệ số hấp thụ của những loại vật liệu khác nhau là khác nhau nên cường độ tán xạ gamma thay đổi phức tạp theo mật độ. Ở mật độ thấp thì cường độ tán xạ tăng khi mật độ tăng, khi mật độ đạt đến một giá trị nào đó thì cường độ tán xạ đạt cực đại và sẽ giảm khi mật độ tiếp tục tăng. Những điều cần lưu ý khi thực hiện thí nghiệm tán xạ chùm tia gamma lên vật chất để xác định bề dày vật liệu: + Bố trí hệ đo ứng với một góc tán xạ cố định và thay đổi bề dày vật liệu. Ứngvới mỗi giá trị bề dày tiến hành ghi nhận lại số đếm tổng giới hạn phía dưới đỉnh tán xạ. Để thực hiện được điều này thì người làm thực nghiệm cần tiến hành đo phổ không có chứa vật liệu và phổ có chứa vật liệu tán xạ. Đối với tất cả kết quả thu được từ những bề dày khác nhau dùng chương trình xử lý phổ (ví dụ như phần mềm Genie 2000 được trình bày rõ ở phần phụ lục 3) để tiến hành trừ phông, trên phổ sau khi trừ phông xác định vị trí đỉnh tán xạ Compton, giới hạn vùng diện tích dưới đỉnh tán xạ bằng cách lấy về bên trái và bên phải của đỉnh phổ một sô kênh xác định. Diện tích thu được chính bằng số đếm tổng giới hạn bởi đỉnh tán xạ như hình 1.6. + Từ các cặp giá trị số đếm và bề dày có thể biễu diễn chúng trên đồ thị rồi tìm hàm làm khớp phù hợp biểu diễn mối liên hệ giữa bề dày và số đếm. Đỉnh tán xạ Số đếm Số đếm tổng Kênh đo Hình 1.6: Nguyên tắc xác định số đếm tổng